Всё об углеродистой стали – от состава до применения

Центральное место во всем промышленном материаловедении занимает сталь. С ее помощью успешно решают большинство технических задач. К услугам инженера — огромный диапазон вариантов: начиная от самой простой строительной арматуры и заканчивая хромоникелевой нержавейкой, способной работать в условиях открытого космоса.

Наибольшего внимания заслуживает углеродистая сталь и ее марки. Они лишены значимых легирующих добавок и потому представляют собой исключительно композицию железа и углерода в чистом виде. Познакомиться с углеродистыми сталями поближе — значит понять основополагающие принципы, как ведут себя все сплавы из категории «черных» и от чего зависят их рабочие характеристики.

Классификация и марки

Лишь у некоторых уникальных промышленных материалов есть полноценные имена — в честь их изобретателей или каких-то особенных свойств. Остальные довольствуются условным обозначением — т.н. маркой, внутри которой зашифрована ключевая информация. Марку можно сравнить с разновидностью, чей состав и структура жестко определены и неизменны.

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя два определяющих параметра: химсостав материала или его функциональное применение. Причем марки, соседствующие в одной группе по первому делению, с большой долей вероятности станут коллегами и при оценке рабочих свойств.

По химическому составу

Ключевым параметром, на который обращают внимание при знакомстве с любой маркой стали, становится процент содержания углерода. Различают три вида:

Виды стали	Содержание углерода	Примеры марок
Низкоуглеродистые	от 0,02 до 0,25%	05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2
Среднеуглеродистые	от 0,26 до 0,6%	25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6
Высокоуглеродистые	от 0,61 до 1,35%	58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13

Низкоуглеродистые стали предназначены преимущественно для изготовления сварных изделий — за счет малой доли углерода они очень податливы к любым процессам сварки, не склонны к образованию флокенов и трещин, легко поддаются механическому резанию и изгибу. В целом, они вязкие и с низкой прочностью.

Термическое упрочнение (закалка, улучшение) не дают ощутимого эффекта по росту прочности или твердости. Зато собственное низкое содержание углерода позволяет применить к материалу особый вид химико-термической обработки — цементацию. Поверхностные слои насыщаются углеродом из внешнего источника, после чего реакция на закалку становится уже совершенно иной. Твердость поверхности зашкаливает, а сердцевина по-прежнему остается мягкой и может работать как гаситель напряжений.

Среднеуглеродистые стали — наиболее ходовые и популярные благодаря своей «серединности» и универсальности. Они лишены недостатков остальных граничных групп и обладают собственными достоинствами.

В частности, такие марки стабильно и уверенно реагируют на закалку, набирая нужную прочность и твердость без дополнительных ухищрений. Но сварку следует вести с осторожностью — увеличенная доза углерода может приводить к развитию трещин при кристаллизации шва.

Их используют для производства деталей машин и механизмов, которые постоянно испытывают рабочие нагрузки. Это разнообразные шестерни, рычаги, колеса, шкивы ременных передач, валы и оси. Углеродистые стали всегда дешевле любых легированных, поэтому марки со средним содержанием углерода предпочтительны, если конечное изделие не испытывает негативного воздействия коррозии, нагрева или охлаждения. Тяжелая работа в обычных условиях — это пример применения таких сплавов.

Высокоуглеродистые стали вообще не рекомендуется варить: они очень склонны к образованию трещин, флокенов и остаточных напряжений в зоне шва. За счет высокой доли углерода на закалку реагируют лучше всех остальных. Результатом становится очень высокая твердость и прочность, вплоть до возникновения пружинящих свойств.

Такие марки закладывают для изготовления специальных деталей машин, пружин различной конфигурации (плоские, витые, тарельчатые), режущего и слесарного инструмента.

По области применения

С учетом химического состава, «круг обязанностей» каждой марки уже предопределен, как и сфера, где ее можно использовать максимально эффективно. Поэтому все углеродистые стали разделили на три категории по области применения:

Категория	Группа	Примеры марок
Конструкционные	Общего назначения	Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст5
	Качественные	05кп, 08кп, 10, 15, 20, 35, 45, 50, 55, 60
	Повышенной обрабатываемости	А11, А20, А30, А35
Инструментальные	-	У8, У10, У11, У12А
Специальные	Рессорно-пружинные	65, 70, 75, 80, 85
	Для строительных конструкций	С235, С285, С590К
	Подшипниковые	ШХ4
	Для крановых рельс	К63

Конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления деталей машин и металлоконструкций. Их активно используют во всех сферах промышленности — начиная от металлообработки и заканчивая возведением атомных электростанций.

