Карбоновая сталь что это?

Сталь против карбона

Если вы уверенно решили приобрести карбоновую раму, задумайтесь.

Прежде чем так легко расставаться с большой суммой денег, подумайте, действительно ли карбон является именно тем материалом, который вам необходим? Не поймите неправильно, карбоволокно действительно имеет ряд несомненных преимуществ, но повальное увлечение им в последнем сезоне больше похоже на обычную моду. Да, профессионалы пользуются им, чтобы увеличить свои показатели и быстрее достичь финиша, а масса фанатов просто идет следом за своими лидерами, покупая то же самое.

Вы можете понаблюдать за весенними классиками, Джиро, Вуэльтой и Туром и сделать заметки о том, кто на чем ездит. И заметить, что отнюдь не дешевые детали сплошь состоят из карбона, содержание которого в велосипеде едва ли не больше, чем на Международной космической станции.

Такое поведение похоже на погоню за модной одеждой, только это – погоня за инновациями в велоспорте.

Действительно, почему бы карбоволокну не быть популярным? Рама и вилка практически невесомы, они имеют потрясающие амортизационные способности, к тому же, углеродное волокно никогда не перегревается. О популярности этого материала свидетельствует и тот факт, что ведущие производители стальных рам, такие, как Steelman, Serotta и Independent Fabrications, выделяют средства на изготовление рам из карбона.

Прекрасная стальная Cinelli Supercorsa в практически первозднанном исполнении выпускается до сих пор.

Для многих профессиональных гонщиков предложение тренироваться, не говоря уже об участии на соревновании на велосипеде со стальной рамой, будет рассмотрено как шутка. По какой-то необоснованной причине стальной велосипед сегодня в определенных кругах приобрел репутацию медленного, тяжелого и технологически отсталого агрегата – по аналогии с репутацией дизельных автомобилей в США.

Штампованная тайваньская рама из карбоволокна зачастую стоит дороже, чем индивидуальный заказ стальной рамы. Конечно же, такой карбон даже не сможет приблизиться по качеству езды, которую может обеспечить сталь. И это не говоря уже о прочности и долговечности, которые гарантированы, если ухаживать за рамой должным образом.

Поэтому, прежде чем со всех ног бежать в магазин за карбоновой рамой, подумайте дважды. Вначале узнайте о преимуществах стали.

Долговечность

Да, углеродное волокно выглядит здорово, но его внешний вид не выдержал того испытания временем, как вид стальной рамы, изготовленной под заказ.

Созданные вручную наконечники из нержавеющей стали, идеально спаянная головная труба и тщательный подход к мелочам обеспечивают гораздо больше персонализации, чем серийная карбоновая рама.

Это все равно, что покупать костюм в брендовом магазине, или заказать его ручное изготовление, чтобы он был подогнан в точности для вас. Каждая пуговица будет пришита вручную, а каждый стежок будет отслеживаться наметанным глазом.

Стальные рамы, изготовленные на заказ такими мастерскими, как Baylis, Eisentraut или White, ко всему прочему, показывают, что их владелец уважает сохранение традиции создания важнейших деталей именно вручную, как делалось и сто лет назад.

Типичная же карбоновая рама может быть изготовлена за пару часов или меньше, она стандартна и анонимна, и выходит из-под конвейера вместе с тысячами своих собратьев. Брайан Бейлис утверждает, что каждая из его рам – это не менее 100 часов ручного труда мастера, и за 40 лет его опыта он не построил двух одинаковых экземпляров.

Покупая такой стальной велосипед, вы получаете безвременно стильный предмет искусства.

Минимальная весовая разница

Наверное, больше всего жалуются на сталь по той причине, что она значительно тяжелее углерода. Однако многие слишком преувеличивают – на самом деле разница не так уж и велика.

С развитием технологий углерод стал основным материалом, используемым в велосипедной промышленности. Карбоновые рамы раздвигают все границы представления о минимальном весе – он может достигать 900 грамм и ниже! Однако технологии по производству стали также не стояли на месте – преимущественно из-за того, что в условиях растущей прочности появилась возможность сделать стены труб более тонкими.

Легкий стальной каркас можно найти и в весовой категории 1,3 кг – правда, не слишком большая разница для обычного взрослого человека? Не стоит так сильно зацикливаться на весе. Разница в весе имеет большое значение только в случае, если этот велосипед будет использоваться для гонок, где дорога каждая секунда. В остальном, вейтвиннерство — это не более чем хобби.

Тем не менее, задние перья углеродной рамы имеют такую конструкцию, что очень быстро забиваются грязью, в итоге — выигрыш в весе менее заметен.

Прочность

Мастера работали со сталью и изучали ее свойства более ста лет в силу многих причин, и не в последнюю очередь именно из-за ее прочности. И это подтверждается тем, что по улицам городов до сих пор ездят велосипеды, которые были сконструированы и 50, и 100 лет назад. 

