Углерод в стали — содержание, влияние на свойства металла и применение

На механические характеристики сплава, его пластичность, твердость,прочность, вязкость влияет количество углерода в стали. При изменении процентного содержания этого химического элемента можно наделить материал новыми свойствами.

Стальные сплавы, в которых содержится углерод (обозначается буквой С), различаются составом, степенью окисления, стойкостью к коррозии, технологией изготовления и сферой применения.

В статье расскажем о взаимодействии углерода с металлом, видах и различиях стальных сплавов, содержащих этот элемент, о производстве и использовании в различных отраслях промышленности.

Что такое углеродистая сталь

Краткое определение стали — это сплав железа, который содержит до 2,14% С, а также имеет в составе другие примеси: в виде кремния — до 1%, марганца — до 1%, серы — до 0,05%, фосфора — до 0,06%.

В металле может содержаться незначительный процент азота, кислорода, водорода. Но именно углеродистые соединения определяют механические и технологические особенности сплава.

Для усиления определенных качеств (прочности, стойкости к коррозии и так далее), материал легируют добавками в виде хрома, никеля, алюминия, ванадия и другими элементами.

Как углерод влияет на свойства стали

Влияние углерода на свойства стали проявляется изменением структуры материала и получением новых свойств. А от технических характеристик металла зависят его назначение, область применения.

Изменение структуры металла при добавлении углерода

Если в сплаве железа увеличить процент содержания С, материал получит следующие изменения:

Увеличится сопротивление металла электрическим токам.

Произойдет увеличение коэрцитивной силы. Это значит, что увеличится значение напряжения внешних магнитных полей, способных размагнитить ферросодержащий материал.

Снизится показатель магнитной проницаемости и индукции.

Даже увеличение или снижение сотой доли С влияет на структуру, технологические особенности металла.

Кроме того, структура металла напрямую зависит от доли феррита и цементита. Если процентное содержание углерода составляет до 0,2, образуется два компонента: феррит, третичный цементит. С увеличением доли С образуется перлит. И чем больше количество цементита, тем меньше прочность металла.

Соответственно, количество феррита и цементита влияет на твердость, прочность, упругость стали. Доля углерода в сплаве позволяет регулировать показатели сопротивляемости ударной нагрузке, а также пластичность.

Как углерод влияет на свариваемость стали

Кроме структурных изменений, при добавлении С меняются и показатели свариваемости металла. Если в конструкционной стали содержится меньше 0,25% С, сплав хорошо сваривается, шов не дает трещин и прочих дефектов.

Однако увеличение доли С ухудшает свариваемость материала. В местах сварного шва появляются трещины, поры, что делает деталь хрупкой, не способной выдерживать значительные механические нагрузки, воздействие давления, перепады температуры.

Новые свойства и преимущества сплава при добавлении углерода

Разное процентное содержание углерода в металле помогает получать в промышленном масштабе сталь высокого качества с широким диапазоном технологических свойств.

Сталь становится прочной. Повышается ее несущая способность. Поверхность материала становится твердой. А срок эксплуатации может увеличиваться до 50 и более лет при эксплуатации в нормальных условиях.

Кроме того, из углеродистой стали производят детали, механизмы, которые эксплуатируются в средах, где требуется повышенная прочность, стойкость к высокой температуре, износостойкость.

На заметку. Еще одно преимущество углеродосодержащих сплавов — быстрая и простая технология выплавки. Во время производства стали из нее активно удаляется газ СО и СО2. Удаление происходит в виде пузырьков. В результате металл смешивается со шлаком. Процессы массо- и теплообмена протекают быстрее, поэтому время производства сплава сокращается.
При прохождении через сплав пузырей газа из металла удаляются неметаллические примеси.

Стали, содержащие углерод

В зависимости от того, сколько углерода содержится в материале, существует три вида стали. В таблице указан вид стали, процент С и свойства.

Количество углерода, %	Название стали	Свойства
До 0,25	Низкоуглеродистая	Повышенная пластичность. Материал легко деформируется. Допускается обработка металла под действием высокой температуры, а также холодные способны обработки.
От 0,25 до 0,6	Среднеуглеродистая	Хорошие пластичность и прочность. Материал применяется в изготовлении деталей, металлоконструкций, предназначенных для эксплуатации в нормальных условиях.
От 0,6 до 2%	Высокоуглеродистая	Из преимуществ: износостойкость, низкий коэффициент вязкости, высокая прочность. Однако высокое содержание С приводит к плохой свариваемости металла. Чтобы сварить высокоуглеродистую стальной сплав, его необходимо нагреть до температуры +220 градусов.

