Углеродистые стали обыкновенного качества: особенности и сферы применения

О чем речь? Углеродистые стали обыкновенного качества – те, которые не содержат легирующих элементов, зато включают в себя постоянные примеси в виде марганца, кремния, серы и фосфора. Последние способствуют улучшению свойств материала.

Где используются? Механические свойства таких сталей считаются удовлетворительными, а потому они нашли широкое применение в разных сферах: строительстве, машиностроении, энергетике, производстве бытовой техники. Главное – выбрать подходящую марку.

Основная классификация сталей

Плавка железной руды позволяет получить чугун, который содержит не менее 2,14 % углерода. Далее начинается процесс науглероживания, в ходе которого сырье превращается в сталь. У металла повышается пластичность, но снижается твердость.

Исходя из этого показателя, выделяют 3 группы сплавов.

Высокоуглеродистые (от 0,6 до 1,4 %)

Это особо твердые сплавы. Предназначение – производство канатной проволоки, дроби для дробеструйной обработки, штампов для деформации металлов. Сюда также входят некоторые пружинные марки.

Среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,6 %)

Кроме достаточно высокой прочности, материал отличается хорошей пластичностью. Это свойство крайне важно для технологической обработки. Сталь применяют для изготовления конструкций, эксплуатирующихся в нормальных условиях.

Низкоуглеродистые (до 0,25 %)

Получаются мягкие сплавы, имеющие хорошую формообразующую способность. Для повышения прочности применяется отжиг изделий.

Фото: HSN CLICKS / Freepik

Наряду с углеродистыми, существуют еще легированные виды стали, которые, кроме углерода, включают в себя дополнительно некоторые вещества, как металлы, так и неметаллы.

Эти химические элементы вводятся в ходе плавки для получения желаемых свойств (механических, физических и химических) готового продукта. Легировать (от лат. ligare «связывать») – сплавлять, соединять в единое целое. Поэтому те вещества, что добавляют в сталь, называются легирующими элементами, а саму сталь – легированной.

В соответствии с качеством стали (углеродистые и легированные) делятся на 4 типа.

Особовысококачественные стали

Содержат массовую долю серы не более 0,015 %, фосфора — не более 0,025 %. Легированную сталь получают методами электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

Высококачественные стали

Имеют в своем составе не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора.

Качественные стали

При их выплавке массовая доля серы должна быть не выше 0,04 %, а фосфора — от 0,035 до 0,040 %. Качественные стали могут быть углеродистыми и легированными.

Стали обыкновенного качества

Включают в себя от 0,045 до 0,060 % серы и от 0,04 до 0,07 % фосфора.

В целом, назначение углеродистой стали обыкновенного качества – быть конструкционным материалом. К тому же невысокая стоимость позволяет использовать ее для изготовления сооружений большого масштаба: трубопроводов, мостов, зданий.

Общая характеристика углеродистых сталей обыкновенного качества

На углеродистую сталь обыкновенного качества распространяется ГОСТ 380 2005. Это материал, не содержащий легирующих элементов, но включающий постоянные примеси.

Массовая доля базового сплавляемого элемента (углерода) ­– от 0,06 до 0,49 %. От количества углерода зависит марка стали углеродистой обыкновенного качества.

• Ст 0 – не выше 0,23 %;
• Ст 1 – 0,06-0,12 %;
• Ст 2 – 0,09-0,15 %;
• Ст 3 – 0,14-0,22 %;
• Ст 4 – 0,18-0,27 %;
• Ст 5 – 0,28-0,37 %;
• Ст 6 – 0,38-0,49 %.

В состав углеродистых сталей обыкновенного качества входят следующие вещества:

• марганец (0,25 – 0,65 %);
• кремний (0,1 – 0,3 %), сера (0,05 – 0,06 %), фосфор (0,05 – 0,06 %), если массовая доля марганца от 0,8 до 1,1 %;
• хром, никель, медь – от 0,3 до 0,4 %.