Среди них выделяют три основных группы:

• общего назначения — марки со стандартной степенью очистки от постоянных примесей. Нужно преимущественно для сварных строительных конструкций, корпусных деталей и ненагруженных элементов;
• качественные — повышенной степени очистки и с улучшенными механическими свойствами. Применяются для производства деталей машин и крепежа;
• повышенной обрабатываемости — с максимально стабильной структурой и постоянством физико-механических свойств по всему объему. Такой материал идет в работу на автоматические линии.

Инструментальные углеродистые стали могут похвастать куда большим содержанием углерода, чем все остальные «родственники» — от 0,66 до 1,35%. Такие сплавы используют для производства:

• режущего инструмента — для работ по дереву, пластику, мягким цветным сплавам и незакаленной стали;
• мерительного инструмента;
• слесарного инструмента;
• оснастки для холодной штамповки;
• вспомогательной станочной оснастки.

Главное преимущество инструментальных марок — очень сильная реакция на закалку, увеличенная износостойкость, твердость и прочность.

Углеродистая сталь для строительных конструкций идет на массовый выпуск фасонного проката: швеллера, тавровой и двутавровой балки, уголков. В сплавах этого типа заложено мало углерода и ощутимое количество примесей кремния и марганца (до 0,5..0,8%), чтобы обеспечить необходимую вязкость, устойчивость и хорошее восприятие сварочных процессов.

Очень интересна марка ШХ4, случайно попавшая в группу подшипниковых как единственная нелегированная сталь. Ее используют для производства колец железнодорожных подшипников. Содержание углерода там изрядное — в пределах 0,95 до 1,05% — и присутствует щепотка хрома — 0,35..0,5%.

Марку К63 (или просто 63) применяют исключительно для горячей прокатки специального сортамента — рельс крановых путей. Этот сплав обеспечивает необходимый баланс между прочностью, износостойкостью и стрессоустойчивостью. Материал постоянно работает с высокими нагрузками и фрикционным износом от катания колес.

Свойства углеродистых сталей

При рассмотрении той или иной марки, инженера интересует химический состав не сам по себе, а как прямое указание на возможные физико-механические свойства. А те, в свою очередь, отражают диапазон функций, которые характерны для материала.

И с оглядкой на такую взаимосвязь можно сделать утверждение, что каждая марка углеродистой стали по-своему уникальна, потому что обладает собственным, неповторимым набором характеристик.

Прочностные характеристики

Первым параметром, на который ориентируются при проектировании любой конструкции, становится умение материала сопротивляться действующим нагрузкам. Это комплексная характеристика, в которую войдут:

• предел прочности — размер силовой нагрузки, при которой металл разрушается;
• предел текучести — размер силовой нагрузки, при которой металл начинает деформироваться;
• ударная вязкость — способность сопротивляться внезапным силовым воздействиям;
• относительное удлинение при разрыве — насколько металл будет удлиняться перед тем, как окончательно «порваться» под действием радикальной силовой нагрузки, превышающей предел прочности;
• твердость — способность сопротивляться внедрению иного твердого тела.

Все эти показатели тесно связаны между собой. И по их оценке можно легко предсказать, как материал поведет себя в работе.

Связь между отдельными механическими характеристиками сплава не всегда прямая. Например, предел прочности всегда в 1,7..2,2 раза больше предела текучести. Зато, чем выше предел прочности сплава — тем зачастую меньшую величину относительного удлинения при разрыве он покажет.

Механические характеристики углеродистых сталей растут вместе с содержанием углерода. Этот элемент — главный признак всех возможностей сплава.

Ниже в таблице приведены ориентировочные показатели разных категорий сталей в «сыром» состоянии.

Категория углеродистых сталей	Предел прочности на разрыв	Относительное удлинение при разрыве	Поверхностная твердость
Низкоуглеродистые стали	255...450 МПа	20…34%	101…179 HB
Среднеуглеродистые стали	450…560 МПа	16…24%	132..207 HB
Высокоуглеродистые стали	650…820 МПа	11..16%	187…269 HB

Термическая обработка позволяет изменять исходные свойства. Так, например, закалка обеспечивает инструментальным сталям повышение прочности свыше 1570 МПа с твердостью на поверхности около 59...64 HRC (600..668 HB). Относительное удлинение при разрыве при этом снижается до 7%.

