Вуглецева сталь

1. Класифікація, маркування і застосування вуглецевої сталі

Вуглецевої сталлю називається  інструментальна або конструкційна  сталь, яка не містить легуючих добавок. Вуглецева сталь підрозділяється  на низьковуглецеву (до 0,25% вуглецю), середньовуглецеву (від 0,25 до 0,6% вуглецю) і високовуглецеву (до 0,25% вуглецю). 
Від звичайних сталей вуглецеву сталь відрізняє менший вміст домішок, невеликий вміст кремнію, магнію і марганцю. 
Вуглецева сталь відрізняється підвищеною міцністю і високою твердістю. 
За якістю розрізняють вуглецеву сталь звичайну і якісну конструкційну. 
Вуглецева сталь звичайної якості буває холоднокатана (тонколистова) і гарячекатана (фасонна, сортова, тонколистова, товстолистова, широкосмуговий). Вона випускається наступних марок: Ст1кп, СТО, Ст1пс, Ст2кп і т.д. Індекси в маркуванні розшифровуються так: кп кипляча, пс полуспокойная. 
Якісна конструкційна сталь - це ковані і гарячекатані заготовки товщиною до 250 мм, сріблянка (круглі прутки зі спеціальною поверхнею) і калібрована сталь. Вона випускається наступних марок: 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп, 15пс і т.д. Цифри в маркуванні позначають процентний вміст вуглецю (в сотих частках відсотка). Якісна конструкційна сталь використовується для виготовлення відповідальних деталей механізмів і машин, штампування. 
Якісна сталь має в складі не більше 0,03% фосфору і сірки, високоякісна не більше 0, 02%. 
Вуглецева сталь буває різного призначення: призначена для статично навантаженого інструменту і для ударних навантажень. 
Для виготовлення різального інструменту з високою твердістю, який не зазнає ударів (хірургічний інструмент, напилки, шабери, плашки, свердла, вимірювальні інструменти) використовуються сталі У10? У13. Такі стали, котрі піддаються всім видам термообробки і містять хром, використовуються також для виробництва токарних різців. 
Для виготовлення інструменту, піддається ударним навантаженням (сокири, пили, деревообробні інструменти, зубила, клейма по металу, викрутки) використовуються сталі У7-У9. Вони також піддаються будь способу термообробки. 
Стали поділяються на конструкційні та інструментальні. Різновидом інструментальної є швидкорізальна сталь. 
За хімічним складом сталі діляться на вуглецеві [3] і леговані [4]; зокрема за змістом вуглецю - на низьковуглецеві (до 0,25% С), середньовуглецевого (0,3-0,55% С) і високовуглецеві (0 ,6-0, 85% С); леговані сталі за змістом легуючих елементів діляться на низьколеговані - до 4% легуючих елементів, середньолегованих - до 11% легуючих елементів і високолеговані - понад 11% легуючих елементів.Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

2

НАЗВА ДОКУМЕНТУ

 
Сталі, в залежності від способу  їх отримання, містять різну кількість  неметалічних включень. Вміст домішок лежить в основі класифікації сталей за якістю: звичайної якості, якісні, високоякісні та особливо високоякісні. 
За структурою сталь розрізняється на аустенітного, феритного, мартенситную, бейнітний або перлитную. Якщо в структурі переважають дві і більше фаз, то сталь поділяють на двофазну і багатофазних. 
 
        Марки вуглецевої сталі звичайної якості позначаються буквами і цифрами, наприклад Ст 0, ..., Ст 6. Букви Ст означають сталь, цифри від 0 до 6 - умовний номер марки залежно від хімічного складу і механічних властивостей. Чим більше число, тим більший вміст вуглецю в сталі, вище міцність і нижча пластичність. 
 
В залежності від гарантованих хімічного складу і властивостей вуглецеві сталі звичайної якості поділяють на три групи А, Б, В (група А в марці стали не вказується). Сталь групи А має гарантовані механічні властивості і не піддається гарячій обробці. Для сталі групи Б гарантується хімічний склад; сталь піддається обробці тиском; для сталі групи В - хімічний склад і механічні властивості; використовується для зварних конструкцій. 
 
До вуглецевої якісної конструкційної сталі пред'являються підвищені вимоги по хімічному складу і механічних властивостях. Цифри в марці стали вказують на середній вміст вуглецю в сталі в сотих частках відсотка. 
 
Всі вуглецевої якісної конструкційної сталі можна умовно розділити на кілька груп. Вуглецеві якісні стали 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп (без термічної обробки) добре штампуються внаслідок їх високої пластичності, а також добре зварюються за малого вмісту вуглецю. Вони використовуються для виробництва малонавантажених деталей машин (кріпильні вироби тощо) і зварних конструкцій. 
 
