Конструкционная сталь

Углеродистые и легированные стали

Категория: Выбор стройматериалов

Углеродистые и легированные стали

Металлические конструкции, арматуру для железобетона, трубы, крепежные детали и другие строительные изделия изготовляют, как правило, из конструкционных углеродистых сталей; конструкционные легированные стали используют только для особо ответственных металлличе-ских конструкций и арматуры для предварительно напряженного бетона. Однако благодаря эффективности объем ис-иользования легированных сталей постоянно расширяется.

Углеродистые стали — это сплавы, содержащие железо, углерод, марганец и кремний, а также вредные примеси — серу и фосфор, снижающие механические свойства стали (их содержание не должно превышать 0,05…0,06 ). В зависимости от содержания углерода такие стали делятся на низко (до 0,25 углерода), средне- (0,25…0,6%) и высокоуглеродистые (свыше 0,65%). С повышением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость стали; прочность ее также возрастает, но при содержании углерода более 1% вновь снижается. Повышение прочности и твердости стали объясняется увеличением содержания в стали твердого компонента — цементита.

Углеродистые стали по назначению подразделяют на сталь общего назначения и инструментальные.

Углеродистую сталь общего назначения подразделяют на три группы: А, Б и В.

Из стали марок Ст1 и Ст2, характеризующейся высокой пластичностью, изготовляют заклепки, трубы, резервуары и т. п.; из стали СтЗ и Ст5 — горячекатаный листовой и фасонный прокат, из которого выполняют металлические конструкции и большинство видов арматуры для железобетона. Эти стали хорошо свариваются и обрабатываются.

Стали группы Б (БСтО, БСт1, БСтЗ и т. д. до БСтб) поставляют с гарантированным химическим составом; стали группы В — с гарантированными химическим составом и механическими свойствами. Благодаря определенности химического состава стали групп Б и В можно подвергать термической обработке.

Легированные стали помимо компонентов, входящих в углеродистые стали, содержат так называемые легирующие элементы, которые повышают качество стали и придают ей особые свойства. К легирующим элементам относятся: марганец — Г, кремний — С, хром — X, никель — Н, молибден — М, медь — Д и другие элементы. Каждый элемент имеет свое назначение: марганец повышает прочность, износостойкость стали и сопротивление ударным нагрузкам без снижения ее пластичности, кремний — упругие свойства, никель и хром улучшают механические свойства, повышают жаростойкость и коррозионную стойкость; молибден улучшает механические свойства стали при нормальной и повышенной температурах.

Легированные стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами (нержавеющие, жаростойкие и др.). Для строительных целей применяют в основном конструкционные стали.

Конструкционные низколегированные стали содержат не более 0,6% углерода. Основные легирующие элементы низколегированных сталей: кремний, марганец, хром, никель. Другие легирующие элементы вводят в небольших количествах, чтобы дополнительно улучшить свойства стали. Общее содержание легирующих элементов не превышает 5%.

Низколегированные стали обладают наилучшими механическими свойствами после термической обработки.

При маркировке легированных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, следующие за ним буквы — условное обозначение легирующих элементов. Если количество легирующего элемента составляет 2% и более, то после буквы ставят еще цифру, указывающую это количество. Например, марка стали 25ХГ2С показывает, что в ней содержится 0,25% углерода, около 1% хрома, 2% марганца и около 1% кремния. При маркировке высококачественных легированных сталей (с низким содержанием серы и фосфора) в конце ставится буква А.

В строительстве применяют легированные стали 10ХСНД, 15ХСНД для изготовления ответственных металлических конструкций (ферм, балок), 35ХС, 25Г2С, 25ХГ2СА, ЗОХГСА и 35ХГСА — для изготовления арматуры для предварительно напряженного бетона.

Прочность на растяжение таких сталей в 2…3 раза выше, чем обыкновенных углеродистых сталей СтЗ и Ст5. Так, у стали ЗОХГСА предел прочности при растяжении не менее 1100 МПа, а у стали 35ХГСА — не менее 1600 МПа (у стали Ст5 — 500…600 МПа). Такие высокие прочностные показатели позволяют получать из легированных сталей более легкие конструкции при сохранении необходимой несущей способности. Это, в свою очередь, снижает расход металла и уменьшает массу здания.

