Углеродистая или легированная сталь: сравнение и что лучше

Углеродистая или легированная сталь: сравнение и что лучше

Углеродистая или легированная сталь: сравнение и что лучше

Существует около 700 марок сталей, у каждой из которых характерные именно для неё качества, но ежегодно разрабатываются новые. Разнообразие свойств сплавов определяется: наличием легирующих элементов, количеством углерода (С), процентом вредных примесей. В зависимости от содержания последних, в первую очередь серы и фосфора, сплавы разделяют на качественные и обычного качества.

По степени содержания кислорода стали бывают: кипящие (кп), полуспокойные (пс), спокойные (сп). Первые хрупкие, подвержены коррозии, имеют плохую свариваемость. Полуспокойные обладает промежуточными характеристиками между марками сп и кп. Сплавы под маркировкой сп более однородные, отлично свариваются, имеют повышенное сопротивление ударным нагрузкам. Наиболее значимым веществом, изменяющим характеристики стали, является углерод.

Углеродистые стали

Углерод, усиливая твёрдость, одновременно делает сплав более хрупким. Процентное содержание элемента отражается в маркировке — по ней можно определить, какой материал перед вами. Учтите, две первые цифры отражают наличие сотых долей процента элемента, одна – в десятых долей. Если углерода до 0,25 %, то сталь низкоуглеродистая, а следовательно – недорогая, легко сваривается. Если от 0,3 до 0,55 %, то сплав среднеуглеродистый, такие активно применяются в машиностроении. Количество элемента в диапазоне 0,6-2 %, показывает, что материал высокоуглеродистый, потому свариваемость и жидкотекучесть его низка, но твёрдость высокая.

Структура низкоуглеродистых сплавов обеспечивает пластичность, но относительно малую прочность материала. Увеличения содержания углерода приводит к потере пластичности, но заметно усиливает прочность. Так, высокоуглеродистая сталь — очень твёрдый, прочный сплав, для которого применение сварки стараются по возможности избегать. Из него выпускают проволоку, подшипники, пружины, штампованные детали.

Легированные стали

Добавляя в состав стальных сплавов некоторые вещества можно добиться необходимых свойств, эту операцию называют легированием. Так, например:

1. Хром — увеличивает твердость, прочность, стойкость к коррозии, но ухудшает пластичность.
2. Никель – повышает пластичность, стойкость к коррозии, но может снижать твёрдость, зачастую применяется вместе с марганцем.
3. Вольфрам, молибден – придают твердость, усиливает жаропрочность, снижают хрупкость при отпуске.
4. Марганец — оптимизирует стойкость к ударным нагрузкам, твердость, не уменьшая пластичности.
5. Алюминий – улучшает жаростойкость, а также окалиностойкость, коррозионную стойкость.
6. Кремний – делает металл прочным, сохраняя вязкость. Улучшает электросопротивление, упругость, кислостойкость. По сравнению с остальными легирующими элементами менее дорог.

Легированные стали, обладая уникальными качествами, используются для производства изделий, где их нельзя заменить иными материалами. Они классифицируются по назначению, структуре, проценту легирующих элементов, химическому составу.

Области применения

Любая сталь состоит из железа, углерода, примесей — но каждая марка разработана для решения определённых, иногда специфических задач. Характеристики материалов специализированы, и к выбору марки следует подойти ответственно. Стоит учесть, что:

1. Включение легирующих добавок расширяют спектр возможных применений металла, однако значительно повышает цену. Потому, выбирая марку, руководствуются не только улучшением характеристик металла, а ещё экономической целесообразностью, стоимостью добычи, дефицитностью легирующих элементов.
2. Свариваемость низкоуглеродистых сталей высока, а для легированных и высокоуглеродистых это – трудоёмкая операция, предполагающая квалификацию исполнителя.
3. У инструментальной углеродистой стали есть серьёзный минус – при нагревании она теряет твердость и режущую способность. Потому, если режущий инструмент нагревается, то предпочтительнее легированный металл. Многие легированные стали исключительны по своим свойствам, есть марки стали: магнитные, магнитотвёрдые, с повышенным электросопротивлением, жаропрочные, нержавеющие, окалиностойкие. Они незаменимы в авиационной, химической, военной промышленности.

