Что такое углеродистая сталь, ее производство, маркировка и способы применения

Что такое углеродистая сталь

Углеродистой называют сталь с содержанием 0,25–2% углерода и минимумом легирующих добавок (марганца, магния, кремния, серы, фосфора). От углерода зависят:

• Структура стального сплава — при содержании менее 0,8% преобладает ферритовая, перлитовая структура, если же углерода больше — формируется вторичный цементит. Для ферритной стали характерен высокий уровень пластичности, недостаточная прочность, для цементитной — высокая прочность и хрупкость. Возрастание концентрации углерода приводит к повышению прочностных характеристик стали с одновременным ухудшением ее пластичности и вязкости.
• Технологические свойства металла — низкоуглеродистую сталь (до 0,25%) с низкой прочностью и малой ударной вязкостью применяют в производстве деталей, конструкций, на которые не предполагается оказание серьезных нагрузок. Среднее содержание углерода в сталях (0,3–0,6%), которые относятся к улучшаемым маркам, позволяет их применять в общем, транспортном машиностроении. Высокоуглеродистый материал (от 0,6 до 2%) подходит для создания изделий с повышенной износоустойчивостью (например, ударно-штамповые, измерительные элементы).

В некоторых случаях повысить физико-механические и технологические характеристики стали позволяет микролегирование, которое представляет собой введение в состав углеродистого стального сплава бора, титана, циркония, редкоземельных элементов. Эти компоненты способствуют заметному улучшению свойств металла.

Какой бывает углеродистая сталь по степени раскисления

В основе классификации этого сплава лежат различные параметры, одним из которых является степень раскисления. Любой способ производства стали сопровождается непрерывным возрастанием кислорода, количество которого зависит преимущественно от концентрации углерода. Во избежание вредного влияния кислорода на металл, проводят процедуру раскисления. С учетом этого параметра углеродистую сталь подразделяют на:

• Спокойную — для таких сплавов характерна более равномерная, однородная структура. Раскисление осуществляют при помощи веществ, лишенных закисей железа (например, алюминий). За счет остаточного алюминия останавливается рост зерна, благодаря чему сталь получает мелкозернистую структуру. В итоге получается качественный материал, полностью лишенный газов, из которого можно производить высокопрочные, износоустойчивые детали, конструкции. К минусам спокойных сталей относится дороговизна их выплавки.
• Кипящую — этот вид отличается более дешевым производством, поскольку во время выплавки используют минимум раскислителей. Внутренняя структура такой стали содержит большое количество растворенных газов — одна из причин снижения качества металла. К примеру, наличие азота мешает осуществлению нормальной сварки углеродистой стали (в районе сварного шва появляется много трещин). За счет развитой ликвации в кипящих сплавах производится прокат с неоднородной структурой и неустойчивыми механическими свойствами.
• Полуспокойную — до момента заливки состав обогащается небольшим количеством раскислителей. После этого происходит затвердение металла без кипения, но газы в нем продолжают выделяться. В отливке из полуспокойной стали газовые пузыри содержатся в меньшем количестве, а последующая прокатка металла позволяет практически полностью избавиться от микропор.

Производственные методы и варианты деления по качеству

Получение углеродистых сталей основано на переработке чугуна и черного лома с уменьшением серы, фосфора и углерода до нужной концентрации. При этом используют различные технологии, которые отражаются на качестве производимого металла. В результате получают стальные сплавы следующих видов:

• высококачественные;
• качественные;
• обыкновенного качества.

Первые два типа углеродистых сталей производят с применением конвертеров, мартеновских и более современных электрических плавильных печей. Химический состав таких сталей, концентрация содержащихся примесей строго регулируется ГОСТами 1435–99 и 1050–88. Так, для качественных стальных сплавов можно использовать серу в количестве не более 0,04%, фосфор — не больше 0,035%, для высококачественных соответственно — менее 0,018 % и не больше 0,025 %. Углеродистые стали этих категорий имеют структуру повышенной чистоты.

Выплавку стальных сплавов обыкновенного качества осуществляют на базе кислородных конвертеров и мартенов, затем из них формируют большие слитки. В сравнении с предыдущими двумя категориями, углеродистые стали, обладающие обыкновенным качеством, характеризуются содержанием большого количества вредных примесей. Согласно ГОСТу 380–2005 серы в них содержится до 0,05%, фосфора — до 0,04%. Такой материал подвергают горячей, холодной прокатке с целью выпуска тонко-, толстолистового материала, широких металлических полос.

В каких сферах используют углеродистую сталь

Благодаря высокой прочности, хорошей обрабатываемости, долговечности и сравнительной дешевизне углеродистые стали нашли свое применение во многих отраслях народного хозяйства.

Особенно они популярны в машиностроении, что связано со способностью металла сопротивляться активным нагрузкам, а также с высокими пределами усталости. Так, углеродистая сталь выступает в качестве основного материала для производства:

• маховиков;
• зубчатых передач редукторов;
• корпусов шатунов;
• коленчатых валов;
• поршней плунжерных насосов.

Из углеродистых сплавов производят технологическую оснастку для легкой, деревообрабатывающей промышленности. Во всех этих случаях используют конструкционные углеродистые стали. После цементации этот тип металла используется в создании износоустойчивых деталей, эксплуатация которых будет сопровождаться значительными динамическими нагрузками.

На основе низко и среднеуглеродистой стали осуществляют выпуск:

• уголков;
• швеллеров;
• труб;
• двутавров и других профилей

Начальные свойства конструкционных углеродистых сталей подлежат повышению путем проведения термообработки (закалки).

Выпуск инструментов различного назначения базируется на применении инструментальных стальных сплавов, которые содержат 0,65–1,32% углерода:

• молотки, керны, отвертки, зубила, кузнечный инструмент, косы (марка инструментальной углеродистой стали У7 и У7А);
• ножницы, ножи рубильных машин, ручной столярный инструмент, рамные пилы (марка У8, У8А);
• сверла, фрезы малого диаметра, ленточные пилы, развертки (марка У10, У10А);
• токарные резцы по дереву, ножовочные полотна по металлу, напильники, граверный инструмент (марка У12, У13).

