Въглеродна стомана: състав, видове, свойства и приложения

Открийте състава, видовете, ключовите свойства и практичните приложения на въглеродната стомана — избори, обработка и съвети за заваряване и здравина.

Автор: Leandro Alegsa

03-12-2025 10:17

Въглеродната стомана или обикновената въглеродна стомана е метална сплав. Тя е комбинация от два елемента - желязо и въглерод. Други елементи присъстват в твърде малки количества, за да повлияят на свойствата ѝ. Единствените други елементи, които са разрешени в обикновената въглеродна стомана, са: манган (максимум 1,65 %), силиций (максимум 0,60 %) и мед (максимум 0,60 %). Стоманата с ниско съдържание на въглерод има същите свойства като желязото - мека, но лесно формируема. С увеличаването на въглерода металът придобива твърдост и здравина, но става по-малко пластичен и по-труден за заваряване. По-високото съдържание на въглерод понижава температурата на топене на стоманата и нейната устойчивост на температури като цяло.

Състав и класификация по съдържание на въглерод

Ниски въглеродни стомани (обикновено до ~0,25% C): меки, пластични и лесни за формоване и заваряване. Използват се за ламаринни изделия, конструкции и щамповане.
Средновъглеродни стомани (прибл. 0,25–0,60% C): баланс между якост и пластичност; често се подлагат на топлинна обработка (закаляване и отпускане) за постигане на по-високи механични показатели.
Високовъглеродни стомани (прибл. 0,60–1,0% C): могат да се закалят до голяма твърдост; използват се за инструменти, ножове и пружини.
Много висок въглерод (>1,0% C): специални приложения, но по-трудни за обработка и с по-малка пластичност.

Микроструктура и свойства

Микроструктурата на въглеродната стомана зависи от съдържанието на въглерод и от топлинната обработка. Основните структурни съставки са:

Ферит — мека и пластична фаза с високо съдържание на желязо.
Перлит — ламелна смес от ферит и цементит; дава по-голяма здравина от ферита.
Цементит (Fe3C) — твърда и крехка карбидна фаза, увеличава твърдостта и износоустойчивостта.

С увеличаване на процента въглерод расте склонността към образуване на перлит и цементит, което води до по-голяма твърдост и якост, но и до по-малка пластичност и ударна устойчивост.

Топлинна обработка и закаляване

Отпускане и нормализация — за премахване на вътрешни напрежения и за подравняване на структурата.
Закаляване (нагрев и бързо охлаждане) — увеличава твърдостта чрез образуване на мартензит при подходящо съдържание на въглерод.
Отпуск след закаляване — намалява крехкостта и коригира механичните свойства.
Карбуризиране — повърхностно насищане с въглерод за постигане на твърда износоустойчива повърхност върху ядро с добра пластичност (често при нисковъглеродни стомани).

Обработка, заваряване и машиниране

Нисковъглеродните стомани са лесни за рязане, огъване и заваряване. Средно- и високовъглеродните са по-твърди и изискват по-специализирани инструменти и методи за механична обработка.
Заваряемостта намалява с увеличаване на съдържанието на въглерод; за средно- и високовъглеродни стомани често се прилага предпоем и следпием (preheat/post-heat) или използване на подходящи флюси и материали за заварка.
За оценка на трудностите при заваряване и риска от напукване се използва понятието "еквивалент на въглерода" (CE), което включва и други легиращи елементи.

Корозия и защита

Въглеродната стомана е податлива на корозия (ръжда) в атмосфера и при контакт с влага. За защита се използват:

Галванично покритие (поцинковане)
Боядисване и прахово покритие
Повърхностна химическа обработка (пасивиране, фосфатиране)

Стандарти и примерни марки

Популярни международни означения: AISI/SAE (напр. 1018 — нисковъглеродна, 1045 — средновъглеродна, 1095 — високовъглеродна) и европейски EN/ISO (напр. C45, S235 и др.).
Изборът на марка зависи от изискванията за якост, пластичност, обработваемост и топлинна обработка.

Приложения

Строителство и метални конструкции (греди, колони, профили) — предимно нисковъглеродни и структурни стомани.
Автомобилостроене — каросерии, шасита, оси (комбинация от ниско и средновъглеродни стомани с топлинна обработка).
Машиностроене — вретена, валове, зъбни колела (средновъглеродни и закалени части).
Инструменти и ножове — високовъглеродни стомани, закалени за постигане на висока твърдост и ръбна устойчивост.
Пружини и закрепващи елементи — специални високовъглеродни или легирани варианти.

Предимства и ограничения

Предимства: ниска цена, добри механични свойства при правилен избор и обработка, лесно рециклиране и широк набор от възможности за обработка и топлинна обработка.
Ограничения: сравнително ниска корозионна устойчивост, намаляваща пластичност при високо съдържание на въглерод, по-трудна обработка и заваряване при високовъглеродни варианти.

Как да изберем правилната въглеродна стомана

Определете основните изисквания: якост, пластичност, износоустойчивост, възможност за заварка.
За конструктивни елементи и заварими детайли изберете ниско- или средновъглеродни марки.
За инструменти и пружини използвайте високовъглеродни стомани, комбинирани с подходяща топлинна обработка.
Ако е необходима корозионна устойчивост, предвидете защита (покритие) или използвайте неръждаема стомана вместо обикновена въглеродна.

Въглеродната стомана е основен и универсален материал в съвременното производство и строителство. Правилното познаване на състава, микроструктурата и възможностите за обработка позволява оптимален подбор за конкретни приложения и удължава експлоатационния живот на изделията.