Самой часто используемой сталью является — низкоуглеродистая обыкновенного качества, под маркировкой Ст. Она нужна в строительстве, в машиностроении, на производстве. Из неё производят:

• Крепёжные детали (Ст1)
• Листовое железо (Ст3, Ст2)
• Рельсы, кулачки (Ст6)
• Валы, оси, клинья (Ст5)
• Зубчатые колеса, фланцы (Ст3)
• Проволоку (Ст2)

В целом, углеродистые стали уступают по большинству показателей легированным, но достаточно надёжны, качественны, дёшевы, потому востребованы. Выбирая марку материала, стоит изучить справочную литературу, достоинства и недостатки конкретной марки, учесть множество других параметров, включая – условия эксплуатации, требуемые: жёсткость, ковкость, пластичность, цену, доступность. Выбрать одну сталь и сказать, что она идеальная невозможно – каждая из них хороша для своего случая.

Разница между легированной сталью и углеродистой сталью

Сталелитейная промышленность является одной из крупнейших отраслей промышленности в мире. Сталь производится в основном путем смешивания железа с другими металлическими или неметаллическими элементам

Содержание:

• Основное отличие — легированная сталь против углеродистой стали
• Что такое легированная сталь
• Что такое углеродистая сталь
• Разница между легированной сталью и углеродистой сталью

Основное отличие — легированная сталь против углеродистой стали

Сталелитейная промышленность является одной из крупнейших отраслей промышленности в мире. Сталь производится в основном путем смешивания железа с другими металлическими или неметаллическими элементами. Целью производства стали является получение различных свойств путем смешивания железа с другими элементами. Легированная сталь и углеродистая сталь — это два вида стали, которые отличаются друг от друга по своему составу. Основное различие между легированной сталью и углеродистой сталью состоит в том, что легированная сталь имеет большое количество других элементов, кроме железа и углерод в то время как углеродистая сталь имеет следовые количества других элементов, кроме железа и углерода.

Ключевые области покрыты

1. Что такое легированная сталь
— Определение, свойства, использование
2. Что такое углеродистая сталь
— Определение, свойства, использование
3. В чем разница между легированной сталью и углеродистой сталью
— Сравнение основных различий

Что такое легированная сталь

Легированная сталь — это металлические сплавы железа, углерода и большого количества других элементов. Другие элементы, присутствующие в нем, обычно включают марганец, кремний, никель, титан, медь и хром. Эти элементы называют элементами сплава, потому что эти элементы смешаны вместе, чтобы сформировать сплав. Целью добавления этих элементов является улучшение свойств стали. Легированную сталь можно разделить на две категории следующим образом.

• Низколегированная сталь
• Высоколегированная сталь

Низколегированные стали содержат небольшое количество легирующих элементов, тогда как высоколегированные стали содержат большое количество легирующих элементов. Обычно для улучшения твердости и долговечности стали добавляют легирующие элементы. Легированная сталь также устойчива к коррозии из-за присутствия значительного количества других элементов, таких как хром.

Например, нержавеющая сталь — это легированная сталь. Он содержит около 10% хрома вместе с железом и углеродом в смеси элементов. Благодаря своей антикоррозионной стойкости нержавеющая сталь используется для изготовления кухонных предметов.

Рисунок 1: Обратный обратный клапан из нержавеющей стали (легированная сталь).

Что такое углеродистая сталь

Углеродистая сталь состоит из железа и углерода. Легирующие элементы присутствуют в следовых количествах. Некоторыми из этих элементов являются кремний, марганец, сера и фосфор. Углеродистая сталь также делится на две группы, как показано ниже.

• Высокая углеродистая сталь
• Низкоуглеродистая сталь

Благодаря высокому количеству углерода, присутствующего в углеродистой стали, он проявляет такие свойства, как твердость, меньшая пластичность, пониженная свариваемость и низкая температура плавления. Мягкая сталь относится к низкоуглеродистой стали с содержанием углерода от 0,05 до 0,25%. Из-за высокого содержания железа он вызывает коррозию во влажных средах. Высокоуглеродистые стали содержат от 0,6% до 1,0% углерода. Эти высокоуглеродистые стали очень прочны. Поэтому в качестве строительных материалов используются углеродистые стали.

Рисунок 2: Углеродистая сталь, используемая в качестве строительного материала

Разница между легированной сталью и углеродистой сталью

Определение

Легированная сталь: Легированная сталь — это тип стали с высоким процентным содержанием других элементов, кроме железа и углерода.

Углеродистая сталь: Углеродистая сталь — это тип стали с высоким содержанием углерода и низким количеством других элементов.

Устойчивость к коррозии

Легированная сталь: Легированные стали устойчивы к коррозии.

Углеродистая сталь: Углеродистые стали менее устойчивы к коррозии.

Прочность

Легированная сталь: Прочность легированной стали низкая по сравнению с углеродистой сталью.

Углеродистая сталь: Углеродистая сталь обладает высокой прочностью.

свариваемость

Легированная сталь: Свариваемость легированной стали высокая.

