Углерод в составе металлов и его влияние на свойства материалов

В статье рассматриваются следующие вопросы:

• на что влияет углерод в составе металла;
• свойства сплавов с разным содержанием углерода;
• технология производства углеродистых сталей;
• сферы их использования.

Количество углерода в сплаве определяет механические характеристики и другие свойства углеродистых сталей. За счет изменения состава можно сделать материал более твердым или пластичным, прочным или вязким.

Стали, которые именуются углеродистыми, классифицируются по составу, методам производства, степени окисления, областям применения. Сплавы с разной степенью цементита востребованы во многих сферах. Рассмотрим взаимосвязь содержания углерода в материалах и особенностей их использования.

На что влияет содержание углерода в металле?

Существующие производственные процессы не позволяют полностью удалить примеси из стали. Поэтому небольшой их процент присутствует во всех углеродистых соединениях. Также на их наличие влияет выбранный метод плавки.

В зависимости от доли углерода в металле выделяются углеродистая и легированная стали. Этот компонент позволяет скорректировать механические и технические характеристики материала.

В стали содержится:

• до 99 % железа;
• до 2,14 % углерода;
• не более 1 % кремния;
• до 1 % марганца;
• максимум 0,6 % фосфора;
• до 0,5 % серы.

Также сталь содержит небольшую долю водорода, кислорода, азота.

Для чего добавляют углерод в металл?

• Присутствует во множестве марок стали. Благодаря добавке материал приобретает широкий диапазон механических свойств. В частности, углерод влияет на соотношение перлита и феррита в структуре твердого металла, расширяет температурный диапазон, при котором железо остается в устойчивом состоянии.
• Считается вредной примесью, когда речь идет о сталях специального назначения, таких как стойкие к коррозии, жаропрочные, электротехнические и пр.
• В процессе окисления забирает основную долю кислорода, поступающего в ванну с целью удаления примесей. Например, в мартеновском скрап-рудном и конвертерном процессах затрачивается более 75–80 % O₂. Поэтому важная задача управления окислительным рафинированием — это регулировка удаления углерода в материале.
• Остается единственной примесью при изготовлении стальных сплавов, окисление которой приводит к выделению газов CO₂ и CO. Объем этих побочных продуктов многократно превосходит количество металла. К примеру, окисление 1 кг углерода при температуре +1500 °C вызывает образование свыше 10 м³ CO. Газ выходит из ванны в виде пузырей. Благодаря этому металл и шлак перемешиваются, возрастает скорость протекания массо- и теплообменных процессов. За счет этого на плавку тратится меньше времени.
• Пузыри оксида углерода проникают через расплав. Они параллельно забирают с собой газы и неметаллические включения в процессе плавки и вакуумирования.
• Окисление углерода приводит к нагреву ванны. Это создает условия для протекания кислородных процессов. Например, на конвертерном этапе обработки металла нагревание при окислении углерода отвечает за 20–25 % приходной составляющей теплового баланса плавки. Таким образом, сплав нагревается до температуры выпуска при значительном содержании лома в шихте.
• Количество углерода в металле и его постоянное окисление влияют на содержание оксидов железа в шлаке и кислорода в стали. От окисленности ванны зависят потери железа со шлаком в форме оксидов. А также угар легирующих добавок и раскислителей, остаточное содержание прочих примесей и пр.
• Окисление интересующего нас элемента в ходе затвердевания металла в изложницах приводит к формированию слитков стали различных видов. Речь идет о спокойном, полуспокойном и кипящем типе.

При увеличении доли углерода в металле возникают такие изменения:

• повышается электросопротивление;
• ухудшается проницаемость магнитов;
• увеличивается коэрцитивная сила;
• снижается плотность индукции магнитов.

Свойства стального сплава с разным содержанием углерода

При рассмотрении свойств углерода в металле важно понимать, что характеристики этих сталей определяются сложной структурой молекулярной решетки. Например, у цементита каждая ячейка имеет форму октаэдра.

Такая специфика обеспечивает ряд важных технико-экономических особенностей сплавов:

• высокую прочность и несущую способность;
• мягкую сердцевину в сочетании с твердым поверхностным слоем. Объясняется плохой прокаливаемостью: это качество компенсирует хрупкость металла;
• значительный срок службы — до 50 лет при нормальных условиях эксплуатации либо при использовании средств, защищающих сталь от появления ржавчины;
• низкую себестоимость технологии выплавки. Применяется на предприятиях с конца XIX века: именно тогда были изобретены мартеновские печи.

