Сталі вуглецеві, нелеговані

У цю групу входить великий перелік сталей. Вони не містять дорогих і дефіцитних легуючих компонентів і тому малозатратні у виробництві. Завдяки цінової доступності та універсальним фізико-механічними властивостями вуглецеві марки є загальнодоступними й широко застосовуються для виробництва металопрокату та затребувані в будівництві, інжинірингу та сільському господарстві.

Визначення

Вуглецева нелегована сталь – складний залізовуглецевий сплав, в якому частка вуглецю становить від 0,06 до 0,62%. У ній відсутні спеціально введені легуючі елементи, але присутні розкисники й технологічні домішки. В цілому кількість інших компонентів, крім заліза (Fe) і вуглецю (С), лежить в межах 0,8...1,5%.

На вуглецеві сталі класифікація передбачає поділ відразу на кілька груп. При цьому категорії охоплюють різні марки сталей зі схожими якостями та технологічними характеристиками, що спрощує вибір на практиці й дозволяє споживачу більш грамотно орієнтуватися в широкому і різноманітному марочному асортименті.

Класифікація вуглецевих сталей за кількістю вуглецю

Як хімічний елемент, вуглець істотно впливає на ключові технологічні характеристики сталей. І на основі його масової частки їх класифікують на:

• низьковуглецеві. Містять вуглець в кількості менше ніж 0,25%. Вони добре зварюються, флокенонечутливі та не схильні до відпускної крихкості. Пластичні, але менш міцні й більш м'які. Для поліпшення їх механічних властивостей термічна обробка не використовується;
• середньовуглецеві. Містять вуглець в межах 0,3...0,6%. Відрізняються невисокою прожарюваністю й середніми параметрами міцності, пластичності й зварюваності. Можуть загартовуватися з наступним відпуском;
• високовуглецеві. У них концентрація вуглецю перевищує 0,6%. Мають високу твердість, ударну в'язкість і зносостійкість. Відрізняються низькою пластичністю і вважаються важкозварювальними.

На вуглецеві сталі класифікація і маркування нескладні, але все ж простому споживачеві досить складно в ній орієнтуватися. Головне запам'ятати, чим більший вміст вуглецю, тим вище номер марки сталі.

Класифікація за способом розкислення

Процес розкислення сталі є важливим технологічним етапом, що визначає зерно й однорідність металевої структури. Він тісно пов'язаний з дегазацією розплавленого металу і заснований на введенні розкисників – кремнію, марганцю та алюмінію. Коли охолодження у виливницях відбувається спокійно і без активного виділення газів, що нагадує кипіння, це мінімізує концентрацію газів та неметалевих включень в металі.

За ступенем розкислення вуглецеві сталі поділяються на три види:

• киплячі. Менш якісні та найбільш дешеві марки. Проявляють найбільшу схильність до старіння, а також до утворення тріщин після зварювання;
• напівспокійні. Розкислені не до кінця й тому за своїми параметрами і якістю займають середнє положення між киплячими та спокійними сталями;
• спокійні. Є найбільш розкисленими та якісними, бо відрізняються дрібнозернистою структурою й хімічною однорідністю. Найдорожчі, але у порівнянні з киплячими та напівспокійними мають кращі технологічні характеристики та більш високі механічні властивості.

Класифікація за якістю

Нелегована сталь розділяється на марки звичайної якості, якісні та високоякісні. Класифікація виконується на основі якісних характеристик металу, які в основному формуються на стадії виплавки та визначаються вмістом шкідливих технологічних домішок фосфору (P) і сірки (S).

• Вуглецеві сталі звичайної якості. У їх складі кількість вуглецю не перевищує 0,49%, а зміст постійних технічних домішок сірки й фосфору лежить в межах 0,04...0,06%. Вони можуть виплавлятися в мартенівських, киснево-конвертерних та електродугових печах і мають ферит-перлітну структуру. Поставляються згідно ДСТУ 2651/ГОСТ 380. Стандарт допускає хімічну неоднорідність металу і підвищений вміст марганцю (Mn).
• Якісні сталі. Їх відрізняє знижений вміст сірки та фосфору, кількість яких строго контролюється і не повинно перевищувати 0,035%. Мають поліпшені механічні характеристики й після термозміцнення мають структуру «ферит + перліт». Можуть виплавлятися в різних сталеплавильних агрегатах промислового типу. Поставляються відповідно до ДСТУ 7809 та ГОСТ 1050.
• Високоякісні сталі. Марки з точно регламентованим вмістом сірки й фосфору та однорідною дрібнозернистою структурою. Масова частка S і P в них не перевищує 0,03%.

Класифікація за призначенням

Вуглецеві конструкційні сталі характеризуються досить хорошими механічними властивостями, які визначаються шляхом проведення стандартних випробувань, і відрізняються конструктивною міцністю. Вони призначені для штучного і масового виготовлення зварних і збірних металевих конструкцій і для виробництва різних деталей машин і агрегатів.

