Углеродистые стали

Углеродистые стали

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом, содержащие до 2% углерода. Обычно стали выплавляют с содержа­нием углерода не более 1,3%; при большем его содержании сильно увеличиваются твердость и хрупкость и стали практического приме­нения не имеют.

Углеродистые стали служат основным материалом для изготов­ления деталей машин, конструкций и инструментов. В отечествен­ных и иностранных стандартах на металлы углеродистые стали представлены большим количеством разных марок. По сравнению с легированными сталями, а также с цветными металлами и их сплавами, углеродистые стали являются наиболее дешевыми.

Углеродистые стали применяют для изготовления деталей ма­шин, конструкций и инструментов. Конструкционные стали с со­держанием углерода до 0,25% называют низкоуглеродистыми, а с содержанием углерода от 0,25 до 0,6% — среднеуглеродистыми. В последнее время в качестве конструкционных начинают при­менять стали с содержанием углерода до 0,8%, например, для из­готовления железнодорожных рельсов. В инструментальных сталях содержится от 0,7 до 1,3% С.

На структуру и свойства углеродистых сталей оказывают влияние различные факторы, основными из которых являются: химический состав, способы выплавки и раскисления, технология обработки и др.

 

Влияние химического состава на структуру и свойства стали

Ранее было указано, что в углеродистой стали, кроме основных компонентов — железа и углерода, присутствует неболь­шое количество обычных примесей, газов и неметаллических вклю­чений, которые, наряду с углеродом, хотя и в меньшей степени, влияют на структуру и свойства стали.

Типичная микроструктура углеродистых сталей приведена на рис. 42.

Микроструктура углеродистой стали

Микроструктура углеродистой стали

Микроструктурный анализ показывает, что с увеличением содер­жания углерода изменяется структура стали. Так, при комнатной температуре структура стали (с содержанием углерода до 0,02%) состоит из феррита и незначительного количества третичного це­ментита, выделяющегося по границам зерен феррита. При большем содержании углерода в структуре стали появляется перлит. По мере увеличения содержания углерода количество светлой ферритной составляющей в доэвтектоидной стали уменьшается, а количество перлита увеличивается (рис. 42, а). Микроструктура эвтектоидной стали (0,8% С) состоит уже из одного перлита (рис. 42, б). При дальнейшем увеличении содержания углерода (выше 0,8% С) в микроструктуре заэвтектоидной стали, наряду с перлитом, по­является вторичный цементит, выделяющийся в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 42, в).

Таким образом, чем выше в стали содержание углерода, тем больше в микроструктуре цементита — твердой и хрупкой струк­турной составляющей, а количество феррита — мягкой и пластич­ной составляющей структуры стали, соответственно уменьшается.

С изменением в микроструктуре количественного соотношения между цементитом и ферритом изменяются механические свойства стали. При повышении содержания углерода, а следовательно, и количества цементита, твердость и хрупкость стали увеличиваются, а ее пластичность и вязкость умень­шаются. Кривые влияния содержания углерода на основные механические свойства стали приведены на рис. 43.

Влияния содержания углерода на механические свойства стали

Влияния содержания углерода на механические свойства стали

Изменяются и физические свойства. Например, электрическое сопротивле­ние и коэрцитивная сила с увеличением содержания углерода возрастают, а магнитная проницаемость понижается.

Однако механические свойства стали зависят не только от количества отдель­ных структурных составляющих, но и от величины, формы и распределения их частиц. Так, твердость и прочность у стали, имеющей в структуре крупно­пластинчатый перлит, ниже, чем у ста­ли с мелкопластинчатым перлитом. У перлита с зернистой формой цементита пластичность и вязкость выше, чем у перлита с цементитом пластинчатой формы. Расположение вторичного це­ментита в виде сетки по границам зерен перлита в заэвтектоидной стали умень­шает ее пластичность и вязкость. Большое значение имеет также величина зерна феррита,кото­рая оценивается баллами. С уменьшением зерна феррита плас­тичность стали повышается. Поэтому у листовой стали, подвер­гающейся при изготовлении изделий холодной штамповке и глубо­кой вытяжке, величина зерна составляет 7-8 баллов.

Содержание углерода оказывает также влияние и на технологи­ческие свойства стали. Так, наилучшие литейные свойства имеют стали с содержанием углерода от 0,2 до 0,5%. По мере дальнейшего увеличения содержания углерода литейные свойства стали ухудшаются. Ухудшается также свариваемость стали, обрабатываемость резанием, наоборот, становится лучше.

Влияние на структуру и свойства стали обычных примесей, газов и неметаллических включений определяют на основании ди­аграмм состояния.