Количество углерода в металле влияет на вид стали:

• низкоуглеродистая (до 0,25 % в составе). Обладает пластичностью, при этом легко поддается деформации. Металл обрабатывается при высоких температурах либо в холодном виде;
• среднеуглеродистая сталь (от 0,3 до 0,6 %). Характеризуется пластичностью, текучестью. Указанное содержание углерода в металле позволяет применять его как материал для конструкции и деталей, эксплуатируемых в нормальных условиях. Имеет средний коэффициент прочности;
• высокоуглеродистая сталь (от 0,6 до 2 %). Выделяется превосходной износостойкостью, низкой вязкостью. Для проведения сварки предварительно разогревается до +225 °C. Это прочный и дорогостоящий металл.

Стоит отметить, что низко- и среднеуглеродистые стальные сплавы легче поддаются обработке, свариванию.

Каждая марка обладает определенной сферой применения и отличается от других видов методом изготовления.

Конструкционные стали

Содержат большую долю углерода. Производятся с использованием специальных конвертеров и мартеновских печей. При маркировке конструкционных сталей берут три первые буквы алфавита и цифры. Числовое значение указывает на количество углерода. А буквы позволяют определить принадлежность сплава к конкретной группе.

Если металл содержит марганец, маркировка дополняется литерой Г. Группа А делит сплавы по механическим свойствам. Б — по процентному содержанию примесей. В — по двум показателям сразу. Так, при изготовлении стали группы А производители ориентируются на необходимые качества. А при выпуске сплавов Б опираются на соответствие нормам.

Инструментальные стали

Выпускаются в электрической или мартеновской печи. Первый тип оборудования наиболее распространен. Марки сплава обладают различной вязкостью и степенью раскисления. Кроме того, инструментальные стали делятся на высококачественные и качественные.

Технология производства углеродистых сталей

Информация о содержании углерода в металле позволяет использовать разные методы изготовления сталей. Для каждой технологии существует особое оборудование.

Специалисты выделяют три основных типа печей, применяемых для этих потребностей. Это плавильные конверторные и мартеновские. А также самые распространенные — электрические.

В конверторном оборудовании все компоненты сплава расплавляются одновременно, после чего смесь обрабатывается техническим кислородом. Чтобы удалить присутствующие примеси путем их превращения в шлак, в горячий металл вносится известь. Процесс производства сопряжен с активным окислением металла, что приводит к выделению большого количества угара.

Применение конверторных печей для выработки углеродистых сталей предполагает установку дополнительных фильтровальных систем. Это связано с тем, что во время работы образуется много пыли. Монтаж дополнительного оборудования во всех случаях приводит к повышенным финансовым затратам.

Тем не менее этот недостаток не препятствует активному использованию конверторного метода на металлургических заводах. Специалисты ценят этот способ за высокую производительность.

Мартеновские печи обеспечивают высокое качество разных сортов металлов. Эта технология производства углеродистой стали состоит из следующих этапов:

• в отдельный отсек печи загружается стальной лом, чугун и пр.;
• металлы нагреваются до высокой температуры;
• все составляющие будущего сплава становятся однородной раскаленной массой;
• между компонентами в процессе плавления происходит химическая реакция;
• из печи поступает готовый металл.

Электрические печи работают по совершенно иному принципу. Здесь отличается методика нагрева материалов. Благодаря применению электричества в процессе разогрева минимизируется окисляемость металла, что в свою очередь приводит к сокращению доли водорода в сплаве. Это положительно влияет на структуру и качество готовой стали.

Области использования углеродистых сталей

Изготовление деталей машин

Прежде чем начать выпуск определенной детали из углеродистых сталей, оцениваются условия ее дальнейшей работы. Марки металла, содержащие малую долю добавки, подходят для изделий, которые не планируется подвергать серьезным нагрузкам, воздействиям вибрации и ударов. К таким элементам относятся втулки, дистанционные кольца, колпаки, крышки, маховики, прихваты, планки, стаканы для подшипников.

В отдельную категорию выделяются корпусные изделия и сварные каркасные конструкции. В них низкая прочность сталей компенсируется за счет высокой толщины несущего сечения. В то же время податливость материала при сварке обеспечивает повышенный уровень общей технологичности.

Детали, которые в процессе эксплуатации будут подвергаться серьезным нагрузкам, изготавливаются из среднеуглеродистых сталей. В дальнейшем они подвергаются закалке. При условии цементации также используются марки металла с пониженным содержанием углерода.

Эти требования действуют для звездочек цепных передач и шкивов ременных приводов, шестерён, зубчатых колёс, осей, валов, шпинделей, роликов, рычагов, штоков, поршней цилиндров.

Сначала делают заготовку. На этом этапе выполняется резка проката, отливка, поковка или штамповка. Затем переходят к механической обработке и температурной стадии. В конце выполняют доводочные, отделочные операции при помощи абразива. Это шлифовка, хонингование, притирка, суперфиниширование. Важно учесть, что эффективно обработать незакаленные стали с использованием абразивного инструмента невозможно. Дело в том, что процесс приводит к засаливанию режущих зерен.