Серед конструкційних вуглецевих сталей також прийнято розрізняти такі марки:

• ливарні. Використовуються для виготовлення відливок;
• котельні. Їх цільове призначення – деталі та конструктивні частини котлів, арматури й посудин, що працюють під тиском;
• автоматні. Відрізняються поліпшеною оброблюваністю, легко піддаються різанню та знижують знос інструментального оснащення. Тому їх широко використовують для автоматизованого виробництва деталей на універсальних та спеціальних верстатах.

Інструментальна вуглецева сталь застосування має більш специфічне і характеризується високою твердістю, теплостійкістю і зносостійкістю. Такі марки містять вуглець в межах 0,7...1,5% і можуть використовуватися для виготовлення різального та вимірювального промислового і лабораторного інструменту, штампувального оснащення та пробійників.

Вуглецеві сталі звичайної якості на основі гарантованих характеристик і з урахуванням характеру застосування класифікуються на наступні категорії: сталі групи А (Ст0...Ст6) поставляються за механічними властивостями, сталі групи Б (БСт0...БСт6) – за хімічним складом, сталі групи В (ВСт1...ВСт5) – за механічними характеристиками і хімскладом.

Склад і характеристики

Виходячи з визначення що таке вуглецева сталь зрозуміло, що основними елементами в її складі є залізо (Fe) і вуглець (C). Крім основних технологічних характеристик вони зумовлюють її схильність до корозії та іржавіння – основний недолік. Але на механічні властивості нелегованих марок впливають й інші компоненти, що входять до складу. Звичайно, їх дія проявляється не настільки значно, як в легованих сталях, проте вони також певною мірою впливають на якість і властивості сталей.

Таблиця 1 – Перелік основних компонентів вуглецевих сталей

З огляду на великий марочний асортимент, кожна нелегована сталь хімічний склад повинна мати в чітко обумовлених співвідношеннях основних елементів. Тому фахівці оперують відразу декількома стандартами:

• ДСТУ 2651/ГОСТ 380. За ним виготовляються і поставляються марки конструкційних вуглецевих сталей звичайної якості;
• ДСТУ 7809 і ГОСТ 1050. Визначають хімічний склад й характеристики якісних нелегованих сталей;
• ДСТУ 5952/ГОСТ 1435. Регламентують технічні умови (ТУ) поставок інструментальних вуглецевих сталей якісних і високоякісних.
• ГОСТ 977. Описує ТУ виробництва і поставок ливарних сталей.

Позначення та маркування

У світовій практиці використовується кілька систем маркування сталей. В Україні та в країнах СНД прийнята загальна буквено-цифрова система маркування.

ДСТУ 2651/ГОСТ 380 обумовлюють, що для марок звичайної якості в обов'язковому порядку прописується скорочення «Ст» і вказується число, що відображає умовний номер марки сталі з урахуванням її хімічного складу і механічних характеристик.

Таблиця 2 – Вуглецеві сталі звичайної якості

Спокійна сталь позначається скороченням «сп», але для таких марок допускається не вказувати це маркування. Для киплячих та напівспокійних марок після цифр прописується абревіатура «кп» або «пс» відповідно.

Якщо сталь звичайної якості містить марганець у кількості, що перевищує 0,8%, після цифрового позначення прописується буква «Г». Приклад – Ст4Гпс або Ст6Гсп.

Якісна вуглецева сталь властивості має більш високі й в її маркуванні вже не пишеться скорочення «Ст», але прописується подвійне цифрове маркування – кількість вуглецю, виражене у сотих частках відсотка. Приклад – 08пс, 20пс, 55.

У маркуванні вуглецевої інструментальної сталі прописується буквений символ «У» і число – середній вміст вуглецю, виражений у десятих частках відсотка. Для високоякісних інструментальних сталей прийнято після числового позначення додавати букву «А», а буква «Г» вказує, що сталь містить підвищену кількість марганцю. Приклад – У7, У8ГА, У9А.

В позначенні ливарних марок сталі крім числового еквівалента вмісту вуглецю прописується буква «Л», а для котельних – буква «К».

Приклади розшифрування вуглецевих сталей

Застосування

Вуглецева сталь – конструкційний матеріал широкої сфери застосування. Її використовують в цивільному та промисловому будівництві, важкому й легкому машинобудуванні, приладобудуванні та вагонобудуванні. З таких марок виготовляють деталі, збірні вузли, елементи корпусів і обшивки різноманітних виробничих та сільськогосподарських механізмів й агрегатів.

Таблиця 3 – Приклад застосування конструкційних нелегованих сталей

Нелеговані сталі масово використовуються для виробництва:

• фасонного, сортового, плоского та трубного прокату;
• гнутих та спеціальних профілів;
• поковок та виливків.

Виробництво відповідальних металевих конструкцій, експлуатація яких передбачає роботу на динамічні навантаження і при мінусових температурах, не рекомендується вести з застосуванням киплячих марок.

Інструментальні вуглецеві сталі У7 і У8/У8А використовуються для мітчиків, викруток, зубил та іншої інструментального оснащення, розрахованої на експлуатацію з ударними навантаженнями. З марок з більш високим вмістом вуглецю У10, У11, У12А, 13А виробляють надфілі, плашки, ножівкові полотна, шабери і так далі.