Ударную вязкость редко рассматривают в качестве основного параметра механических свойств стали. Но она может дать больше информации, дополняя картину и расставляя все точки над «Ё».

Величину ударной вязкости замеряют как отражение того, сколько энергии необходимо приложить, чтобы отбить кусок материала определенной площади. От предела прочности вязкость отличается тем, что исследователь оценивает поведение металла не в условиях стабильно приложенной нагрузки, а резкого и внезапного удара.

Для углеродистых сталей ударная вязкость будет зависеть в том числе от структурного состояния сплава:

• после горячей прокатки (сырой металл) — 14..28 Дж/см²;
• после отжига — 32..72 Дж/см²;
• после закалки и отпуска — 110..164 Дж/см².

В функциональном смысле этот параметр также отражает склонность материала к растрескиванию под приложением стационарной, импульсной или вибрационной нагрузки.

Коррозионная стойкость

Слабое место всех углеродистых сталей — восприимчивость к коррозии и окислению. Все марки, без исключения, очень остро и болезненно реагируют на контакт с водой, открытым воздухом и насыщенным паром.

В промышленных сплавах устойчивость к коррозии получают за счет химической инертности базовых составляющих материала. Так латунь мы можем смело погружать в воду, поскольку меди и цинку она не страшна.

При изготовлении коррозионностойких сталей в качестве главного легирующего компонента используют хром. Как только его удельная доля в сплаве превысит отметку в 10%, этот элемент затормозит окисление железа. Работу хрома дополняют и усиливают присутствием никеля (от 5% и выше), меди и молибдена. В редких случаях добавляют 1..2% титана и мизерную долю редкоземельных металлов.

В углеродистых сталях значимых легирующих добавок нет, хотя хром и никель всё-таки присутствуют — но их не более 0,25%. Поэтому эта категория промышленных сплавов уязвима перед коррозией, как ни одна другая.

Были проведены наглядные опыты, отражающие степень распространения ржавчины по нелегированным сталям. Заготовку погружали в поток горячей воды (60°С) на 3000 часов. Скорость окисления достигала 0,65 грамм металла на 1 квадратный метр поверхности за 1 час. Повреждения распространились вглубь на 0,24 мм.

Чтобы повысить стойкость углеродистых сталей к коррозии, используют защитные покрытия:

• окраска по грунту;
• хромирование;
• цинкование;
• никелирование;
• кадмирование.

Допустимо также применять технологии химического оксидирования и фосфатирования, чтобы избежать контакта с окружающей средой.

Износостойкость

Способность успешно сопротивляться механическому изнашиванию поверхностей — одна из необходимых функций, если деталь будет работать в постоянном контакте с другой деталью или потоком жидкой или газообразной среды, проходящей по ее поверхности с определенной скоростью.

Износостойкость достигается повышением твердости поверхностных слоев материала и сглаживанием микрорельефа неровностей. Для этого изделия из углеродистых сталей подвергают термической или химико-термической обработке, а после шлифуют до блеска.

Самые значимые технологии:

• закалка — для средне- и высокоуглеродистых марок;
• цементация и цианирование — для низкоуглеродистых;
• нитроцементация — для всех.

Если цементация — это процесс насыщения поверхностных слоев внешним углеродом, когда «по корочке» низкоуглеродистая сталь превосходит высокоуглеродистую, то нитроцементация — это одновременное насыщение углеродом и азотом. Поверхностная твердость при этом достигает 58..64 HRC, и дополнительно появляется минимальная стойкость против коррозии. Наилучшие результаты по нитроцементации достигают на легированных сталях, но и углеродистые тоже показывают значительное улучшение свойств.

Цианирование также подразумевает воздействие на сталь азотом и углеродом, но весь процесс происходит в ваннах цианистых солей. При этом с помощью режимов можно плавно управлять долей углерода и азота в конечном результате.

Стойкость к воздействию температур

Допустимый диапазон работы углеродистых сталей — от −100 до +350°С. За пределами этих значений материал начинает ускоренно терять свою прочность. Это связано с тем, что в чистом виде сплав железа с углеродом неустойчив по отношению к воздействию температур.

