Что такое углеродистая и легированная сталь

Углеродистые стали: особенности, классификация, обработка и область применения

Углеродистая сталь – это металлургические композиции с низким содержанием добавок и высоким содержанием железа – до 99 ½ %. Этот материал высоко востребован в различных сферах промышленности, чем объясняется его высокая доля в производстве – до 80%. Сегодня разработано около 2 тысяч марок. Структура материала зависит от содержания в нем углерода. Изменяя процентное соотношение можно влиять на такие характеристики, как твердость, текучесть, пластичность и плотность. Критичным является показатель углерода в составе материала в 0,8%.

Относительно этого показателя УС различают:

• если С менее 0,8%, в структуре материала присутствует феррит и перлит;
• на уровне содержания С (углерода) в 0,8% для материала характерна перлитная структура;
• при содержании С более 0,8% в структуре появляется цементит.

Общая тенденция с повышением содержания С выражается в повышении прочности, ударной вязкости и порога хладноломкости, но пластичность проката снижается.

Классификация углеродистых сталей

Кроме классификации по структурным параметрам,их принято различать по технологии получения:

• электрические УС;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

По уровню раскисления подразделяют материал:

По качеству, в соответствии с наличием и объемам вредных примесей железный сплав бывает:

• обычного качества;
• качественные стали.

По сфере использования УС бывают:

• обычные;
• инструментальные;
• конструкционные.

По наличию и объемам С в углеродистом железном сплаве материал классифицируют:

• высокоуглеродистые стали марки с содержанием С более 0,65%;
• среднеуглеродистые – от 0,25 до 0,6%;
• низкоуглеродистые стали марки с содержанием С до 0,25%.

Чем выше показатели углерода, тем тверже и прочнее материал, но и выше его хрупкость. Маркировка материала напрямую связана с его назначением:

• Обычного качества обозначают условным буквенным обозначением Ст. Далее следуют цифры от 1 до 7, которые показывают содержание С (углерода), кратное 10. Производства железных сплавов этой группы регламентирует ГОСТ380-85. Дополнительно эти материалы принято различать по группе поставок: А, Б и В. Это обозначение указывается перед маркой (группа А не указывается). Для А – стабильны механические свойства, для Б стабильны механический состав, для В стабильны свойства и состав.
• Конструкционные УС регламентирует ГОСТ380-88, маркировка осуществляется цифрами: от 08 и до 85. Эти цифры информируют о содержании С (углерода) в материале в сотых долях %. Если железный сплав характеризуется увеличенным содержанием марганца, в конце маркировки указывается Г.
• Инструментальные УС регламентирует ГОСТ1435-54 и 5952-51. Этот железный сплав относится к качественным, и маркируется буквой У. Далее следуют цифры, которые показывают объемы углерода в десятых долях %. Существует подгруппа высшего качества, в этом случае обозначение завершается буквой А. Им характерно повышенное содержание углерода.

В обозначении марки принято указывать степень раскисления: пс или кс.

Процент С в составе инструментальной стали обуславливается ее применение. У7 — для изготовления кузнечных молотов, штампов и зубил, У8 идет на изготовления инструментария для работы с камнем и металлом, У9 – оптимален для производства штемпелей и кернеров. Последующие модификации используют для выпуска полотен ножовок, сверл, плашек, резцов.

Отличие углеродистых сталей от легированных

Марки УС различают технологические процессы и использование различных добавок. Так чем отличаются углеродистые стали от легированных, если в эти железные сплавы также добавляются элементы, изменяющие механические, эксплуатационные и технологические параметры:

• В состав углеродистых железных сплавов входят железо, углерод и нормальные примеси, которые бывают полезными и вредными. К первым относится марганец и кремний. Вредные примеси – это сера и фосфор.
• В состав материала не входят легирующие добавки, которые изменяют свойства, такие как: молибден, титан, вольфрам и другие.
• УС не предназначены для специального использования, это общепромышленный материал.
• В сравнении с легированными материалами, углеродистые сплавы имеют более низкие технологические и эксплуатационные параметры, в том числе твердость и теплостойкость.

Область применения углеродистых сталей

Сфера применения УС определяется видом. Так, для холодной деформации и горячей ковки используется малоуглеродистая сталь, марки ее отличаются высокой пластичностью. Железные сплавы со средним содержанием углерода немногим отличаются по показателям текучести и пластичности, но его прочность уже выше. Они актуальны для производства элементов конструкций и механизмов, которые будут эксплуатироваться в обычных условиях. УС с высоким содержанием углерода обладают высокой прочностью, из них изготавливают различный инструмент и измерительные приборы. УС обычного качества используется на производстве листового материала, швеллеров, прутьев, балок и других изделий. Из нее выполняют элементы машин и металлические конструкции.