Углеродистая сталь: Свариваемость из углеродистой стали низкая.

Температура плавления

Легированная сталь: Легированные стали имеют высокие температуры плавления.

Углеродистая сталь: Углеродистые стали имеют низкие температуры плавления.

тягучесть

Легированная сталь: Пластичность легированной стали высокая.

Углеродистая сталь: Пластичность углеродистой стали низкая.

Заключение

Состав элементов в стали отличается от одного типа стали к другому. Поэтому стали классифицируются в основном в соответствии с их составом. Легированная сталь и углеродистая сталь являются такими двумя типами стали. Основное различие между легированной сталью и углеродистой сталью состоит в том, что легированная сталь имеет большое количество других элементов, кроме железа и углерода, тогда как углеродистая сталь имеет следовые количества других элементов, кроме железа и углерода.

Рекомендации:

1. «Информация об углеродистых сталях и легированных сталях». Информация об углеродистых сталях и легированных сталях | Engineering360. Н.п., н.д. Web.

Углеродистые и легированные стали

В практике чистое железо не используется, а применяются сплавы железа с углеродом и легирующими элементами: хромом, марганцем, кремнием, никелем, вольфрамом и др.

Подбором химических элементов и их концентрацией, проведением различных видов термической обработки материалов получают необходимые механические характеристики материалов, обеспечивающие не только работоспособность, но и высокую долговечность изделий. Кроме того, можно получить сплавы со специфическими свойствами жаропрочности, коррозийной стойкости, повышенной износостойкости и д.р.

Углеродистые стали

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь состоит в основном из двух химических элементов (железа и углерода), а легированные – из железа, углерода и специально введенных в сплав легирующих добавок. Механические свойства сталей зависят от содержания углерода (рис.15).

При малом содержании углерода (от 0,05 до 0,3 %) сталь хорошо прокатывается в листы, гнется, штампуется и вытягивается в холодном состоянии, хорошо сваривается и режется кислородом, но практически не закаливается, имеет относительно низкую твердость и износостойкость. Это строительные стали, из них прокаткой изготовляют трубы, листы, сталь угловую, швеллеры, двутавры и другой сортовой прокат, используемый для изготовления строительных конструкций.

Небольшое количество углерода (до 0,0001 %) может помещаться в свободных местах кристаллической решетки, большая же часть углерода находится в химически связанном с железом состоянии – в виде цементита Fe3C.

Углеродистая сталь представляет собой смесь зерен железа и карбидов железа. Первые называются в металловедении – ферритом, а вторые – цементитом.

Стали с содержанием углерода 0,3…0,8 % называют машиностроительными. Из среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода 0,3…0,45 % делают валы и оси, а из высокоуглеродистых сталей (0,5…0,8 % углерода) – шестерни, рельсы и др.

Стали, содержащие углерода 0,7…1,3 %, называют инструментальными, из них изготовляют режущий инструмент (сверла, метчики, плашки, резцы и др.). Стали с содержанием углерода 0,3…1,3 % закаливаются и становятся более твердыми и износостойкими; чем больше в этих сталях углерода, тем они становятся тверже и прочнее, но хуже обрабатываются и свариваются. С увеличением прочности и твердости стали снижаются ее вязкость и пластичность. Сталь называется углеродистой (нелегированной) если в ней кроме углерода нет других легирующих элементов. Естественно, в сталях есть примеси химических элементов (сера, фосфор, марганец, кремний и т.д.), которые попали в нее из исходных веществ при производстве стали, т.е. из железной руды, угля, металлолома и чугуна.

При содержании углерода 0,8% (точка S – эвтектоидная точка) сплав железа и цементита носит название перлита. Он имеет слоистое строение зерна; в мягкой основной массе феррита параллельно друг другу располагаются мельчайшие твердые пластинки цементита. Стали с содержанием углерода меньше 0,8 % называются доэвтектоидными, с 0,8 % – эвтектоидными и свыше 0,8 % — заэвтектоидными. У сталей с содержанием углерода 0,8…2,1 % сплав представляет собой механическую смесь перлита и цементита, количество последнего увеличивается с ростом содержания углерода.

Высокоуглеродистые стали по сравнению с низкоуглеродистыми более прочные и твердые, но менее пластичны и более хрупки. Поэтому содержание углерода, определяя свойства сталей, делит их на группы назначения: строительные – невысокая пластичность и ударная вязкость; инструментальные – более высокая твердость; машиностроительные по сравнению со строительными сталями имеют более низкие значения ударной вязкости и пластичности, но повышенные — прочности и твердости.