Высокоуглеродистые рессорно-пружинные виды стали используются лишь в особых случаях. Ведь металл с большим количеством этого вещества в составе предусматривает более сложную обработку. Кроме того, любые дефекты тяжело устранить — например, заварить деталь.

Обычно этот сорт стали применяется для навивки спиральных пружин, производства направляющих скольжения, цанг, рессор и прочих элементов, от которых требуется твердость в сочетании с упругостью.

Цанг

Рессор

Изготовление инструмента

Назначение углеродистых инструментальных сталей ясно уже из названия. Их использование ограничено повышенной температурой. При нагреве до +250…+300 °C закаленный металл утрачивает твердость и прочность, отпускается.

Кроме того, важно учитывать, что легированные стали превосходят углеродистые по функциональности. Вторые нельзя использовать для резки или выдавливания материалов, имеющих более высокие показатели прочности.

Все указанные особенности позволяют использовать металлы для выпуска ручного инструмента, предназначенного для холодной обработки пластика, дерева, мягких цветных металлов.

В процессе задействуются исключительно кованые заготовки, а не литье. Среди проката подбирается упрочненный сортамент, созданный специально для производства инструмента. Затем металл с заданной долей углерода в составе точится, сверлится, фрезеруется, закаляется и доводится до нужного состояния с помощью абразива. Необходимо отметить, что шлифовка относится к наиболее трудоемким процедурам. Именно в это время задаются требуемые параметры инструмента. Кроме того, все перечисленные операции помогают удалить с металла поверхностный слой, содержащий дефекты после термической обработки.

Производство крепежа

В ГОСТ 1759.4-87 содержатся требования к механическим свойствам крепежа с резьбой. В соответствии с этим стандартом винты, болты, шпильки выпускаются из следующих сортов углеродистых сталей:

• 20 и 10 — для классов прочности 3.6, 4.8, 4.6, 6.8, 5.8. Актуально, если не предполагается термическая обработка;
• 35, 30, 45 — для классов прочности 6.6 и 5.6. С выполнением температурной обработки;
• 35 — для классов прочности 9.8, 8.8, 12.9 и 10.9. При этом термическая обработка считается обязательным этапом.

Крупносерийное и массовое производство метизов из материала, в составе которого содержится углерод, предполагает применение высадочных автоматов, а также технологии холодной или горячей штамповки. После этого на заготовки наносят резьбу.

Если метизы выпускаются мелкой серией, доступен заказ нестандартных крепежных изделий. Партия производится на универсальном оборудовании для металлической резки.

Для изготовления крепежа нередко применяется особая группа углеродистых сталей, отличающаяся повышенной обрабатываемостью. При маркировке таких сортов на первом месте стоит буква А. Металлы отличаются от остальных сплавов максимальной однородностью химического состава и структуры по всему объему проката. Ввиду этого при их обработке на станках-автоматах нет риска перепада нагрузки на инструмент. Ведь эта проблема связана с разной твердостью сплава либо с присутствием в его структуре микродефектов в виде неметаллических включений.

Подводя итог, можно сказать, что углеродистые стали подходят для решения множества технических задач: от сборки несущих конструкций до производства элементов машин. Марки различаются в зависимости от доли углерода в металле.

Почему стоит выбрать нашу компанию?

Мы с уважением относимся ко всем потребностям клиентов и с одинаковым усердием выполняем задачи любого объема.

Наши производственные мощности рассчитаны на различные материалы: цветные металлы, нержавеющую сталь. При выполнении заказа наши сотрудники применяют все доступные способы механической обработки. Новейшее высокотехнологичное оборудование позволяет добиваться максимально точного соответствия изначальным чертежам.

Чтобы заготовка приблизилась к предъявленному заказчиком эскизу, наши работники задействуют универсальное оборудование, которое очень точно затачивает инструмент для особо сложных и деликатных операций. В производственных цехах металл приобретает пластичность. Из него можно создать любую заготовку.

Наши специалисты строго соблюдают требования ГОСТ и всех технологических нормативов. На каждом шаге обработки металла осуществляется жесткий контроль качества. Это позволяет нам гарантировать клиентам добросовестно выполненный заказ.

Огромный опыт наших специалистов позволяет им на выходе получать образцовое изделие, соответствующее всем существующим требованиям. При этом мы ориентируемся на инновационные технологические наработки и отталкиваемся от мощной материальной базы.

Мы принимаем заказы у клиентов со всех регионов России. Если вам требуется услуга металлообработки, наши менеджеры готовы уточнить все условия. В случае необходимости предоставляем бесплатную профильную консультацию.

Услуги по теме:

Лазерная резка алюминия

Подробнее

Лазерная резка нержавеющей стали

Подробнее

Резка цветных металлов

Подробнее