Фото: EyeEm / Freepik

В зависимости от способа обработки стали можно получить разные изделия.

Прокат (горячий или холодный).

• профилированные изделия;
• листовые изделия:
• тонко- и толстолистовые;
• широкополосные;
• в виде лент;
• в виде проволоки.

Обжим.

• заготовки с квадратным сечением (блюм);
• полупродукт с прямоугольным сечением (сляб);
• плоские заготовки из конструкционной углеродистой стали (сутунка).

Ковка, непрерывное литье, штамповка.

Отливка для получения слитков.

Главные характеристики для стальных сталей обыкновенного качества:

• Коэффициент Пуансона (при проверке на сжатие / растяжение) – около 0,24 – 0,28.
• Модуль Юнга (показатель продольной упругости) – 20 500 кг / мм².
• Модуль сдвига (степень упругости) – 8100 кг/мм².
• Плотность (в зависимости от системы исчисления): 7800 кг/м³ (СИ), 7,8 г/см³ (СГС) и 796 тем/м³ (МКСС).
• Допускаемое напряжение – 14 кг/мм² (на сжатие / на растяжение).

Эти стали нашли широкое применение в строительстве и машиностроении.

Высокая технологичность, соответствие всем требованиям и низкая стоимость позволяют применять их в процессе создания массовых конструкций.

Степени раскисления углеродистых сталей обыкновенного качества

Углеродистую сталь обыкновенного качества классифицируют также по степени раскисления на кипящую, полуспокойную и спокойную. При разливке расплавленной стали в изложницы она кипит и насыщается газами. Степень раскисления определяется содержанием кремния (Si):

• кипящие — не более 0,07 %;
• полуспокойные — от 0,07 до 0,12 %;
• спокойные — от 0,12 %.

Кипящая сталь называется так потому, что, будучи не полностью раскисленной в печи, содержит некоторое количество закиси железа. В результате она продолжает кипеть после попадания в изложницу. Производство подобной стали выходит дешевле, но она имеет в своем составе растворенные газы, например, азот, поэтому во время сварки могут появляться трещины.

Полуспокойная углеродистая сталь обыкновенного качества получила свое название от того, что, являясь более раскисленной по сравнению с кипящей, она застывает в изложнице без кипения. При этом сталь выделяет газы. Тем самым в ней меньше газовых пузырей (сравнительно с кипящей), и полости эти полностью завариваются в ходе прокатки. Данный материал нашел применение в качестве конструкционной стали. Еще одним преимуществом является то, что для выплавки полуспокойных сталей надо меньше раскислителя, а это снижает ее себестоимость.

В том случае, если во время выплавки сплава в нем нет закиси железа (то есть сталь полностью раскислена), после разливки по изложницам вещество не кипит.

Именно поэтому для сварных конструкций, имеющих большое значение, предпочитают использовать спокойную сталь. Однако производство ее обходится дороже.

Маркировка углеродистых сталей обыкновенного качества

Углеродистая сталь обыкновенного качества может быть следующих марок: Ст 0, Ст 1 кп, Ст 1 пс, Ст 1 сп, Ст 2 кп, Ст 2 пс, Ст 2 сп, Ст 3 кп, Ст 3 пс, Ст 3 сп, Ст 3Г пс, Ст 3Г сп, Ст 4 кп, Ст 4 пс, Ст 4 сп, Ст 5 пс, Ст 5 сп, Ст 5Г пс, Ст 6 пс, Ст 6 сп.

Ст – «Сталь».

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 – номер марки в зависимости от химического состава. Чем выше номер, тем больше доля углерода и показатель временного сопротивления.

Г – марганец при его количестве в сплаве от 0,80 % и выше.

Степень раскисления стали: кп – кипящая; пс – полуспокойная; сп – спокойная.