Стали классифицируются (рис.16, 17) по следующим признакам: по химическому составу (углеродистые и легированные); по назначению (строительные, машиностроительные и инструментальные); по способу производства (мартеновские, бессемеровские, электростали и др.); по качеству (обыкновенные, качественные и высококачественные).

Стали обыкновенного качества делятся на три группы: А, Б и В.

Группа А это стали Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 (приложение 1). У этих сталей нормируются механические свойства (sв, sт, d). Цифра в марке стали означает ее условный номер и изменяется от 0 до 6; чем больше эта цифра, тем больше значение sв и sт. С увеличением цифры в марке стали от 0 до 6 несколько возрастает содержание углерода в стали. Индексы Б и В указываются только в марках сталей группы Б и В, а индекс А у сталей группы А опускается.

Имеются разновидности сталей группы А по раскислению (кп, сп, пс) и по содержанию марганца: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп,

У сталей группы Б нормируется химический состав по углероду (от 0,23 до 0,49%), кремнию (0,05…0,35 %) и марганцу (0,25…1,2 %): БСт0, БСт1,…БСт6 (приложение 2). Повторяются те же разновидности сталей как и у группы А по раскислению и по содержанию марганца: БСт0, БСт1кп, БСт1пс,…БСт6.

У сталей группы В нормируется химический состав и механические свойства: ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5 (в отличие от сталей групп А и Б в группе В нет сталей Ст0, Ст6).

По степени раскисления стали делятся на:

– кипящие стали (большое содержание кислорода в окислах железа и менее 0,005 % Si), имеющие более низкий порог хладноломкости, поэтому эти стали (Ст1кп, БСт1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп) не следует применять для строительных конструкций, работающих при низких температурах;

– спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп,…), которые более надежны при низких температурах;

– полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс,…).

В конце марки указываются ее категория (от 1 до 6, причем цифра 1 для стали категории 1 не указывается).

Примеры расшифровки марок сталей обыкновенного качества: сталь Ст2кп3 – сталь обыкновенного качества группы А (нормируются механические свойства), марки Ст2, кипящая, 3-ей категории; сталь ВСт4кп4 – сталь обыкновенного качества, группы В (нормируются механические свойства и химический состав), марки Ст4, кипящая, 4-ой категории.

Качественные углеродистые стали (приложение 3) могут быть с обычным содержанием марганца (05кп, 08кп, …25, …85) и с повышенным (15Г, 20Г, …85Г). Цифра в марке качественных сталей означает содержание углеродав сотых долях %,а индекс Г указывает на наличие марганца (1%). По содержанию углерода стали делятся на: низкоуглеродистые (С 0,5%).

Примеры расшифровки марок качественных сталей: сталь 45- среднеуглеродистая сталь, содержащая 0,45% углерода; сталь 08кп — низкоуглеродистая сталь, содержащая 0,08% углерода, кипящая; сталь 70Г2- высокоуглеродистая сталь, содержащая 0,7% углерода и 2% марганца.

Высококачественные стали содержат меньшее количество вредных примесей (S

Химические элементы образуют с железом химические соединения (FeSi, Fe3W, FeCr) или твердые растворы замещения. Легирующие элементы (Mn, Ni, Cu, …) 1-й группы (аустенитообразующие) расширяют область g — железа (повышают точку А4 и снижают А3), этим самым улучшается закаливаемость сталей, а это приводит к увеличению твердости, прочности и снижению упругости. Легирующие элементы (Al, Si, W, Ti, Mo, Cr) 2-й группы (ферритообразующие) растворяются хорошо в феррите и изменяют его свойства, улучшая механические свойства сплава в целом.

По назначению (рис.17) легированные стали подразделяются аналогично углеродистым сталям на конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами (жаропрочные, нержавеющие и др.).

Арматурные стали изготовляют из углеродистых сталей обыкновенного качества и легированных сталей (приложение 6).

При расшифровке марки стали (табл. 4) по аналогии с вышеприведенными примерами указать легированная или углеродистая сталь, марку и вид стали, содержание химических элементов, степень раскисления, и другие показатели.

Варианты марок сталей.