Качество металла определяется долей вредных примесей: серы, фосфора. Чем выше доля S и P, тем ниже качество материала. В таблице указано процентное содержание добавок, категория качества и маркировка.

Количество S и P, %	Качество	Маркировка
До 0,05%	Обыкновенная	Ст
До 0,035%	Качественная	Сталь
До 0,025%	Высококачественная	А
До 0,015%	Особовысококачественная	Ш

Качество напрямую влияет на цену. Самый дорогой стальной сплав относится к категории особовысококачественных.

В чем различие между конструкционной и инструментальной сталью

Кроме деления по процентному содержанию С и качеству, углеродосодержащие металлы также делятся на конструкционные и инструментальные. Они различаются технологией производства, сферой применения.

Конструкционная сталь

Технология изготовления основана на выплавке в мартеновской печи либо на применении специальных конвертерных установок. В углеродистых конструкционных стальных сплавах содержание углерода может достигать 0,6–0,85%.

Сплав может быть как обыкновенным, так и качественным. Если детали применяются в агрессивных условиях, с перепадами давления, высоким риском постоянного механического воздействия, то для изготовления используют качественную сталь, которая также отличается пластичностью, стойкостью к ударным нагрузкам.

Металл может содержать и легирующие добавки в виде хрома, ванадия, титана, кобальта и так далее.

Конструкционная сталь бывает строительной и машиностроительной. В этом случае марки сплавов различаются количеством углерода. К строительным относят низкоуглеродистые, а к машиностроительным — среднеуглеродистые, высокоуглеродистые.

Сплавы с низким содержанием С хорошо поддаются сварки. Шов получается прочным, без дефектов. Из строительных сплавов выплавляют арматуру, трубы, элементы крепежа, металлопрокат в виде листов.

Сплавы со средним и высоким содержанием С — это износостойкие, пластичные, прочные материалы, которые применяют в машиностроении, изготовлении деталей, механизмов для автомобилей, спецтехники, промышленного оборудования.

Инструментальная сталь

Технология изготовления основана на выплавке металла в мартеновской печи или электропечи. В сплавах этой категории содержится небольшое количество вредных примесей серы и фосфора. При этом доля С может находиться в пределах 0,7–1,4%.

Производители изготавливают сталь двух категорий качества: качественную и высококачественную.

Кроме того, инструментальные стальные сплавы различаются по назначению.

Для режущего инструмента. Из металла производят ножи, ножницы, хирургические скальпели.

Для штампованного инструмента. Из металла изготавливают сверла, измерительные инструменты, прессы и так далее.

Материал проходит дополнительную термообработку, что закаляет его, делает более прочным, стойким к преждевременному износу.

В инструментальных стальных сплавах также содержатся легирующие компоненты: кобальт, титан и другие редкие элементы высокого качества.

Какой бывает сталь по степени раскисления

Еще одна характеристика углеродсодержащих сплавов — степень раскисления. Она зависит от доли вредных компонентов в виде оксидов Fe. Если в стальном сплаве содержится маленькое количество О2, металл считается долговечным. Такой материал способен долго сохранять свою стабильность.

В таблице указаны свойства каждого вида стали.

Вид стали по степени раскисления	Свойства	Какой элемент используется для раскисления
Спокойная	Сплав почти не содержит кислорода. Отличается однородностью, стойкостью как к статическим, так и динамическим нагрузкам, возникающих во время эксплуатации.	Алюминий, марганец, кремний.
Полуспокойная	В составе до 0,3% углерода. Отличается относительной однородностью структуры, так как сплав раскислился частично. Слиток металла проявляет стабильность.	Алюминий, марганец.
Кипящая	В составе высокий процент О2. Неоднородность структуры приводит к тому, что металл содержит большую долю серы, фосфора и других вредных компонентов. Однако кипящие сплавы могут применяться для обработки технологией холодной ковки.	Марганец.