Обработка углеродистых сталей

Основными видами обработки УС являются: отжиг, закалка, нормализация, старение и отпуск.

• Углеродистые стали обыкновенного качества. Сплав группы А поставляются для изделий, которые не подвергаются обработке. Группа Б – это материалы, которые предназначены для штамповки, ковке, а иногда и температурной обработке. Группа В – это сплавы, которые могут обрабатываться методом сварки.
• Сталь углеродистая качественная. Этот материал можно подвергать химикотермической обработке, нормализации, холодной механической обработке, высадке, штамповке и обработке давлением. Особенности технологического процесса зависят от конкретной марки.

Одним из главных преимуществ этого железного сплава является его невысокая стоимость. Именно этот фактор обуславливает широкую применяемость материала.

Разница между легированной сталью и углеродистой сталью

Основное отличие — легированная сталь против углеродистой стали

Сталелитейная промышленность является одной из крупнейших отраслей промышленности в мире. Сталь производится в основном путем смешивания железа с другими металлическими или неметаллическими элементами. Целью производства стали является получение различных свойств путем смешивания железа с другими элементами. Легированная сталь и углеродистая сталь — это два вида стали, которые отличаются друг от друга по своему составу. Основное различие между легированной сталью и углеродистой сталью состоит в том, что легированная сталь имеет большое количество других элементов, кроме железа и углерод в то время как углеродистая сталь имеет следовые количества других элементов, кроме железа и углерода.

Ключевые области покрыты

1. Что такое легированная сталь
— Определение, свойства, использование
2. Что такое углеродистая сталь
— Определение, свойства, использование
3. В чем разница между легированной сталью и углеродистой сталью
— Сравнение основных различий

Ключевые термины: легированная сталь, углерод, углеродистая сталь, железо, сталь

Что такое легированная сталь

Легированная сталь — это металлические сплавы железа, углерода и большого количества других элементов. Другие элементы, присутствующие в нем, обычно включают марганец, кремний, никель, титан, медь и хром. Эти элементы называют элементами сплава, потому что эти элементы смешаны вместе, чтобы сформировать сплав. Целью добавления этих элементов является улучшение свойств стали. Легированную сталь можно разделить на две категории следующим образом.

• Низколегированная сталь
• Высоколегированная сталь

Низколегированные стали содержат небольшое количество легирующих элементов, тогда как высоколегированные стали содержат большое количество легирующих элементов. Обычно для улучшения твердости и долговечности стали добавляют легирующие элементы. Легированная сталь также устойчива к коррозии из-за присутствия значительного количества других элементов, таких как хром.

Например, нержавеющая сталь — это легированная сталь. Он содержит около 10% хрома вместе с железом и углеродом в смеси элементов. Благодаря своей антикоррозионной стойкости нержавеющая сталь используется для изготовления кухонных предметов.

Рисунок 1: Обратный обратный клапан из нержавеющей стали (легированная сталь).

Что такое углеродистая сталь

Углеродистая сталь состоит из железа и углерода. Легирующие элементы присутствуют в следовых количествах. Некоторыми из этих элементов являются кремний, марганец, сера и фосфор. Углеродистая сталь также делится на две группы, как показано ниже.

• Высокая углеродистая сталь
• Низкоуглеродистая сталь

Благодаря высокому количеству углерода, присутствующего в углеродистой стали, он проявляет такие свойства, как твердость, меньшая пластичность, пониженная свариваемость и низкая температура плавления. Мягкая сталь относится к низкоуглеродистой стали с содержанием углерода от 0,05 до 0,25%. Из-за высокого содержания железа он вызывает коррозию во влажных средах. Высокоуглеродистые стали содержат от 0,6% до 1,0% углерода. Эти высокоуглеродистые стали очень прочны. Поэтому в качестве строительных материалов используются углеродистые стали.

Рисунок 2: Углеродистая сталь, используемая в качестве строительного материала

Разница между легированной сталью и углеродистой сталью

Определение

Легированная сталь: Легированная сталь — это тип стали с высоким процентным содержанием других элементов, кроме железа и углерода.

Углеродистая сталь: Углеродистая сталь — это тип стали с высоким содержанием углерода и низким количеством других элементов.