№	Марки сталей
Ст0 40ХФА 15ГФD БСт1кп 40Г2 09Г2С 38ХГ БСт3Гпс 20пс 12ГС 30ХН3М ВСт3пс 40ХН2МА 25Г2С 10пс ВСт4пс 25ХГСА 10ГТ 08Х17Т БСт5сп 15Г2СМФ 15ГН4М 30Х2ГМТ 15ГСТЮ Ст2кп3 35ХГФ 10ГТ 10ХСНТ У13А	15Г2СФD Ст1кп 15ГФ БСт1сп 35ХГФ 17Г2С БСт3Гсп 20кп 14Г2 30ХН2МА ВСт3сп 32Г2Рпс 10кп ВСт4сп 30ХГСА 22Х2Г2АЮ 18кп 08Х13 12ХМ 10Х2М1 15ГФ 14ХГС МСт4пс 70С3А 18ХНВА 25Г2ТФ	40Х Ст1сп 30Г2 10Г2С1D БСт3кп 17ГС 30Х3МФ БСт4кп 18кп 09Г2 15кп ВСт3Гпс 38ХН3ФМА 80С Ст5Гпс 08кп 20Х2Г2СР 40Х 80С 12Г2Б ВСт4пс 40ХН4А Ст6сп БСт1пс2 55С2 ВСт4пс	05кп 15Г2СФ 30ХМА Ст2пс 40ХГТР 09Г2СD БСт3сп 30ХГСА 16ГС 40ХН БСт6пс 15пс 35ГС 18Х2Н4МА ВСт3Гсп 30ХГСА 20ХГ2Ц 08пс Ст6сп 08Х18Н10Т 20кп 15пс 08пс 20ХГ2Ц 20ХГ2Ц 30ХГАСА 15Г2АФД 05кп ВСт5сп3	12Х2Н4А 65Г 40Х9С2 12ХН3А 45Г2 60С2 18ХГТ 20ХНМ У8А 30ХГСА 45Х14Н14В2М У7 18ХГТ 08Х18Н10Т 50Г2 У7А 18Х2Н4ВА 25Г 12Х18Н10Т 15ХФ 17ГС 10Г2СD 10Г2Б 15Г2АФDпс 06ХН28МDТ Ст2сп4 50Г12Н2МФАЮ 50Х2Г4Ц 17Гс 14ГН

Дата добавления: 2016-05-11 ; просмотров: 9521 ;

Чем отличаются углеродистые стали от легированных?

Редакция E-metall Опубликовано 2021-02-14

Определение сталь объединяет сплавы на основе железа и углерода с другими веществами. При очистке железной руды получают чугун, содержащий 2,14-6,67% углерода. Этот элемент отвечает за твердость, при этом металл хрупок и не пластичен. Уменьшение углеродной составляющей изменяет структуру, делает материал ковким, повышает его ударную вязкость.

Чем отличается углеродистая сталь от легированной?

Углеродистая сталь состоит из тех же элементов, что первоначальное сырье: железо, углерод, кремний, марганец и вредные примеси: сера, фосфор. Легированными (ligare-связывать) называют сплавы, усиленные другими металлами: хромом, никелем, медью, молибденом.

Характеристики легированной стали

Для легирования применяют металлы, способные образовывать устойчивые соединения с железом и углеродом. Из карбидов, интерметаллидов и дисперсных частиц под воздействием температур формируется сложная кристаллическая решетка. При уменьшении углеродной доли каркас структуры создают хром, никель, марганец и другие элементы, а карбидные соединения вытесняются к границам зерен. Активное железо находится в связанном состоянии и не может реагировать с агрессивными веществами.

Легированные стали классифицируют по количеству присадок:

• Низколегированные — до 2,5%;
• Среднелегированные — 2,5-10%;
• Высоколегированные — выше 10%.

И различают по назначению:

• Инструментальные — применяют в производстве измерительных и режущих инструментов, штамповой оснастки;
• Конструкционные — для изготовления агрегатов и механизмов, корпусов автомобилей и оборудования, конструкций;
• Специальные — коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и др.

Для определения марок создана буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначают русскими буквами. В составе большей части сплавов не более 1% углерода, но эта характеристика одна из самых важных, поэтому ее указывают в начале маркировки в сотых долях процента. Числовые значения, округленные до единиц опускают.

● Буква А в конце значит, что сталь высококачественная.

Если содержание углерода 1% и более, первую цифру не пишут, например ХВГ, ХВСГ, ШХ15СГ. Для некоторых групп применяют обозначения перед маркировкой: А — автоматные, Ш — подшипниковые, Р — быстрорежущие, Э — электротехнические, Е — магнитно-твердые. Сплавы выпускаемые одним предприятием имеют свои названия, например ЭИ417 (Электросталь), ЧС 116-ИД (Челябинская сталь), ВНС-65 ВИЭМ).

Разработано более тысячи легированных стальных сплавов с различными уникальными свойствами: устойчивые к охрупчиванию на холоде, стойкие к кислотам и щелочам, кавитационным нагрузкам. В сравнении с углеродистыми они обладают меньшей теплопроводностью, твердостью. При термической обработке, в том числе сварке, необходимо учитывать свойства всех металлов в составе.

