К крепежным изделиям относятся болты, винты, шпильки и другие крепежные элементы с резьбовой поверхностью. Для получения качественных крепежных деталей применяется сталь, содержащая от 0,1 до 0,45% углерода, с различными классами прочности.
Углерод в стали
Состав стального сплава напрямую сказывается на его эксплуатационных характеристиках. Одним из ключевых факторов является концентрация углерода, от которой зависит пластичность, прочность и другие параметры металла.
Существует множество стальных сплавов с различной долей углерода. Эти сплавы отличаются составом, технологией производства, рабочими характеристиками и использованием.
В дальнейшем мы подробно рассмотрим, что такое углеродистая сталь, какие типы этого материала существуют и какие отличия между ними.
Что такое углеродистая сталь?
Углеродистая сталь представляет собой специализированный сплав железа, в котором содержание углерода (С) может достигать 2,14%. В состав данного сплава входят и различные примеси, такие как кремний, марганец, сера и другие. В некоторых случаях в сплав могут быть добавлены небольшие количества азота, кислорода и водорода. Однако именно углерод в первую очередь определяет как химические, так и физические свойства материала. В определенных ситуациях для улучшения специфических характеристик в сталь могут добавляться элементы, такие как хром, никель, алюминий и другие элементы с подходящими качествами.
Увеличение содержания углерода в стальной смеси приводит к значительным изменениям в ее свойствах. Основные изменения включают:
- Увеличение электрического сопротивления.
- Снижение магнитной проницаемости, что может происходить даже при увеличении углерода лишь на сотую долю процента.
Следует отметить, что при содержании меньшем, чем 0,2% углерода в сплаве образуются феррит и третичный цементит, влияющие на свойства материала. С увеличением доли цементита прочность стали снижается.
Таким образом, контроль за концентрацией углерода в стальном сплаве позволяет точно регулировать его рабочие характеристики и устойчивость к механическим или вибрационным нагрузкам.
Качество и назначение
Качество расплава зависит от содержания углерода и наличия в нем технологических примесей. Увеличение доли таких элементов, как сера и фосфор, может привести к образованию трещин, красно- или хладоломкости, а также снижению ударной вязкости. В зависимости от содержания примесей углеродистые стали делятся на:
- Стали обычного качества – содержание углерода не превышает 0,49%, серы – 0,05%, и фосфора – 0,04%. Такие стали могут быть выплавлены в печах любого типа и поступают на рынок в виде фасонных профилей, горячекатаных листов, проволоки и поковок;
- Качественные стали – содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04% и 0,035% соответственно. Такие стали характеризуются повышенной пластичностью, ударной вязкостью и выносливостью, а детали, изготовленные из них, меньше подвержены износу и имеют повышенную твердость в результате термообработки.
Качество сталей определяет назначение изделий и сферы их применения, в связи с чем углеродистые стали классифицируются на две основные группы:
Маркировка
В России и других странах СНГ при заказе металлопродукции маркировка углеродистых сталей осуществляется по буквенно-цифровой системе. Углеродистые стали обычного качества обозначаются буквами «Ст», за которыми следуют цифры от 0 до 6, указывающие на их химический состав. Качественные стали обозначаются двумя цифрами, где порядок показывает количество углерода в сотых долях процента.
Для обозначения степени раскисления используются следующие индексы:
- кп – кипящая;
- пс – полуспокойная;
- сп – спокойная.
Инструментальные стали в маркировке начинаются с буквы «У». В некоторых случаях могут добавляться буквы, указывающие на предназначение, например, «к» для котельной, «л» для литейной стали.
Пример маркировки углеродистых сталей:
Ст5Гпс – это конструкционная углеродистая сталь обычного качества, полуспокойная, с содержанием углерода 0,22-0,3% и марганца до 1,2%.
20кп – конструкционная углеродистая сталь высокого качества, кипящая, с содержанием углерода в пределах 0,17-0,24%.
Как углерод влияет на свойства стали
Влияние углерода на характеристики стали проявляется через изменения ее структуры и новые свойства. Технические характеристики металла определяют его назначение и область применения.
Изменение структуры металла при добавлении углерода
Увеличение процента углерода в железном сплаве приводит к следующим изменениям:
- Увеличивается электрическое сопротивление.
- Увеличивается коэрцитивная сила, что означает, что усиливается напряжение внешних магнитных полей, способных размагнитить ферросодержащий материал.