Устойчивость к коррозии

Легированная сталь: Легированные стали устойчивы к коррозии.

Углеродистая сталь: Углеродистые стали менее устойчивы к коррозии.

Прочность

Легированная сталь: Прочность легированной стали низкая по сравнению с углеродистой сталью.

Углеродистая сталь: Углеродистая сталь обладает высокой прочностью.

свариваемость

Легированная сталь: Свариваемость легированной стали высокая.

Углеродистая сталь: Свариваемость из углеродистой стали низкая.

Температура плавления

Легированная сталь: Легированные стали имеют высокие температуры плавления.

Углеродистая сталь: Углеродистые стали имеют низкие температуры плавления.

тягучесть

Легированная сталь: Пластичность легированной стали высокая.

Углеродистая сталь: Пластичность углеродистой стали низкая.

Заключение

Состав элементов в стали отличается от одного типа стали к другому. Поэтому стали классифицируются в основном в соответствии с их составом. Легированная сталь и углеродистая сталь являются такими двумя типами стали. Основное различие между легированной сталью и углеродистой сталью состоит в том, что легированная сталь имеет большое количество других элементов, кроме железа и углерода, тогда как углеродистая сталь имеет следовые количества других элементов, кроме железа и углерода.

Рекомендации:

1. «Информация об углеродистых сталях и легированных сталях». Информация об углеродистых сталях и легированных сталях | Engineering360. Н.п., н.д. Web.

Углеродистые и легированные стали (стр. 1 из 2)

на тему:«Углеродистые и легированные стали»

Углеродистой сталью называется сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2%) с примесями кремния, серы и фосфора, причем главной составляющей, определяющей свойства, является углерод. Процентное содержание элементов в стали примерно следующее: Fe — до 99,0; С — 0,05-2,0; Si – 0,15-0,35; Mn – 0,3-0,8; S – до 0,06; P – до 0,07. В зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяют на низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистую (более 0,6% С). Различают углеродистые стали обыкновенного качества и качественную конструкционную. К первой группе относится горячекатаная (сортовая, фасонная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная (тонколистовая) сталь; во вторую входят горячекатаные и кованые заготовки диаметром (или толщиной) до 250 мм, калиброванная сталь и серебрянка. Углеродистая сталь — наиболее распространённый вид чёрных металлов.

Конструкционной углеродистой сталью называется сталь, содержащая углерода до 0,65-0,70% (в виде исключения производят конструкционные стали с содержанием 0,85% углерода). Конструкционная сталь идет для изготовления деталей машин и конструкций. Она должна обладать достаточной прочностью, хорошо сопротивляться удару и в то же время хорошо обрабатываться.

По качеству конструкционная сталь делится на три группы:

Сталь обыкновенного качества – сталь широкого потребления, идет для строительных конструкций, крепежных деталей, листового проката, заклепок, труб, арматуры, мостов, профильного проката.

Сталь повышенного качества идет для паровозных и вагонных осей, бандажей, котлов, проволоки и т.д.

Качественная сталь идет для деталей, требующих более высокой пластичности, сопротивления удару, работающих при повышенных давлениях: для зубчатых колес, труб, винтов, болтов, для деталей, подлежащих цементации, для сварных изделий.

Инструментальной углеродистой сталью называется сталь с содержанием углерода от 0,7% и выше. Эта сталь отличается высокой твердостью и прочностью и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали – 0,03% и 0,035%, в высококачественной – 0,02% и 0,03% соответственно.

Выпускается по ГОСТ 1435-90 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброваную сталь, серебрянку.

К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А, к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов — марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У — углеродистая, следующая за ней цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г — повышенное содержание марганца.

Применение инструментальной углеродистой стали

У7, У7А	Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот; пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимок, бойков; кузнечных штампов; игольной проволоки; слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.
У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А	Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: фрез, зенковок, поковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых; накатных роликов, плит и стержней для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек. Для калибров простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в т. ч. для часов и т. д.
У10А, У12А	Для сердечников.
У10, У10А	Для игольной проволоки.
У10, У10А, У11, У11А	Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: пил ручных поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных; штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению; калибров простой формы и пониженных классов точности; накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др. Для напильников, шаберов холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в т. ч. для часов и т. д.
У12, У12А	Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных; штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших размеров и без переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов точности.
У13, У13А	Для инструментов с пониженной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки); напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов.