Характеристики углеродистой стали

Качества сплавов зависят от степени обработки. На первых этапах железную руду подвергают раскислению, восстанавливают окись железа до металла. По количеству оставшихся в расплаве атмосферных газов установлены классы:

В зависимости от наличия вредных примесей определяют качество:

Так как от углерода зависит твердость и одновременно ударная хрупкость, предусмотрена следующая классификация сталей:

● Низкоуглеродистые — до 0,25%;

● Высокоуглеродистые — выше 0,6%.

Действует деление по областям применения:

● Конструкционные — большая группа, объединяющая несколько видов: строительные, автоматные, термоупрочняемые, повышенной прочности и др. Маркировка начинается с цифр, обозначающих углерод в сотых долях процента: от 08 до 85. Если увеличено содержание марганца, в конце добавляют Г

● Инструментальные — для изготовления инструмента, не подвергающегося нагреву: зубила, молотки, топоры. Группу сталей относят к качественным и обозначают буквой У в начале, высшее качество дополнительно маркируют знаком А в конце.

● Общего назначения — недорогие сплавы для изготовления труб, прутков, швеллеров, ковки и литья. Предусмотрено несколько подгрупп. К группе А относят стали со стабильными механическими свойствами (Ст1кп, Ст6сп), первую букву не пишут. У группы Б регламентирован химический состав (БСт4сп, БСт6пс), у В стабильны состав и свойства (ВСт3сп, ВСт5).

Углеродистые стали предназначены для изготовления нагруженных деталей и конструкций: рельсов, валов, тяг, осей, пружин рессоров, деталей турбин. Они отлично свариваются, поддаются резанию, ковке, но требуют защиты от коррозии.

Разница между легированной и углеродистой сталью

Различие в химическом составе определяет характеристики материалов.

Легированные стали отличаются коррозионной стойкостью.

В зависимости от элементов, связанных с железом, они могут работать в морской воде, кислотных средах даже при высоких температурах, но плохо справляются с ударными нагрузками, имеют малую несущую способность. Производство сплавов и конечных продуктов сопряжено с применением десятков сложных технологий.

Углеродистые стали без антикоррозийных покрытий подвержены быстрому разрушению.

Их области применения: все металлоемкие производства. Экономическая целесообразность большого расхода сырья коррелирует с простотой обработки.

Углеродистая или легированная сталь: сравнение и что лучше

Войти

Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal

• Свежие записи
• Архив
• Друзья
• О блоге
• Избранное

Обзор углеродистых и низколегированных сталей

Сегодня мы рассмотрим как класс материалов углеродистые и низколегированные стали. Давайте сразу определимся, о чем идет речь. Многие называют углеродистыми все не коррозионно-стойкие стали, что в корне не верно. В данной статье мы будем рассматривать только те стали, в которых основным легирующим элементом является углерод, а остальные лишь модифицируют некоторые свойства, не меняя принципов упрочнения (состав твердого раствора и фаз-упрочнителей). Обычно это происходит при суммарном содержании легирующих элементов до 3-5%. Границы в каждом отдельном случае устанавливаются индивидуально, можно считать, что в большинстве случаев границей служит появление в структуре стали карбидов легирующих элементов.

Некоторые стали этой группы мы уже рассматривали (У8, ШХ15), теперь кратко рассмотрим основные особенности и наиболее типичных представителей.

Итак, начнем с углеродистых сталей. Углерод – практически единственный легирующий элемент (некоторые могут содержаться как примеси), некоторые стали могут быть легированы незначительными количествами марганца, кремния или кобальта.

Инструментальные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1435–90 маркируют буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют качественные стали марок У7–У13 и высококачественные стали марок У7А–У13А, химический состав которых приведен в табл. 1.

Таблица 1
Марки и химический состав инструментальных углеродистых сталей (ГОСТ 1435–90)

По механическим свойствам и назначению углеродистые стали подразделяются на:

• стали повышенной вязкости (У7–У9) для изготовления инструмента с высокой режущей способностью, подвергающегося ударным нагрузкам (зубила, кернеры и т. д.);
• стали высокой твердости (У10–У13) для изготовления режущего инструмента, не подвергающегося ударным нагрузкам (напильники, шаберы и т. д.).
• Стали У15С и У16 в основном применяются (точнее применялись) для износостойких втулок

К первой группе сталей вплотную примыкают и рессорно-пружинные стали типа 65Г и 70С2А

Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух этапов: предварительная и окончательная (предполагается, что изделия прошли стандартную ПТО).

Предварительная термическая обработка применяется для уменьшения деформации (в 1,5–2 раза) деталей из углеродистых сталей при последующей закалке. Она заключается в предварительной закалке с 740–760 °С с охлаждением в масле (возможно, несколько раз) и последующем отпуске при 550-600 °С (1 ч). Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска, режимы которых указаны в табл. 2.

