Состав, характеристики и применение углеродистой стали
Углеродистая сталь – это конструкционная или инструментальная сталь, в которой не содержится легирующих элементов.
В настоящее время не существует технологии, которая позволяла бы полностью удалять примеси из готового сплава. Поэтому в состав углеродистой стали на постоянной основе входят помимо железа такие химические элементы как:
- углерод - до 2,14 %,
- кремний - до 1 %,
- марганец - до 1 %,
- сера - до 0,05 %,
- фосфор - до 0,06 %.
Наличие вышеперечисленных элементов обусловлено методами плавки. А углерод добавляется специально. В том случае, когда количество примесей трудно отрегулировать, то корректируется уровень углерода. Сталь считается углеродистой только в том случае, если объем углерода по массе не превышает 2,14 %.
Структура и характеристики металла могут меняться при помощи термической обработки, благодаря которой достигается необходимая твердость поверхности и прочие требования для использования конструкций из стали. Но не все свойства структуры могут быть скорректированы при помощи термообработки. К данным структурным свойствам относится жесткость, которая выражается модулем сдвига или модулем упругости. Данная особенность учитывается в процессе проектирования ответственных механизмов и узлов. Когда расчет прочности узла требует использование деталей небольшого размера, но способных выдерживать большую нагрузку, то применяется термическая обработка, что позволяет увеличить жесткость сырой стали в 2-3 раза. К стали, которая подвергается такой обработке, предъявляются требования по количеству примесей и углерода, а называются они стали повышенного качества.
Благодаря своим свойствам углеродистая сталь используется в различных областях промышленности, но особенно в машиностроении. Способность углеродистой стали сопротивляться высоким нагрузкам и наличие высоких пределов усталости делает возможным ее использование для изготовления ответственных деталей машин: технологическая оснастка легкой и деревообрабатывающей промышленности, маховики, корпуса шатунов, коленчатые валы, поршни плунжерных насосов, зубчатые передачи редукторов и т.п. Стали с повышенным содержанием марганца используются для производства пружин, торсионов, рессор. Инструментальная сталь нашла применение в производстве инструментов для обработки металлов - сверла, резцы. Углеродистая сталь с средним и низким содержанием углерода применяется в процессе изготовления металлических коммуникаций и конструкций. Специальные прокатные станы металлургических предприятий изготавливают различные профили: трубы, уголки, двутавры и т. п.
Классификация углеродистых сталей и способы их производства
Углеродистая сталь классифицируется по следующим признакам:
- Направленность применения продукции. Согласно данному признаку углеродистая сталь делится на конструкционную и инструментальную. Конструкционные стали делятся на стали обыкновенного качества и качественные, а инструментальные на качественные и стали высокого качества.
- Способ производства. Согласно данному признаку углеродистые стали делятся на мартеновские, электростали и кислородно-конвертерные.
- Отношение стали к химически активным средам. Согласно данному признаку углеродистые стали делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.
- Содержание углерода. Согласно данному признаку углеродистые стали делятся на доэвтектоидные - содержание углерода до 0,8 %, эвтектоидные - содержание углерода 0,8 % и заэвтектоидные - содержание углерода более 0,8 %.
- Количество углерода в составе сплава. Согласно данному признаку углеродистая сталь делится на низкоуглеродистую - до 0,29 %, среднеуглеродистую - от 0,3 до 0,6 % и высокоуглеродистую более 0,6 %.
Производство металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Специфика производства углеродистой стали заключается в переработке заготовок из чугуна с уменьшением содержания серы, фосфора и углерода до необходимой концентрации.
Чугуны – это группа железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода более 2%.
К основным методам производства углеродистых сталей относятся: кислородно-конвертерный, мартеновский и электрохимический способы. Отличие кислородно-конвертерного способа от бессемеровского заключается в использовании чистого кислорода вместо воздуха для продувки жидкого чугуна, что способствует значительному снижению содержания в сплавах азота и прочих вредных примесей. Особенность мартеновского способа производства углеродистой стали заключается в том, что выжигание углерода из чугуна осуществляется не только при помощи воздуха, но и благодаря добавлению ржавых металлических изделий и железных руд. Данный процесс осуществляется в специальных печах. Электрохимический способ производства углеродистой стали подразумевает выплавку в индукционных или электродуговых печах. Благодаря данному способу изготавливаются инструментальные и жаростойкие сплавы.