К недостаткам углеродистой стали относятся:

— отсутствия сочетания прочности и твердости с пластичностью;

— потеря твердости и режущей способности при нагревании до 200°C и потери прочности при высокой температуре;

— низкая коррозионная устойчивость в среде электролита, в агрессивных средах, в атмосфере и при высоких температурах;

— низкие электротехнические свойства;

— высокий коэффициент теплового расширения;

— увеличение веса изделий, удорожание их стоимости, усложнение проектирования вследствие невысокой прочности этой стали.

Легированной называется сталь, в которой наряду с обычными примесями имеются легированные элементы, резко улучшающие ее свойства: хром, вольфрам, никель, ванадий, молибден и др., а также кремний и марганец в большом количестве. Примеси вводятся в процессе плавки.

По химическому составу (ГОСТ 5200) легированная сталь делится на три группы:

— низколегированная сталь – не более 2,5% примесей;

— высоколегированная – свыше 10%.

Легированная сталь обладает ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистой стали, и не имеет ее недостатков. Применение легированной стали повышает долговечность изделий, экономит металл, увеличивает производительность, упрощает проектирование и потому в прогрессивной технике приобретает решающее значение. По назначению легированные стали делят обычно на конструкционные стали, инструментальные стали и стали с особыми свойствами (электротехнические, нержавеющие, жаропрочные и др.).

Конструкционная легированная сталь делится на качественную, высококачественную А и особовысококачественную Ш (электрошлакового переплава).

В зависимости от основных легирующих элементов эта сталь подразделяется на группы:

Хромистая сталь имеет очень широкое применение. Хром оказывает положительное влияние и является недорогой примесью. Сталь марок 15Х, 20Х, 30ХА применяются для деталей автотракторной и автомобильной промышленности. Хромистые стали с высоким содержанием углерода (0,9-1,1%) и хрома (0,8-1,65%) идут на изготовление колец, шариков и роликов шарикоподшипников. Их марки: ШХ6, ШХ9, ШХ15СГ, ШХ10. Обладают хорошей твердостью.

Марганцевая сталь после соответствующей химико-термической обработки приобретает высокую твердость, не снижая пластичности. Обрабатывается лучше, чем углеродистая. В производстве широко применяется сталь марок 15Г, 20Г, 30Г и др. Высокая износоустойчивость.

Хромоникелевая сталь является одной из самых распространенных конструкционных сталей, так как после термообработки приобретает высокую твердость, прочность, упругость и сопротивление ударным нагрузкам; ее марки — 20ХНА, 12Х2Н4А, 12ХН3А

Хромокремнистая сталь обладает высокой твердостью и упругостью после термической обработки и широко применяется для изготовления рессор и пружин.

Хромомарганцевая сталь частично заменяет хромоникелевую (в целях экономии никеля). Широко применяется сталь марок 20ХГ, 20ХГР, 40ХГР, 30ХСС, 18ХГТ; последняя идет для автомобильных деталей.

Хромомарганцевокремнистая сталь (хромансиль) является заменителем хромомолибденовых сталей. При малом содержании углерода хорошо штампуется и сваривается. Марка — 25ХГСД, 14ХГСА, 30ХГСА.

Хромованадиевая сталь обладает высокой прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью. Сталь марки 50ХВА идет для ответственных пружин, марки 15ХФ — для валов, шестерен, муфт.

Хромомолибденовая сталь обладает высокой пластичностью и хорошей свариваемостью, многие из этих сталей теплоустойчивы при температурах 400-500°C. Сталь марок 30ХМА служит для изготовления роторов, осей, зубчатых колес.

Хромоникелевольфрамовая и хромоникелемолибденовая стали предназначаются для нагруженных деталей машин, зубчатых колес, коленчатых валов, высоконагруженных шатунов. Марки этой стали — 30ХНВА, 40ХНВА, 40ХНМА, 25Х2Н4ВА.

Инструментальная легированная сталь. Эта сталь идет для изготовления различного инструмента: ударно-штампового, измерительного, режущего. Она имеет ряд преимуществ перед инструментальной углеродистой сталью. Штампы из углеродистой стали обладают высокой твердостью и прочностью, но плохо сопротивляются удару. Метчики, развертки и другие длинные и тонкие инструменты из углеродистой стали при закалке получаются хрупкими, они ненадежны в работе и часто ломаются.