Из обычных примесей полезными являются марганец и кремний, которые вводят в сталь в процессе плавки в качестве раскислителей.

Марганец в углеродистой стали обычно содержится в ко­личестве от 0,25 до 0,8%. Частично растворяясь в феррите, а ча­стично образуя карбид (Мп3С), марганец повышает прочность и твер­дость стали.

Содержание кремния в углеродистой стали не превышает 0,5%. Растворяясь в феррите, кремний повышает его твердость и улучшает упругие свойства, однако пластичность стали при этом снижается.

Сера и фосфор, в большинстве случаев, являются вред­ными примесями, так как ухудшают пластичность и вязкость стали, ее литейные свойства и свариваемость, а также увеличивают лик­вацию. Содержание серы в стали не должно быть больше 0,04%, редко 0,05%, а в качественной стали — не более 0,02%. При по­вышенном содержании серы в стали образуется сернистая эвтектика (Fe + FeS) с температурой плавления 985°, хорошо различимая под микроскопом. Выделения сернистой эвтектики располагаются но границам зерен феррита. При нагреве сталей (в процессе горячей обработки давлением) эвтектика расплавляется, связь между зер­нами нарушается, и стали становятся хрупкими.

Хрупкость, появляющаяся в стали при нагреве до красного каления, получила название красноломкости, или горячеломкости. Красноломкость может быть вызвана и дру­гими причинами, например, плохой раскисленностью стали. Вред­ное влияние серы можно ослабить путем повышения содержания марганца, который связывает серу в химическое соединение и пре­пятствует образованию сернистой эвтектики. Химическое соедине­ние MnS не является вредным, так как имеет температуру плавле­ния более высокую (1620°), чем температура нагрева стали при горя­чей обработке давлением. Наряду с отрицательным влиянием, оказываемым серой на свойства стали, необходимо отметить, что повышение содержания серы улучшает обрабатываемость стали резанием. Поэтому, например, в автоматной стали, применяемой для изготовления на автоматах мелких крепежных деталей, допу­скается содержание серы до 0,2%. Однако и в этом случае сера находится в виде химического соединения с марганцем — MnS.

Содержание фосфора должно быть не выше 0,04-0,05% в стали обычного качества и не более 0,03% — в качественной стали, так как, растворяясь в феррите, он увеличивает твердость и снижает вязкость стали. Особенно вредное влияние оказывает фосфор на пластичность и ударную вязкость стальных деталей, работающих при комнатной температуре и ниже 0°; фосфор усиливает хладно­ломкость стали. Наряду с этим, необходимо отметить, что фосфор в небольших количествах улучшает обрабатываемость стали реза­нием. Поэтому в автоматной стали допускается содержание фосфора до 0,1%. Фосфор (в присутствии меди) повышает сопротивление стали атмосферной коррозии.

Присутствующие в стали газы — азот, кислород и водород, ока­зывают большое влияние на ее структуру и свойства. Газы в стали находятся не только в газообразной форме, заполняя поры, имею­щиеся в слитке или отливке, но и образуют с железом твердые раст­воры и химические соединения.

Вредной примесью в углеродистой стали является азот. Ча­стично растворяясь в феррите, а частично образуя с железом твер­дые и хрупкие химические соединения, называемые нитридами (Fe2N, Fe4N и др.), он повышает твердость и хрупкость стали и снижает ее пластичность и вязкость. Особенно вредное влияние оказывает азот на свойства стали, подвергаемой холодной обработке давлением, вызывая в ней явление деформационного старения, т. е. повышение твердости и хрупкости с течением времени.

Кислород также является вредной примесью в стали. Раст­воряясь в феррите, он образует твердые и хрупкие оксиды, снижая пластичность и вязкость стали. Вредное влияние кислорода осо­бенно сильно сказывается при наличии в микроструктуре стали эвтектики (FeО + FeS), плавящейся при температуре 940°, в резуль­тате чего сталь, подвергнутая горячей обработке давлением, ста­новится красноломкой.

Вредное влияние на механические свойства оказывает также водород, однако его количество в стали непостоянно и с тече­нием времени уменьшается.

Кроме обычных примесей — Mn, Si, S и P и газов, в стали име­ются неметаллические включения (сульфиды, ок­сиды, силикаты, частицы огнеупоров и другие загрязнения), ухуд­шающие ее механические свойства. Чем крупнее включения, тем ниже механические свойства стали; поэтому размеры неметалличе­ских включений контролируют и оценивают баллами по специаль­но разработанным шкалам.

На основании сказанного выше можно сделать вывод, что чем меньше в стали вредных примесей, газов и неметаллических вклю­чений, тем качество стали выше.