Инструментальные углеродистые стали применяют для производства измерительных приборов. Чтобы получить небольшую деталь с точностью линейных размеров в несколько сот миллиметров, нельзя допускать нагрева или деформации заготовки в результате оказываемого давления режущим инструментом.

Востребовано использование углеродистых сталей обыкновенного качества в строительстве, некоторые марки применяются в машино-, судостроении.

Как маркируется углеродистая сталь

Маркировку осуществляют в соответствии с ГОСТом. С ее помощью можно узнать химический состав и категорию сплава. Материал обыкновенного качества обозначают буквами «СТ»,а также цифрами — условными номерами марок (от 0 до 6). В конце маркировки содержится информация о степени раскисления стали, которая обозначается «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная. При этом нанесение маркировки осуществляется с применением определенного цвета:

• красного, зеленого — сталь Ст0;
• желтого и черного — Ст1;
• желтого — Ст2;
• красного — Ст3;
• красного и коричневого — Ст3Гпс;
• синего и коричневого — Ст3Гсп;
• черного — Ст4;
• зеленого —Ст5;
• зеленого и коричневого — Ст5Гпс;
• синего — Ст6.

Для обозначения марок качественной, высококачественной углеродистой стали используют цифры — они означают углерода в сотых долях процента. При обозначении качественной углеродистой стали есть ряд некоторых исключений:

• 15К, 20К, 22К — используют для производства котлов;
• 20-ПВ — металл содержит 1,2% углерода, а также медно-хромовую смесь, применяется в производстве труб для систем отопления;
• ОсВ — свидетельствует о наличии в составе никелевой, хромовой и медной добавки, поэтому служит для изготовления железнодорожных вагонов;
• А75, АСУ10Е, АУ10Е — углеродистая сталь с такой маркировкой используется в создании часовых механизмов.

Инструментальную сталь обозначают буквой «У» в начале маркировки. За ней следует цифра, обозначающая количество углерода в десятых долях процента.

Также в маркировке могут указываться буквы:

• «Б» — химический состав углеродистой стали, соответствующий нормативам. Такой материал может штамповаться, подвергаться ковке, термическому воздействию (некоторые сорта), но при этом не исключается ухудшение механических характеристик.
• «И» — обозначают самые качественные стали, которые могут свариваться между собой.

Такой подвид углеродистой стали как «А» характеризуется нерегламентированным химическим составом. Этот материал не подвергается предварительной обработке давлением, не предназначается для сварки. Данный подвид не указывается в маркировке.

В заключение

Углеродистая сталь — востребованный в промышленности материал, содержащий минимальное количество легирующих присадок. Такой сплав состоит преимущественно из железа с добавлением 0,25–2% углерода. В зависимости от количества этого элемента сталь подразделяют на высокоуглеродистую (0,6–2%), среднеуглеродистую (0,3–0,6%) и с низким содержанием углерода (до 0,25%). По степени раскисления она бывает спокойной, полуспокойной и кипящей. Перед использованием любого изделия из стали обращают внимание на маркировку, в которой отображается основная информация о физико-химических свойствах металла и области его применения. Это позволяет подобрать оптимальный вариант стального сплава в соответствии с существующими задачами.

Какие бывают марки углеродистой стали

Углеродистая сталь, марки которой описаны ниже, широко применяется в различных отраслях. Выбор определенной марки углеродистой стали осуществляется, исходя из конкретной цели, в которой она будет использована. Это связано с тем, что каждая марка отличается своими характеристиками.

Классификация стали

Все углеродистые стали, в зависимости от области предназначения, разделяются на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали, и делятся по нескольким параметрам:

• Метод раскисления.
• Состав химических элементов.
• Микроструктура.
• Качество.

Согласно основным стандартам, углеродистые стали делятся на:

• Конструкционную обычную.
• Конструкционную качественную.
• Инструментальную качественную.
• Инструментальную высокого качества.

Технология изготовления

Изготовление стали в металлургической промышленности производится различными способами. Каждый метод производства отличается, в зависимости от применяемого оборудования. Так, все оборудование для производства углеродистых сталей можно разделить на три типа:

• Конверторные плавильные печи.
• Печи мартеновского типа.
• Электрические печи.

Конверторные

Конверторные печи осуществляют расплавление всего состава сплава. При таком методе расплавленная масса подвергается обработке техническим кислородом. Для очистки раскаленной массы от разнообразных примесей в нее добавляют известь. Так удается превратить примеси в шлак. Во время производственного процесса активно происходит процесс окисления металла. Это провоцирует выделение большого количества угара.

Изготовление углеродистых сталей в печах конверторного типа имеет существенный недостаток. К нему относится то, что при работе происходит выделение большого количества пыли. Это приводит к необходимости установки дополнительных фильтровальных установок, что влечет за собой затраты денежных средств. Несмотря на это, конверторный метод имеет высокую производительность, и широко применяется в металлургии.

Мартеновские

Получение различных марок углеродистой стали с использованием печей мартеновского типа дает возможность получить конечный продукт высокого качества. Производственный процесс происходит следующим образом:

• В специализированный отсек печи загружаются составляющие сплава: чугун, стальной лом и т. д.;
• Весь состав нагревается до высокой температуры;
• Под воздействием температуры все составляющие превращаются в однородную раскаленную массу;
• При плавлении происходит взаимодействие всех компонентов сплава железа и углерода;
• Материал, получившийся в результате химического взаимодействия, выходит из печи.

Электрические

Способ получения различных марок углеродистой стали в электрических печах отличается от вышеперечисленных. Его отличие состоит в способе нагрева состава. Применение электричества для разогрева компонентов снижает окисляемость металла. Это значительно уменьшает количество водорода в составе металла, что улучшает структуру сплава и влияет на качество окончательного продукта.

Использование стали

Углеродистая сталь различных марок используется для изготовления конструкций во многих отраслях. В зависимости от области применения продукции, используются определенные марки.

