Углеродистые стали: классификация, марки, свойства и применение по ГОСТ

Углеродистые стали представляют собой наиболее распространенный и экономически выгодный класс черных металлов, занимающий до 80% от общего объема продукции черной металлургии. Их производство осуществляется в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах, причем выбранная технология напрямую влияет на конечное содержание примесей и общее качество материала. Ключевым классифицирующим признаком служит массовая доля углерода, определяющая комплекс механических свойств и технологических характеристик. С увеличением концентрации углерода в структуре горячекатаных сталей возрастает объем цементита, что приводит к повышению прочности и твердости, но существенно снижает пластичность.

В сравнении с большинством легированных сталей, углеродистые стали демонстрируют превосходные технологические свойства при операциях горячей и холодной обработки давлением, а также при сварке и обработке резанием. Однако при закалке изделий из этих сталей проявляются их существенные недостатки: невысокая прокаливаемость и значительные деформации. Низкая прокаливаемость делает термическое улучшение эффективным лишь для деталей с максимальной толщиной сечения, не превышающей 10–20 миллиметров. Для достижения скорости охлаждения выше критической часто требуется использование воды в качестве охлаждающей среды, что провоцирует возникновение высоких закалочных напряжений, искажение геометрической формы и размеров готовых изделий.

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—94). Согласно стандарту ГОСТ 380—94, стали обыкновенного качества в зависимости от технологии раскисления подразделяются на три основные вида: кипящие, полуспокойные и спокойные. К кипящим сталям (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп) относят материалы с содержанием углерода менее 0,27%, которые характеризуются повышенным количеством газовых включений. Полуспокойные стали представлены марками Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5пс, Ст6пс, а к спокойным сталям относятся Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5сп, Ст6сп. Отдельную подгруппу составляют стали с повышенным содержанием марганца, такие как Ст3Гпс, Ст3Гсп и Ст5Гпс, где концентрация марганца достигает 0,8–1,10%, что обеспечивает им повышенную прочность.

Для марки Ст0 регламентируется исключительно содержание углерода (не более 0,23%), при этом к количеству вредных примесей, таких как сера и фосфор, а также к технологии выплавки не предъявляется строгих требований, но нормируется минимальное временное сопротивление (σ_в > 300 МПа). В целом, для всей категории сталей обыкновенного качества установлен более высокий, по сравнению с другими группами, допустимый уровень примесей: содержание серы не должно превышать 0,05%, фосфора – 0,04%, а мышьяка – 0,08%. Цифровой индекс в маркировке этих сталей указывает на возрастание доли углерода, однако точный химический состав необходимо уточнять по сертификату, сопровождающему каждую партию материала.

Углеродистые качественные стали (ГОСТ 1050—88). К группе углеродистых качественных сталей по стандарту ГОСТ 1050—88 относятся такие широко применяемые марки, как 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп) и 60. Стандарт также предусматривает выпуск кипящих сталей марок 08кп, 10кп, 11кп, 18кп, 20кп, причем стали 11кп и 18кп, используемые для плакирования, отличаются пониженным содержанием серы (< 0,035%), фосфора (< 0,030%) и меди (< 0,20%). Среди полуспокойных сталей выделяют марки 08пс, 10пс, 15пс, 20пс, которые занимают промежуточное положение по степени раскисления между кипящими и спокойными сталями.

Химический состав углеродистых качественных сталей характеризуется суженным интервалом содержания углерода (погрешность 0,08%) и нормированным количеством хрома в пределах 0,10–0,25%. Для предотвращения явления «подкаливания» при охлаждении проката и обеспечения его твердости не выше 255 НВ (по Бринеллю) строго ограничивается концентрация серы и фосфора – до 0,035% каждого элемента. Цифровое обозначение марок этих сталей напрямую указывает на среднее массовое содержание углерода в сотых долях процента; например, Сталь 20 содержит около 0,20% углерода, а Сталь 45 – приблизительно 0,45%.

Инструментальные углеродистые стали (ГОСТ 1435—90). Инструментальные углеродистые стали, регламентируемые стандартом ГОСТ 1435—90, поставляются в виде горячекатаной, кованой, калиброванной стали, стали серебрянки, а также в форме слитков, листов, ленты, проволоки и другой продукции. Из этих сталей изготавливают широкий спектр инструментов: режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент и штампы для операций холодного деформирования. Главным эксплуатационным ограничением данных сталей является их невысокая теплостойкость, не превышающая 200 °C, поскольку при нагреве выше этой температуры они стремительно теряют твердость, а следовательно, и режущие свойства, и износостойкость.

Инструментальные углеродистые стали условно делят на две подгруппы: качественные стали (У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13) и высококачественные стали (У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А). Различие между ними заключается в более строгих ограничениях по содержанию вредных примесей: в качественных сталях допускается до 0,03% серы и 0,035% фосфора, тогда как в высококачественных – не более 0,02% и 0,03% соответственно. Стали, произведенные методом электрошлакового переплава, могут содержать всего до 0,015% серы, что значительно улучшает их эксплуатационные характеристики.

К инструментальной стали предъявляются высокие требования: она должна обладать твердостью, существенно превышающей твердость обрабатываемого материала, высокой износостойкостью и достаточной теплостойкостью. Например, измерительный инструмент должен длительное время сохранять заданные размеры и форму, а рабочие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки) должны сочетать высокую твердость с необходимой вязкостью. Достижение этих свойств обеспечивается проведением операций закалки с последующим отпуском, а для измерительного инструмента дополнительно может применяться искусственное старение.

Сферы применения инструментальных углеродистых сталей строго регламентированы: из стали У9 производят деревообрабатывающий инструмент (сверла, фрезы) и ножовочные полотна, а из сталей У10, У11, У12 изготавливают металлорежущий инструмент (сверла, метчики, плашки, развертки). Сталь У13 применяется для производства бритвенных ножей, хирургического инструмента и напильников, в то время как стали У7 и У8 идеально подходят для изготовления слесарных молотков, зубил и губок тисков. Стали У8, У9, У10 используются для производства шаблонов, скоб, калибров, цанг и пружин. Важнейшей предварительной операцией при изготовлении инструмента является отжиг на зернистый цементит, который улучшает обрабатываемость резанием и минимизирует коробление деталей при последующей закалке. Цифра в маркировке после буквы «У» обозначает содержание углерода в десятых долях процента (например, сталь У7 содержит около 0,7% углерода, а сталь У12 – около 1,2%).