Стальная рама прощает слишком затянутые болты, а вот карбон может потрескаться в любой момент. Кроме того, будьте особенно осторожны при перевозке вашего карбонового велосипеда на автомобиле – всего один неосторожный поворот может лишить вас двухколесного друга.

Помните, карбоновые детали в большинстве случаев не подлежат ремонту. Мелкие трещины ремонтируются. Но неудачное падение может повредить раму настолько, что восстановление будет невозможно.

Велосипед Jeremy Honorez после серьезного падения

Ценность

Помните, что вы можете за те же деньги заказать стальную раму, созданную специально под параметры вашего тела, сделанную с любовью умелыми руками мастера, который тщательно будет следить за каждой мелочью. Все же это не идет ни в какое сравнение с массовым производством на тайваньских сборочных линиях.

А на Ebay вы всегда сможете найти красивейшие рамы. Одна из таких —  CIOCC Designer 84 за $990.

Заказ стальной рамы для велосипеда означает, что эта деталь будет сконструирована и изготовлена в точном соответствии с вашим ростом, весом, длиной внутренней стороны бедра и спецификой туловища. Езда на таком велосипеде будет означать удобство, качество и безопасность.

Богатый выбор стальных труб и сплавов дает гораздо большую свободу. Идеальная адаптация рамы под вес райдера, стиль катания и так далее. В это же время, карбон дает меньшую степень свободы, зачастую современные рамы просто универсальны.

При надлежащем уходе стальная рама, скорее всего, переживет вас, в то время как углеродная вряд ли переживет вашу задолженность по кредиту, в который вы увязли, лишь бы купить ее.

Заключение

Из всех вышеупомянутых причин преимущества стали над карбоном, главной, наверное, будет долговечность. Вы сильно раскошеливаетесь, чтобы улучшить свой велосипед. Учтите, что на нем вы будете ездить каждый день (оптимистично), и каждые две недели участвовать в гонках (еще более оптимистично).

У вас ограниченное количество средств, как и у большинства людей в этом мире? Вы хотите себе прочный и надежный велосипед, который прослужит вам действительно долго, чтобы, если это возможно, его можно было бы продать, когда вам надоест? Чтобы сделать это с чистой совестью, зная, что он прослужит следующему владельцу столько же, сколько и вам, не стоит останавливать свой выбор на углероде.

Владение карбоновым велосипедом имеет смысл в некоторых ситуациях, например, если вы подписали контракт и получаете немало средств от спонсоров, или состоите в профессиональной команде гонщиков, где можете получать новую модель ежемесячно. В таких ситуациях прочность стоит на втором месте, потому что вы либо продаете велосипед после одного сезона гонок, либо бесплатно ездите на новых на постоянной основе.

Если же вашей целью является покупка надежного велосипеда, жизнь которого продлится как минимум 5-10 лет, вначале проверьте, есть ли в вашем городе частные мастерские, изготавливающие рамы на заказ. Найдите в Интернете видеозаписи и фотографии с ведущих мировых выставок и осознайте, что такое настоящее искусство и красота добросовестно сделанного гоночного материала.

Стоит отметить, что индустрия продолжает активно развиваться, и карбоволокно — вместе с ней. На данный момент существует достаточно большое число марок карбоволокна, что делает этот материал уже более универсальным и дает большую свободу выбора.

Источник: http://www.cyclepedia.ru/content/stal-protiv-karbona

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь отличается содержанием углерода до 2,14% без наличия легирующих элементов, небольшим количеством примесей в составе, и небольшим содержанием магния, кремния и марганца. Это в свою очередь влияет на свойства и особенность применения. Она является основным видом продукции металлургической промышленности.

Состав

В зависимости от количества углерода, разделяют углеродистую и легированную сталь. Наличие углерода придает материалу прочность и твердость, а также уменьшает вязкость и пластичность. Его содержание в сплаве на уровне до 2,14%, а минимальное количество примесей, обусловленное технологическим процессом изготовления, позволяет основной массе до 99,5% состоять из железа.

Высокая прочность и твёрдость — вот что характеризует углеродистую сталь.

Примеси, которые постоянно входят в структуру углеродистой стали, имеют небольшое содержание. Марганец и кремний не превышают 1 %, а сера и фосфор находятся в пределах 0,1 %. Увеличение количества примесей характерно для другого типа стали, который называют легированным.

Отсутствие технической возможности полного удаления примесей из готового сплава, позволяет входить в состав углеродистой стали таким элементам как:

• водороду;
• азоту;
• кислороду;
• кремнию;
• марганцу;
• фосфору;
• сере.