Таблица 2
Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей

Примечание. Закалочная среда — вода, отпуск проводится на воздухе. При закалке в масле Тз повышают на 10-20 °С (неоптимально для клинков, так как приводит к заметному росту зерна и снижению мех. характеристик. Рекомендуется закалка “через воду в масло”).

Как мы видим, углеродистые стали имеют очень узкий интервал закалочных температур, поэтому необходимо максимально точно “попадать” в режим, что требует большого опыта и ответственного подхода к процессу.

Время выдержки на 1 мм диаметра (толщины): 20–35с. при нагреве в соляной ванне и 50–80с. при нагреве в печи.

Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки — порядка 200–300 °С/с. Замедление охлаждения при закалке недопустимо, так как приводит к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен. Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде (водном растворе) прокаливаться насквозь.

Инструменты крупных размеров при закалке в воде и водных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инструментов представляет собой продукты распада аустенита перлитом в интервале температур. Сердцевина инструментов, имеющих такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит. Для клинков может применяться зонная закалка, когда обух защищается специальными обмазками, снижающими скорость охлаждения. В этих случаях можно получить твердый мартенсит на лезвийной части и достаточно вязкий и пластичный сорбит/троостит на теле и обухе клинка. Линия, разделяющая эти две области в японской традиции называется Хамон.

Углеродистые инструментальные стали отпускают при температурах не более 200 °С во избежание снижения твердости (для клинков возможен “зонный отпуск”, когда тело и обух клинка нагревают до более высокой температуры (обычно 400-500С), сохраняя на лезвийной части структуру низкоотпущенного мартенсита). Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 57–63 HRC, а прочность при изгибе составляет 1800–2700 МПа.

Низколегированные стали. В этих сталях небольшие количества легирующих элементов обычно лишь влияют на прокаливаемость, незначительно изменяя другие свойства. Традиционно эти стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.

В отдельную группу можно выделить стали для ударных инструментов. Химический состав данных сталей по ГОСТ 5950–73 приведен в табл. 3.

Таблица 3
Марки и химический состав (масс. %) легированных инструментальных сталей (ГОСТ 5950–73)

Примечание. В обозначении марок первые цифры означают массовую долю углерода в десятых долях процента. Они могут не указываться, если массовая доля углерода близка к единице или больше единицы. Буквы означают:
Г — марганец,
Х — хром,
В — вольфрам,
С — кремний,
Ф — ванадий,
Н — никель,
М — молибден.
Цифры, стоящие после букв означают среднюю массовою долю соответствующего легирующего элемента в целых единицах. Отсутствие цифр означает, что массовая доля этого легирующего элемента равна 1 %. В отдельных случаях массовая доля легирующих элементов не указывается, если она не превышает 1,8 %.

Стали неглубокой прокаливаемости

Стали неглубокой прокаливаемости по устойчивости переохлажденного аустенита незначительно превосходят стали группы У7–У13, но благодаря легированию хромом (0,2–0,7 %), ванадием (0,15–0,30 %) и вольфрамом имеют большую устойчивость к перегреву, более высокие износо- и теплостойкость (в поверхностном слое).

Эти стали используются для изготовления инструментов, подвергаемых поверхностной (местной) закалке: пилы, зубила, штемпели, ножи для холодной и горячей резки, обрезные матрицы и пуансоны и т. п. Некоторые стали имеют специальное применение:
— сталь 13Х предназначена главным образом для бритвенных ножей и лезвий, хирургического и гравировального инструмента;
— сталь В2Ф предназначена для ленточных пил и ножовочных полотен для резки сталей средней твердости, по работоспособности превосходящая стали типа 9ХФ в 1,5–2 раза;
— сталь ХВ4Ф отличается особо высокой твердостью (HRC 67–69) и износостойкостью благодаря присутствию W6C, который не растворяется при температуре закалки. Эту сталь называют алмазной и из неё изготовляют резцы и фрезы для обработки с небольшими скоростями материалов с высокой поверхностной твердостью (отбеленных чугунов и закаленных деталей).

Стали глубокой прокаливаемости

Стали глубокой прокаливаемости имеют более высокое содержание хрома (0,6–1,7 %, иногда до 3%), а также совместное присутствие в ряде марок сталей хрома, марганца и кремния (вольфрама). Такое комплексное легирование при относительно небольших количествах каждого элемента существенно повышает прокаливаемость, повышает однородность распределения карбидов (кроме сталей типа ХВГ) и уменьшает чувствительность сталей к перегреву.

