Углерод в стали - виды, влияние на металл, применение в металлургии

Сталь активно применяется в разнообразных областях, включая строительство конструкций, мостостроение, автомобилестроение и производство бытовой техники. В составе сплавов изменение содержания углерода влияет на такие характеристики, как окисляемость, гибкость, твердость, эластичность, прочность и устойчивость к разрушению, а также определяет методы производства и области использования. Углерод играет ключевую роль не только в определении свойств и структуры углеродистых сталей, но и в их обработке, включая процедуру нормализации, которая состоит из нагревания, выдержки в теплом состоянии и естественного охлаждения на воздухе. Понимание воздействия углерода на сталь позволяет разрабатывать новые производственные технологии и создавать материалы с заданными свойствами.

В процессе выплавки стали углерод:

• Оказывает важное воздействие на механические характеристики, увеличивая температурный диапазон, в котором железо сохраняет свою стабильность;
• Может негативно сказываться на качестве сталей специального предназначения, в том числе используемых в электротехнике, жаропрочных и антикоррозийных;
• Ускоряет процессы тепло- и массопереноса, благодаря чему процесс плавления происходит быстрее;
• Влияет на концентрацию кислорода в стали и содержание оксидов железа в шлаке, что имеет важное значение для качества конечного продукта.

Что такое углеродистая сталь

Сталь — это сплав железа с содержанием углерода, а также незначительный процент дополнительных примесей, как: кремний, марганец, сера, фосфор, иногда азот, кислород, водород. Но именно от соединений с углеродом зависят механические и технологические особенности сплава.

Для усиления таких качеств, как: прочность, стойкость к коррозии добавляют хром, молибден, никель, алюминий, ванадий и другие элементы. Содержание большого количества хрома (в обычных сортах стали доходит до 2%, а в специальных — до 25%) делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил фосфор значительно увеличивает хрупкость стали.

Виды углерода в стали

Классификация по области использования дает первичное представление о том, с какой целью и какие сплавы назначают в тех или иных случаях. Наличие углерода в стали возможно в разных видах наиболее распространенный — цементит с молекулярной структурой в виде октаэдра, образуется при высокотемпературной обработки сплава из железа и углерода, другой вид углерода — графит присутствует в чугуне.

Структура цементита влияет на важные технико-экономические показатели сплавов:

• Высокую прочность, несущую способность;
• Твердую поверхность с мягкой сердцевиной из-за плохой прокаливаемости;
• Большой срок службы;
• Низкую стоимость выплавки в мартеновских печах.

При производстве проходят пузырьки газа СО и СО2 удаляя из стали неметаллические примеси. Металл смешивается со шлаком в результате массо- и теплообмен протекают быстрее, время производства сокращается.

Влияние углерода на сталь

Высокое содержание углерода увеличивает прочность и твердость стали, но снижает ее пластичность и ударную вязкость. Зато при более низком содержании углерода увеличивается ударная вязкость и сталь становится пластичнее, но менее прочной.

Из-за увеличения углерода:

• Повышается сопротивление электрическим токам;
• Увеличивается коэрцитивная сила;
• Ухудшается магнитная проницаемость;
• Снижается плотность магнитной индукции.

Изменение структуры стали при добавлении углерода

Если в стали содержится до 0,2 % углерода, то образуются феррит и третичный цементит. При увеличении углерода образуется перлит. Чем больше содержится цементита, тем меньше прочность стали. Феррит и цементит влияют на твердость, прочность, упругость стали. Изменяя долю углерода можно регулировать сопротивляемость ударной нагрузке и пластичность.

Насыщение стали углеродом

Увеличение содержания углерода в стали достигается путем его внедрения в состав металла в процессе тепловой обработки или добавлением специфических компонентов, что способствует повышению устойчивости и жесткости материала. Впрочем, это может привести к уменьшению его гибкости.