Стойкость к нагреву или охлаждению необходимо усиливать за счет добавления молибдена, марганца, кремния, больших доз хрома и никеля. Но в углеродистых сталях легирующие элементы находятся в слишком малом объеме, чтобы оказать существенное влияние.

Значимое падение прочностных свойств начинается на отметке +400°С. Здесь сплав теряет 15...25% от исходного значения, присущего ему при комнатной температуре. При переходе границы в +500°С углеродистая сталь лишается 40...50% своей прочности.

Можно увидеть прямую взаимосвязь с условиями термической обработки: минимальный отпуск (разупрочнение, снятие напряжений, стабилизация структуры) таких марок происходит при температуре +400°С. Высокий отпуск (полный возврат в «сырое» состояние) — на +600°С. Соответственно, даже закаленные углеродистые стали не могут эффективно работать при нагреве свыше температуры, когда металл отпускается.

Технологичность в обработке

Технологичностью материала называют то, насколько удобно и беспроблемно вести его промышленную обработку. По итогам оценки сплав признают технологичным — если с ним можно беспрепятственно достигнуть поставленных целей — или нетехнологичным — если на пути поджидают тысячи сложностей.

Углеродистые стали относятся к категории высокотехнологичных промышленных материалов. Уже много лет известны все методы и способы управлять свойствами этих сплавов и добиваться нужных результатов.

Эти марки воспринимают:

• механическую обработку (резание) — без ограничений. Их можно успешно точить, сверлить и фрезеровать без дополнительных условий;
• обработку пластической деформацией — без ограничений. Их штампуют в холодном и горячем состояниях, подвергают ковке, глубокой вытяжке, вальцуют и гнут;
• сварочные процессы — здесь необходимо ориентироваться на удельное содержание углерода. Чем его больше — тем больше внимания требует организация сварки. Низкоуглеродистую сталь можно варить «на коленке», безо всякого флюса или защитного газа. А вот среднеуглеродистая сталь потребует предварительного подогрева и тщательного контроля проплавления, а после завершения работ — обязательной нормализации или отжига всей конструкции;
• термическую обработку — в зависимости от содержания углерода. Сплавы хорошо поддаются закалке, цементации, нитроцементации и цианированию. Все марки, без исключения, можно отжигать, отпускать и нормализовать.

На долю углеродистых сталей приходится свыше 70% всех случаев выбора стали как конструкционного материала. Этот факт уже доказательство высокой технологичности данной категории сплавов.

В общей стратегии промышленного применения именно к углеродистым сталям инженеры обращаются в первую очередь. Зона действия легированных марок начинается там, где углеродистые просто не смогут работать.

Применение углеродистых сталей

Классификация по области использования дает первичное представление о том, с какой целью и какие сплавы назначают в тех или иных случаях.

Но следует рассмотреть более подробно, как именно себя ведут углеродистые стали непосредственно «на службе».

Производство деталей машин

Если поставлена цель — изготовить определенную деталь механизма — и в перечне условий стоит выпуск из углеродистых сталей, то сначала оценивают, в каком режиме предстоит работать изделию.

Низкоуглеродистые марки закладывают для элементов, которые не воспринимают значимых нагрузок и не подвержены вибрации или ударам. Сюда входят:

• дистанционные кольца;
• втулки;
• крышки;
• колпаки;
• маховики;
• стаканы под размещение подшипников;
• прихваты и планки.

Отдельная категория — сварные каркасные конструкции и корпусные изделия. Здесь малую прочность низкоуглеродистых сталей компенсируют толщиной несущего сечения, а главное достоинство — податливость сварным процессам — повышает общую технологичность.

Если деталь механизма будет работать с серьезными нагрузками, то для нее нужно использовать среднеуглеродистые стали с прицелом на закалку или низкоуглеродистые — держа в уме необходимость цементации.

В список такой продукции войдут:

• шкивы ременных передач;
• звездочки цепных передач;
• зубчатые колеса и шестерни, валы-шестерни;
• валы и оси;
• шпиндели;
• рычаги;
• ролики;
• штока и поршни цилиндров.