- Происходит снижение показателей магнитной проницаемости и индукции.
Даже незначительные изменения уровня углерода (например, увеличение или уменьшение на сотую долю процента) могут существенно повлиять на структуру и технологические особенности металла.
Помимо этого, структура стали зависит от соотношения феррита и цементита. При содержании углерода до 0,2% образуются феррит и третичный цементит. При увеличении доли углерода формируется перлит, и чем больше цементита, тем ниже прочность металла.
Таким образом, соотношение феррита и цементита влияет на твердость, прочность и упругость стали, а содержание углерода в сплаве позволяет регулировать сопротивляемость сталей к ударным нагрузкам и их пластичность.
Как углерод влияет на свариваемость стали
Помимо структурных изменений, добавление углерода влияет и на свариваемость материалов. Если конструкционная сталь содержит менее 0,25% углерода, сплав обладает хорошей свариваемостью, шов формируется без трещин и других дефектов.
Однако увеличение доли углерода значительно ухудшает свариваемость. В сварных швах могут появляться трещины и поры, что делает деталь хрупкой и неспособной выдерживать значительные механические нагрузки, воздействие атмосферного давления и перепады температур.
Новые свойства и преимущества сплава при добавлении углерода
Разное содержание углерода в металле позволяет получать углеродистую сталь высокого качества с широким диапазоном свойств.
Сталь становится более прочной. Увеличивается ее несущая способность, а поверхность материала обретает твердость. Срок службы таких изделий может достигать 50 и более лет при нормальных условиях эксплуатации.
Кроме того, из углеродистой стали изготавливаются детали и механизмы, которые функционируют в условиях, требующих повышенной прочности, термостойкости и износостойкости.
Важно отметить, что еще одно преимущество углеродосодержащих сплавов – это простота и скорость их выплавки. В процессе производства активно удаляются газы углерода и углекислого газа. Они удаляются в виде пузырьков, что способствует быстрому смешиванию металла со шлаком. Процессы массо- и теплообмена проходят быстрее, что сокращает время производства сплава.
При проходе через сплав пузырьки газа помогают удалению неметаллических примесей из расплава.
Стали, содержащие углерод
В зависимости от содержания углерода, сталь можно классифицировать на три вида. В таблице указаны виды стали, содержание углерода и их свойства:
Углеродистая сталь с низким содержанием углерода обладает высокой пластичностью, что позволяет материалу легко деформироваться под воздействием механических нагрузок. Она хорошо поддается обработке, как в горячем, так и в холодном состоянии.
Для стали с умеренным содержанием углерода характерны хорошие пластичность и прочность. Этот вид стали применяется для изготовления деталей и конструкций, которые будут использоваться в нормальных условиях эксплуатации.
Стали с высоким содержанием углерода имеют множество преимуществ, таких как высокая прочность, низкий коэффициент вязкости и износостойкость. Однако они негативно сказываются на свариваемости, и для того чтобы сварить высокоуглеродистую сталь, необходимо предварительно нагреть ее до температуры 220 градусов.
Качество металла определяется долей вредных примесей, таких как сера и фосфор. Чем выше содержание этих элементов, тем ниже качество стали. В таблице представлено процентное содержание примесей, категория качества и маркировка.
Содержание серы и фосфора, %
Качество стали напрямую влияет на ее стоимость. Самые дорогие сплавы относятся к категории особовысококачественных.
Определение свариваемости сталей
Ключевым критерием для определения свариваемости материалов является содержание углеродных соединений в стали. Для оценки свариваемости стали служит коэффициент углерода, который является основным показателем.
Чтобы вычислить этот коэффициент, используют следующую формулу:
Сэк = C + Mn / 6 + Cr + Mo / 5 + V + (Ni + Cu) / 15,
- Сэк — коэффициент углерода;
- С — содержание углерода в %;
- Mn — содержание марганца в %;
- Cr — содержание хрома в %;
- Mo — содержание молибдена в %;
- V — содержание ванадия в %;
- Ni — содержание никеля в %;
- Cu — содержание меди в %.
Данные о коэффициенте Сэк позволяет определить, к какой группе свариваемости относится данный образец. При этом следует ориентироваться на следующие параметры:
- Группа 1 — сварка без ограничений — Сэк до 0,25 %.
- Группа 2 — сварка в ограниченном режиме — Сэк от 0,25 до 0,35 %.