Обычного качества

Количество посторонних примесей, находящихся в готовой продукции, регламентировано ГОСТ 380-2005. Углеродистая сталь обычного качества используется для производства:

• Ст0 – обшивки, арматуры и т. д.;
• Ст1 – швеллеров, тавровых и двутавровых балок. Отличается низкой твердостью, но хорошей вязкостью;
• Ст2 – частей неответственных конструкций. Является высокопластичным материалом;
• Ст3 – металлопроката, применяемого для возведения строительных конструкций, кузова, дисков автомобильной техники и т. п.;
• Ст5 – болтов, гаек, рычагов, пальцев, осей и т. д.;
• Ст6 – деталей повышенной прочности для деревообрабатывающих и металлообрабатывающих станков.

Качественная

Из марок качественной стали изготавливают:

• Трубы и детали, которые применимы в котлостроении.
• Изделия с высокой пластичностью – болты, гайки и др.
• Детали, предназначенные для создания свариваемых конструкций.
• Различного рода патрубки, пальцы, оси.
• Шестерни, муфты сцепления грузовых автомобилей, автобусов и другой техники.
• Пружинные шайбы, кольца.

Инструментальная

Углеродистые инструментальные стали разных марок имеют повышенную прочность, и большой показатель ударной вязкости. Они применяются для создания всевозможных инструментов и сменных элементов. При производстве изделия подвергаются многократному воздействию высокой температуры, что улучшает их физические свойства. Изделия устойчивы к быстрому изменению температуры, и имеют высокую устойчивость к коррозии.

Маркировка стали

Все углеродистые согласно маркировке стали делятся на три категории:

• Группа А. К ней относятся сплавы, соответствующие строго заданным механическим свойствам;
• Группа Б. Стали этой группы четко соответствуют по химическому составу;
• Группа В. Продукция этой группы должна соответствовать механическим, физическим и химическим свойствам одновременно.

У стали обыкновенного качества в начале обозначения стоят буквы Ст. За буквами Ст в маркировке идет цифровое обозначение. Цифра в маркировке обозначает номер марки металла. Далее, после номера, вписывается тип сплава. Обозначение типа сплава следующее:

• КП – кипящий;
• ПС – полуспокойный;
• СП – спокойный.

Непосредственно перед буквенным обозначением сплава стоит буква, обозначающая группу стали. Если продукт относится к группе А, то буква не проставляется.

Цветовая маркировка

Для быстрого определения марки производитель наносит специализированной краской соответствующие полосы:

• Ст0 – зеленая полоса + красная.
• Ст1 – одна желтая + одна черная.
• Ст3Гсп – коричневая + синяя.
• Ст3 – красная.
• Ст4 – черная.
• Ст5Гпс – коричневая + зеленая.
• Ст5 – зеленая.
• Ст6 – синяя.

Степень наличия углерода в материале определяется в самом начале. Количество углерода для металла группы А указывается в сотых частях процента. Для Б и В – в десятых. В некоторых случаях после этих цифр производитель проставляет букву Г. Она означает, что в изделии содержится большое количество марганца.

Категории качественной стали

Качественные стали разной маркировки можно разделить на несколько категорий:

• 08пс, 08кп – имеют высокую пластичность. Хорошо подходят для холодной прокатки;
• От 10 до 25 – используется для горячей штамповки или прокатки;
• От 60 до 85 – применяется для выполнения ответственных конструкций, таких как рессоры, пружины, муфты сцепления;
• 30, 50, 30Г, 50Г – повышенной прочности, выдерживающие большие нагрузки.

Исключения в обозначениях

Качественные стали имеют некоторые исключения в обозначениях. К ним относятся:

• 15К, 20К, 22К – применяются в строении котлов;
• 20-ПВ – имеет в своем составе 0.2 процента углерода и медь с хромом. Из нее выполняются трубы для систем отопления;
• ОсВ – содержит добавки никеля, хрома и меди. Из нее изготавливают оси железнодорожных вагонов;
• А75, АСУ10Е, АУ10Е – применима для деталей в часовых механизмах.

Из вышеперечисленного следует, что перед использованием изделия из углеродистой стали необходимо обратить внимание на его маркировку. Так можно определить его физико-химические свойства и область предназначения. Зная значение маркировки металлической продукции, не возникнет трудностей при подборе конкретного вида для любых целей.

Видео по теме: Углеродистые и легированные стали

Стали углеродистые. Марки, свойства и их применение

Сталь является наиболее распространенным материалом в машиностроении. Создание новых более совершенных машин стимулирует создание марок сталей со свойствами, отвечающими современным требованиям в машиностроении. При этом ранее созданные марки сталей, с учетом новых технологий их производства, продолжают быть востребованы конструкторами при создании новых и совершенствовании действующих машин. Принято выделять следующие группы сталей:

• углеродистые стали, которые в общем объеме составляют примерно 80%,
• легированные стали конструкционные и инструментальные,
• стали с особыми свойствами специального назначения и др.

1. Стали углеродистые обыкновенного качества

Относятся к числу наиболее дешевых и широко применяемых. Из них получают до 70% всего проката — горячекатаного, сортового и фасонного толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового. Из этих сталей изготовляют трубы, поковки, штамповки, ленту, проволоку, металлические изделия (метизы): гвозди, канаты, сетки, болты, гайки, заклепки, а также мало- и средненагруженные детали; штифты, шайбы, шпонки, крышки, кожухи, а из стали номеров 4-6 — валы, винты, зубчатые колеса и шпиндели. Стали обыкновенного качества хорошо свариваются.

В зависимости от назначения углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют (ГОСТ 380- 94) на три группы:

• А — поставляемые по механическим свойствам,
• Б — поставляемые по химическому составу,
• В — поставляемые по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей (прочностная характеристика, химический состав) сталь каждой группы подразделяют на категории:

• группа А — 1, 2 и 3-я;
• группа Б — 1, 2,-я;
• группа В — 1, 2, 3, 4, 5, 6-я.