Наличие этих веществ обусловлено методом плавки стали: конвертерным, мартеновским или другим. А углерод, добавляется специально. Если количество примесей, трудно отрегулировать, то корректируя уровень углерода, в составе будущего сплава, влияют на свойства готового изделия. При наполнении материала углеродом до 2,4 %, стали относят к углеродистым.

Характеристика

Характеристики и структуру металла меняют, используя термическую обработку, посредством которой, достигают нужной твердости поверхности или других требований для применения стальной конструкции.

Однако, не все структурные свойства поддаются корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным характеристикам относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига.

В случаях, когда расчет прочности узла требует применения деталей малых размеров, способных выдержать требуемую нагрузку, применяют термическую обработку. Такое воздействие на «сырую» сталь позволяет увеличить жесткость материала в 2-3 раза. К металлу, который подвергают такому процессу, предъявляют требования по количеству углерода и других примесей. Называют эту сталь – повышенного качества.

Классификация углеродистых сталей

По направленности применения продукции, углеродистую сталь разделяют на инструментальную и конструкционную.

Последнюю из них используют для возведения различных строений и остовов деталей. Из инструментальных, изготавливают прочный инструмент для выполнения любых работ, вплоть до обработки металлов резанием. Применение металлических изделий в хозяйстве, потребовало выделить сталь в разные категории, обладающие специфическими свойствами: жаропрочную, криогенную и коррозионно-стойкую.

По способу получения углеродистые стали делят на:

• электростали;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

Различия структуры сплава обусловлены наличием разных примесей, характерных для того или иного способа плавки.

Отношение стали к химически активным средам, позволило разделить изделия на:

• кипящие;
• полуспокойные;
• спокойные.

углерода делит сталь на 3 категории:

1. заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
2. эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
3. доэвтектоидные – менее 0,8 %.

Именно структура, является характерным признаком, при определении состояния металла. У доэвтектоидных сталей, структура состоит из перлита и феррита. У эвтектоидных – чистый перлит, а заэвтектоидные, характеризуются перлитом с примесями вторичного цементита.

При увеличении количества углерода, сталь повышает прочность и уменьшает пластичность. Большое влияние оказывается также на вязкость и хрупкость материала. При повышении процентного содержания углерода, уменьшается ударная вязкость и повышается ломкость материала. Не случайно, при содержании, на уровне более 2,4 %, металлические сплавы относят уже к чугунам.

По количеству углерода, в составе сплава, сталь бывает:

1. низкоуглеродистая (до 0,29 %);
2. среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
3. высокоуглеродистая (более 0,6 %).

Маркировка

При обозначении углеродистых сталей обычного качества, используют буквы Ст, которые сопровождаются цифрами, характеризующими содержание углерода. Одна цифра показывает количество, увеличенное в 10, а две цифры – в 100 раз. При гарантии механического состава сплава, перед обозначением добавляют Б, а соблюдение химических составляющих веществ – В.

В окончании маркировки, две буквы показывают степень раскисления: пс – полуспокойного, кп – кипящего состояния сплавов. Для спокойных металлов этот показатель не указывают. Увеличенное количество марганца в структуре изделия, обозначают буквой Г.

При обозначении углеродистых сталей высокого качества, используемых при изготовлении инструментов, применяют букву У, рядом с которой прописывают число, подтверждающее количество процентов углерода в 10-кратном размере, независимо от того, будет оно двухзначным или однозначным. Для выделения сплавов повышенного качества, к обозначению инструментальных сталей добавляют букву А.

Примеры обозначения углеродистых сталей: У8, У12А, Ст4кп, ВСт3, Ст2Г, БСт5пс.

Производство

Изготовлением металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Специфика процесса получения углеродистой стали, заключается в переработке чугунных заготовок с уменьшением таких взвесей, как сера и фосфор, а также углерод, до требуемой концентрации. Различия методики окисления, посредством которой удаляют углерод, позволяет выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Основой методики был бессемеровский метод, который предусматривает продувку жидкого чугуна воздухом. Во время этого процесса, углерод окислялся и удалялся из сплава, после чего, чугунные слитки постепенно превращаются в сталь.

Производительность данной методики высока, но сера и фосфор оставались в металле. Кроме того, углеродистая сталь насыщается газами, в том числе, азотом.

Это улучшает прочность, но снижает пластичность, сталь становится более склонной к старению и изобилию неметаллическими элементами.

Учитывая низкое качество стали, получаемой бессемеровским методом, его перестали использовать. На замену пришел кислородно-конвертерный способ, отличием которого является использование чистого кислорода, вместо воздуха, при выполнении продувки жидкого чугуна.

Использование определенных технических условий, при продувке, значительно снизило количество азота и других вредных примесей.

В результате, углеродистая сталь, полученная кислородно-конвертерным способом, по качеству приближена к сплавам, переплавляемым в мартеновских печах.