Инструментальные легированные стали

Инструментальные легированные стали

Данный вид низкоуглеродистого железа обладает иными приоритетным параметрами, сосредоточенными на высоких показателях твердости и износостойкости. Обе характеристики улучшаются с повышением концентрации углерода в металле.

Первоочередно вопрос, затрагивающий легированные стали – применение этого вида металла. Область использования, как указывалось ранее, соответствует названию категории. Подобная сталь – это материал для производства трех основных групп инструментов:

режущий;

измерительный;

штампы.

Первая категория объединяет резцы, фрезы, долбяки. К ней относится и класс быстрорежущей стали, отличающейся красностойкостью, а также сохранением режущих характеристик при нагреве до температуры 700 0С. Другая отличительная особенность быстрорежущей стали – скорость обработки металла, превышающая аналогичный параметр обычных инструментальных марок в пять раз. Маркировка быстрорежущих марок производится литерой «Р», где последующие цифры указывают процентное вхождение вольфрама.

Документ, описывающий инструментальные легированные стали – ГОСТ 5950 – 73. Данная разновидность обладает улучшенной теплостойкостью, диапазон значений данного параметра переносится в интервал 250 – 300 0С. Увеличение данной характеристики сказывается на скорости резания, повышая ее значение на 20 – 40%.

Рассматривая, как влияют легирующие элементы на свойства стали, остановимся на нескольких элементах.

Кремний, марка – 9ХС. Введение элемента в состав инструментальной стали повышает ее прокаливаемость до 40 мм. Дополнительный эффект связан с улучшением стойкости мартенсита при отпуске. Впрочем, элемент приносит и отрицательные нюансы в легируемый металл. Стали, содержащие кремний плохо поддаются резанию.

Изделия из легированной конструкционной стали

Марганец, марки – ХВГ, 9ХВСГ. Легирование этим металлом приводит к снижению деформации инструмента в процессе закалки. Наиболее эффективен данный тип легирования для протяжек – инструментов, обладающих большим соотношением длины к диаметру поперечного сечения.

Хром. Легирование элементом применяется для улучшения твердости стали после закалки.

Классификация по назначению

Выше уже были приведена классификация видов сталей по назначению. Маркировка конструкционных сталей включает в себя такие обозначения:

• Строительная – обозначается буквой С и цифрами, характеризующими предел текучести.
• Подшипниковая – обозначается буквой Ш. Далее идет обозначение и содержание легирующих добавок, в основном, хрома.
• Инструментальная нелегированная – обозначается буквой У и содержанием углерода в десятых долях процента.
• Быстрорежущая – обозначается буквой Р и символами легирующих компонентов.
• Нелегированная конструкционная сталь имеет в обозначении символы Сп и число, показывающее содержание углерода в десятых или сотых долях процента.

Классификация стали по назначению

Остальные разновидности, в том числе и инструментальные марки из легированных сталей, не имеют специальных обозначений, кроме химического состава, поэтому расшифровку и назначение отдельных видов можно определить только по справочной литературе.

Какие существуют виды классификации углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству.

По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8 % С, структура которой состоит из феррита и перлита; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8 % С, структура которой состоит только из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8–2,14 % С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

По способу производства различают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

33. Классификация сталей по качеству.

Стали по качеству классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Под качеством понимается совокупность свойств стали, определяемых металлургическим процессом её производства. Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов (кислорода, водорода, азота). Основным показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей(серы, фосфора). Стали обычного качества содержат до 0,06% S и 0,07 % Р, качественные- до 0,035% S и 0,035% Р, высококачественные- не более 0,025 S и 0,025 Р, а особовысококачественные- не более 0,015% S и 0,025 Р.

Стали содержат повышенное количество серы и фосфора. Маркируются Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп.

Ст – индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 — это условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочностьи снижаетсяпластичностьстали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей: А, Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются имеханические свойства, и химический состав.

Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная.

Классификация сталей

Качественные углеродистые стали

Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности, в основном, спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали. Маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.

Пример: сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45. Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %.

Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента.

Пример: сталь У8, сталь У13. Содержание углерода, соответственно, 0,8 % и 1,3 %

Инструментальные высококачественные углеродистые стали. Маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали.

Пример: сталь У10А.

Области использования и применения

Области и сферы применения деталей и изделий из конструкционной углеродистой стали обыкновенного качества общего назначения.

