Стальной сплав – основной тип продукции металлургической отрасли. Благодаря особому химическому составу и техническим характеристикам углеродистая сталь востребована в различных сферах деятельности человека. Материал прочный, выдерживает высокие нагрузки, отличается хорошей ударной вязкостью.
Что такое углеродистая сталь?
По-простому, это нелегированный сплав, содержащий до 2,14 % углерода (собственно, этот элемент и определил название металла), а также дополнительные примеси марганца, кремния, серы, фосфора. В зависимости от того, сколько углерода в металле, меняется его твердость. Даже малейшие количественные изменения содержания углерода оказывают заметное влияние на свойства сплава.
Различают конструкционную и инструментальную сталь. Конструкционная – это мягкий металл или средней твердости. Какие стали относятся к инструментальным теперь понятно – характеризующиеся высокой твердостью. Различия характеристик обусловили разные сферы применения аналогов.
Химический состав углеродистой стали
Чем больше карбона в составе, тем выше устойчивость металла к нагрузкам и износу. При этом следует знать, что он влияет на хрупкость. Процент содержания углерода варьируется и определяет три разновидности сплава:
- Низкоуглеродистый. В составе содержится не выше 0,25 % углерода. Основные характеристики этого типа: пластичность, податливость горячей и холодной обработке.
- Среднеуглеродистый. Концентрация карбона не превышает 0,6 %. Аналог демонстрирует высокие показатели пластичности, прочности, текучести.
- Высокоуглеродистый. Процент содержания углерода составляет до 1,4. Такие сплавы используют в производстве измерительных приборов, инструментов высокой прочности.
Процесс раскисления способствует восстановлению окиси железа и связывает растворенный кислород. Таким способом достигается уменьшение его негативного воздействия. Если рассматривать классификацию по показателю раскисления, то выделяют следующие виды углеродистой стали:
- Кипящие. Это не полностью раскисленные разновидности. В период разлива происходит обильное выделение газа, поэтому сплав кипит. Кипящая сталь считается неоднородной и загрязненной газами. Распределение элементов по брусу осуществляется неравномерно, поэтому свойства материала могут отличаться на одном слитке. Часть подвергается удалению, поскольку там скапливается большая часть «ненужных» примесей. Из-за скопления фосфора или серы может потребоваться удаление до 5 % общей массы.
- Спокойные. Состав получают в результате полного раскисления. Здесь минимальное содержание шлака и неметаллических добавок. Количество кремния составляет от 0, 12 %. Такие слитки характеризуются однородной плотной структурой, стойкостью к ударным нагрузкам, идеально применимы для сварки.
- Полуспокойные аналоги. Занимают промежуточное положение по физико-химическим показателям. Сталь полураскисленная, для кристаллизации не нужно кипение. Газ выделяется в достаточном количестве, при этом численность пузырьков заметно ниже. Показатели качества максимально приближены к предыдущему типу. Такие аналоги вполне могут заменить спокойные составы в изготовлении обыкновенных изделий металлопроката, к которым не предъявляется высоких требований.
Данная классификация позволяет систематизировать представление о сплавах и понять, что значит стальной сплав разной степени раскисления.
Сфера применения
Технические показатели обусловили популярность сплавов. Без них не обходится:
- Машиностроение. Материал демонстрирует высокий предел усталости, сопротивления нагрузкам. Из него изготавливают ответственные элементы для деревообрабатывающих машин, легкой промышленности, например фрезы, ролики, режущие диски.
- Строительство. Использование аналогов с низким или средним процентом карбона целесообразно в обустройстве коммуникаций, конструкций. Металл оптимален для изготовления двутавровых балок, профилей, уголков. Из сплава также производят инструмент: пилы, топоры, стамески, отвертки.
- Медицина. Из сплавов изготавливают мединструмент, который должен соответствовать высоким показателям прочности, например, скальпели, хирургические лезвия. Улучшить механические показатели материала можно с помощью закалки. Процесс не требует длительного времени и высоких трудозатрат.
Маркировка
Углеродистая сталь, марки которой определяются положениями ГОСТа, представлена в различных вариациях: У7, У8А, У10, У13А и т.д. Понимая значение букв можно определить тип, качество сплава, процентное содержание карбона. Количество углерода отражает цифра. Для удобства восприятия она увеличена в 10 раз.
Значение букв в индексе:
- А – высококачественный металл (отсутствие буквы обозначает качественный аналог).
- У – углеродистый сплав.
- Г – содержание марганца в большом количестве.
Производство углеродистых стальных сплавов
Особенность производства стальных сплавов, насыщенных углеродом состоит в обработке заготовок из чугуна. В процессе переработки наличие взвесей доводят до нужной концентрации. Углерод удаляется посредством окисления. Сделать это можно несколькими способами, что послужило основанием для разделения типов плавления:
- Кислородно-конвертерный. Жидкий чугун продувают кислородом. В результате углерод окисляется и устраняется из состава, а чугунные плиты трансформируются в стальные. Этот метод экономически не затратный, не вызывает технических сложностей.
- Мартеновская. Способ плавки заключается в устранении углерода путем добавления руд железа и ржавых металлических изделий. Плавильные ванны способны вместить до 500 т металла и занимают большие площади. Метод применим только в Индии и на территории стран постсоветского пространства.
- Электротермическая. Вакуумные топки позволяют изготовить качественный сплав с минимумом примесей. За счет высоких экономических затрат метод используют лишь в случаях, когда требования к металлу очень высоки.
Свойства полученных сплавов позволяют их легировать, достигая требуемых показателей, обрабатывать и успешно использовать практически во всех сферах деятельности человека.