Видове въглеродна стомана

Типичните състави на въглерода са:

Мека (нисковъглеродна) стомана: приблизително 0,05 % до 0,25 % съдържание на въглерод и до 0,4 % съдържание на манган (напр. стомана AISI 1018). По-малко здрава, но евтина и лесна за оформяне; твърдостта на повърхността може да се увеличи чрез навъглеродяване.
Средна въглеродна стомана: приблизително 0,14 % до 0,84 % съдържание на въглерод и 0,60 % до 1,65 % съдържание на манган (напр. стомана AISI 1040). Балансира еластичността и здравината и има добра износоустойчивост; използва се за големи части, коване и автомобилни части.
Високовъглеродна стомана: приблизително от 0,59% до 0,65% съдържание на въглерод и от 0,30 до 0,90% съдържание на манган. Много здрава, използва се за пружини и високоякостни проводници.
Стомана с много високо съдържание на въглерод: приблизително от 0,96 % до 2,1 % съдържание на въглерод, специално обработена, за да се получат специфични атомни и молекулярни микроструктури.

Стоманата може да се обработва термично, което позволява изработването на части в лесно за браздене меко състояние. Ако има достатъчно въглерод, сплавта може да бъде закалена, за да се повиши якостта, износоустойчивостта и устойчивостта на удар. Стоманите често се обработват чрез методите на студената обработка, която представлява оформяне на метал чрез деформация при ниска равновесна или метастабилна температура.

Металургия

Меката стомана е най-разпространената форма на стомана, тъй като цената ѝ е сравнително ниска, а свойствата на материала са приемливи за много приложения. Меката стомана е с ниско съдържание на въглерод (до 0,3 %) и поради това не е нито изключително крехка, нито еластична. При нагряване тя става коваема и може да се кове. Често се използва и в случаите, когато трябва да се формират големи количества стомана, например като конструктивна стомана. Плътността на този метал е 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³), а якостта на опън е максимум 500 MPa (72500 psi).

Въглеродните стомани, които могат успешно да се подложат на термична обработка, имат тегловно съдържание на въглерод в диапазона от 0,30 % до 1,70 %. Следите от примеси на различни други елементи могат да имат значително влияние върху качеството на получената стомана. Следи от сяра правят стоманата "червено-къса", което е недостатък: стоманата е крехка и трошлива. Нисколегираната въглеродна стомана, като например клас А36, съдържа около 0,05 % сяра и се топи при температура около 1426-1538 °C (2600-2800 °F). Често се добавя манган, за да се подобри закаляемостта на нисковъглеродните стомани. Тези добавки превръщат материала в нисколегирана стомана според някои определения, но определението на AISI за въглеродна стомана позволява до 1,65 % манган по тегло.

Закалената стомана обикновено се отнася до закалена или закалена и закалена стомана.

Сребърната стомана или високовъглеродната ярка стомана получава името си от външния си вид, дължащ се на високото съдържание на въглерод. Това е стомана с много високо съдържание на въглерод или може да се разглежда като една от най-добрите стомани с високо съдържание на въглерод. Тя се определя от стандартите за спецификация на стоманата BS-1407. Това е инструментална стомана с 1 % въглероден диоксид, която може да се шлифова до тесни допуски. Обикновено обхватът на въглерода е минимум 1,10 %, но достига до 1,20 %. Съдържа също така микроелементи от 0,35 % Mn (в диапазона 0,30 %-0,40 %), 0,40 % Cr (в диапазона 0,4 %-0,5 %), 0,30 % Si (в диапазона 0,1 %-0,3 %), а понякога и сяра (максимум 0,035 %) и фосфор (максимум 0,035 %). Сребърната стомана понякога се използва за направата на прави бръсначи, поради способността ѝ да създава и задържа микротънко острие.

Топлинна обработка

Целта на топлинната обработка на обикновена въглеродна стомана е да се променят механичните свойства на стоманата, обикновено еластичност, твърдост, граница на провлачане и устойчивост на удар.

Фазова диаграма желязо-въглерод, показваща температурните и въглеродните диапазони за определени видове термична обработка.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява въглеродната стомана?

О: Въглеродната стомана е метална сплав, която е съставена от два елемента - желязо и въглерод.

В: Има ли други елементи, които могат да присъстват в обикновената въглеродна стомана?

О: Да, в малки количества могат да присъстват и други елементи, като манган (максимум 1,65 %), силиций (максимум 0,60 %) и мед (максимум 0,60 %).

В: Какви са свойствата на обикновената въглеродна стомана с ниско съдържание на въглерод?

О: Обикновената въглеродна стомана с ниско съдържание на въглерод има същите свойства като желязото - тя е мека и лесно се формира.

В: Как добавянето на повече въглерод влияе на свойствата на въглеродната стомана?

О: Добавянето на повече въглерод кара метала да придобие твърдост и здравина, но става по-малко пластичен и по-труден за заваряване.

В: Има ли ограничение за количеството манган, което може да се съдържа в обикновената въглеродна стомана?

О: Да, максималното количество манган, което може да се съдържа в обикновената въглеродна стомана, е 1,65 %.

В: По-високото съдържание на въглерод влияе ли на температурата на топене на стоманата?

О: Да, по-високото съдържание на въглерод понижава температурата на топене на стоманата.

В: По-високото съдържание на въглерод влияе ли на температурната устойчивост на стоманата като цяло?

О: Да, по-високото съдържание на въглерод също понижава температурната устойчивост на стоманата като цяло.

обискирам