1. Ст0. Ее используют для изготовления неответственных деталей, к которым относятся кожух, ограждения, перила, сплошная обшивка и прочие.
2. Ст1. Детали, изготовленные из нее, обладают малой твердостью, но высокой вязкостью. Из Ст1 изготавливают болты фундаментные, анкерные; метизы для сборки обшивки.
3. Ст2 применяется при изготовлении деталей и элементов неответственных конструкций, от которых требуется высокая пластичность, глубокая вытяжка при штамповке и пластической деформации.
4. Ст3. Из нее производят несущие конструкции получаемые при помощи сварки и не используя ее. В автомобиле- и тракторостроении изготавливают рамы, кузова, колесные диски, детали для сельскохозяйственной техники. В строительстве пруток используется в качестве арматуры при производстве железобетонных изделий.
5. Ст5. Термически улучшаемые детали: стержень, клин, палец, рычаг, различные метизы. Средненагруженные элементы грузоподъемных сооружений: крюк, ось, вал.
6. Ст6. В станкостроении из данной стали изготавливают ударные элементы для молотов (баба), шпинделя метало- и деревообрабатывающих станков, соответственно после термического упрочнения.

Сварные конструкции рекомендуется возводить из сплавов группы Б.

Расшифровка обозначения типа Э50А

Углеродистая конструкционная сталь

Маркировка легированных сталей

Маркировка легированных сталей показывает, во-первых — главную легирующую добавку, и во-вторых химический состав стали.

На практике это выглядит так:

Таблица №5.

Но если содержание легирующих металлов меньше, чем содержание углерода, то маркировка приобретает вот такой вид: 20Х, 30Х, 40Х и др. Число в начале маркировки означает содержание углерода (оно исчисляется в-десятых долях процента), а за буквенным обозначением каждого легирующего элемента может быть проставлена цифра, по которой и определяют его количественное содержание в сплаве.

Если ее (как в указанных случаях) нет, то указанного элемента в стали содержится не больше 1,5%. Соответственно маркировка 40Х2 будет обозначать, что в сплаве содержится 4% углерода и 2% хрома.

Низколегированные стали, в которых главным элементом сплава является углерод, тоже могут иметь в начале маркировки указание на содержание углерода.

Например, маркировка стали марки 09Г2С показывает, что в ней содержится 0,09% углерода, а легирующие добавки ( Г-марганец и С-кремний ) содержатся в ней в пределах 2%.

Аналогично можно понять маркировки 10ХСНД или 15ХСНД

Цифры в начале обозначают содержание углерода (1% и 1,5% соответственно), а буквы обозначают легирующие добавки (Х-хром, С-кремний, Н-никель, Д-медь), содержание которых не превышает 1% и поэтому в цифрах не указывается.

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.

Как подключить розетку

Обозначения легирующих элементов

Для того чтобы по маркировке стали узнать качественный и количественный состав, для легирующих элементов используют буквенные обозначения. В основном, русские буквы соответствуют названиям элементов, хотя встречаются исключения, поскольку есть элементы, которые начинаются с одинаковых букв. Таблица легирующих элементов выглядит следующим образом.

Обозначение легирующих элементов в сталях

В	Вольфрам	Б	Ниобий
К	Кобальт	Е	Селен
М	Молибден	Р	Бор
Н	Никель	Ф	Ванадий
Т	Титан	Ц	Цирконий
Х	Хром	Ю	Алюминий
Г	Марганец	А	Азот
Д	Медь	С	Кремний

Как видно из таблицы, в ней присутствуют два неметалла – кремний и азот, а углерода нет. Наличие углерода подразумевается в составе любой стали, поэтому в обозначении указывается лишь его содержание

Состав химических элементов

Количественный состав примесей в углеродистых сплавах обыкновенного качества должно соответствовать строгим параметрам ГОСТ. Так общие показатели представлены в таблице.

Марка стали	С (углерод), %	Mn (марганец), %	Si (кремний), %
Ст0	не превышает 23/100	—	—
Ст1	6/100 … 12/100	35/100 … 50/100	—
Ст2	8,5/100 … 15/100	35/100 … 50/100	—
Ст3	14/100 … 22/100	35/100 … 60/100	12/100 … 3/100
Ст4	18/100 … 27/100	40/100 … 70/100	12/100 … 3/100
Ст5	28/100 … 37/100	50/100 … 80/100	17/100 … 35/100
Ст6	38/100 … 50/100	50/100 … 80/100	17/100 … 35/100

Объем содержащегося углерода и его вкрапления наглядно показано на рисунке.