Фото: nuraghies / Freepik

Ранее действовавший ГОСТ 380 – 71 определял группы, ссылки на которые иногда можно встретить в учебной литературе:

А – с определенными механическими свойствами, что позволяло использовать сталь без дальнейшей обработки так, как она поставлялась (группа «А» в марке обычно не прописывалась, а подразумевалась);

Б – сталь, поставляемая по химическому составу, требующая термообработку (ГПД);

В – сталь, поставляемая по механическим свойствам и химическому составу, предназначенная для сварки.

Сферы использования углеродистых сталей обычного качества

Перечислим основные области применения углеродистых сталей обыкновенного качества.

• Строительство. Производство конструкций разного предназначения (балки, колонны, рамы).
• Автомобильная промышленность. Выпуск кузовов, шасси и иных компонентов автомашин.

• Машиностроение. Изготовление комплектующих для машин и механизмов (валы, шестерни, зубчатые колеса).
• Производство инструментов. Создание ручного инструмента (ножи, пилы, молотки).
• Энергетика. Выпуск компонентов энергетических установок (трубопроводы, резервуары).
• Изготовление бытовой техники, кухонных принадлежностей и мебели.
• Производство холодного оружия (ножей, мечей, топоров).

Конкретная область применения зависит от марки стали. В качестве примера:

• Ст 0 — обшивка и арматура.
• Ст 1 — швеллеры и балки (благодаря гибкости и высокой устойчивости к деформациям).
• Ст 2 — неответственные элементы конструкции в связи с пластичностью материала.
• Ст 3 — металлопрокат, на автомобильных заводах из нее делают кузова и диски.

Фото: usertrmk / Freepik

• Ст 5 — болты и гайки.
• Ст 6 — детали, требующие повышенной прочности и износостойкости, также применяется в дерево- и металлообработке.

Часто задаваемые вопросы об углеродистых сталях обыкновенного качества

Какой тип подобной стали самый распространенный?

• Ст 3, наиболее распространенная и используемая марка: углеродистая сталь обыкновенного качества, нашедшая применение в изготовлении сварных и несварных, несущих и ненесущих конструкций.
• Ст 3 сп и Ст 3 пс подходят для производства комплектующих, работающих при положительных температурах.
• Ст 3 кп — для деталей, работающих при температуре от – 40° до + 40°.
• Ст 3Г сп и Ст 3Г пс выпускают прокат для несущих конструкций, работающих при температуре от – 40° до + 45°.

Каковы особенности сварки углеродистых сталей обыкновенного качества?

При организации сварочных работ углеродистых сталей обыкновенного качества необходимо учитывать ряд нюансов.

• Выбор метода сварки, который определяется с учетом структуры сплава и массовой доли в нем углерода.
• Использование защитных газов, где оптимальным будет применение смеси с тремя частями аргона и одной частью углекислоты.

• Приобретение электродов и проволоки с особыми требованиями: желательно иметь достаточную прочность на разрыв, изгиб, ударную вязкость.
• Наличие присадок, таких как кальций и марганец, усиливающих прочность химических связей.

В чем разница между инструментальными и конструкционными углеродистыми сталями обыкновенного качества?

Как следует из названия, конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления различных конструкций, механизмов и деталей машин.

Инструментальные углеродистые стали применяются для изготовления режущего и измерительного оборудования, а также для инструментов, используемых при обработке методом давления. Подобные сплавы содержат от 0,7 % до 1,5 % углерода и обладают высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью. Следовательно, разница между конструкционными и инструментальными углеродистыми сталями обыкновенного качества заключается в областях применения и свойствах материалов.

Углеродистая сталь обыкновенного качества на сегодняшний момент является наиболее распространенной. Ее производят путем раскисления. Сплав отличается хорошей свариваемостью. Данный тип выпускается в виде различных видов проката. Самое важное – выбрать марку, оптимально соответствующую вашим целям.

Изображение в шапке статьи: Phonlamaistudio / Freepik