Технико-экономические показатели конверторного способа подтверждают целесообразность такой плавки и позволяют вытеснить устаревшие методы изготовления стали.

Мартеновский метод

Особенностью способа получения углеродистой стали, является выжигание углерода из чугунных сплавов не только с помощью воздуха, но и за счет добавления железных руд и ржавых изделий из металла. Этот процесс обычно происходит внутри печей, к которым подводят подогретый воздух и горючий газ.

Размер таких плавильных ванн очень велик, они могут вмещать до 500 тонн расплавленного металла. Температура в таких емкостях поддерживается на уровне 1700 ºC, а выжигание углерода происходит в несколько этапов.

Сначала, благодаря избытку кислорода в горючих газах, а когда образуется шлак над расплавленным металлом, посредством оксидов железа.

Плавка стали в мартеновских печах проходит около 7 часов. Это позволяет отрегулировать нужный состав сплава, при добавлении различных руд или лома. Углеродистая сталь давно изготавливается этим методом. Такие печи, в наше время, можно найти на территории стран бывшего Советского Союза, а также – в Индии.

Электротермический способ

Изготовить качественную сталь с минимальным содержанием вредных примесей, удается при плавке в вакуумных топках электродуговых или индукционных печей. Благодаря улучшенным свойствам электростали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Процесс преобразования сырья в углеродистую сталь, происходит в вакууме, благодаря чему качество полученных заготовок, будет выше, относительно рассмотренных ранее методов.

Стоимость такой обработки металлов дороже, поэтому данный метод используют при технологической необходимости в качественном изделии. Для удешевления технологического процесса используют специальный ковш, который разогревают внутри вакуумной емкости.

Применение

Углеродистая сталь, благодаря своим свойствам, нашла широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, особенно, в машиностроении.

Использование в конструкторских расчетах способности металла сопротивляться нагрузкам и иметь высокие пределы усталости, позволяет изготавливать из углеродистой стали такие ответственные детали машин, как: маховики, зубчатые передачи редукторов, корпуса шатунов, коленчатые валы, поршни плунжерных насосов, технологическую оснастку для деревообрабатывающей и легкой промышленности.

Высокоуглеродистые стали с увеличенным количеством марганца, применяют для изготовления таких деталей, как пружины, рессоры, торсионы и подобные узлы, требующие упругости сплава. Инструментальные сплавы повышенного качества, широко применяют при производстве инструментов, которыми обрабатывают металлы: резцы, сверла, зенковки.

Использование углеродистой стали с низким и средним количеством содержания углерода, нашло применение при возведении металлических конструкций и коммуникаций. Специальные прокатные станы металлургических комбинатов изготавливают, постоянно пользующиеся спросом, различные профили:

• уголки;
• швеллеры;
• трубы;
• двутавры;
• другие, в том числе заказные, виды профилей.

Во всех отраслях широко используется листовой прокат, который отличается размерами, качеством и толщиной изготавливаемых изделий.

Используя специфические свойства углеродистых сталей, их применяют в различных областях народного хозяйства. Знание специфики отличий тех или иных сплавов, позволит грамотно и технологично применить требуемый материал в нужном месте.

Источник: https://prompriem.ru/stal/uglerodistaya.html

Всё о стали

06.07.2016, автор Александр Бутаков

В этой статье мы расскажем обо всех особенностях и вариантах стали банных печей и отопительных котлов Термофор. Ведь сталь, из которой изготовлена Ваша будущая банная или отопительная печь, — главный ценовой параметр и один из наиболее важных показателей, от которого зависит, насколько долго прослужит Вам печь.

Что такое сталь и с чем её едят?

Сталь (от нем. Stahl) — сплав железа (не менее 45%) с углеродом (от 0,1 до 2,14 %) и другими элементами, сопутствующими железу в его сплавах (марганец, сера, фосфор). Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Добавление других элементов для изменения (улучшения) химических и физических свойств исходного сплава называется легирование. Наряду с нанесением защитного покрытия (окраска изделий, хромирование, цинкование) легирование применяется для повышения коррозионной стойкости металла.

Таким образом, любая нержавеющая сталь – легированная (улучшенная) сталь, устойчивая к коррозии. Вопрос в том, насколько?

Нержавеющие стали делят на три группы:

• Коррозионностойкие стали — от них требуется стойкость к коррозии в несложных промышленных и бытовых условиях (бытовая нержавеющая посуда и тара, хирургические инструменты и др.).
• Жаростойкие стали — от них требуетя жаростойкость (окалиностойкость) — то есть стойкость к коррозии при высоких температурах в сильно агрессивных средах (например, на химических заводах). Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые изменяют состав и строение окалины.
• Жаропрочные стали — от них требуется жаропрочность — то есть хорошая механическая прочность при высоких температурах.