Объем содержащегося углерода и его вкрапления

Объем марганца зависит от степени и способа раскисления сплава и дополнительного его введения. Так марки от Ст3Гпс, сп до СтГ5пс, сп содержат марганца от 8 десятых долей процента до1 и 2-ух десятых долей процента.

Углеродистая сталь обыкновенного качества содержит N (азот), F (фосфор), S (серу) и некоторые металлы. Объем содержащегося азота зависит от метода восстановления сплава. Например, в сплавах, выплавленных в печах мартеновским или конверторным способом содержание азота не превышает 1-ой сотой процента. А сплавы, выплавляемые в электрических печах, содержат азота не больше 12 тысячных долей процента.

Объем содержания примесей в углеродистых сплавах обыкновенного назначения во многом зависит от способа производства. Кроме вышеперечисленных также применяются переплавы:

• открытый дуговой;
• электрошлаковый;
• вакуумно-дуговой;
• электроннолучевой;
• вакуумно-индукционный и прочие.

• не более 4 сотых процента фосфора (для всех типов сплавов кроме Ст0);
• не более 5 сотых процента серы (исключение составляет Ст0 в ней серы от 6 сотых до 7 сотых процента);
• не более 3 десятых процента содержания Ni (никеля), Cu (меди) и Cr (хрома) (для Ст0 данный параметр не нормирован). Если углеродистая сталь обыкновенного качества выплавляется с использованием технологии «скрап», то в таком сплаве содержание хрома с никелем может достигать 35 сотых процента, а меди не превышает 4 десятых долей процента.

Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества

Любая продукция имеет погрешности и отклонения. Состав в углеродистых сплавах общего назначения имеет некоторые отклонения по количественному содержанию химических элементов представлены таблице.

Элемент	Кипящая, %	Полуспокойная, %	Спокойная, %
Углерод	±3/100	min -2/100max +3/100	min -2/100max +3/100
Сера	+5/1000	+5/1000	+5/1000
Фосфор	+5/1000	+5/1000	+5/1000
Кремний	Не допускается	min -2/100max +3/100	min -2/100max +3/100
Азот	+2/100	+2/100	+2/100
Марганец	min -4/100max +5/100	min -3/100max +5/100	min -3/100max +5/100

Конструкционная легированная сталь

Нормативный документ: качественная конструкционная легированная сталь изготовляется согласно ГОСТ 4543-71.

Легированная сталь — сталь, в которую в процессе легирования в определенных количествах вводят специальные элементы, обеспечивающие требуемые свойства. Такие элементы называют легирующими. Они могут повышать прочность и коррозионную стойкость стали и снижать опасность ее хрупкого разрушения.

Для легирования стали используются следующие химические элементы: марганец (Mn) — Г; кремний (Si) — С; хром (Cr) — Х; никель (Ni) — Н; медь (Cu) — Д; азот (N) — А; ванадий (V) — Ф; ниобий (Nb) — Б; вольфрам (W) — В; селен (Se) — Е; кобальт (Co) — К; бериллий (Be) — Л; молибден (Mo) — М; бор (B) — Р; титан (Ti) — Т; алюминий (Al) — Ю.

Классификация конструкционной легированной стали

По отношения общей массы легирующих элементов к массе стали:

• сталь высоколегированная — более 10%;
• сталь среднелегированная — более 2,5-10%;
• сталь низколегированная — до 2,5%.

В зависимости от основных легирующих элементов:

• хромистая;
• марганцовистая;
• хромомарганцовая;
• хромокремнистая;
• хромомолибденовая;
• хромомолибденованадиевая;
• хромованадиевая;
• никельмолибденовая;
• хромоникелевая;
• хромоникелевая с бором;
• хромокремнемарганцовая;
• хромокремнемарганцовоникелевая;
• хромомарганцовоникелевая;
• хромомарганцовоникелевая с титаном и бором;
• хромоникельмолибденовая;
• хромоникельмолибденованадиевая;
• хромоникельванадиевая;
• хромоалюминиевая;
• хромоалюминиевая с молибденом;
• хромомарганцовоникелевая с молибденом;
• хромомарганцовоникелевая с молибденом и титаном.