Основные свойства углеродистых и легированных сталей

Стали подразделяют:

• по назначению — на конструкционные и инструментальные;
• по способу производства — на мартеновские, выплавляемые в мартеновских печах; бессемеровские, получаемые в конвертерах, имеющих футеровку из кислых материалов; томасовские, получаемые в конвертерах с футеровкой из основных материалов, и электросталь, выплавляемую в дуговых или индукционных высокочастотных печах;
• по химическому составу — на углеродистые и легированные.

Легированные стали кроме углерода содержат повышенное количество марганца (Mn), кремний (Si), хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo), вольфрам (W), ванадий (V) и других элементов, которые придают этим сталям особые свойства, например, жаростойкость, повышенную прочность и твердость, коррозионную стойкость.

Для изготовления сварных конструкций большое распространение получила углеродистая сталь обыкновенного качества, поставляемая по ГОСТ 380. Углеродистая обыкновенного качества сталь в зависимости от назначения подразделяется на три группы:

• группа А — поставляемая по механическим свойствам;
• группа Б — поставляемая по химическому составу;
• группа В — поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей:

• стали группы А подразделяют на три категории — Al, А2, A3;
• стали группы Б — на две категории — В1 и Б2;
• стали группы В — на шесть категорий — Bl, В2, ВЗ, В4, В5, В6.

Для стали группы А установлены марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст4, Ст5, Ст6. Для стали группы Б — марки БСт0, БСт1, БСт2, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСт6. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способами. Для нее установлены марки ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. Буквы Б и В перед обозначением марки указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается. Если сталь относится к кипящей, ставится индекс «кп», если к полуспокойной — «пс» и спокойной — «сп».

По видам проката сталь бывает листовая, широкополосная, сортовая (полосовая, круглая и др.), фасонная (швеллер, уголок, двутавр). Арматурная сталь в зависимости от технологии изготовления подразделяется на стержневую и проволочную арматуру, а в зависимости от профиля — на гладкую и периодического профиля. Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций.

Качественные стали по ГОСТ 1050-88 маркируют двухзначными цифрами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т. д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10, 0,15, 0,20% углерода.

Сталь по ГОСТ 1050-88 изготовляют двух групп:

• группа I-с нормальным содержанием Мn (0,25-0,80%);
• группа II-с повышенным содержанием Мn (0,70-1,2%). При повышенном содержании марганца (Мn) в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание Мn.

Легированные стали кроме обычных примесей содержат элементы, специально вводимые в определенных количествах для обеспечения требуемых свойств. Эти элементы называются легирующими. Легированные стали подразделяют в зависимости от содержания легирующих элементов на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%). Легированные стали маркируют цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали, а стоящие за ней цифры — среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1%, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Влияние основных элементов на свойства углеродистых сталей

По содержанию углерода стали делят:

• низкоуглеродистые, содержащие от 0,05 до 0,25% С;
• среднеуглеродистые — от 0,25 до 0,6% С и
• высокоуглеродистые — свыше 0,6% С.

С увеличением содержания углерода повышается предел прочности стали, твердость и хрупкость при одновременном уменьшении относительного удлинения и ударной вязкости. Содержание углерода в обычных конструкционных сталях в пределах до 0,25% не ухудшает свариваемости стали. При более высоком содержании углерода свариваемость стали ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Повышение содержания углерода в присадочном металле вызывает пористость шва.

Марганец содержится в стали в пределах 0,3- 0,8%, в указанных пределах марганец (Мn) не затрудняет процесс сварки. При сварке среднемарганцовистых сталей с содержанием 1,8-2,5% Мn возникает опасность появления трещин в связи с тем, что марганец (Мn) способствует закаливаемости стали.

Кремний содержится в низко- и среднеуглеродистой стали в пределах 0,02-0,35%, в указанных пределах он не вызывает затруднений при сварке. При содержании кремния (Si) в специальных сталях от 0,8 до 1,5% сварка затрудняется из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния (Si).

Сера является вредной примесью в стали. Она образует с железом химическое соединение, называемое сернистым железом. Сталь с примесью S дает трещины в нагретом состоянии, т. е. становится красноломкой. Содержание S в стали не должно превышать 0,055%. Свариваемость стали с повышением содержания S резко ухудшается.

Фосфор также является вредной примесью в стали. Содержание Р в стали не должно превышать 0,05%, он образует с железом химическое соединение — фосфористое железо. Фосфор увеличивает твердость и хрупкость стали, вызывает хладноломкость, т. е. появление трещин в холодном состоянии.

Ванадий в легированных сталях содержится в пределах 0,2-0,8%. Он способствует закаливаемости стали, что затрудняет сварку. В процессе сварки V активно окисляется и выгорает.

