Углеродистые стали

Углеродистые стали являются основным металлическим конструкци- онным материалом, доля которых составляет порядка 90% всего объема про- изводимых сталей. Углеродистые стали широко применяются в теплоэнерге- тике для изготовления малонагруженных несущих элементов конструкций, трубопроводов, сосудов и т.п. Основные причины столь широкого примене- ния углеродистых сталей: удовлетворительное сочетание прочности и пла- стичности, хорошие технологические свойства, сравнительно низкая стои- мость.

Железо и углерод являются основными компонентами углеродистых сталей. Содержание железа в этих сталях составляет порядка 98- 99,5%, а со- держание углерода – менее 2%.

Углерод даже при небольшом изменении его содержания в стали силь- но влияет на ее свойства, поэтому эти стали и получили название углероди- стых сталей.

Кроме железа и углерода в углеродистых сталях присутствуют вредные примеси (сера, фосфор, кислород, азот, водород и др.), наличие и количество которых обусловлено способом выплавки стали. В состав углеродистых ста- лей также могут входить случайные примеси (никель, медь, хром и др.), со- держащиеся в исходных шихтовых материалах. Вместе с тем в этих сталях присутствуют и специально вводимые примеси (марганец, кремний, алюми- ний и др.), которые предназначены для раскисления сталей, т.е для освобож- дения от лишнего кислорода.

Содержание основных элементов и влияние их на структуру и свойства углеродистых сталей.

Углерод – элемент в основном определяющий свойства углеродистых сталей. С увеличением углерода возрастает временное сопротивление, предел текучести и твердость стали, снижаются пластические показатели и ударная вязкость.

Марганец – вводят в любую сталь для раскисления, т.е. для устранения вредных включений закиси железа. Марганец повышает прочность стали и сильно увеличивает прокаливаемость. Содержание марганца в углеродистой стали отдельных марок может достигать 0,8%.

Кремний – подобно марганцу является раскислителем, но действует более эффективно. В спокойной углеродистой стали содержится от 0,12 до 0,4% кремния, что заметно повышает твердость и прочность стали.

Сера – вредная примесь. Содержание серы не должно превышать 0,05%, так как она сильно ухудшает свариваемость и коррозионную стой- кость стали.

Фосфор – вредная примесь. Наличие фосфора в стали резко снижает ее пластичность стали и вызывает хладноломкость. Допускается не более 0,04%.

62

Кислород, азот, водород – также являются вредными примесями, кото- рые приводят к повышению хрупкости стали, снижают ее пластичность и ударную вязкость.

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, спосо- бу раскисления, назначению и качеству.

По содержанию углерода стали подразделяют на:

­ низкоуглеродистые (менее 0,3%);

­ среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,7%);

­ высокоуглеродистые (свыше 0,7%).

Большое влияние на свойства сталей оказывает способ раскисления, в зависимости от полноты которого стали классифицируют на спокойные, по- луспокойные и кипящие. Современные способы производства стали завер- шаются получением жидкого металла. При любом способе производства к концу процесса в стали значительное количество кислорода содержится в ви- де гемиоксида железа. Этот кислород необходимо удалить, иначе пластич- ность стали будет невысокой, и сталь нельзя будет обрабатывать прокаткой, ковкой или прессованием.

Спокойная сталь раскислена наиболее хорошо – марганцем, кремнием и алюминием. Затвердевание ее происходит спокойно, без выделения газов.

Слиток спокойной стали затвердевает с образованием усадочной раковины, которую отрезают. Однако выход годного при таком способе раскисления всего 85-90%. Алюминий не только раскисляет сталь, но и способствует из- мельчению зерна. Мелкозернистая сталь при невысоких температурах (до 450С) обладает более высоким пределом текучести (т), лучшими пластиче- скими свойствами и ударной вязкостью.

Кипящая сталь раскислена не полностью – только марганцем. Слиток кипящей стали затвердевает без усадочной раковины, поэтому выход годного 95–100%. Кипящие стали дешевле спокойных, однако по качеству они им уступают. Они обладают повышенной газонасыщенностью. Кипящей вы- плавляют только малоуглеродистую сталь, содержащую до 0,25% углерода.

Сталь, занимающая по степени раскисления промежуточное положение между спокойной и кипящей, называется полуспокойной. Она раскислена марганцем и алюминием, ее можно выплавлять с содержанием углерода до 0,40-0,45%. Выход годного этой стали составляет 90-95%. Она может заме- нить как кипящую, так и спокойную сталь. Для изготовления элементов теп- лоэнергетического оборудования допускается применение только спокойных или полуспокойных сталей.

По назначению углеродистые стали подразделяют на конструкционные и инструментальные.

По качеству стали классифицируют на стали:

­ обыкновенного качества;

­ качественные;

­ высококачественные.