В зависимости от хим. состава и свойств:

• качественная;
• высококачественная — А;
• особо высококачественная (сталь электрошлакового переплава) — Ш.(например ШХ15)

По видам обработки:

• прокат горячекатаный и кованый (в том числе с обточенной или ободранной поверхностью);
• калиброванный;
• со специальной отделкой поверхности.

По качеству поверхности:

• 1 группа;
• 2 группа;
• 3 группа.

По состоянию материала:

• без термической обработки;
• термически обработанный — Т;
• нагартованный — Н.

Марки конструкционной легированной стали

Марки стали: 15Х, 20Х, 30Х, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Г, 12ХН, 20ХН, 40ХН, 14ХГН, 19ХГН, 20ХГНМ, 30ХМ.

Заменители некоторых марок стали:

• 20Х — 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ;
• 30ХГСА — 40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 25ХГСА, 35ХГСА;
• 40Х — 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС.

Обозначение марок конструкционной легированной стали: две первые цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв указывают содержание легирующего элемента в целых единицах.

Применение конструкционной легированной стали

Марка стали	Область применения
60С2(А)	Рессоры из полосовой стали толщиной 3-16мм и пружинной ленты толщиной 0,08-3мм; витые пружины из проволоки диаметром 3-16мм.
70СЗА	Тяжелонагруженные пружины ответственного назначения. Сталь склонна к графитизации.
50ХГ(А)	Рессоры из полосовой стали толщиной 3-18мм.
50ХФА(ХГФА)	Ответственные пружины и рессоры, работающие при повышенной температуре (до 300°С), или подвергаемые многократным переменным нагрузкам.
60C2XA	Большие высоконагруженные пружины и рессоры ответственного назначения.
60C2H2A(C2BA)	Ответственные высоконагруженные пружины и рессоры из калиброванной стали и пружинной ленты.
20Х	Кулачковые муфты, втулки, шпиндели, направляющие планки, плунжеры, оправки, копиры, шлицевые валики и др.
40Х	Зубчатые колеса, шпиндели и валы в подшипниках качения, червячные валы и др.
45Х, 50Х	Зубчатые колеса, шпиндели, валы в подшипниках качения, червячные и шлицевые валы, и др. детали, работающие на средних скоростях при небольшом давлении.
38ХА	Зубчатые колеса, работающие на средних скоростях при средних давлениях.
45Г2, 50Г2	Крупные малонагруженные детали: валы, зубчатые колеса тяжелых станков и т.п.
18ХГТ	Детали, работающие на больших скоростях при высоких давлениях и нагрузках.
20ХГР	Тяжелонагруженные детали, работающие при больших скоростях и нагрузках.
15ХФ	Некрупные детали, подвергаемые цементации и закалке с низким отпуском.
40ХС	Мелкие детали высокой прочности.
40ХФА	Ответственные высокопрочные детали, подвергаемые закалке и высокому отпуску; средние и мелкие детали сложной формы, работающих в условиях износа; ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках.
35ХМ	Валы, детали турбин и крепеж, работающие при повышенной температуре.

Свариваемость: cварка конструкционных легированных сталей несколько затруднена из-за склонности к закалке околошовной зоны и образованию в ней хрупких структур (требуется специальная технология сварки).

Производство

Изготовлением металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Специфика процесса получения углеродистой стали, заключается в переработке чугунных заготовок с уменьшением таких взвесей, как сера и фосфор, а также углерод, до требуемой концентрации. Различия методики окисления, посредством которой удаляют углерод, позволяет выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Основой методики был бессемеровский метод, который предусматривает продувку жидкого чугуна воздухом. Во время этого процесса, углерод окислялся и удалялся из сплава, после чего, чугунные слитки постепенно превращаются в сталь. Производительность данной методики высока, но сера и фосфор оставались в металле. Кроме того, углеродистая сталь насыщается газами, в том числе, азотом. Это улучшает прочность, но снижает пластичность, сталь становится более склонной к старению и изобилию неметаллическими элементами.