Технологический процесс выпуска подобных деталей включает получение заготовки (отрезок проката, отливка, штамповка или поковка), механическую и термическую обработку. В качестве доводочных и отделочных операций закладывают воздействие абразивом: шлифование, хонингование, притирка, суперфиниширование. Эффективно работать абразивным инструментом по незакаленным сталям нельзя из-за засаливания режущих зерен.

К высокоуглеродистым рессорно-пружинным маркам обращаются только в особых случаях — они куда сложнее в обработке и не прощают ошибок (заварить дефект будет очень сложно). Среди очевидных примеров — навивка спиральных пружин, изготовление рессор, выпуск цанг, направляющих скольжения и иных деталей, где нужны упругие свойства и высокая твердость.

Производство инструмента

Инструментальные стали не зря заслужили столь громкое и однозначное название. Углеродистые марки с передней приставкой «У» используют для производства:

• напильников и надфилей;
• резцов по дереву;
• отверток, шестигранных и гаечных ключей;
• плоскогубцев, бокорезов, кусачек;
• садовых ножниц;
• ножниц по металлу;
• пил и ножовок;
• топоров;
• метчиков и плашек;
• кернов и ударников для маркировки;
• накатных роликов;
• сверл, зенковок, цековок;
• мерительного инструмента (штангенциркулей, микрометров);
• калибров;
• механических угломеров;
• оснастки для штамповки (матрицы, пуансоны).

Нужно отметить, что ограничением в использовании углеродистых инструментальных сталей выступает нагрев. Их нельзя применять в условиях, где температура возрастает свыше +250..+300°С — закаленный металл отпускается, теряет свою прочность и твердость.

Кроме того, углеродистые марки уступают по своим функциональным характеристикам легированным сплавам. Они неспособны успешно резать или давить материалы, превосходящие их по прочностным параметрам. Поэтому сферой применения остается ручной инструмент, а также холодная обработка дерева, пластика и мягких цветных металлов.

В производстве используют только кованые заготовки — литье полностью исключено, а из проката в качестве исходника берут специальный упрочненный сортамент, предназначенный именно для изготовления инструмента.

Материал точат, сверлят и фрезеруют, подвергают закалке, а в конце — дорабатывают абразивным воздействием. На шлифовку изделия обычно уходит до 40% всей трудоемкости работ, поскольку именно здесь инструмент приобретает финальные профиль и размеры, а во время этих операций снимают всю часть поверхностного слоя, где могут скопиться дефекты после термической обработки.

Производство крепежа

Согласно ГОСТ 1759.4-87, в котором оговорены требования к механическим свойствам резьбового крепежа, в производстве болтов, винтов и шпилек используют:

• углеродистые стали 10 и 20 — для классов прочности 3.6, 4.6, 4.8, 5.8 и 6.8, без термической обработки;
• углеродистые стали 30, 35, 45 — для классов прочности 5.6 и 6.6, с термической обработкой;
• углеродистую сталь 35 — для классов прочности 8.8, 9.8, 10.9 и 12.9, с обязательной термической обработкой.

Основной технологией массового и крупносерийного выпуска метизов остается горячая или холодная штамповка на высадочных автоматах, с последующей нарезкой или накаткой резьбы. Для мелкой серии можно заказать нестандартный крепеж с изготовлением на универсальном металлорежущем оборудовании.

В метизном производстве часто обращаются к отдельной категории углеродистых марок — сталям повышенной обрабатываемости (с буквой «А» в начале обозначения). Их уникальная особенность и отличие от остальных состоит в том, что структура и химический состав — максимально однородны по всему объему проката. В процессе обработки на станках-автоматах не должно быть угрозы, что инструмент испытает перепад нагрузки из-за «пятнистой» твердости или ему встретится микродефект в виде неметаллического включения в теле металла.

Заключение

Углеродистые марки — это универсальное решение для большинства технических задач, где требуется подобрать сталь для изготовления деталей машин или сборки несущей металлоконструкции. Их легко различать по степени содержания углерода. По этому же параметру моментально делают вывод и об области применения.

Углеродистые стали рассматривают всегда в первую очередь — благодаря их сравнительной дешевизне, технологичности и доступности на рынках металла. И только в случаях, когда ни один сплав из этой категории не может дать узкоспециализированный «навык» — работу в агрессивной среде, под экстремально низкой температурой или в условиях постоянного нагрева — только тогда инженер начинает подбирать варианты с легированием.