Stal węglowa: klasyfikacja, oznaczenia, zastosowanie

Współczesna metalurgia produkuje obecnie tak wiele gatunków stali, że ich pełne wyliczenie jest skomplikowane i czasochłonne. Przystępna cena, uniwersalne właściwości technologiczne i mechaniczne stali węglowej warunkują jej masową produkcję oraz szerokie zastosowanie w inżynierii, energetyce, rolnictwie, gospodarce komunalnej oraz innych sektorach przemysłu.

Czym jest stal węglowa

Stal węglowa to stop uzyskany przez połączenie żelaza z węglem, przy czym zawartość tego ostatniego wynosi mniej niż 2,14%. Zawiera również niewielkie ilości różnych domieszek, takich jak mangan, krzem, siarka, nikiel, chrom i miedź. Ich stężenie jest minimalne i nie wpływa znacząco na kluczowe właściwości końcowego produktu.

Klasyfikacja według zawartości węgla

To właśnie węgiel ma decydujący wpływ na właściwości i zastosowanie stali. Wyższa zawartość węgla zwiększa wytrzymałość stopu, ale obniża parametry plastyczności i spawalności. Dlatego klasyfikacja według zawartości węgla jest podstawowa dla stali.

Zgodnie z tym kryterium dzieli się je na następujące kategorie:

1. Stal niskowęglowa. W takich stopach zawartość węgla wynosi od 0,025 do 0,25%. Dobrze się spawa, nie jest podatna na kruchość, a po obróbce cieplnej zwiększa swoją wytrzymałość, choć może ją utracić przy kolejnym nagrzewaniu. Zazwyczaj stosowana do wytwarzania obciążonych elementów konstrukcji spawanych, prefabrykowanych ram oraz wyrobów poddawanych obróbce chemiczno-termicznej, takiej jak azotowanie, nawęglanie czy nitro-nawęglanie (np. części pracujące w tarciu w agresywnych środowiskach lub w wysokich temperaturach, matryce i stemple do tłoczenia na gorąco, formy wtryskowe itp.).
2. Stal średniowęglowa. Masowy udział węgla sięga 0,6%. Są one mało wrażliwe na flokeny, ale podatne na hartowanie, co powoduje trudności w spawaniu. Proces ten wymaga wstępnego lub współbieżnego podgrzewania metalu.
3. Stal wysokowęglowa. Zawartość węgla sięga 2,14%, przy czym pierwiastek ten występuje w postaci cementytu Fe3C. Takie stopy są wytrzymałe, sprężyste i twarde, ale wykazują skłonność do starzenia i kruchości na zimno. Materiał jest trudny w obróbce i spawaniu.

Klasyfikacja według stopnia odtlenienia

Podczas topienia w stopie stalowym znajduje się duża ilość gazów: tlen, wodór, azot, tlenek węgla oraz produkty reakcji wtórnych. Jest to wynik licznych reakcji chemicznych zachodzących w tym procesie, które negatywnie wpływają na strukturę chemiczną i jednorodność metalu, mogąc pogorszyć udarność, wytrzymałość zmęczeniową i plastyczność.

Aby tego uniknąć, stosuje się proces odgazowania, osiągany poprzez odtlenianie w urządzeniu stalowniczym za pomocą silnych odtleniaczy, najczęściej krzemu i aluminium. Są one silnymi reduktorami w stosunku do tlenku żelaza, aktywnie wiążąc się z gazowymi produktami ubocznymi. Głębokie odgazowanie można również przeprowadzić za pomocą odgazowywacza próżniowego.

Podczas odtleniania wydzielanie gazu przebiega mniej intensywnie, co prowadzi do zmniejszenia wtrąceń gazowych, siarczków i innych zanieczyszczeń.

Zależnie od intensywności procesu odgazowania, stale klasyfikuje się na trzy rodzaje:

1. Stale całkowicie odtlenione. W tych stopach osiąga się maksymalny stopień odtlenienia. Ich struktura jest gęsta, drobnoziarnista i jednorodna. Charakteryzują się lepszymi właściwościami fizycznymi, mechanicznymi i technologicznymi. Proces ten jest jednak kosztowny i charakteryzuje się niższym uzyskiem gotowego wyrobu.
2. Stale wrzące. Są one niższej jakości z powodu niejednorodnej struktury i zwiększonej skłonności do powstawania pęknięć po spawaniu. Nie stosuje się ich w obciążonych i odpowiedzialnych konstrukcjach ani w urządzeniach przeznaczonych do eksploatacji w niskich temperaturach. Nadają się do wytwarzania wyrobów niekrytycznych, eksploatowanych w normalnych warunkach.
3. Stale półspokojne. Są to stopy częściowo odtlenione, dlatego mają średnie parametry jakości. Są mniej kosztowne w produkcji, tańsze, a w porównaniu ze stalami wrzącymi bardziej wygodne w obróbce i niezawodne w eksploatacji.

Klasyfikacja według jakości

Krajowe normy DSTU i GOST przewidują podział stali według sposobu wytopu, od którego zależy jakość metalu. Głównymi kryteriami są ilościowe zawartości siarki i fosforu.

Elementy te wpływają na jednorodność strukturalną i chemiczną. Siarka sprzyja powstawaniu pęknięć podczas spawania i obniża udarność, a fosfor zwiększa kruchość na zimno. Im więcej tych pierwiastków w stopie, tym gorsza jego jakość.

Stale węglowe zwykłej jakości mają zawartość węgla do 0,49%, przy czym na siarkę i fosfor przypada odpowiednio 0,05% i 0,04%.