Буквы Ст означают «сталь», цифры от до 6 — условный номер марки, характеризующий механические свойства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности σ_в и предел текучести σ_т и уменьшается относительное удлинение δ. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп — кипящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная (например: СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп; табл. 1 и 2).

Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества группы А и примерное назначение углеродистой стали обыкновенного качества приведены в табл. 1.

Таблица 1. Стали углеродистые, их механические свойства и назначение

заклепки, шайбы, шплинты, прокладки, кожухи.

от которых требуется высокая твердость поверхности и

невысокая прочность сердцевины, крюки кранов,

Для возможности распознания марок стали при складировании, прокат маркируют несмываемой краской. Для этого, независимо от группы и степени раскисления стали, используют краску цветов, указанных в табл. 2.

Таблица 2. Цвет маркировки стали углеродистой обыкновенного качества

Марка стали	Цвет маркировки	Марка стали	Цвет маркировки
Ст0	Красный и зеленый	СтЗГпс	Красный и синий
Ст1	Белый и черный	Ст4	Черный
Ст1Гпс	Белый и красный	Ст4Гпс	Черный и красный
Ст2	Желтый	Ст5	Зеленый
Ст2Гпс	Желтый и красный	Ст6Гпс	Зеленый и белый
Ст3	Красный	Ст6	Синий

2. Стали углеродистые качественные конструкционные

Являются основным металлом для изготовления деталей машин (валов, шпинделей, осей, зубчатых колес, шпонок, муфт, фланцев, фрикционных дисков, винтов, гайек, упоров, тяг, цилиндров гидроприводов, эксцентриков, звездочек цепных передач и др.), которые при взаимодействии в работающей машине воспринимают и передают различные по величине нагрузки. Эти металлы хорошо обрабатываются давлением и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке.

Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износостойкость и надежность. Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки.

Таблица 3. Основные свойства стали углеродистой качественной конструкционной

Качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами (ГОСТ 1050-88), чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности).

Обозначение марки стали составляют из слова «Сталь» и двузначной цифры, которая указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода — 0,220,30 %), Сталь 60-0,60 % (допустимое количество -0,57-0,65%). Степень раскисления в марках спокойных сталей не отражается, а в марках полуспокойных и кипящих сталей, как и сталей обыкновенного качества, обозначается буквами «пс» и «кп» соответственно. В качественных конструкционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора — не более 0,035%.

Основные свойства углеродистой качественной конструкционной стали приведены в табл. 3, основное назначение — в табл. 4. Цвета маркировки приведены в табл. 5.

Таблица 4. Стали углеродистые качественные конструкционные, их основное назначение

Марка стали	Основное назначение
Сталь 08кп, 10	Детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, крепеж, колпачки. Цементируемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины (втулки, валики, упоры, копиры, зубчатые колеса, фрикционные диски)
Сталь 15, 20	Малонагруженные детали (валики, пальцы, упоры, копиры, оси, шестерни). Тонкие детали, работающие на истирание, рычаги, крюки, траверсы, вкладыши, болты, стяжки и др.
Сталь 30, 35	Детали, испытывающие небольшие напряжения (оси, шпиндели, звездочки, тяги, траверсы, рычаги, диски, валы)
Сталь 40, 45	Детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики, плунжеры, шпиндели, фрикционные диски, оси, муфты, зубчатые рейки, прокатные валики и др.)
Сталь 50, 55	Зубчатые колеса, прокатные валики, штоки, бандажи, валы, эксцентрики, малонагруженные пружины и рессоры и др. Применяют после закалки с высоким отпуском и в нормализованном состоянии
Сталь 60	Детали с высокими прочностными и упругими свойствами (прокатные валки, эксцентрики, шпиндели, пружинные кольца, пружины и диски сцепления, пружины амортизаторов). Применяют после закалки или после нормализации (крупные детали)

Таблица 5. Цвета маркировки стали углеродистой качественной

Группа	Цвет краски
Сталь 08, 10, 15, 20	Белый
Сталь 25, 30, 35, 40	Белый и желтый
Сталь 45, 50, 55, 60	Белый и коричневый

3. Стали углеродистые инструментальные

Из инструментальных углеродистых сталей получают горячекатаную, кованую и калиброванную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечников, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного деформирования.

Теплостойкость инструментальных углеродистых сталей не превышает 200°С, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следовательно режущие свойства и износостойкость.

Инструментальные углеродистые стали условно можно разделить на две группы (ГОСТ 1435-99):

• качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;
• высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А.

В качественных инструментальных углеродистых сталях допускается содержание 0,03% серы и 0,035% фосфора, в высококачественных — 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп:

• 1-я — качественные стали всех марок, предназначенные для изготовления продукции всех видов (кроме патенти- рованной проволоки и ленты);
• 2-я — высококачественные стали всех марок, предназначенные для тех же целей, что и стали первой группы;
• 3-я — стали марок У10А и У12А для изготовления сердечников;
• 4-я — стали всех марок для производства патентированной проволоки и ленты;
• 5-я — стали марок У7÷У13 для изготовления горяче- и холоднокатаных листов и лент, в том числе термически обработанных толщиной до 2,5 мм (кроме патентированной ленты), а также стали этих марок для производства горячекатаной и кованой сортовой стали и холоднотянутой шлифованной стали (серебрянки).

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью (63÷64 HRC₃), значительно превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью и теплостойкостью (способностью сохранять свойства при высоких температурах).

Измерительный инструмент, изготовленный из такой стали, должен быть прочным (а_в = 590÷640 МПа), длительное время сохранять заданные размеры и форму. Рабочие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки, пробивки отверстий, накатки, раскатки), сделанные из этой стали, должны иметь высокую твердость, обладать износостойкостью при достаточной вязкости. Все это достигается путем закалки с отпуском, а для измерительного инструмента и за счет искусственного старения. В табл. 6 приведены свойства углеродистой инструментальной стали, в табл. 7 — примерное назначение инструментальной углеродистой стали.