 

Влияние способа выплавки и раскисления

Стали, выплавленные различными способами, отличаются большим или меньшим содержанием вредных примесей, газов и не­металлических включений. Наибольшую чистоту и наилучшие механические свойства имеют стали, выплавленные в вакуумных и электрических печах. У мартеновских сталей содержание вред­ных примесей и газов выше, чем у электросталей. Наибольшее ко­личество вредных примесей и газов содержится в конверторных сталях, выплавленных по обычной технологии. Содержание серы в них достигает 0,065%, а фосфора-до 0,08%. Механические свойства у этих сталей ниже, чем у сталей, выплавленных в марте­новских и электрических печах. Однако при выплавке стали в кон­верторах с использованием кислородного дутья (кислородно-конверторный способ) содержание серы, фосфора и газов такое же, как и у мартеновской стали.

Большое значение для получения качественной стали имеет спо­соб ее раскисления. В зависимости от способа раскисления углеро­дистые стали разделяют на спокойные, полуспокой­ные и кипящие. Содержание газов в кипящей стали значи­тельно выше, чем в спокойной (раскисленной марганцем, крем­нием и алюминием), содержание же кремния, наоборот, ниже (толь­ко следы).

Слиток из спокойной стали (рис. 44, а) имеет усадочную рако­вину, расположенную в его верх­ней части. В связи с этим металл значительной части слитка не мо­жет быть использован и идет в отходы. Зато металл оставшейся части слитка плотный, одно­родный по химическому составу и обладает высокими механически­ми свойствами.

Микроструктура стальных слитков

Микроструктура стальных слитков

Слиток из кипящей стали (рис. 44, б) имеет большое количество мелких усадочных раковин и газовых пузырей, рассеянных по всему объему, и обладает большой зональной ликвацией.

Механические свойства слитка кипящей стали, особенно в его верхней (головной) части, невысокие. Эта сталь в большей степени подвержена деформационному старению. Положительным свойст­вом кипящей стали является большая пластичность, обусловленная отсутствием кремния. Поэтому для изделий из листовой стали, под­вергаемых холодной штамповке и вытяжке, обычно применяют кипя­щую сталь. Детали машин и конструкции ответственного назначе­ния изготовляют из спокойной или полуспокойной стали (раскис­ленной марганцем и алюминием). Спокойная сталь является наибо­лее дорогой, а кипящая — наиболее дешевой.

 

Влияние технологии обработки

На структуру и механические свойства стальных изделий ока­зывает влияние технология их обработки.

Изделия из конструкционной стали получают различными спо­собами: отливкой, путем горячей и холодной обработки давле­нием и сваркой.

Микроструктура стальных фасонных отливок, а также переход­ной зоны сварных швов имеет обычно крупнозернистое строение. Для них характерно также особое расположение структурных со­ставляющих, так называемая видманштеттова структура. В этой структуре пластинки феррита и цементита расположены под углом 120° по отношению друг к другу. Механические свойства стали, имеющей такую структуру, низкие.

Микроструктура и механические свойства стальных деталей, изготовленных путем обработки давлением, зависят от режимов обработки (температуры нагрева, степени деформации и др.).

Влияние технологии обработки на структуру и механические свойства имеет большое значение, если учесть, что большую часть углеродистых сталей, предназначенных для изготовления изделий неответственного назначения, термически не обрабатывают и она имеет структуру и свойства, полученные после кристаллизации (фа­сонные отливки), горячей и холодной обработки давлением (прокат, поковки, штамповки и др.) или сварки (сварные конструкции).

Для улучшения структуры и механических свойств изготовлен­ные из углеродистых сталей детали машин ответственного назначе­ния и инструменты подвергают окончательной термической обра­ботке — закалке и отпуску, а также различным операциям хими­ко-термической обработки. В последнее время расширяется терми­ческая обработки (закалка) листового и сортового проката из низкоуглеродистой стали, проводимая на металлургических заводах для повышения прочностных свойств и, следовательно, снижения массы изготовляемых изделий и конструкций. Такая обработка получила название термического упрочнения. Для проведения термического упрочнения на ряде металлургических заводов построены термические цехи.

 

Классификация углеродистых сталей

По назначению углеродистые стали подразделяют на конструк­ционные и инструментальные. К каждой из этих групп предъявля­ются конкретные требования, зависящие от технологии производ­ства и условий работы изготовленных изделий.

Углеродистая конструкционная сталь имеет широ­кое применение в различных отраслях народного хозяйства. Она служит основным материалом для производства деталей машин и агрегатов, строительных конструкций, железнодорожного под­вижного состава, рельсов, труб, листа, проволоки и других изделий. Конструкционные стали должны обладать высокой прочностью, пластичностью и вязкостью, а также хорошими технологическими и эксплуатационными свойствами.