Основные моменты процедуры цементации:

• Процесс обогащения стали углеродом осуществляется при температуре до +950°C, что необходимо для активации углеродных атомов и их проникновения в глубинные слои металла.
• Применяется атомарный углерод для равномерного насыщения как поверхностных, так и внутренних слоев.
• Глубина проникновения углерода определяется скоростью и интенсивностью процедуры.
• Продолжительность цементации зависит от желаемой толщины обогащенного слоя. Методы цементации варьируются в зависимости от используемой среды: газообразной, жидкой, электролитической, вакуумной, а также твердого состояния. Этот метод находит применение в обработке сплавов с малым содержанием углерода и в производстве легированной стали, которая составляет примерно 10% от общего объема стального производства.

Основные категории стали по содержанию углерода

• Низкое содержанием углерода (менее 0,3%) - мягкая сталь с повышенной пластичностью и легко поддаются различного рода деформациям. к минусам относят низкую прочность, и даже закалка не дает существенного прироста твердости. Такой металл может обрабатываться в холодном виде либо при высоких температурах.
• Умеренное содержание углерода (от 0,3% до 0,6%). среднеуглеродистые металлы используют в строительстве для изготовления материалов, машинных деталей и изделий, требующих высокой прочности и устойчивости к износу. Обычно среднеуглеродистые металлы подвергаются закалке и отпуску. Отпуск нужен для снятия внутренних напряжений и снижения хрупкости. Таким образом, получается закаленная и отпущенная сталь со средним содержанием углерода.
• Высокое содержание углерода (более 0,6%) создает прочность, хорошую стойкость к износу, низкую вязкость. Применяется для изготовления остро заточенных предметов, ножей и режущих инструментов с высокой твердостью и остротой.

Предел текучести представляет собой стадию, на которой в материале происходит деформация без разрушения, а предел прочности указывает уровень напряжения, необходимого для разрушения материала.

Основное различие между этими тремя типами углеродистых сталей заключается в содержании в них углерода, что приводит к различиям в их соответствующих характеристиках. Из-за различий в стандартах и марках не существует единого значения, охватывающего свойства высокоуглеродистой стали.

Влияние углерода на свариваемость стали

Содержание углерода в стали может менять ее свариваемость.

Содержание в стали 1 % и больше повышает прочность и твердость, но снижает вязкость, увеличивает прокаливаемость, износостойкость и улучшает свариваемость стали. Износостойкость показывает возможность сопротивляться механическому износу и зависит от твердости материала и рельефа поверхности. Высокоуглеродистую сталь трудно сваривать, поскольку углерод способствует образованию трещин. Поэтому во время сварных работ металл предварительно разогревают до +225 °C. У низкоуглеродистой стали высокая свариваемость, но более низкая прочность. Выбирая материал и технологию сварки необходимо учитывать содержание углерода.

Различие конструкционной и инструментальной стали

По технологии производства и сфере применения сталь бывает:

• Конструкционной с большой долей углерода, для производства которой используются мартеновские печи и специальные конвертеры. Ее маркировка состоит из трех букв алфавита, означающих группу сплава и цифр - количество углерода. Каждая цифра и буква имеют свое значение и показывает требования к качеству, степень раскисления, наличие легирующих элементов. О наличии марганца говорит буква «Г». Буквой А определяются механические характеристики, Б –доля примесей, В – сразу два показателя. Когда производят группу А, то важно наличие необходимых качеств, группу Б, то соответствие нормам. Марки стали, не имеющие индекса, относятся к спокойной стали.
• Инструментальной с небольшим количеством вредных примесей серы и фосфора, произведенной в мартеновской или электрической печи. Среди инструментальных сталей выделяют качественные и высококачественные. Марки отличаются вязкостью, степенью раскисления, зависящей от доли оксидов Fe. Если содержится мало О2, то сталь долговечная.

Определение углерода в стали

Содержание углерода в стали можно определить различными методами:

• Электрохимическим;
• Спектроскопическим;
• Методами термического анализа.