Таблица 6. Свойства стали углеродистой инструментальной (ГОСТ 1435 — 74)

Таблица 7. Примерное назначение стали углеродистой инструментальной

Марка стали	Назаначение
У9	Деревообрабатывающий режущий инструмент (сверла, фрезы, ножи) и ножовочные полотна для обработки стали
У10, У11 и У12	Металлорежущий инструмент (фасонные резцы, сверла, метчики, плашки, развертки, фрезы, напильники и ходовые винты прецизионных станков)
У13	Бритвенные ножи, лезвийный хирургический инструмент и напильники
У7 и У8	Слесарные молотки, зубила, губки тисков, шаблоны, скобы
У8, У9 и У10	Детали микрометрического инструмента, гладкие и резьбовые калибры, цанги, фрикционные диски, пружины и др.

Как правило, изготовлению инструмента предшествует отжиг на зернистый цементит, который способствует лучшей обрабатываемости резанием и уменьшает коробление деталей при закалке.

Углебетон: инновационный материал для строительства

В мире строительных материалов происходит непрерывный прогресс не меньший, чем, например, в технике. Появляются современные и качественные, универсальные, устойчивые к повреждениям и надежные материалы, постепенно вытесняя с рынка традиционные дерево, кирпич и моноблоки. Один из передовых композитных стройматериалов — углебетон, который по праву называют строительным материалом будущего.

Технология производства

Известен факт, что в производстве отдельных деталей самолетов, автомобилей и катеров используется углеродное волокно толщиной 5-10 мкм, что в несколько раз тоньше человеческого волоса. Характеристики данного материала натолкнули немецких ученых на мысль заменить им металлическую арматуру в бетоне. Изначально остро стоял вопрос о главном риске — высокой стоимости материала, потому что углеродистое волокно удовольствие не из дешевых.

Само волокно получается в результате многократного нагрева полиакрилонитрильных или вискозных волокон в разных средах до стадии обугливания. Итогом этого процесса становится волокно, состоящее из чистого углерода.

Прочность материала превышает тот же показатель стали в 4 раза.

Сама углеткань, которая получается в результате многократных манипуляций с углеволокном, обладает уникальной решетчатой структурой. При создании стройматериала «решетка» покрывается специальным песчаным веществом, которое обеспечивает надежное скрепление с бетонной смесью, либо формируются выступающие ребра.

Так как материал относительно молодой, его производят двумя путями:

• набором слоев;
• применением опалубки.

Технология набора слоев представляет собой чередование слоев бетона и углеволокнистого текстиля до тех пор, пока конструкция не достигнет нужной толщины. Второй способ производства подразумевает использование опалубки, в которую помещают нужное количество углеволокна и заливают бетоном.

Обе технологии распространены примерно одинаково. Каждая из них позволяет создать строительный элемент любой формы и любого размера.

Плюсы и минусы

Углебетон — аналог железобетона, обладающий более оптимальными свойствами для применения в строительстве.

Так, достоинства материала:

• легкость;
• долговечность;
• устойчивость к ржавчине и образованию трещин;
• экономия бетонной смеси;
• прочность.

Легкость очевидна: железная структура тяжелее углеродной. Это свойство облегчает транспортировку материала и процесс ввода постройки в эксплуатацию.

Второе и третье достоинства вытекают одно из другого. Со временем железо может пострадать от ржавчины. Каким бы качественным ни был материал, если в его составе есть железная арматура, в микротрещины в малом количестве будет попадать воздух и капельки воды. Углебетон не подвержен изменениям под воздействием этих факторов, на нем не образуются трещинки, следовательно, он прослужит дольше. По словам специалистов, если материал изготовлен с соблюдением технологии, постройка из него способна прослужить 55-60 лет.

Для производства текстильного углеродистого материала требуется соединить несколько тысяч, а то и сотен тысяч нитей. Благодаря этому достигается уникальная прочность. Для сравнения: чтобы разорвать углепластиковый стержень толщиной 5 миллиметров, понадобится 2500 кг. С таким же чугунным стержнем расправятся 150 кг.

Само углеродистое волокно обладает небольшой плотностью, а специализированное покрытие, которое требуется для схватывания с бетоном, в разы тоньше защитного слоя в железобетоне.

Чтобы достичь таких показателей, ученые трудились над созданием материала несколько десятилетий.

Пожалуй, единственный недостаток материала — высокая стоимость. Однако, если на одну чашу весов поместить цену углебетона, а на другую его качественные характеристики, то вторая однозначно перевесит. К примеру, сэкономив на материале, придется через некоторое время тратиться на ремонт и реконструкцию, тогда как постройки из бетона с углеволокном долгое время будут сохранять первоначальный вид. В итоге цена стройматериала полностью оправдывает качество.

Сферы применения

В настоящее время углебетон не применяется повсеместно только из-за дорогой цены. Но все же его используют в укреплении зданий под снос, а также в возведении новых построек. Особенно актуально его применение в «спасении» исторически значимых сооружений.

Ученые из Дрездена рассказали об удивительном строительном эксперименте. Благодаря их усилиям, было возведено необычное здание из углебетона. Высота постройки составила чуть больше 4 метров, а в качестве основы использовали блоки нестандартной, изогнутой формы толщиной 4 см. Эту конструкцию отличали короткие сроки строительства, легкость и простота.

Сейчас наибольшую распространенность материал обрел в Америке и Израиле. По словам изобретателей, недалеко то время, когда углебетон станет популярным во всех странах мира.

Ученые постоянно экспериментируют и открывают новые возможности стройматериала, чтобы изделия, которые из него получают, были неповторимыми. На смену классическим прямоугольным блокам и плитам приходят изогнутые, закругленные и уникальной формы строительные единицы. Этот процесс крайне трудоемкий и требует соблюдения производственных условий. Например, «лепка» изделий осуществляется только в специальной климатической камере, в которой постоянно поддерживается температура воздуха в 20 градусов и 60% влажность.

Профессора уверяют, что из многих уголков мира поступают запросы об укреплении тех или иных исторически важных сооружений. Пока углебетон преимущественно применяется именно в этой сфере. Но по прогнозам уже через 10 лет четверть железобетона в строительстве вытеснит новый строительный материал, основанный на углеродоволокнистом текстиле.