Из сталей 9ХС, ХГС, ХВГ, 9ХВГ и ХВГС изготовляют режущий (метчики, плашки, развертки, фрезы и т.д.), а также штамповый (пробойники, вырубные штампы и т. д.) инструмент более ответственного назначения, чем из углеродистых сталей.

Отличительная особенность марганецсодержащих сталей (9Г2Ф, ХВГ и др.) состоит в их малой деформируемости при закалке. Марганец, интенсивно снижая интервал мартенситного превращения, способствует сохранению остаточного аустенита (до 15–20 %), который компенсирует (частично или полностью) увеличение объема при образовании мартенсита. Это качество сталей позволяет изготавливать из них инструмент, к которому предъявляют жесткие требования к размерной стабильности при термообработке. Термическая обработка: закалка + низкий отпуск проводится в соответствии с режимами, указанными в табл. 4.

Стали для ударных инструментов

Исходя из назначения эти стали должны обладать: повышенной вязкостью для предупреждения поломок и выкрашивания режущих кромок инструмента, работающего в условиях больших ударных нагрузок; высокими прокаливаемостью и закаливаемостью. Необходимый комплекс свойств сталей этой группы обеспечивается соответствующим легированием. Химический состав представлен в табл. 5.

Хромокремнистые стали (4ХС, 6ХС) прокаливаются в образцах диаметром до 50–60 мм при охлаждении в масле. Кроме того, стали, легированные кремнием, имеют повышенные устойчивость при отпуске и предел текучести. Недостатком этих сталей является хрупкость первого рода после отпуска при 270–400 °С на твердость 46–50 HRC. Поэтому для получения удовлетворительной вязкости в этом случае необходимо применять изотермическую закалку.

Хромовольфрамокремнистые стали 5ХВ2СФ, 6ХВ2С и другие, как более сложнолегированные, прокаливаются в больших сечениях (до 70–80 мм) при охлаждении в масле и хорошо принимают изотермическую закалку. Стали с вольфрамом менее чувствительны к отпускной хрупкости первого рода. Легирование сталей вольфрамом также повышает устойчивость против разупрочнения при отпуске.

По структурному признаку стали, содержащие 0,4–0,5 % С, являются доэвтектоидными, а с 0,6 % С — эвтектоидными и заэвтектоидными. Структура доэвтектоидных сталей после отжига состоит из пластинчатого и, реже, зернистого перлита с небольшими участками феррита, заэвтектоидных — из зернистого перлита. Кроме того, в структуре последних наряду с цементитом присутствует карбид МС. После закалки структура характеризуется наличием мартенсита и остаточного аустенита, а при повышенном содержании углерода — еще и избыточных карбидов. Отпуск обеспечивает образование троститной структуры. Режимы термической обработки сталей указаны в табл. 5.

Таблица 4.
Режимы окончательной термической обработки и твердость низколегированных инструментальных сталей

Примечания: Для сталей ХВ4Ф (ХВ5) и В2Ф в качестве ПТО применяется длительный высокий отпуск после горячей деформации по спец. режиму. Отжиг и ТЦО могут привести к резкой потере прокаливаемости.

Таблица 5.
Режимы окончательной термической обработки сталей для ударных инструментов

К сталям последней группы примыкают рессорно-пружиннные стали типа 50ХФА, 60ХВС2А и т.д.

А теперь несколько советов по выбору стали и ее термической обработки

1. Для использования в составе многослойных/дамасских пакетов лучше выбирать относительно низколегированные стали с хромом не выше 1% (большие количества резко ухудшают свариваемость). Стали с марганцем при травлении как правило дают более темный фон, стали с хромом и никелем – более светлый. При выборе сталей в пакет необходимо учитывать необходимость совпадения интервала закалочных температур с учетом возможного обезуглероживания.

2. Для клинков в японской традиции надо выбирать стали с наименьшей прокаливаемостью – это позволит получить наиболее четкую линию “хамон”

3. Для изделий, подвергаемых ударным нагрузкам (длинномер, тесаки, топоры) лучше выбирать относительно низкоуглеродистые стали и использовать зонные закалку/отпуск

4. Зачастую гораздо более “простая” сталь типа ШХ15 может показать в изделии лучший комплекс свойств чем, например, очень требовательная к режимам горячей деформации и ТО “Алмазная” сталь типа ХВ4Ф.

5. Для покупателей: в случае “углеродистых” сталей на первое место выходит доверие к Мастеру, поскольку только это в некоторой степени является гарантией опыта, точного соблюдения технологии и, следовательно, высоких свойств конечного изделия.

* При подготовке материала использован справочник «Металлы и сплавы», СПб, 2003г.

Источник: domkolgotok.ru