Чаще всего применяют:

• Метод инфракрасной спектроскопии, чтобы определить содержание углерода в нагретой стали излучающей определенный спектр по интенсивности поглощения инфракрасного излучения с помощью специального оборудования.
• Метод сжигания образца стали основан на воздействии высокой температуры, чтобы углекислый газ выделялся из порошкообразного, перемолотого в стружку или гранулы материала. В лабораторных условиях проводится анализ с применением рентгеновских излучений для определения длины волны каждого компонента стали.

Способы получения углеродистых сталей

В металлообработке применяют различные виды печей, адаптированные под специфику углеродистых сплавов и их производственные требования:

• В конверторах процесс начинается с расплавления всех составляющих сплава, после чего смесь подвергается обработке кислородом для очистки. Для улучшения качества конечного продукта и извлечения примесей в расплав добавляют известь, которая преобразует примеси в шлак. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением дыма, что требует наличия систем фильтрации и повышает финансовые издержки. Несмотря на это, благодаря высокой эффективности, конверторный метод находит широкое применение в промышленности.
• При производстве кипящей стали, которая используется для изготовления слитков, слябов и блюмсов (прокат большого сечения), применяется такая технология, как отжиг. Этот процесс позволяет достичь структуры сплава, максимально приближенной к равновесной.
• В мартеновских печах для получения углеродистых сплавов сначала в отдельную камеру загружают чугун и стальной лом, затем нагревают до температуры, при которой материал превращается в однородную массу. В результате химических реакций в процессе плавления получается готовый металл.
• Электрические печи позволяют снизить окисляемость металла в процессе нагрева, что существенно уменьшает содержание водорода в сплаве, улучшая тем самым его структуру и качество конечного продукта, в том числе материалов для изготовления инструментов.

Примеры использования углеродистых сталей

Углеродистые стали применяются во всех областях промышленности для создания машин и металлических конструкций любой формы. правильный выбор марки стали обеспечивает экономичный расход металла и успешную работу конструкции. Прежде чем изготавливать детали из углеродистых сталей, оценивают режим работы и область применения.

Марки металла с малой долей углерода подходят для изделий, защищенных от серьезных нагрузок, вибрации, ударов, например, для:

• Дистанционных колец;
• Втулок;
• Крышек;
• Колпаков;
• Маховиков;
• Стаканов для подшипников;
• Прихватов, планок.

Если планируется эксплуатация деталей в более жесткой среде под нагрузкой, то применяют среднеуглеродистые сплавы. Дополнительно тонкие детали, работающие на истирание, рычаги, крюки, траверсы, малонагруженные пружины, рессоры, корпуса приборов, вкладыши, болты, стяжки закаляют высокой температурой.

Продукция из среднеуглеродистой стали для дальнейшей закалки:

• Шкивы ременных передач;
• Звездочки цепных передач;
• Зубчатые колеса, шестерни;
• Валы, оси;
• Шпиндели;
• Рычаги;
• Ролики;
• Поршни цилиндров.

Чем выше класс прочности, тем актуальное применение термической обработки. Для Ст 35 с классом прочности 8.8, 9.8 термообработка проводится обязательно. Для особых элементов, метизов применяют высококачественную углеродистую сталь, которая. обладает:

• Однородной структурой;
• Однородным составом;
• Одинаковой твердостью;
• Отсутствием микроскопических дефектов, различных включений неметаллической природы.

Массовое и крупносерийное производство метизов из металла, в составе которого есть углерод, предполагает использование технологии горячей или холодной штамповки и высадочных автоматов. Крепеж изготавливают как под действием температуры, так и без температурного воздействия.

Если сталь должна быть очень прочной, быть устойчивой к ударным нагрузкам и воздействию любой погоды и не ржаветь, то в случае сталь получают методом вакуумного или электрошлакового переплава, а также дугового.