Тенденции к изобретению перспективных композитных материалов — главный показатель прогресса в строительной сфере. Чем больше проходит времени, тем больше ученым в сфере строительства получается удивить. Несмотря на простоту и очевидность конструкции, производство изделий из бетона с углеволокном очень энергозатратный и трудоемкий процесс. Он требует предельной концентрации создателя и точного соблюдения технологии и условий производства. Придет время, когда люди смогут убедиться в очевидном превосходстве углебетона и сделают выбор в его пользу, невзирая на высокую, но оправданную стоимость.

Новый строительный материал углебетон: бетон, армированный углеволокном

Современные композитные материалы — новинка последних лет на строительном рынке. Сейчас они все чаще внедряются в производство, шире используются для ремонта и застройки. Большинство из них имеет массу преимуществ перед обычными материалами: композиты дольше служат и лучше противостоят действию агрессивных факторов. Примером служит углебетон — плиты, в которых обычная арматура заменена углеродистым волокном.

Что такое углебетон

Изначально идея армирования бетона углеродным волокном пришла в голову ученым из Института монолитного строительства (г. Дрезден). Раньше изготовление композитов на основе углеволокна уже практиковалось: из таких материалов давно делают различные детали самолетов, планеров, автомобилей, катеров и даже велосипедов. Тем не менее, замена металлической арматуры на углеродистое волокно в составе бетона с получением абсолютно нового материала стала новацией на строительном рынке.

Усиление железобетонных конструкций углеволокном

Углебетон — это более «продвинутая» разновидность железобетона. В него встроены углеродные нити, сплетенные в углеткань — тонкое полотно, которое производится на вязально-прошивных установках. Каждая нить углеткани в отдельности тоньше человеческого волоса (ее толщина — 5-10 мкм). Около 50 тысяч таких нитей формируют своеобразный «канат», и он становится основой «текстиля».

Свойства нового материала

Углеродная нить состоит из атомов углерода, выстроившихся в кристаллическую решетку. Особая структура придает волокнам уникальную прочность на разрыв, которая в 4 раза выше, чем у стали. Интересно, что плотность углеволокна при этом во столько же раз ниже, чем плотность стали, поэтому оно является более легким.

После объединения бетона и углеволокна получается композит, по техническим параметрам превосходящий все марки и виды стандартного бетона. Он меньше весит, но намного прочнее. Материал может похвастаться долговечностью. Он не страдает от коррозии, ведь в нем нет металлических элементов. Благодаря отсутствию ржавления бетон не надо покрывать толстым защитным слоем — достаточно минимальной обработки.

Способы изготовления

Изделия из углебетона сейчас производят двумя основными способами:

1. Способ первый — набор слоев. Текстильное полотно укладывается слоями и заливается бетонной массой. Таким образом, тонкие прослойки бетона чередуют с пластами углеволокна, пока не получится плита нужной толщины.
2. Способ второй — заливка в опалубку. Вначале в форму укладывается лист углеродного волокна, потом он заливается жидким бетоном.

Послойная укладка ткани из углеволокна

Казалось бы, технология производства нового бетона довольно проста. На деле углеродный текстиль имеет решетчатую структуру и плохо крепится к бетону. Для улучшения схватывания материалов между собой на углеткань наносят особое покрытие, усиливающее адгезию. С рецептурой последнего проводятся многочисленные эксперименты, и она постоянно меняется, совершенствуется. Благодаря поиску новых компонентов стало возможным производить различные изделия из углебетона — плиты, цилиндры, предметы сложной, замысловатой формы.

Внешнее армирование углеволокном к содержанию ↑

Преимущества и недостатки

У нового стройматериала есть огромное число достоинств, которые, несомненно, вскоре выведут его в лидеры рынка:

• малый вес — углеродная структура на порядок легче металлической;
• простота транспортировки на место стройки, ускорение введения объектов в эксплуатацию;
• отсутствие ржавления — конструкции не содержат металла, не боятся влаги и воздуха даже при их попадании через микротрещинки;
• стойкость к вибрационным, ударным нагрузкам, действию физических и механических факторов;
• долговечность — срок службы плит не менее 60 лет;
• уникальная прочность — для разрыва углепластикового стержня нужна нагрузка свыше 2500 кг.

Минус у такого стройматериала только один. Пока его себестоимость довольно велика, поэтому затраты на постройку будут существенными. Этот недостаток нивелируется тем фактом, что ремонт и реставрация таким объектам не требуются в течение многих десятилетий.

Сферы применения

Углебетон идеально подходит для укрепления и восстановления старых зданий, в том числе — исторических. Он дает шанс на вторую жизнь даже тем постройкам, что планировалось сносить, например, сильно изношенным конструкциям. Также с помощью углебетона можно строить новые сооружения — дома, павильоны, общественные здания. Толщина конструкций будет небольшой, поэтому они смотрятся легко, изящно и очень красиво.

В будущем из нового стройматериала в виде плит и фасадных панелей планируется делать не менее четверти всех построек. Ученые уже получают массу запросов из разных стран мира на производство углебетона — материала будущего.

Углебетон. Состав и применение. Свойства и особенности

Углебетон – современный композитный вид бетона, в качестве армирующего компонента в котором используется углеволокно. За счет этого материал не боится коррозии, обладает меньшей массой, чем железобетон, и при этом в разы него прочнее. Данный композит встречается пока редко в силу своей дороговизны, так как не существует дешевой технологии производства углеродного волокна.

Что такое углебетон

Композитный бетон схожий с железобетоном, однако в качестве армирующего компонента в нем применяется не стальная арматура, а углеродное волокно. В бетонную массу закладывается углеткань, состоящая из нитей, сплетенных из волокон. Толщина последних всего 5-10 мкм. То есть, они тоньше человеческого волоса. При этом нить очень прочная, а переплетаясь в полотно, формирует очень прочный на разрыв материал.