- Группа 3 — затруднения в процессе сварки — Сэк от 0,35 до 0,45 %.
- Группа 4 — сварка невозможна — Сэк более 0,45 %.
Влияние добавок на свариваемость сталей
Теперь рассмотрим особенности сваривания легированных сталей с различным содержанием примесей. Данные приведены в следующей таблице:
Установленные примеси существенно влияют на такие важные характеристики стали, как эластичность и прочность. Показатели свариваемости остаются хорошими даже при содержании углерода до 0,25 %. Более высокие значения начнут вызывать проблемы, так как появление закалочных структур при термическом воздействии приведет к образованию трещин.
Сера (S) и фосфор (Р)
Содержание серы и фосфора в стали должно быть минимальным и не превышать уровней 0,4–0,5%. В противном случае на поверхности образовываются красные трещины. Сера повышает риск красноломкости, а фосфор – хладноломкости, что существенно влияет на свойства стали.
Оптимальный уровень раскислителя должен составлять примерно 0,3%. Это позволит сохранить свариваемость. Однако имеется вероятность негативного влияния на свариваемость в случае, если содержание кремния превысит 0,8–1%. Это может привести к формированию трудноплавких оксидов.
Для поддержания хороших показателей свариваемости содержание марганца не должно превышать 1%. Увеличение этого показателя до 1,8–2,5% приведет к образованию закалочных структур со всеми вытекающими последствиями, такими как трещины в металле.
Оптимальным содержанием никеля для обычной стали является 0,3%. В легированных сталях содержание никеля обычно выше: для низколегированных оно составляет 5%, а для высоколегированных — 35%. Никель не ухудшает, а даже улучшает прочность и пластичность стали.
Ванадий добавляется в легированные стали в количестве от 0,2 до 0,8%. Это улучшает прокаливаемость и такие свойства, как пластичность и вязкость. Однако его доля не должна превышать 0,8%, так как это может привести к возникновению трещин в наплавленном металле из-за происходящего выгорания данного компонента.
Титан и ниобий (Ti и Nb)
Наличие ниобия может вызвать трещины при сварных работах с некоторыми сталями, однако умеренное добавление титана и ниобия в коррозионностойкие и жаропрочные стали способствует повышению их устойчивости к внешним воздействиям. Содержание этих компонентов не должно превышать 1%.
От чего зависит?
Определение свариваемости легированной или углеродистой стали основывается на точном расчете. При этом учитывается не только химический состав сплава. Специальные формулы помогают в расчетах и определении параметров свариваемости.
Легирующие примеси
Если в углеродистых сталях содержание примесей минимально, влияние легирующих элементов всегда будет значительно. Внедрение загрязняющих компонентов в любые стали неизбежно. Например, содержание серы до 0,06% не влияет на свариваемость, однако, если оно превышает этот предел, может вызывать горячие растрескивания. Содержание фосфора свыше 0,08% также способно приводить к аналогичным дефектам в холодном состоянии.
Легирующие примеси, оказывающие влияние на свариваемость стали, включают:
Чем меньше легирующих компонентов в сплаве, тем легче предсказать его способности к образованию сварного шва.
При пониженном содержании углерода свариваемость стали улучшается, однако, если углеродное содержание растет, это создает ряд трудностей при формировании шва. Существует формула для расчета эквивалентного содержания углерода, которая учитывает все легирующие элементы и позволяет оценить свариваемость сплава заранее. Пример такой формулы выглядит следующим образом: эквивалентное C (Сэкв) = C (углерод) + (Mn/6) + ((Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15).
Обработка
Свариваемость стали напрямую влияет на возможности ее последующей обработки. У сплавов с низкой свариваемостью способность к обработке крайне ограничена. При механическом воздействии в области шва может возникать трещины. Обычно такие материалы неподходящи для применения в ответственных конструкциях, работающих под интенсивными нагрузками. Ограниченно свариваемые стали также сложны в обработке.
Эта группа сплавов требует тщательного выбора оборудования и значительно ограничивает выбор методов обработки. Процесс зачастую требует наличия специализированного оборудования и высокой квалификации мастеров.
Стали, которые хорошо свариваются, не имеют проблем с термической обработкой. Их можно соединять без предварительного нагрева, а последующее механическое воздействие на шов не приведет к его разрушению и не оставит повреждений в обрабатываемой области.