Zgodnie z DSTU 2651 takie stale produkowane są w postaci kształtowników, prętów walcowanych na gorąco, drutów, blach, taśm oraz odkuwek. Wyroby z nich produkowane są metodą walcowania na gorąco lub na zimno, ale dla uzyskania określonych właściwości mogą być poddawane obróbce cieplnej.

Wysokiej jakości stale węglowe zawierają 0,04% siarki i 0,035% fosforu. Ich jakość, skład chemiczny i właściwości mechaniczne są regulowane przez DSTU 7809. Wymagają ścisłego podejścia do składu surowców i metod oczyszczania stopu.

Charakteryzują się dobrą wytrzymałością, plastycznością i wystarczającą udarnością. Są bardziej odporne na zużycie po obróbce cieplnej i mają twarde warstwy powierzchniowe.

Klasyfikacja według zastosowania

Podczas produkcji istotne jest uwzględnienie, gdzie i w jakiej formie stal będzie używana. W systemie norm Ukrainy klasyfikuje się je na następujące podgrupy:

• Konstrukcyjne — stosowane do konstrukcji metalowych, mechanizmów, urządzeń, przedmiotów codziennego użytku, powinny dobrze się obrabiać, być odporne na uderzenia, mieć wystarczającą wytrzymałość, plastyczność i trwałość.
• Narzędziowe — odpowiednie do produkcji wyposażenia tłocznego, ręcznych i mechanicznych narzędzi tnących, a czasem sprzętu pomiarowego, jakość regulowana przez DSTU 3833, zwykle używane w stanie poddanym obróbce cieplnej.
• Budowlane — zapewniają niezawodne i trwałe połączenia konstrukcji metalowych.
• Specjalistyczne — produkowane dla konkretnych branż, takich jak lotnictwo, motoryzacja lub produkcja broni, mogą mieć unikalne właściwości, wysoką odporność na działanie temperatur, korozję lub obciążenia mechaniczne.

Oznakowanie

Obecnie na rynku światowym nie istnieje jednolity międzynarodowy system oznakowania stopów metali, dlatego każdy kraj stosuje własne oraz międzynarodowe systemy między państwami. Podstawą jest skład chemiczny lub zastosowanie stopu. Na Ukrainie stosuje się system alfanumeryczny. Numer stopu jest warunkowo nadawany na podstawie składu chemicznego, a dla stali wysokiej jakości używa się dwucyfrowych numerów, których kolejność wskazuje średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta.

Stopień odtlenienia oznaczany jest odpowiednimi indeksami literowymi:

• kp – wrząca;
• ps – półspokojna;
• sp – spokojna.

Jeśli stal ma podwyższoną zawartość manganu (od 0,8%), oznaczana jest literą G. Litera A w oznakowaniu wskazuje, że stal charakteryzuje się dobrą obrabialnością. Jest często używana w obrabiarkach do cięcia metalu i automatycznych liniach produkcyjnych. Stale narzędziowe oznaczane są literą U na początku oznaczenia.

W krajach Unii Europejskiej klasyfikacja i oznakowanie stali są bardziej złożone, ponieważ norma EN 10027 reguluje nazewnictwo na podstawie alfanumerycznych oznaczeń właściwości fizycznych i mechanicznych. Na przykład gatunki stali węglowej zwykłej jakości mają numer 1.00XX, wysokiej jakości – 1.01XX–1.09XX, a narzędziowe – 1.15XX–1.18XX. Stal węglowa oferuje optymalną wytrzymałość i plastyczność. Jest tańsza, ale podatna na rdzę pod wpływem opadów atmosferycznych, elektrolitów lub innych agresywnych substancji i słabo się poleruje. Aby zminimalizować korozję, można ją malować lub pokrywać powłokami ochronnymi metodą galwaniczną lub zanurzeniową na gorąco.

Szeroko stosowana w budownictwie, przemyśle, rolnictwie, leśnictwie i energetyce.

Stal węglowa zwykłej jakości jest używana do konstrukcji spawanych o niekrytycznym przeznaczeniu, podkładek, ogrodzeń, śrub kotwiących, zbrojenia, elementów ram wagonów, kratownic mostowych, rolek itp.

Wysokiej jakości stal konstrukcyjna jest wykorzystywana do produkcji części korpusów zbiorników ciśnieniowych, obudów i poszyć urządzeń, kołnierzy armatury odcinającej, trawers, dźwigni, kół wagonów, tarcz sprzęgła, drutów do lin.

Stale narzędziowe są używane do produkcji narzędzi do obróbki drewna, stempli, tokarek, igieł, matryc, pił do metalu, pilników, skrobaków.

Dla nowoczesnych konstrukcji metalowych wybór dokonywany jest na podstawie dogłębnej analizy właściwości i cech. Należy uwzględnić trwałość konstrukcji oraz poziom niezawodności przy oddziaływaniu agresywnych substancji, temperatury, ciśnienia oraz obciążeń dynamicznych.

Firma UTMK pomoże Państwu w doborze odpowiednich wyrobów walcowanych. Posiada w swoim asortymencie szeroki wybór produktów stalowych. Zamówienia można składać w magazynach w Kijowie, Odessie, Dnieprze, Połtawie, Krakowie, Warszawie i Łodzi. Dostarczamy na terenie całej Ukrainy i Europy. Skontaktuj się z nami, a pomożemy w wyborze wyrobów walcowanych. Klienci hurtowi mogą liczyć na rabaty w zależności od wielkości zamówienia.