Хотя углеродное волокно давно известный материал, который применяют при создании композитных конструкций, его использование совместно с бетоном изначально было невозможным. Легкие волокна попросту всплывали. Они вытеснялись водой в бетоне вверх. В углебетоне это решается покрытием волокна специальным составом, увеличивающим к нему адгезию.

Кроме этого в качестве армирующих вставок в бетоне используется полотно, сделанное из волокон. Это и отличает данный материал, к примеру, от фибробетона. У последнего армирующим компонентом выступают тонкие короткие волокна. В случае с углебетоном это исключается, так как их невозможно равномерно распределить по всей толще бетона. Укладывать же готовое связанное полотно из волокон в бетон проще.

Свойства

Углебетон это новый строительный материал, который не имеет практических наглядных доказательств своего превосходства над прочими видами бетона. Однако у него имеются достоинства. Уже сейчас можно оценить доказанные практическими испытаниями качества.

Основные достоинства:

• Долговечность.
• Прочность.
• Малая масса.
• Упрощенная транспортировка.
• Устойчивость к образованию трещин.

Теоретически срок эксплуатации углебетона может составлять больше сотни лет, но на практике это пока не доказано. Однако он однозначно прослужит больше, чем железобетон. В нем отсутствует металлическая арматура, подверженная коррозии. В нем просто нечему ржаветь. За счет этого материал действительно прослужит долго. Пока производители заявляют срок эксплуатации изделий из углебетона в 60 лет. Безусловно, это заниженный показатель, так как потенциал материала куда больше. Его реальную долговечность покажет только время. Сам бетон и углеродное волокно разрушаются очень долго. При этом они химически нейтральные между собой. Для углеволокна щелочная среда не опасна.

Углебетон обладает выдающейся прочностью, так как в нем используется армирование из давно известного прочного углеволокна. Оно в 4 раза прочнее, чем сталь. То есть, даже без точных расчетов можно сказать, что слой углебетона толщиной 5 см будет равен по прочности 20 см железобетона. Это в свою очередь дает выигрыш и в массе в 4 раза. Конструкции, сделанные с его применением, гораздо легче, они выглядят менее массивными. Это очень перспективный материал, который позволит делать тонкие и прочные плиты, к примеру, для облицовочных работ.

Реально оценить прочность углебетона, можно сравнивая свойства на разрыв углеволокна и стали или чугуна. Так, одна нить из углеволокна сечением 5 мм выдерживает нагрузку на разрыв до 2,5 тонны. Можно себе представить, какое усилие нужно приложить, чтобы разорвать широкое полотно из этих нитей, вложенное в бетон. Для сравнения, прут чугуна такого же сечения разорвется уже при усилии в 170 кг. Они просто несравнимы между собой. Углеволокно стоит намного классов выше по прочности.

Так как изделия из углебетона можно делать тоньше и легче, чем при использовании железобетона, то это существенно упрощает их транспортировку. Перевозка углебетонных конструкций может выполняться более легкими грузовиками и манипуляторами, а к погрузочным работам можно привлекать небольшие подъемные краны.

Углебетон имеет самую высокую устойчивость к растрескиванию. Его армирующие включения исключают прогиб под нагрузкой, и соответственно повреждения в виде трещин. Это качество теоретически позволяет применять композитный бетон для строительства фундаментов, однако это на данный момент развития технологий экономически необоснованно. Стоимость такого фундамента будет слишком высокой. Однако есть еще масса бетонных изделий, подверженных растрескиванию из-за нагрузки на излом, для которых удорожание производства будет оправданным.

Изготовление углебетона

Технология изготовления углебетона на первый взгляд простая, но имеются некоторые технические трудности. Если рассматривать ее поверхностно, то процесс формирования заключается в наборе слоев. Полотно углеродного волокна укладывается слоями, между которыми заливается бетон. Процесс не быстрый и кропотливый, требующий внимательности и соблюдения временных интервалов, чтобы бетон в одних слоях не начал схватываться. В противном случае адгезия между ними будет уменьшена, что в конечном итоге скажется на потере прочности всей конструкцией.

Вся трудность заключается в том, что полотно углеродного волокна имеет мелкую ячеистую структуру, поэтому в ячейки его нитей плохо затекает бетон. В конечном счете, это сопровождается трудностями в достижении необходимой адгезии между слоями. Проблема и в том, что сам бетон прилипает к углеволокну плохо. Для решения этой проблемы применяются специальные грунтовочные составы, которыми покрываются армирующие слоя углеродного волокна. Это увеличивает адгезию бетона к нему. Такие составы постоянно совершенствуются, так что материал становится все лучше и прочнее. В любом случае они действуют уже достаточно эффективно, так что расслоение композитного бетона исключается.

Применение углебетона

Так как углебетон это новый инновационный материал, то и применяется он пока очень редко. Это связано с его высокой стоимостью, так как дешевой технологии по производству углеродного полотна пока не существует. Однако материал востребованный. Существует немало случаев, когда требуется тонкий и очень прочный слой бетона. Достигнуть такого баланса любым другим армирующим компонентом невозможно.

Области использования углебетона следующие:

• Изготовление конструкций полной заводской готовности на производстве.
• Реконструкция старых зданий.
• Строительство новых объектов.

Применение углебетона для изготовления готовых изделий пока не развито. Лишь некоторые европейские строительные бренды делают из него колонны, отделочные панели, плиты перекрытия, и лишь для внутреннего рынка. В целом же гибкость углеродного волокна позволяет его применять для заливки бетонных изделий различной, даже самой сложной формы. Так что в этом направлении он будет однозначно востребован.

В основном углебетон применяется именно для реставрации старых исторических зданий. Это позволяет получать тонкие легкие конструкции, которые укрепляют старинные несущие стены, колонны. Это достаточно сложная технология, однако она дает более надежный результат, чем прочие решения, применяемые ранее. Процесс сильно напоминает оштукатуривание с закладкой стеклопластиковой сетки. Только в этом случае используется углеродное полотно. Для его фиксации на вертикальных поверхностях применяется специальный состав, дающий высокую адгезию. Поверх него накладывается бетон.