Стали 15, 20, 25, складові другу групу низьковуглецевих сталей, добре зварюються і обробляються різанням. Вони використовуються для виготовлення невідповідальних деталей машин не піддаються високим навантаженням. Прикладами цементованих деталей машин є кулачкові валики, кронштейни, пальці ресор і ін 
 
Самою значною є група середньовуглецевих сталей 30, 35, 40, 45, 50, піддаються термічній обробці. Ці сталі добре обробляються на металорізальних верстатах в відпаленого стані. Сприятливі сполучення міцності і пластичних властивостей дозволяють застосовувати ці стали при виготовленні відповідальних деталей машин (шпинделі, розподільні вали і ін). 
 
Високовуглецеві стали 60, 65, 70, 75, 80 і 85 піддаються різним видам термічес-кою обробки, в результаті чого вони отримують високу міцність, зносостійкість і пружні властивості. З них роблять деталі типу пружин, ресор, прокатних валків, замкових шайб і ін 
Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

3

НАЗВА ДОКУМЕНТУ

 
Вуглецеві інструментальні сталі  маркують таким чином: попереду ставлять букву У, потім цифру, що вказує середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка, наприклад сталь марки У12 містить в середньому 1,2% С. Для позначення високоякісних сталей в кінці марки ставиться буква А, а особливо високоякісних сталей (виплавлених, наприклад, методом електрошлакового переплаву з вакуумуванням) - буква Ш. У марках деяких спеціальних сталей буква попереду позначення вказує на призначення: А - автоматна сталь (А30), Р - швидкорізальна сталь (Р12), шарикопідшипникових (ШХ15), Електротехнічна і т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

4

НАЗВА ДОКУМЕНТУ

 

 

 

 

 

 

 

2. Сваріваемость сталей 
 
Маловуглецевої сталі взагалі відрізняються гарну зварюваність. Знижувати зварюваність можуть шкідливі домішки, якщо зміст їх перевищує норму. 
Шкідливі домішки можуть погіршувати зварюваність навіть і при середньому вмісті, не виходить з норми, якщо вони утворюють місцеві скупчення, наприклад, внаслідок ліквації. Шкідливими для зварювання елементами в маловуглецевої сталі можуть бути вуглець, фосфор і сірка, причому остання особливо схильна до ліквації з утворенням місцевих скупчень. 
Негативний вплив на зварюваність може надавати також засміченість металу газами і неметалевими включеннями. Засміченість металу шкідливими домішками залежить від способу його виробництва і про неї частково можна судити по маркіровці металу. Сталь підвищеної якості зварюється краще, ніж сталь звичайної якості відповідної марки; сталь мартенівська краще, ніж сталь бесемерівський, а сталь мартенівська спокійна краще, ніж кипляча. При виготовленні відповідальних зварних виробів зазначені відмінності в зварюваності маловуглецевих сталей повинні обов'язково прийматися до уваги і враховуватися при виборі марки основного металу. 
Вуглецеві сталі, що містять вуглецю більше 0,25%, володіють зниженою зварюваністю в порівнянні з маловуглецевих, причому зварюваність поступово знижується в міру підвищення вмісту вуглецю. Сталі з підвищеним вмістом вуглецю легко гартуються, що веде до отримання твердих крихких гартівних структур в зоні зварювання і може супроводжуватися утворенням тріщин. З підвищенням вмісту вуглецю зростає схильність металу до перегріву в зоні зварювання. Збільшений вміст вуглецю підсилює процес його вигоряння з утворенням газоподібної окису вуглецю, що викликає скипання ванни та здатна приводити до значної пористості наплавленого металу.Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