Учитывая низкое качество стали, получаемой бессемеровским методом, его перестали использовать. На замену пришел кислородно-конвертерный способ, отличием которого является использование чистого кислорода, вместо воздуха, при выполнении продувки жидкого чугуна. Использование определенных технических условий, при продувке, значительно снизило количество азота и других вредных примесей. В результате, углеродистая сталь, полученная кислородно-конвертерным способом, по качеству приближена к сплавам, переплавляемым в мартеновских печах.

Технико-экономические показатели конверторного способа подтверждают целесообразность такой плавки и позволяют вытеснить устаревшие методы изготовления стали.

Мартеновский метод

Особенностью способа получения углеродистой стали, является выжигание углерода из чугунных сплавов не только с помощью воздуха, но и за счет добавления железных руд и ржавых изделий из металла. Этот процесс обычно происходит внутри печей, к которым подводят подогретый воздух и горючий газ.

Размер таких плавильных ванн очень велик, они могут вмещать до 500 тонн расплавленного металла. Температура в таких емкостях поддерживается на уровне 1700 ºC, а выжигание углерода происходит в несколько этапов. Сначала, благодаря избытку кислорода в горючих газах, а когда образуется шлак над расплавленным металлом, посредством оксидов железа. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые, в дальнейшем удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства.

Плавка стали в мартеновских печах проходит около 7 часов. Это позволяет отрегулировать нужный состав сплава, при добавлении различных руд или лома. Углеродистая сталь давно изготавливается этим методом. Такие печи, в наше время, можно найти на территории стран бывшего Советского Союза, а также – в Индии.

Электротермический способ

Изготовить качественную сталь с минимальным содержанием вредных примесей, удается при плавке в вакуумных топках электродуговых или индукционных печей. Благодаря улучшенным свойствам электростали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Процесс преобразования сырья в углеродистую сталь, происходит в вакууме, благодаря чему качество полученных заготовок, будет выше, относительно рассмотренных ранее методов.

Стоимость такой обработки металлов дороже, поэтому данный метод используют при технологической необходимости в качественном изделии. Для удешевления технологического процесса используют специальный ковш, который разогревают внутри вакуумной емкости.

Способы изготовления стали и технологии

От технологии изготовления стали зависят структура этого сплава, его состав и свойства. Обычные стали производятся в мартеновских печах или конвертерах. Как правило, они насыщены значительным количеством неметаллических примесей.

Высококачественные сплавы производят с использованием электропечей. Особовысококачественные легированные стали, содержащие минимальное количество вредных примесей, производятся в процессе электрошлаковой переплавки.
При производстве сталей используют процесс раскисления, направленный на выведение кислорода из структуры сплава.  От количества удалённого кислорода зависит, какие получаются стали: малораскисленные, совершенно раскисленные или полураскисленные. Их классифицируют, как кипящие, спокойные и полуспокойные.

Марки стали

Несмотря на то, что сталь однозначно признаётся самым востребованным сплавом железа, единая система маркировки её видов по настоящее время не сложилась. Наиболее проста и популярна  буквенно-численная маркировка.

Качественные углеродистые стали маркируют с использованием литеры «У» и двузначным числовым значением (в сотых %) уровня углерода в их составе (У11).В марке обычных углеродистых сталей за буквой следует число, указывающее на количество углерода в десятых %  — У8.

Литеры используются и в маркировке легированных сталей. Они указывают на основной элемент, применяемый для легирования. Идущая следом цифра показывает концентрацию данного элемента в составе стали. Перед литерой ставят цифру, соответствующую доле углерода в металле в сотых %.

Например, стоящая в конце марки высококачественного сплава буква «А» указывает на его качество. Эта же литера в середине марки уведомляет об основном  элементе легирования, в данном случае им является азот. Литера в начале марки сообщает о том, что это автоматная сталь.

Литера «Ш» в конце маркировки, прописанная через дефис, говорит о том, что это особовысококачественный сплав. Качественные стали, не имеют в маркировке литер «А» и «Ш». Кроме того, существует дополнительная маркировка, указывающая на особые характеристики сталей. Так, например, магнитные сплавы отмечают литерой «Е», а электротехнические — «Э».

Буквенно-числовая маркировка, пожалуй, одна из самых простых и понятных для потребителя. Другие, более сложные, доступны только для специалистов.