Легирование хромом

Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома (это открыл Гарри Бреарли в 1913 году), поэтому основной легирующий элемент нержавеющей стали – это хром (Cr). При содержании хрома свыше 13% сплавы являются нержавеющими в обычных условиях, в слабоагрессивных средах, в газовых средах при температурах свыше 550 °C.

При содержании хрома выше 17% металл устойчив к коррозии и в более агрессивных средах, в частности, в 50% азотной кислоте.

Не советуем проверять на своей новой банной печи! В результате введения в сталь необходимого количества хрома, обладающего бо́льшим родством с кислородом, чем железо, в процессе окисления на поверхности образуется тонкая плёнка из плотных оксидов на основе хрома, которая затрудняет процесс дальнейшего окисления.

Жаростойкая сталь Inox 

Компания ТMF для производства своих изделий использует жаростойкую высоколегированную нержавеющую сталь Inox с содержанием хрома 13% и температурой начала окалинообразования от 750°C до 900°C, что подтверждается сертификатами заводов-изготовителей.

Применение жаростойкой хромистой стали Inox позволило снизить толщину стенок до 2 мм и снять устаревшее противоречие: чем тоньше стенки печи, тем лучше она греет, но тем быстрее прогорит.

Ресурс печи из тонкой жаростойкой стали не меньше, а то и больше, чем ресурс печи из толстой обычной стали. При этом масса печи из жаростойкой стали в 2 раза меньше, а «скорострельность» в 2 раза выше.

К тому же жаростойкая сталь благодаря образующейся оксидной плёнке не вступает в окислительную реакцию с кислородом воздуха, препятствуя его «выжиганию».

Принцип термической равнопрочности

Сравните: в отличие от хромированной жаростойкой стали с температурой окисления 750°C, температура начала окалинообразования у конструкционной и у большинства легированных сталей не превышает 400°C, что почти в 2 раза ниже температуры горения берёзовых поленьев.

Но так ли всё плохо с конструкционными сталями? Означает ли, что они в два раза быстрее прогорят, если температура окисления у них ниже стали Inox? Нет! Мы нашли решение!

При производстве печей ТMF используется  принцип термической равнопрочности. Толщину деталей печки, подверженных наибольшей температурной и механической нагрузке, мы увеличили. У печей из хромированной стали Inox — всего в 1,5 раза до толщины 3мм. А у печей из конструкционной стали — в 2 раза, а особонагруженные – в 3 раза!!!

Например, дно каменки печи «Тунгуска 2011 Carbon» выполнено из стали толщиной 6 мм, а нижний сегмент закрытой каменки печи «Ангара 2012 Carbon», выполненный из стали толщиной 4 мм, дополнительно защищён накладкой толщиной 3 мм, что в совокупности даёт толщину 7 мм.

Кроме того, подобным образом усилена нижняя часть топливников печей в области колосника. Защищены именно теплонагруженные места, что позволяет  увеличить ресурс печи, практически не снижая её теплоэффективность.

Благодаря этому печи Термофор из конструкционной стали называют «умными печами».

Конструкционная сталь Carbon

Конструкционная сталь Carbon – это углеродистая качественная конструкционная сталь ГОСТ 1050-88 (carbon structural quality steel). В её эмблеме изображен бриллиант (то есть огранённый алмаз), потому что алмаз – это самая известная и дорогая форма углерода.

А именно углерод (он же карбон, он же Carbon), как Вы помните, придаёт сплавам железа прочность и твёрдость.

В маркировке стали Carbon слово Сталь означает, что данная сталь относится к группе качественных сталей (всего 4 группы: Ст, Стали, средне- и высококачественные стали), а цифра 10 в начале номера ГОСТа означает содержание углерода 0,1%.

Но самое главное достоинство печей из конструкционной стали Carbon в их цене.

Именно поэтому банные печи из конструкционной стали Carbon относятся к специальной «антикризисной» серии  – самые популярные модели банных печей Термофор по более доступным ценам. 

Гарантия на печи из стали Inox и Carbon

Термофор стал первым производителем печей в России, предоставившим гарантию на банные печи из жаростойкой стали Inox — 3 года. На печи из конструкционной стали Carbon действует стандартная гарантия — 1 год. 

Гарантия распространяется не только на целостность металла, но и сварных швов топки, а ведь именно швы являются «больным местом» многих производителей. Естественно, гарантия действует при соблюдении правил эксплуатации, изложенных в инструкции к каждой банной и отопительной печи Термофор. 

Подведём итоги

Для полноценных банных процедур «Термофор» рекомендует использовать модификации Inox — из жаростойкой хромистой стали, которая способна быстро прогревать парную до высоких температур и выдерживать существенную термическую нагрузку, что обеспечит Вам долгую и безупречную службу печи. Печи из конструкционной стали Carbon дешевле аналогов из жаростойкой стали Inox, но уступают им в надежности и долговечности. Так что такая экономия имеет смысл при условии весьма бережной эксплуатации.