Вольфрам в легированных сталях содержится в пределах от 0,8 до 18%. W увеличивает твердость стали и затрудняет процесс сварки, так как сильно окисляется.

Никель в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах 0,2-0,3%, в конструкционных — от 1 до 5% и легированных — от 8 до 35%. В стали никель (Ni) увеличивает пластические и прочностные свойства, свариваемости не ухудшает.

Молибден ограничивается содержанием в стали от 0,15 до 0,8%. При сварке молибден (Мо) способствует образованию трещин, активно окисляется и выгорает.

Хром в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах до 0,3% конструкционных — 0,7-3,5%, легированных хромистых сталях — 12-18% и хромоникелевых — 9-35%. Сr затрудняет сварку, так как в процессе сварки образует тугоплавкие карбиды хрома.

Титан и ниобий в высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталях при сварке соединяются с С, препятствуя образованию карбидов хрома. Этим титан (Ti) и ниобий (Nb) улучшают свариваемость.

Медь в сталях содержится в пределах 0,3-0,8%; Си улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства и коррозионную стойкость стали.

Кислород содержится в сталях в виде оксида железа, который растворяется в чистом расплавленном железе в количестве до 0,5, что соответствует содержанию 0,22% О₂. Растворимость оксида железа в стали уменьшается с повышением содержания С. Кислород ухудшает свариваемость стали, снижает ее прочностные и пластические свойства.

Азот растворяется в расплавленном металле, попадая в сварочную ванну из окружающего воздуха. При охлаждении сварочной ванны N₂ образует химические соединения с железом (нитриды), которые повышают прочность и твердость и значительно снижают пластичность стали.

Водород — вредная примесь в стали, водород скапливается в отдельных местах сварочного шва, при сварке вызывает появление пор и мелких трещин.

Что такое углеродистая и легированная сталь

Войти

Обзор углеродистых и низколегированных сталей

Сегодня мы рассмотрим как класс материалов углеродистые и низколегированные стали. Давайте сразу определимся, о чем идет речь. Многие называют углеродистыми все не коррозионно-стойкие стали, что в корне не верно. В данной статье мы будем рассматривать только те стали, в которых основным легирующим элементом является углерод, а остальные лишь модифицируют некоторые свойства, не меняя принципов упрочнения (состав твердого раствора и фаз-упрочнителей). Обычно это происходит при суммарном содержании легирующих элементов до 3-5%. Границы в каждом отдельном случае устанавливаются индивидуально, можно считать, что в большинстве случаев границей служит появление в структуре стали карбидов легирующих элементов.

Некоторые стали этой группы мы уже рассматривали (У8, ШХ15), теперь кратко рассмотрим основные особенности и наиболее типичных представителей.

Итак, начнем с углеродистых сталей. Углерод – практически единственный легирующий элемент (некоторые могут содержаться как примеси), некоторые стали могут быть легированы незначительными количествами марганца, кремния или кобальта.

Инструментальные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1435–90 маркируют буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют качественные стали марок У7–У13 и высококачественные стали марок У7А–У13А, химический состав которых приведен в табл. 1.

Таблица 1
Марки и химический состав инструментальных углеродистых сталей (ГОСТ 1435–90)

По механическим свойствам и назначению углеродистые стали подразделяются на:

• стали повышенной вязкости (У7–У9) для изготовления инструмента с высокой режущей способностью, подвергающегося ударным нагрузкам (зубила, кернеры и т. д.);
• стали высокой твердости (У10–У13) для изготовления режущего инструмента, не подвергающегося ударным нагрузкам (напильники, шаберы и т. д.).
• Стали У15С и У16 в основном применяются (точнее применялись) для износостойких втулок

К первой группе сталей вплотную примыкают и рессорно-пружинные стали типа 65Г и 70С2А

Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух этапов: предварительная и окончательная (предполагается, что изделия прошли стандартную ПТО).

Предварительная термическая обработка применяется для уменьшения деформации (в 1,5–2 раза) деталей из углеродистых сталей при последующей закалке. Она заключается в предварительной закалке с 740–760 °С с охлаждением в масле (возможно, несколько раз) и последующем отпуске при 550-600 °С (1 ч). Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска, режимы которых указаны в табл. 2.

Таблица 2
Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей

Примечание. Закалочная среда — вода, отпуск проводится на воздухе. При закалке в масле Тз повышают на 10-20 °С (неоптимально для клинков, так как приводит к заметному росту зерна и снижению мех. характеристик. Рекомендуется закалка “через воду в масло”).

