90% углеродистые сплавы занимают в общей продукции чёрной металлургии. Кроме железа используется:
1) Углерод
2) Марганец
3) Кремний
Примеси в сталях:
1) Сера (до 0,05%) – при большем содержании этих компонентов их можно признать легирующими. Если серы много, то металл хорошо обрабатывается (характерно для автоматной стали). Образует легкоплавкую эвтектику с железом, которая располагается по границам зёрен (имеет место красноломкость – хрупкость при горячей обработки давлением).
2) Марганец (до 0,8%) – вводиться для раскисления стали (FeO+Mn=MnO+Fe)
3) Фосфор (до 0,05%) – даёт стали жидкотекучесть, снижает ударную вязкость
4) Кислород
5) Азот
6) Кремний – действует аналогично марганцу
7) Водород
8) Случайные примеси
В зависимости от способа выплавки стали различаются по количеству этих примесей. Тем не менее, углерод всегда присутствует в стали и оказывает на неё самое сильное влияние на её свойства. Увеличение содержания в стали углерода приводят к повышению прочности и твёрдости, но понижает пластичность. Приводимые механические свойства относятся к изделиям без термической обработки. Помимо влияния содержания углерода на механические свойства, оно влияет так же на хладноломкость. При низких температурах при повышении содержания углерода повышается хладноломкость. Изменяется также плотность материала, магнитные свойства, электропроводность (углерод снижает эти свойства стали). Всё это демонстрирует, что содержание углерода влияет на свойства стали и даёт возможность использовать те или иные стали для самых различных нужд. Наиболее трудные в обработке материалы – это высокоуглеродистые сплавы. Для ковки металлу необходима пластичность, таким образом, наиболее удобна для ковки сталь с низким содержанием углерода.
При выплавке стали в основных мартеновских печах сталь содержит от 0,02 до 0,04% фосфора. Получить же содержание менее 0,01% (по крайней мере, экономически целесообразным образом) пока невозможно.
Растворимость фосфора при высоких температурах гораздо выше, чем при низких температурах (500оС – составляет лишь 0,02%). Тем не менее, углерод и легирующие элементы ещё больше уменьшают растворимость фосфора, однако свободный фосфор не обнаруживается. Фосфор, как правило, распределяется неравномерно и обогащает границы зёрен. Растворяясь в α-железе фосфор делает металл хрупким. Таким образом, фосфор является примесью вредной (за редким исключением)
Сера. Как и фосфор попадает из печных газов в металл, как продукт горения. Обычно, содержание серы не должно превышать 0,02-0,03%. Сера в железе не растворима и любое количество серы образует соединение FeS. Обычно сернистая эвтектика объединяется с ферритом. Такая форма включения серы является особенно вредной, т.к. образуются надрывы и трещины при термической обработке. Ещё в процессе нагрева могут образовываться расплавы и округлые включения сульфида.
Введение марганца в сталь протекает таким образом, что уменьшает вредное влияние серы. Уменьшение происходит таким образом:
FeS+Mn->MnS+Fe
Такая реакция протекает при введении марганца в жидкую сталь и образовавшийся сульфит марганца плавится при более высоких температурах, чем температуры при термических обработках.
Оксиды оказывают сильное отрицательное влияние. Пластинчатая форма включения сульфида марганца существенно снижает пластические и вязкие свойства по длине прокатки.
Примеси внедрения сильно влияют на вязкость.
Углеродистые стали разделяют на две группы:
1) Стали обыкновенного качества (кипящие, спокойные, полуспокойные)
a. Гарантируем механические свойства (термостойкие)
b. Гарантированный химический состав (для термообработки)
c. Гарантированный хим. состав и химические свойства (сварочные)
2) Качественные стали – более дорогие стали с ограниченными содержаниями примесей
a. Низкоуглеродистые
i. Высокопластичные малопрочные стали (до СТ10)
ii. Цементуемые (СТ15-СТ20) – применяется для изделий, работающих в условиях износа
b. Среднеуглеродистые
i. СТ30-35 – низкая прокаливаемость (12-30мм слой прокалки). Применяют для небольших изделий
ii. СТ40-45 – выше прочность сердцевины, закаливают высокочастотными токами
iii. СТ60-80 (СТ50-65Г) – рессорно-пружинные стали, применяют для создания различных упругих элементов