Углебетон также применяется при строительстве новых зданий. Его могут использовать для получения тонкого легкого перекрытия, колонн, различный несущих декоративных элементов. Конструкции с ним выглядят легкими, тонкими. Это создает впечатление, что они попросту не могут держать вес, который на них нагружен. Такой подход очень выгодно подчеркивает архитектурную ценность подобных строений. Обычно углеродное полотно закладывают в опалубку, предварительно оно промазывается специальным составом для лучшей адгезии, и только после этого заливается бетоном. Процесс более продолжительный, чем при работе с металлической арматурой, но результат получается намного более качественный и прочный.

Выгодно ли использование углебетона

Так как углебетон это новый материал, технология производства компонентов, для которого пока не налажена широко, то его применение сопровождается большими затратами. Дело в том, что само углеродное волокно дорогое. Для рядового застройщика это пока неинтересный материал, так как использование железобетона будет дешевле.

Применять композитный бетон уместно пока только при необходимости решения конкретных сложных архитектурных задач. Если же к строению не выставляются особые требования, то и пользоваться углебетоном пока нет смысла. Строительные эксперты считают, что до момента, когда новый материал начнет конкурировать с железобетоном, пройдет не менее 10 лет. Именно столько нужно, чтобы разработать способы получения углеродного волокна с низкой себестоимостью. Это позволит существенно понизить потребление металла в строительстве. Пока же рядовому застройщику, даже при строительстве многоквартирных домов высотой в десятки этажей, проще применять стальную арматуру. В противном случае цена на 1 м² площади в таком строении будет выше.

Углебетон – стройматериал будущего?

Композиционные материалы, армированные углеродным волокном, известны уже довольно давно и находят сегодня весьма широкое применение. Достаточно вспомнить, например, о конструктивных элементах самолетов и планеров, о кузовных деталях автомобилей, корпусах катеров, велосипедных рамах, лыжах, клюшках, ракетках, веслах и прочем спортинвентаре.

Однако специалисты Института монолитного строительства при Дрезденском техническом университете уверены, что этого недостаточно, и разработали новый стройматериал – углебетон. По сути дела, это аналог железобетона – но более легкий и прочный за счет использования углеволоконной арматуры вместо стальной. Арматурой служат, конечно, не отдельные углеродные нити, а особый текстильный материал, именуемый углетканью, хотя на самом деле это нетканое полотно, производимое на вязально-прошивных машинах. Инженер-строитель Франк Шладиц (Frank Schladitz) поясняет: “Одна элементарная нить тоньше человеческого волоса. Пятьдесят тысяч таких нитей образуют комплексную нить. А из нее мы получаем наш углеволоконный текстиль”.

Таким текстилем и армируется углебетон. Но это оказалось непростой задачей, не зря над ее решением дрезденские специалисты трудились более десяти лет. “При ближайшем рассмотрении текстиль имеет решетчатую структуру, что делает его похожим на гардинное полотно, – говорит Франк Шладиц. – Такую структуру очень трудно укладывать в бетон. Чтобы волокна хорошо схватились с бетонной смесью и друг с другом, на них нанесят специальное покрытие”.

Рецептуру этого покрытия, равно как и технологию его нанесения, разработчики держат в секрете. Но активно экспериментируют с углебетонными изделиями различной конфигурации – от стандартных плит и цилиндров до деталей самых замысловатых форм. Бетономешалки здесь простаивают редко. Эксперименты проводятся в климатической камере при температуре 20 градусов Цельсия и влажности воздуха 60 процентов. Для получения углебетонных элементов могут применяться две технологии, говорит Франк Шладиц: “Одна – это технология набора слоев. На слой бетона укладывается полотно углеволоконного текстиля, сверху на него – еще один слой смеси, на него – снова углеткань, потом опять бетон – и так до тех пор, пока не получим изделие нужной толщины. А вторая технология состоит в размещении углеволоконной арматуры внутри опалубки с последующей заливкой бетонной смеси”

Помимо легкости и прочности, к важным достоинствам углебетона относится его долговечность, значительно превышающая долговечность традиционного железобетона, в котором уже мельчайшие трещины чреваты коррозией арматуры . “Огромное преимущество углебетона в том, что он не ржавеет, и я могу сэкономить немало бетонной смеси, – поясняет инженер. – При стальной арматуре мне требуется наружный защитный слой бетона толщиной никак не менее двух сантиметров, а углеволоконная арматура позволяет обойтись гораздо более тонким слоем”.

Массовому вытеснению железобетона углебетоном препятствует лишь одно – высокие цены на углеродное волокно. Тем не менее, директор дрезденского Института монолитного строительства профессор Манфред Курбах (Manfred Curbach) уверен в том, что углебетон вполне конкурентоспособен на рынке стройматериалов, поскольку его высокая стоимость компенсируется выдающимися эксплуатационными характеристиками.

Собственно, внедрение нового материала уже началось, говорит ученый: “Есть две обширные области, в которых мы добились крупных успехов. Одна – это укрепление имеющихся старых строений, которые иначе пришлось бы сносить. Мы уже смогли укрепить – и тем самым спасти – несколько ценных зданий в Швайнфурте и в Хемнице. А другая область – это новые сооружения. Так, нам удалось возвести необычный павильон высотой более четырех метров из изогнутых углебетонных элементов толщиной всего в четыре сантиметра. Конструкция получилась очень легкой, почти воздушной, можно сказать, филигранной. Построить подобное здание из железобетона было бы крайне сложно и дорого”.

Профессор Курбах получает сегодня немало запросов относительно нового материала, в том числе из США и Израиля, где многие железобетонные строения находятся в плачевном состоянии и нуждаются в ремонте. “Мы исходим из того, что через 10 лет сможем примерно 20 процентов всего железобетона заменить углебетоном, – говорит ученый. – Поначалу это будут, главным образом, плиты и фасадные панели, но когда преимущества нового чудо-материал проявятся в полной мере, его станут применять все шире и все чаще”.