Как мы видим, углеродистые стали имеют очень узкий интервал закалочных температур, поэтому необходимо максимально точно “попадать” в режим, что требует большого опыта и ответственного подхода к процессу.

Время выдержки на 1 мм диаметра (толщины): 20–35с. при нагреве в соляной ванне и 50–80с. при нагреве в печи.

Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки — порядка 200–300 °С/с. Замедление охлаждения при закалке недопустимо, так как приводит к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен. Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде (водном растворе) прокаливаться насквозь.

Инструменты крупных размеров при закалке в воде и водных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инструментов представляет собой продукты распада аустенита перлитом в интервале температур. Сердцевина инструментов, имеющих такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит. Для клинков может применяться зонная закалка, когда обух защищается специальными обмазками, снижающими скорость охлаждения. В этих случаях можно получить твердый мартенсит на лезвийной части и достаточно вязкий и пластичный сорбит/троостит на теле и обухе клинка. Линия, разделяющая эти две области в японской традиции называется Хамон.

Углеродистые инструментальные стали отпускают при температурах не более 200 °С во избежание снижения твердости (для клинков возможен “зонный отпуск”, когда тело и обух клинка нагревают до более высокой температуры (обычно 400-500С), сохраняя на лезвийной части структуру низкоотпущенного мартенсита). Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 57–63 HRC, а прочность при изгибе составляет 1800–2700 МПа.

Низколегированные стали. В этих сталях небольшие количества легирующих элементов обычно лишь влияют на прокаливаемость, незначительно изменяя другие свойства. Традиционно эти стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.

В отдельную группу можно выделить стали для ударных инструментов. Химический состав данных сталей по ГОСТ 5950–73 приведен в табл. 3.

Таблица 3
Марки и химический состав (масс. %) легированных инструментальных сталей (ГОСТ 5950–73)

Примечание. В обозначении марок первые цифры означают массовую долю углерода в десятых долях процента. Они могут не указываться, если массовая доля углерода близка к единице или больше единицы. Буквы означают:
Г — марганец,
Х — хром,
В — вольфрам,
С — кремний,
Ф — ванадий,
Н — никель,
М — молибден.
Цифры, стоящие после букв означают среднюю массовою долю соответствующего легирующего элемента в целых единицах. Отсутствие цифр означает, что массовая доля этого легирующего элемента равна 1 %. В отдельных случаях массовая доля легирующих элементов не указывается, если она не превышает 1,8 %.

Стали неглубокой прокаливаемости

Стали неглубокой прокаливаемости по устойчивости переохлажденного аустенита незначительно превосходят стали группы У7–У13, но благодаря легированию хромом (0,2–0,7 %), ванадием (0,15–0,30 %) и вольфрамом имеют большую устойчивость к перегреву, более высокие износо- и теплостойкость (в поверхностном слое).

Эти стали используются для изготовления инструментов, подвергаемых поверхностной (местной) закалке: пилы, зубила, штемпели, ножи для холодной и горячей резки, обрезные матрицы и пуансоны и т. п. Некоторые стали имеют специальное применение:
— сталь 13Х предназначена главным образом для бритвенных ножей и лезвий, хирургического и гравировального инструмента;
— сталь В2Ф предназначена для ленточных пил и ножовочных полотен для резки сталей средней твердости, по работоспособности превосходящая стали типа 9ХФ в 1,5–2 раза;
— сталь ХВ4Ф отличается особо высокой твердостью (HRC 67–69) и износостойкостью благодаря присутствию W6C, который не растворяется при температуре закалки. Эту сталь называют алмазной и из неё изготовляют резцы и фрезы для обработки с небольшими скоростями материалов с высокой поверхностной твердостью (отбеленных чугунов и закаленных деталей).

Стали глубокой прокаливаемости

Стали глубокой прокаливаемости имеют более высокое содержание хрома (0,6–1,7 %, иногда до 3%), а также совместное присутствие в ряде марок сталей хрома, марганца и кремния (вольфрама). Такое комплексное легирование при относительно небольших количествах каждого элемента существенно повышает прокаливаемость, повышает однородность распределения карбидов (кроме сталей типа ХВГ) и уменьшает чувствительность сталей к перегреву.

Из сталей 9ХС, ХГС, ХВГ, 9ХВГ и ХВГС изготовляют режущий (метчики, плашки, развертки, фрезы и т.д.), а также штамповый (пробойники, вырубные штампы и т. д.) инструмент более ответственного назначения, чем из углеродистых сталей.