Качество стали зависит от металлургического процесса ее производ- ства; оно определяется содержанием в стали газов кислорода, водорода, азота и вредных примесей (серы и фосфора). Чем меньше содержание вредных примесей, чем уже пределы изменения механических свойств и содержания химических элементов, тем выше качество стали

Углеродистая сталь обыкновенного качества. Углеродистая сталь обыкновенного качества поставляется по ГОСТ 380-2005 и изготавливается в электропечах, мартеновских печах или конвертерах. Из углеродистой стали изготавливается сортовой прокат: швеллеры, уголки, балки, лист, трубы, проволока и т.п.

В котлостроении низкоуглеродистая сталь, поставляемая по ГОСТ 380, применяется для элементов котлов, не нагруженных внутренним давлением, а также в виде листа и проката элементов котлов и трубопроводов, работаю- щих при относительно низких температурах и давлениях.

Углеродистую сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380-2005) изго- товляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Буквы «Ст» обозначают сталь, цифры – условный номер марки в зави- симости от химического состава стали (с увеличением номера возрастает со- держание углерода в стали). Кроме того, стандарт предусматривает изготов- ление сталей с повышенным содержанием марганца (0,8 - 1,1%). Такие стали имеют марки Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс. В конце марки стоят буквы «кп»,

«пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» – кипящая; «пс»

– полуспокойная; «сп» – спокойная.

С повышением условного номера марки стали возрастает предел проч- ности, предел текучести и снижается пластичность. Повышение содержания углерода в стали ухудшает свариваемость, поэтому при создании строитель- ных конструкций из сталей Ст5 и Ст6 сварку не применяют.

Кипящие стали (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп), содержащие повышенное коли- чество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30 – 40 С выше, чем спо- койные стали (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп и др.). Поэтому для ответственных свар- ных конструкций, а также для конструкций, работающих при низких темпе- ратурах, применяют спокойные стали.

Если в сертификате на изделие не указан способ раскисления, то его можно косвенно определить по содержанию кремния (Si):

­ до 0,07% – кипящая;

­ от 0,07 до 0,17% – полуспокойная;

­ от 0,17 до 0,37% – спокойная.

Качественная углеродистая сталь. Для изготовления более ответствен- ных деталей котлов и трубопроводов применяется качественные углероди- стые стали общего назначения, изготавливаемые по ГОСТ 1050-2013. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей

64

по сравнению со сталями обыкновенного качества. Сталь поставляемая по ГОСТ 1050-2013, изготавливается в основных конвертерах с продувкой кис- лородом сверху, в мартеновских и электрических печах.

В соответствии с ГОСТ 1050-2013 в обозначениях качественной угле- родистой стали не пишутся буквы Ст, а в начале марки приводятся цифры, указывающие содержание углерода в сотых долях процента, и далее могут следовать буквы «кп» и «пс». Если эти буквы отсутствуют, то это означает, что сталь является спокойной. Марки стали углеродистой качественной:

05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 50А, 55, 58, 60.

Также в соответствии с ГОСТ 1050-2013 изготавливаются качествен- ные углеродистые стали с повышенным содержанием марганца (Mn) и в мар- кировку дополнительно вводится буква «Г». Марки стали углеродистой каче- ственной с повышенным содержанием марганца: 15Г, 20Г, 25Г, 30Г, 35Г, 40Г, 45Г, 50Г, 10Г2, 30Г2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2.

Качественная углеродистая сталь для ответственных элементов обору- дования и трубопроводов, работающих под давлением, изготавливается по ГОСТ 5520-2017, имеет аналогичные обозначения и отличаются только до- бавлением после цифры буквы К, например, 20К.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразде- ляются на: низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые конструкционные. В сварных конструкциях применяются только низкоугле- родистые стали.

Качественные углеродистые стали широко используются в машино- строении и приборостроении. Например, стали марок 05кп, 08кп, 10кп обла- дают высокой пластичностью в холодном состоянии и хорошо штампуются.

Из этих сталей изготавливают детали сложной формы: крышки, трубки и т.п.

Стали марок 15, 20, 25 в нормализованном состоянии применяются для изго- товления патрубков, штуцеров, болтов, фланцев, трубчатых пучков, тепло- обменных аппаратов и корпусов других элементов оборудования. Стали 35, 45 имеют более высокую прочность, а после термического улучшения у них появляется хороший запас пластичности. Из них изготавливают валы и дру- гие детали, воспринимающие циклические нагрузки, а также детали крепежа.

Углеродистые инструментальные стали маркируются следующим об- разом: первая буква «У» обозначает слово «углеродистая», а далее идут циф- ры, которые указывают содержание углерода в десятых долях процента (а не в сотых, как у качественных). При повышенном содержании марганца (0,35- 0,58) ставится буква Г. Если сталь высококачественная в маркировку добав- ляется буква «А». Низкое содержание вредных примесей в высококачествен- ных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легиро- ванные стали.