На заметку. Сталь кипящей степени раскисления не может использоваться при пониженной температуре, так как теряет технологические характеристики, становится хрупкой.

Как сталь насыщают углеродом

Процесс насыщения металла углеродом называется цементацией. В чем особенность этой технологии:

Процесс проходит под действием высокой температуры. Без этого условия атомы углерода не могут активироваться. Именно из-за повышения температуры химическому элементу удается проникнуть глубоко в структуру металла.

Для насыщения стальной поверхности используется атомарный углерод. При этом насыщаются не только верхние, но и нижние слои материала.

Глубина насыщения — до 2,5 мм. Параметр будет зависеть от того, с какой интенсивностью проводится процедура.

Длительность цементации зависит от толщины слоя. Чем толще слой, тем больше времени потребуется на его образования. Чтобы получить толщину 0,1 мм, потребуется около 60 минут.

Для цементации используют несколько способов: в среде газов, в жидкости, электролите, вакууме, твердой среде. Могут применяться специальные пастообразные компоненты.

Насыщенный металл получается стойким к статическим и динамическим нагрузкам, прочным, пластичным.

Процесс цементации похож на азотирование. Однако в случае насыщения азотом затрагиваются только верхние слои. В результате металл получается устойчивым к коррозии. Еще одно отличие в том, что азотирование подходит для сплавов, в составе которых есть металлы, проявляющие стойкость к ржавлению: хром, алюминий и так далее.

Цементация подразумевает химическое и термическое воздействие на металл. Стальная поверхность насыщается атомарным углеродом под действием диффузии и высокой температуры, которая может достигать +950 градусов.

Важно. Цементация применяется для сплавов с низкой долей С или для легированных металлов. Почему это важно? Металлическая заготовка проходит стадию температурной закалки, а значит, после закаливания должна быть вязкой.

Как определить содержание углерода в металле

Для определения используют множество методов: от химических до физических.

Сжигание образца металла. Процесс проходит под действием высокой температуры, при которой углекислый газ отделяется от металла. Суть метода в том, чтобы определить, сколькобыло сожжено углекислого газа. Образец для сжигания должен быть порошкообразным, перемолот в стружку, гранулы.

Определение спектральной линии образца. Когда металл нагрет, он излучает определенный спектр. С помощью специального оборудования определяют спектральную линию, в которой зашифровано количество химического элемента.

В лабораторных условиях также проводят анализ с применением рентгеновских излучений, когда определяется длины волны каждого компонента металла.

Как изготавливают углеродистую сталь

В производстве применяют специальные печи. Для каждого вида углеродистых сплавов предусмотрен свой способ получения.

Конверторная печь

Как происходит выплавка:

компоненты стали расплавляют;

после расплавки все компоненты подвергают воздействию промышленного кислорода;

в расплавленный сплав добавляют известь. Процедура известкования позволяет очистить металл от разных примесей. После извести примеси превращаются в шлак.

Из плюсов технологии: высокая производительность, надежность.

Минусы у технологии также имеются. Так как металл окисляется, образуются вредные газы. Угарный газ ядовит. Поэтому на производстве устанавливают системы фильтрации, способные поглощать не только газовые выбросы, но и пропитанную токсинами пыль. Однако фильтры стоят дорого, что требует дополнительных денежных вложений.

Мартеновская печь

Как получается сплав в мартеновской печи:

в специальный печной отсек загружают железный лом;

чугун или металл нагревают до определенной температуры;

лом переплавляют. Получается кипящая масса;

во время переплавки компоненты сплава соединяются между собой;

готовую сталь выливают из печного отсека.

Из плюсов: металл получается качественным. С помощью мартеновских печей изготавливают большинство марок сталей.

Электрическая печь

Электропечи позволяют снизить образование окиси во время плавки металла. Эта особенность сокращает и процентводорода в стали. Материал получается с однородной структурой.

Применение углеродистой стали

Металл применяется в сфере машиностроения, изготовления металлопроката, метизов. Готовые изделия получаются прочными, стойкими к нагрузкам.

Машиностроение

Для производства деталей автомобилей, спецтехники, промышленного оборудования применяют сталь с разной долей углерода в составе. Выбор марки зависит от условий эксплуатации механизмов.