Источник: https://Termofor-shop.ru/blogs/blog/vse-o-stali

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

Благодаря своим прочностным характеристикам и доступной цене углеродистая сталь является весьма распространенным сплавом. Его главные элементы — это железо и углерод с минимумом присесей. Из углеродной стали производят различную машиностроительную продукцию, детали трубопроводов и котлов, инструменты. В строительстве сплавы тоже нашли широкое применение.

В зависимости от основного своего назначения углеродистые стали делятся на инструментальные и конструкционные, легирующих элементов в их составе практически нет.

От обыкновенных стальных сплавов они отличаются еще и тем, что имеют в составе значительно меньше базовых примесей: марганца, магния, кремния. главного элемента — углерода — варьируется в довольно широких пределах.

В составе высокоуглеродистой стали содержится 0,6−2% C, среднеуглеродистой — 0,3−0,6%, низкоуглеродистой — до 0,25%.

Основной элемент определяет свойства и структуру. Во внутренней структуре сплавов с менее чем 0,8% C (сталь доэвтектоидная) — преимущественно перлит и феррит, а при увеличении концентрации главного элемента формируется вторичный цементит.

Представленные стали с преобладанием ферритной структурой высоко пластичны и имеют низкую прочность. Если в структуре преобладает цементит, металл характеризуется высокой прочностью, однако и большой хрупкостью. При повышении содержания C до 0,8−1% растет прочность и твердость, но сильно ухудшается вязкость и пластичность.

Количественное содержание углерода сказывается на технологических характеристиках, в частности, на свариваемости, легкости обработки резанием и давлением.

• Из низкоуглеродистых сталей изготавливают детали и конструкции, не предназначенные для значительных нагрузок.
• Характеристики среднеуглеродистых сталей делают их основным конструкционным материалом, который используется в производстве конструкций и деталей для транспортного и общего машиностроения.
• Высокоуглеродистые сплавы оптимальны для изготовления деталей, которые должны иметь повышенную износостойкость, в производстве измерительного и ударно-штампового инструмента.

Металл, как и иные стальные сплавы, в составе содержат примеси:

• кремний;
• фосфор;
• марганец;
• азот;
• серу;
• водород;
• кислород.

Кремний и марганец — это полезные примеси, которые вводятся в состав на стадии выплавки для раскисления. Фосфор и сера — вредные примеси, ухудшающие качественные характеристики сплава.

Считается, что легирование и углеродистые виды несовместимы, тем не менее с целью улучшения их технологических и физико-механических характеристик может выполняться микролегирование с помощью добавления различных добавок:

• бора;
• титана;
• циркония;
• редкоземельных элементов.

С их помощью не удастся превратить металл в нержавейку, но значительно улучшить свойства получится.

Классификация по степени раскисления

На разделение на типы влияет, в частности, степень раскисления. В зависимости от этого параметра наши сплавы делят на полуспокойные, спокойные и кипящие.

Более однородную внутреннюю структуру имеют спокойные стали, чье раскисление достигается путем добавления в расплавленный металл алюминия, ферросилиция и ферромарганца. Благодаря тому, что сплавы нашей категории полностью раскислились в печи, в их составе отсутствует закись железа.

Остаточный алюминий, препятствующий росту зерна, обеспечивает мелкозернистую структуру. Она и практически абсолютное отсутствие растворенных газов позволяет получить качественный металл для изготовления из него самых ответственных деталей и конструкций.

Наряду с плюсами у спокойных сплавов есть большой минус — достаточно дорогая выплавка.

Есть более дешевые, хотя и менее качественные, углеродистые сплавы, при выплавке которых используют минимум специальных добавок.

В структуре такого металла из-за того, что процесс раскисления в печи не довели до конца, есть растворенные газы, негативно отражающиеся на характеристиках. Азот, например, плохо влияет на свариваемость и провоцирует образование трещин в области шва.

Развитая ликвация в структуре сплавов приводит к тому, что металлопрокат, сделанный из них, отличается неоднородностью по структуре и механическим характеристикам.

У полуспокойных сталей промежуточное положение по свойствам и степени раскисления.

В результате получается отливка, в структуре которой меньше газовых пузырей, чем в кипящих сталях. Эти внутренние поры при последующей прокатке металла завариваются практически полностью.

Большая часть полуспокойных углеродистых сталей используется как конструкционные материалы.

Углеродистые стали получают путем использования разных технологий. Различают:

• качественные углеродистые стали;
• высококачественные стальные сплавы;
• углеродистые стальные сплавы обыкновенного качества.