В соответствии с предъявляемыми требованиями углеродистые конструкционные стали подразделяют на стали обыкновенного ка­чества и качественные машиностроительные.

Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества выплавляют в мартенов­ских печах или бессемеровским способом. Эти стали подвергают об­работке давлением, большую часть из них термически не обрабаты­вают. По ГОСТ 380-60 (последние цифры ГОСТах означают год их утверждения) они подразделяются на три группы:

  • стали, поставляемые по механическим свойствам (группа А);
  • стали, по­ставляемые по химическому составу (группа Б);
  • стали повышенного качества, поставляемые по химическому составу и по механическим свойствам (подгруппа В).

Стали группы А маркируют по спо­собу выплавки. К этой группе относятся мартеновские стали двенад­цати марок: Ст. 0, Ст. 1, Ст.1кп, Ст. 2, Ст. 2кп, Ст. 3, Ст. 3кп, Ст. 4, Ст. 4кп, Ст. 5, Ст. 6, Ст. 7.

Стали группы Б маркируют в соот­ветствии с содержанием углерода и способом выплавки. К этой груп­пе относятся мартеновские стали десяти марок: МСт0, МСт1кп, МСт2кп, МСт3кп, МСт3, МСт4кп, МСт4, МСт5, МСт6 и МСт7 и бессемеровские семи марок: БСт0, БСт3п, БСт3, БСт4кп, БСт4, БСт5, БСт6.

Стали подгруппы В выплавляют в мартеновских печах; различают шесть марок: ВСт2кп, ВСт3кп, ВСт3, ВСт4кп, ВСт4 и ВСт5. Имеется также ГОСТ 9543-60 на конверторные стали (получаемые с применением кислорода). В зависимости от назначе­ния и гарантируемых свойств конверторные стали подразделяют на группы А и Б и подгруппу В (в соответствии с ГОСТ 380-60). Конверторные стали обозначают буквой К, например КСт5.

Углеродистые качественные стали вы­плавляют в мартеновских и электрических печах. Эти стали подвер­гают термической и химико-термической обработке. По ГОСТ 1050-60 их разделяют на две группы: с нормальным и повышенным содержанием марганца.

К первой группе относятся 22 марки стали: 05кп, 08кп, 08, 10кп, 10, 15кп, 15, 20кп, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85. Двухзначные цифры в марках этих сталей обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стали этой группы могут быть не только дефор­мируемыми, но и литыми (стали марок 15Л, 20Л и др. по ГОСТ 977-53).

Ко второй группе относятся стали с повышенным содержанием марганца одиннадцати марок: 15Г, 20Г, 25Г, 30Г, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г, 60Г, 65Г и 70Г.

Наряду с марками углеродистой конструкционной стали, пре­дусмотренными в приведенных выше ГОСТах, имеется ряд марок сталей специального назначения, а также сталей, поставляемых по особым техническим условиям (котельная, мостовая, судострои­тельная, листовая сталь для холодной штамповки и др.).

Углеродистая инструментальная сталь предназна­чена для изготовления режущих, мерительных и штамповых инстру­ментов.

Требования, предъявляемые к инструментальным сталям, за­висят от назначения изготовляемых из них инструментов. Так, от сталей, применяемых для режущих инструментов (резцов, сверл, фрез, плашек, метчиков и др.), требуются высокие твердость, изно­состойкость, прочность и вязкость.

Основными требованиями, предъявляемыми к сталям для изго­товления измерительных инструментов (калибров, колец, плиток и др.), являются: высокие твердость, износостойкость и неизменяе­мость размеров в процессе эксплуатации.

Стали для штамповых инструментов должны обладать высокими износостойкостью, а также прочностью и вязкостью не только при комнатной температуре (штампы для холодного деформирования), но и при повышенных температурах (штампы для горячего дефор­мирования).

Заготовки для инструментов получают, как правило, обработкой давлением.

Так как для придания необходимых структуры и механических свойств инструменты из углеродистых инструментальных сталей подвергают окончательной термической или химико-термической обработке, в ГОСТах указывают их химический состав. Углероди­стые инструментальные стали обозначают буквой У (углеродистые) и цифрой, соответствующей среднему содержанию углерода в деся­тых долях процента. Для обозначения высококачественной инстру­ментальной стали после цифры ставят букву А. Буква Г обозначает повышенное содержание марганца. По ГОСТ 1435-54 эти стали раз­деляют на две группы: качественные (марки У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13) и высококачественные (марки У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А).

Механические свойства углеродистых сталей могут быть повы­шены не только термической и химико-термической обработкой, но и легированием.