Если детали не будут подвергаться высокой нагрузке, постоянным вибрационным и ударным воздействиям, подойдет низкоуглеродистый металл. Например, из него производят маховые элементы, планки, втулки.

Низкоуглеродистые сплавы подходят для изготовления корпусов, каркасов, крепление или соединение которых будет осуществляться с помощью сварки. Так как низкоуглеродистые сплавы хорошо свариваются, позволяют получить прочный шов, скрепить между собой каркасные детали достаточно легко. В этом случае невысокая прочность металла компенсируют толщиной материала.

Если планируется эксплуатация деталей в более жесткой среде под нагрузкой, в производстве применяют среднеуглеродистые сплавы. Дополнительно заготовки закаляют высокой температурой. Так изготавливают шестерни, ролики подшипников, поршни, рычаги.

Производство машинных деталей начинается с подготовки металлопроката, который прокатывают, отливают, пакуют, штампуют. Затем изделие подвергают воздействию высокой температуры. Последний этап — полировка, притирка и прочие отделочные процедуры.

На заметку. Только закаленную сталь подвергают абразивной обработке. Если металл не закален, его невозможно обработать абразивом. Дело в том, что во время процедуры частицы абразива будут засаливаться и не смогут отшлифовать поверхность.

Металл с высоким содержанием углерода применяют для спиральных пружин, рессор, цанг. Материал отличается повышенной прочностью. Его сложно обрабатывать. И если во время производства были допущены дефекты, их тяжело убрать. Поэтому рессорно-пружинная сталь используется для ограниченного вида деталей.

Производство инструментов

Для изготовления применяются инструментальные стальные сплавы. В чем их особенность:

Не подходят для инструмента, который будет применяться в условиях высокой температуры. Уже при нагреве до +250 градусов инструментальная сталь становится менее прочной, теряет твердость.

При производстве и дальнейшей эксплуатации инструментов из углеродистых сплавов учитывают прочность материала резки. Нельзя применять инструмент для резки поверхностей, которые превосходят по прочности.

Инструментальные сплавы применяют для производства инструмента, предназначенного для резки, выдавливания и прочих видов ручной обработки пластиковых, деревянных, а также металлических изделий (только из цветных металлов).

В производстве инструмента осуществляется из кованых заготовок. Металлопрокат точат, сверлят, фрезеруют. После закаляют, проводят абразивную обработку. С помощью шлифовки достигаются необходимые технические характеристики будущего изделия. Также абразивом снимают дефекты, которые появились под действием температуры, закалки.

Производство крепежных изделий

К крепежным изделиям относят болты, винты, шпильки и прочие крепежи с резьбовой поверхностью. Чтобы получить качественную крепежную деталь, для нее применяют сталь с процентным содержанием углерода от 0,1 до 0,45%, с разным классом прочности.

Чем выше класс прочности, тем актуальное применение термической обработки. Для Ст 35 с классом прочности 8.8, 9.8 термообработка проводится обязательно.

Для метизов применяют и высококачественную углеродистую сталь, которая обладает следующими свойствами:

однородная структура;

однородный состав;

одинаковая твердость по всему объекту;

отсутствие микроскопических дефектов, разных включений неметаллической природы.

Если метизы планируется выпускать крупной партией, для производства применяют технологию штамповки. При этом изготовление крепежей осуществляется как под действием температуры, так и без температурного воздействия.

Для изготовления небольших партий, опытных образцов, метизов нестандартной формы и конструкций применяют специальное оборудование с числовым программным управлением.

Итак, углеродистая сталь позволяет справляться с задачами разной сложности: от сборки строительных металлоконструкций, деталей для автомобилей и сельскохозяйственной техники до штамповки болтов и гаек.

Заключение

Заказать обработку металлопроката из углеродистой стали можно онлайн и по телефону. «Профбау» изготовит детали любой формы и размера с учетом технологических требований клиента.

Почему выбирают «Профбау»:

Опыт работы — более 20 лет в сфере проектирования и производства металлоизделий.

Обработка любых марок сталей: штамповка, резка, гибка, сварка, фрезеровка, 3D-печать и другие способы обработки.

Высокотехнологичное производство. Предприятие оснащено европейским оборудованием, которое позволяет изготавливать металлоизделий с максимальной точностью в соответствии с ГОСТ.