Сплавы обыкновенного качества получают в мартеновских печах, а из них формируются большие слитки. К плавильному оборудованию, использующемуся для получения таких сталей, относятся, в частности, кислородные конвертеры. В сравнении с качественными стальными сплавами, в металле может содержаться много вредных примесей, что отражается на характеристиках и стоимости производства.

Сформированные и застывшие слитки прокатывают горячими или холодными. Горячей прокаткой получают сортовые и фасонные изделия, тонколистовой и толстолистовой металл, широкие металлические полосы. Холодной прокаткой получают тонколистовой металл.

Для производства качественной и высококачественной стали используются мартеновские печи и конвертеры, а также плавильные печи, которые работают на электричестве.

К составу, а именно к наличию в структуре вредных и неметаллических примесей, ГОСТ предъявляет жесткие требования. В высококачественных сталях должно быть не более 0,04% серы и не более 0,035% фосфора. Высококачественные и качественные стальные сплавы благодаря строгим требованиям к способу выплавки и характеристикам имеют повышенную чистоту структуры.

Применение и маркировка

Инструментальные сплавы, в которых 0,65−1,32% C, используются для изготовления различного инструмента. Для улучшения механических свойств инструментов делают закалку материала изготовления.

Из конструкционных сплавов делают детали для разного оборудования, элементы конструкций строительного и машиностроительного назначения, крепежные детали и прочее.

Из конструкционной стали делается проволока углеродистая, которая используется в быту, в производстве крепежа, в строительстве, для изготовления пружин.

После цементации конструкционные сплавы успешно используются в производстве деталей, подвергающихся при эксплуатации серьезному поверхностному износу и испытывающих большие динамические нагрузки.

Маркировка говорит о химическом составе сплава и о его категории. В обозначении углеродистой стали обыкновенного качества есть буквы «ст». ГОСТ оговаривает семь условных номеров марок (0−6), также указывающихся в обозначении.

Степень раскисления обозначают буквы «кп», «пс», «сп», проставленные в конце маркировки. Марки высококачественных и качественных сталей обозначаются цифрами, которые указывают на содержание в сплаве C в сотых долях процента.

О том, что сплав инструментальный, можно понять по букве «У» в начале маркировки. Цифра, следующая за этой буквой, говорит о содержании C в десятых долях процента. Литера «А», если таковая присутствует в обозначении инструментальной стали, указывает на улучшенные качественные характеристики сплава.

Источник: https://tokar.guru/metally/stal/uglerodnaya-uglerodistaya-stal-vidy-proizvodstvo-i-primenenie.html

Карбон — что это такое

Углепластик — это композиционный многослойный материал, представляющий собой полотно из углеродных волокон в оболочке из термореактивных полимерных (чаще эпоксидных) смол, Carbon-fiber-reinforced polymer . 

Международное наименование Carbon — это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber. 

Но в настоящее время к карбонам относят все композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее сможет быть разным. Карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. То есть карбон или углепластик — это одно и то же.

Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления цена карбона будет снижаться. Для примера: стоимость 1 кг стали — менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса.

Изначально карбон был разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности:

• в самолетостроении,
• для спортивного инвентаря: клюшек, шлемов, велосипедов.
• удочек,
• медицинской техники и др.

Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки эпоксидной смолой позволяют формовать карбоновые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно. Полученные заготовки можно шлифовать, полировать, красить и наносить флексопечать.

Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов — углеродного полотна в качестве несущей основы и эпоксидных компаундов в качестве связующего.

Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика — углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна. 

Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.

Карбон или углепластик характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Технические характеристики углеволокна можно посмотреть в сравнительной таблице плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.

Еще один элемент, используемый для армирования вместе с углеродными нитями — кевлар. Это те самые желтые нити, которые можно видеть в некоторых разновидностях углепластика. Некоторые недобросовестные производители выдают за кевлар цветное стекловолокно, окрашенные волокна вискозы, полиэтилена, адгезия которых со смолами гораздо хуже, чем у углепластика, да и прочность на разрыв в разы меньше.

Кевлар—это американская торговая марка класса полимеров арамидов, родственных полиамидам, лавсанам. Это название уже стало нарицательным для всех волокон этого класса. Армирование повышает сопротивление изгибающим нагрузкам, поэтому его широко используют в комбинации с углепластиком.

Волокна, состоящие из тончайших нитей углерода, получают термической обработкой на воздухе, то есть окислением, полимерных или органических нитей (полиакрилонитрильных, фенольных, лигниновых, вискозных) при температуре 250 °C в течение 24 часов, то есть практически их обугливанием. Вот так выглядит под микроскопом углеродная нить после обугливания.

После окисления проходит карбонизация — нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C для выстраивания структур, подобных молекулам графита. 

Волокна могут быть короткими, резаными, их называют «штапелированными», а могут быть непрерывные нити на бобинах. Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения (UD).

Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric. Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожкой и пр.

, имеющими международные названия Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой.

Правильный выбор полотна для углепластика по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона.

В качестве несущей основы чаще всего используются эпоксидные смолы, в которых полотно укладывается послойно, со сменой направления плетения, для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего в 1 мм толщины листа  карбона содержится 3-4 слоя.

Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкоймногоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:

• легче стали на 40%, легче алюминия на 20% (1,7 г/см3 — 2,8 г/см3 — 7,8 г/см3),
• карбон из углерода и кевлара немного тяжелее, чем из углерода и резины, но намного прочнее, а при ударах трескается, крошится, но не рассыпается на осколки,
• высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000 ○С.
• обладает хорошими виброгасящими свойствами и теплоемкостью,
• коррозионная стойкость,
• высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости,
• эстетичность и декоративность.

Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна карбоновые детали имеют недостатки:

• чувствительность к точечным ударам,
• сложность реставрации при сколах и царапинах,
• выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью,
• длительный процесс изготовления,
• в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна,
• сложность утилизации и повторного использования.

Существуют следующие основные методы изготовления изделий из углеткани.

1.   Прессование или «мокрый» способ

Полотно выкладывается в форму и пропитывается эпоксидной или полиэфирной смолой. Излишки смолы удаляются или вакуумформованием или давлением. Изделие извлекается после полимеризации смолы. Этот процесс может проходить или естественным путем или ускоряется нагревом. Как правило, в результате такого процесса получается листовой углепластик.

2.   Формование

Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной пены, на которую выкладывается пропитанная смолой ткань. При прокатке валиками композит уплотняется и удаляются излишки воздуха.

Затем проводится либо ускоренная полимеризация и отверждение в печи, либо естественная. Этот способ называют «сухим» и изделия из него прочнее и легче, чем изготовленные «мокрым» способом.

Поверхность изделия, изготовленного «сухим» способом, ребристая (если его не покрывали лаком).

К этой же категории можно отнести формование из листовых заготовок — препрегов.

Смолы по своей способности полимеризоваться при повышении температуры разделяются на «холодные» и «горячие». Последние используют в технологии препрегов, когда изготавливают полуфабрикаты в виде нескольких слоев углеткани с нанесенной смолой.

Они в зависимости от марки смолы могут храниться до нескольких недель в неполимеризованном состоянии, прослоенные полиэтиленовой пленкой и пропущенные между валками для удаления пузырьков воздуха  и лишней смолы. Иногда предпреги хранят в холодильных камерах.

Перед формованием изделия заготовку разогревают, и смола опять становится жидкой.

3.   Намотка

Нить, ленту, ткань наматывают на цилиндрическую заготовку для изготовления карбоновых труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.

Во всех случаях поверхность нанесения смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.

Изделия на основе углеволокна можно формовать и самим, что уже давно и успешно применяется при ремонте велосипедов, спортивного инвентаря, тюнинге автомобилей. Возможность экспериментировать с наполнителями для смолы, со степенью ее прозрачности предоставляет широкое поле для творчества любителям автотюнинга карбоном. Подробнее об основных методах изготовлении деталей из карбона можно почитать здесь.

Как следует из описанной выше технологии, для формования необходимо:

• форма-матрица,
• углеродное полотно,
• смазка для формы для легкого съема готовой заготовки,
• смола.

Где брать углеткань? Тайвань, Китай, Россия. Но в России это относится к «конструкционным тканям повышенной прочности на основе углеволокна». Если найдете выход на предприятие, то вам очень повезло. Много компаний предлагают готовые наборы для отделки автомобилей и мотоциклов карбоном «Сделай сам», включающих фрагменты углеткани и смолу.

70% мирового рынка углеткани производят тайваньские и японские крупные бренды: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec и пр.

В общих чертах процесс изготовления углепластика своими руками выглядит так:

1. Антиадгезивом смазывается форма.
2. После его высыхания наносится тонкий слой смолы, на который прикатывается или прижимается углеткань, для выхода пузырьков воздуха.
3. Затем наносится еще один слой смолы  для пропитки. Можно нанести несколько слоев ткани и смолы, в зависимости от требуемых параметров изделия.
4. Смола может полимеризироваться на воздухе. Это происходит обычно в течение 5 дней. Можно поместить заготовку в термошкаф, нагретый до температуры 140 – 180 ◦С, что значительно ускорит процесс полимеризации.

Затем изделие извлекаем из формы, шлифуем, полируем, покрываем лаком, гелькоутом или красим.

Надеемся, вы нашли исчерпывающий ответ на вопрос «Что такое карбон»?

Ирина Химич, технический консультант

Источник: https://engitime.ru/statyi1/raznoe/chto-takoe-ugleplastik-karbon.html