5

НАЗВА ДОКУМЕНТУ

 
При змісті вуглецю понад 0,4-0,5% зварювання сталі стає одним із найскладніших завдань зварювальної техніки. Вуглецеві сталі взагалі володіють зниженою зварюваністю і, якщо це можливо, рекомендується замінювати їх низьколегованих конструкційних сталей, які дають ту ж міцність при значно меншому вмісті вуглецю за рахунок інших легуючих елементів. При зварюванні вуглецевих сталей плавленням зазвичай не дотримуються відповідності хімічного складу присадочного і основного металу, прагнучи отримати наплавлений метал равнопрочного з основним за рахунок легування марганцем, кремнієм та ін при зниженому вмісті вуглецю. 
Зварювання вуглецевих сталей часто виконується з попереднім підігрівом і наступною термообробкою, причому, якщо можливо, у багатьох випадках прагнуть поєднати термообробку з процесом зварювання, наприклад при газовому зварюванні дрібних деталей, при газопрессовая зварюванні, при точкової і стикового контактного зварювання і т. д. 
Більшість низьколегованих конструкційних сталей володіє задовільною зварюваністю. Зважаючи зрослого значення зварювання нові марки конструкційних низьколегованих сталей, як правило, випускаються з задовільною зварюваністю. Якщо ж випробування пробних партій стали показують недостатньо задовільну зварюваність, то зазвичай для поліпшення зварюваності виготовлювачі коректують склад сталі. У деяких випадках потрібно невеликий попередній підігрів стали до 100-200 °, рідше доводиться вдаватися до подальшій термообробці. Для попередньої грубої якісної оцінки зварюваності низьколегованих сталей іноді вдаються до підрахунку еквівалента вуглецю за хімічним складом сталі. Підрахунок ведеться за наступною емпіричною формулою: де символи елементів означають процентний вміст їх у сталі. При еквіваленті вуглецю менше 0,45 зварюваність сталі може вважатися задовільною, якщо ж еквівалент вуглецю більше 0,45, то необхідно приймати спеціальні заходи, як, наприклад, попередній підігрів і подальша термообробка. Слід зазначити, що метод оцінки зварюваності за еквівалентом вуглецю є досить орієнтовними і далеко не завжди дає вірні результати. 
За структурою низьколеговані сталі відносяться звичайно до перлітного класу. Велика розмаїтість хімічного складу низьколегованих сталей робить дуже важким отримання співпадання хімічного складу наплавленого і основного металу при зварюванні плавленням, що вимагає досить великого, важко здійсненного різноманітності присадних матеріалів. Тому, за винятком деяких особливих випадків, де потрібна відповідність хімічного складу основного і наплавленого металу (наприклад, отримання стійкості проти корозії, кріпоустойчівості і т. п.), зазвичай обмежуються отриманням необхідних механічних властивостей наплавленого металу,, не беручи до уваги його хімічний склад . Це дає можливість при зварюванні багатьох сортів сталей користуватися деякими видами присадних матеріалів, що є суттєвим практичним Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

6

НАЗВА ДОКУМЕНТУ

перевагою. Наприклад, електродами  УОНИ-13 успішно зварюються десятки  марок вуглецевих і низьколегованих  сталей. У зварних конструкціях низьколеговані сталі зазвичай воліють вуглецевих тій же міцності. Для встановлення необхідності невеликого попереднього підігріву і наступного відпустки часто беруть до уваги максимальну твердість металу зони впливу. Якщо твердість не перевищує 200-250 Н в той підігрів і відпустку не потрібні, при твердості 250-ЗОС Нв застосування підігріву або відпустки є бажаним, при твердості понад 300-350 Ів - обов'язковим. 
 
З високолегованих сталей мають гарну зварюваність і знаходять широке застосування в зварних конструкціях сталі аустенітного класу. Найбільш широко застосовуються хромо-нікелеві аустенітні сталі, наприклад загальновідома нержавіюча сталь 18/8 (18% хрому і 8% нікелю). Хромонікелеві аустенітні сталі застосовуються як нержавіючі, а при більш високому легуванні, наприклад при утриманні 25% хрому і 20% нікелю, вони є і жаротривкої сталі. Вміст вуглецю в хромонікелевих аустенітних сталях має бути мінімальним, що не перевищує 0,10-0,15% в різних марках, інакше можливе випадання карбідів хрому, що різко знижує цінні властивості аустенітної сталі. 
Для частин машин, що працюють на стирання, наприклад для щік камнедробілок, а також для рейкових хрестовин, застосовується зазвичай у формі відливок порівняно дешева марганцовистого аустенітна сталь, що містить 13-14% марганцю і 1,0-1,3% вуглецю. 
Зварювання аустенітних сталей повинна, як правило, зберегти структуру аустеніту в зварному з'єднанні і пов'язані з аустеніт-те цінні властивості: високий опір корозії, високу пластичність і т. д. Розпад аустеніту відбувається з випаданням карбідів, утворених вивільнюваним з розчину надлишковим вуглецем. Розпаду аустеніту сприяють нагрівання металу до температур нижче точки аустенітного перетворення, зменшення вмісту аустенітообразующіх елементів, підвищення вмісту вуглецю в маловуглецевих аустеніту, забруднення металу домішками і т. д. Тому, при зварюванні аустенітних сталей слід скорочувати до мінімуму тривалість нагріву і кількість введеного тепла і застосовувати можливо більш інтенсивне відведення тепла від місця зварювання за допомогою мідних підкладок, водяного охолодження і т. д. 
Аустенітна сталь, що йде для виготовлення зварних виробів, повинна бути вищої якості з мінімальною кількістю забруднень. Оскільки розпад хромонікелевого аустеніту викликається утворенням та випаданням карбідів хрому, стійкість аустеніту може бути підвищена введенням в метал карбідообра-зователя більш сильних, ніж хром. Для цієї мети виявилися придатними титан Ti і ніобій Nb, особливо перший елемент, до того ж не є дефіцитним. Титан дуже міцно пов'язує освобождающийся вуглець, не дозволяючи утворюватися карбіди хрому, і тим самим запобігає розпад аустеніту. Для зварювання рекомендується застосовувати аустенитную сталь з невеликим вмістом титану. Гарну зварюваність відрізняється, наприклад, нержавіюча аустенітних хромонікелевих сталей Ея-LТ типу 18/8 з невеликою кількістю титаЗмн.