Стали углеродистые качественные конструкционные

Являются основным металлом для изготовления деталей машин (валов, шпинделей, осей, зубчатых колес, шпонок, муфт, фланцев, фрикционных дисков, винтов, гайек, упоров, тяг, цилиндров гидроприводов, эксцентриков, звездочек цепных передач и др.), которые при взаимодействии в работающей машине воспринимают и передают различные по величине нагрузки. Эти металлы хорошо обрабатываются давлением и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке.

Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износостойкость и надежность. Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки.

Таблица 3. Основные свойства стали углеродистой качественной конструкционной

Марка	Механические свойства	Физические свойства	Технологические свойства
σт	σв	δ, %	ан Дж/см2	НВ	γ, г/см3	λ, Вт/(м ·°С)	α·106 ,1/°С	обрабаты- ваемость резанием	сварива- емость	интервал температур ковки,°С	пластичность при холодной обработке	*горяче- катаная **отож- женная
МПа
08	196	324	33	—	126	7,83	811	11,6	В	ВВ	800-1300	ВВ	*
10	206	321	31	—	140	7,83	811	11,6	В	ВВ	800-1300	ВВ	*
15	225	373	27	—	145	7,82	770	11,9	В	ВВ	800-1250	ВВ	*
20	245	412	25	—	159	7,82	770	11,1	В	ВВ	800-1280	В	*
25	274	451	23	88	166	7,82	732	11,1	В	ВВ	800-1280	В	*
30	294	490	21	78	175	7,817	732	12,6	В	В	800-1250	В	*
35	314	529	20	69	203	7,817	732	11,09	В	В	800-1250	В	*
40	321	568	19	59	183	7,815	596	12,4	В	У	800-1250	У	**
45	363	598	16	49	193	7,814	680	11,649	В	У	800-1250	У	**
50	373	627	14	38	203	7,811	680	12,0	У	У	800-1250	У	**
55	382	647	13	—	212	7,82	680	11,0	У	Н	800-1250	Н	**
60	402	676	12	—	224	7,80	680	11,1	У	Н	800-1240	Н	**
Примечание. Н — низкая, У — удовлетворительная, В — высокая, ВВ — весьма высокая.

Качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами (ГОСТ 1050-88), чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности).

Обозначение марки стали составляют из слова «Сталь» и двузначной цифры, которая указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода — 0,220,30 %), Сталь 60-0,60 % (допустимое количество -0,57-0,65%). Степень раскисления в марках спокойных сталей не отражается, а в марках полуспокойных и кипящих сталей, как и сталей обыкновенного качества, обозначается буквами «пс» и «кп» соответственно. В качественных конструкционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора — не более 0,035%.

Основные свойства углеродистой качественной конструкционной стали приведены в табл. 3, основное назначение — в табл. 4. Цвета маркировки приведены в табл. 5.

Таблица 4. Стали углеродистые качественные конструкционные, их основное назначение

Марка стали	Основное назначение
Сталь 08кп, 10	Детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, крепеж, колпачки. Цементируемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины (втулки, валики, упоры, копиры, зубчатые колеса, фрикционные диски)
Сталь 15, 20	Малонагруженные детали (валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни). Тонкие детали, работающие на истирание, рычаги, крюки, траверсы, вкладыши, болты, стяжки и др.
Сталь 30, 35	Детали, испытывающие небольшие напряжения (оси, шпиндели, звездочки, тяги, траверсы, рычаги, диски, валы)
Сталь 40, 45	Детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики, плунжеры, шпиндели, фрикционные диски, оси, муфты, зубчатые рейки, прокатные валики и др.)
Сталь 50, 55	Зубчатые колеса, прокатные валики, штоки, бандажи, валы, эксцентрики, малонагруженные пружины и рессоры и др. Применяют после закалки с высоким отпуском и в нормализованном состоянии
Сталь 60	Детали с высокими прочностными и упругими свойствами (прокатные валки, эксцентрики, шпиндели, пружинные кольца, пружины и диски сцепления, пружины амортизаторов). Применяют после закалки или после нормализации (крупные детали)

Таблица 5. Цвета маркировки стали углеродистой качественной

Группа	Цвет краски
Сталь 08, 10, 15, 20	Белый
Сталь 25, 30, 35, 40	Белый и желтый
Сталь 45, 50, 55, 60	Белый и коричневый