Отличительная особенность марганецсодержащих сталей (9Г2Ф, ХВГ и др.) состоит в их малой деформируемости при закалке. Марганец, интенсивно снижая интервал мартенситного превращения, способствует сохранению остаточного аустенита (до 15–20 %), который компенсирует (частично или полностью) увеличение объема при образовании мартенсита. Это качество сталей позволяет изготавливать из них инструмент, к которому предъявляют жесткие требования к размерной стабильности при термообработке. Термическая обработка: закалка + низкий отпуск проводится в соответствии с режимами, указанными в табл. 4.

Стали для ударных инструментов

Исходя из назначения эти стали должны обладать: повышенной вязкостью для предупреждения поломок и выкрашивания режущих кромок инструмента, работающего в условиях больших ударных нагрузок; высокими прокаливаемостью и закаливаемостью. Необходимый комплекс свойств сталей этой группы обеспечивается соответствующим легированием. Химический состав представлен в табл. 5.

Хромокремнистые стали (4ХС, 6ХС) прокаливаются в образцах диаметром до 50–60 мм при охлаждении в масле. Кроме того, стали, легированные кремнием, имеют повышенные устойчивость при отпуске и предел текучести. Недостатком этих сталей является хрупкость первого рода после отпуска при 270–400 °С на твердость 46–50 HRC. Поэтому для получения удовлетворительной вязкости в этом случае необходимо применять изотермическую закалку.

Хромовольфрамокремнистые стали 5ХВ2СФ, 6ХВ2С и другие, как более сложнолегированные, прокаливаются в больших сечениях (до 70–80 мм) при охлаждении в масле и хорошо принимают изотермическую закалку. Стали с вольфрамом менее чувствительны к отпускной хрупкости первого рода. Легирование сталей вольфрамом также повышает устойчивость против разупрочнения при отпуске.

По структурному признаку стали, содержащие 0,4–0,5 % С, являются доэвтектоидными, а с 0,6 % С — эвтектоидными и заэвтектоидными. Структура доэвтектоидных сталей после отжига состоит из пластинчатого и, реже, зернистого перлита с небольшими участками феррита, заэвтектоидных — из зернистого перлита. Кроме того, в структуре последних наряду с цементитом присутствует карбид МС. После закалки структура характеризуется наличием мартенсита и остаточного аустенита, а при повышенном содержании углерода — еще и избыточных карбидов. Отпуск обеспечивает образование троститной структуры. Режимы термической обработки сталей указаны в табл. 5.

Таблица 4.
Режимы окончательной термической обработки и твердость низколегированных инструментальных сталей

Примечания: Для сталей ХВ4Ф (ХВ5) и В2Ф в качестве ПТО применяется длительный высокий отпуск после горячей деформации по спец. режиму. Отжиг и ТЦО могут привести к резкой потере прокаливаемости.

Таблица 5.
Режимы окончательной термической обработки сталей для ударных инструментов

К сталям последней группы примыкают рессорно-пружиннные стали типа 50ХФА, 60ХВС2А и т.д.

А теперь несколько советов по выбору стали и ее термической обработки

1. Для использования в составе многослойных/дамасских пакетов лучше выбирать относительно низколегированные стали с хромом не выше 1% (большие количества резко ухудшают свариваемость). Стали с марганцем при травлении как правило дают более темный фон, стали с хромом и никелем – более светлый. При выборе сталей в пакет необходимо учитывать необходимость совпадения интервала закалочных температур с учетом возможного обезуглероживания.

2. Для клинков в японской традиции надо выбирать стали с наименьшей прокаливаемостью – это позволит получить наиболее четкую линию “хамон”

3. Для изделий, подвергаемых ударным нагрузкам (длинномер, тесаки, топоры) лучше выбирать относительно низкоуглеродистые стали и использовать зонные закалку/отпуск

4. Зачастую гораздо более “простая” сталь типа ШХ15 может показать в изделии лучший комплекс свойств чем, например, очень требовательная к режимам горячей деформации и ТО “Алмазная” сталь типа ХВ4Ф.

5. Для покупателей: в случае “углеродистых” сталей на первое место выходит доверие к Мастеру, поскольку только это в некоторой степени является гарантией опыта, точного соблюдения технологии и, следовательно, высоких свойств конечного изделия.

* При подготовке материала использован справочник «Металлы и сплавы», СПб, 2003г.