Сталь у7 твердость по роквеллу

Обновлено: 15.05.2024

Твёрдость — свойство стали (или другого сплава) оказывать сопротивление сдавливанию более твёрдым телом, например, быстрорежущей сталью или победитом.

Что это такое?

Твёрдость стали – одна из важнейших величин (показателей), имеющих основное значение для её использования при разных условиях. Это значит, что стальной сплав, не обладающий минимально необходимой при выполнении определённых задач твёрдостью, быстро выходит из строя в режиме частой и длительной нагрузки.

Например, гвоздь, будучи изготовленным из железа, в котором почти нет углерода, нельзя было бы вбить даже в деревяшку. Он тут же затупился и согнулся бы. Чтобы избежать подобных ситуаций, в сталь вводят важнейший компонент – углерод. Твёрдость стали по шкале Роквелла должна достигать как минимум 36 единиц, только тогда стальной состав можно будет с большим успехом применить, например, в качестве конструкционного материала.

Но если такое свойство не обеспечивается в полной мере, то железо подлежит переплавке. Чистое железо, не обладающее достаточной твёрдостью, присущей стали, можно встретить только в лабораториях.

Виды шкал по методу измерения

Твёрдость стали как характеристика влияет на конкретное её применение. Она определяется как частное от деления величин нагрузки и площади поверхности друг на друга. Однако различают поверхностную, объёмную и проекционную твёрдость. Поверхностная определяется величиной давления, которую выдерживает заготовка. Проекционная – деление значения силовой нагрузки к площади проекции области давления. Объёмная – та же величина, поделённая на конкретный объём испытуемой зоны.

Макротвёрдость – воздействие от 2 Н до 3 кН силы для внедрения давящего тела в сдавливаемое на глубину в 200 нанометров. Микротвёрдость – сила менее 2 ньютона на ту же глубину. Нанотвёрдость – внедрение тела с любой силой воздействия на глубину менее 200 нм.

По Бринеллю

Суть метода определения твёрдости по Бринеллю сводится к диаметру отпечатка, который оставляется шариком из твёрдого сплава, вжимаемым в испытуемую поверхность. Величина твёрдости в этом случае равна отношению усилия, прилагаемого к шарику, к площади оставленного на поверхности следа испытательной нагрузки. Площадь отпечатка при этом равна площади части поверхности шарика. Значение твёрдости по Бринеллю равно килограммам силового воздействия на квадратный миллиметр. Встречающееся обозначение HB (что значит «твёрдость Бринелля») указывает на неиспользование испытательных шариков для определения искомой величины.

По Роквеллу

Метод Роквелла, по своей сути, напоминает испытание вдавления алмазного конуса в тестируемый материал. Размерность – конкретные единицы, включая производные – не задана. Несмотря на существования нескольких шкал по Роквеллу, используют лишь две из них – A (до 100 единиц) и B (до 130 по HRC). Твёрдость алмаза – максимальная, аналогов у данного материала в природе, да и при промышленном их получении, не существует. Для сравнения, эльбор имеет всего лишь 90, а не 100 единиц твёрдости.

По Моосу

Метод определения твёрдости по шкале Мооса основан на сравнении с эталонами 10 минеральных веществ – от талька до алмаза. К примеру, если испытуемая деталь процарапывается апатитом, но не поддаётся флюориту, то его твёрдость оказалась в диапазоне 4-5 единиц. Но абсолютная твёрдость колеблется от 1 до 1600 единиц.

По Виккерсу

Метод Виккерса несколько отличается от своего предыдущего аналога. Вдавливание осуществляется не конусом, а пирамидкой, из того же алмаза. Единицы измерения – как и в случае метода Бринелля.

По Шору

В отличие от метода Роквелла и иных аналогов вместо алмазного острия применяют закалённую иглу под действием настраиваемой пружины. Область применения – в основном для полимерных, а не стальных составов. Шкала в основном представлена вариантами A – для мягких пластиков, и D – для твёрдых. Для вычисления твёрдости стали определяют не глубину проникновения, а высоту отскакивания иглы или специального бойка.

Другие

Метод Кузнецова–Герберта– Ребиндера состоит в следующем: величина твёрдости вычисляется по времени затухания колебания маятника, опёртого об исследуемый образец.

Метод Польди (двойного отпечатка шарика) заключается в следующем: твёрдость измеряют путём сопоставления с твёрдостью образцовой заготовки и эталонной детали. Последовательно вдавливают шарик в тот и другой образцы.

Метод Бухгольца применяют в основном для выяснения значения твёрдости лака или краски, слой которой успел полностью высохнуть и затвердеть. Для проверки может использоваться любое остриё.

Метод Янка рассчитан для определения твёрдости древесных изделий и заготовок. Предусматривает использование статики и динамики для вычисления значения твёрдости.

Во всех случаях применяются приборы-твердомеры. Покрытие или поверхность основного материала предусматривает разрушение или сохранение поверхностного слоя. Ни один из вышеописанных методов не является истиной в последней инстанции – данные способы применяются в качестве приближённого, оценочного суждения о значениях твёрдости материала той или иной разновидности.

Для одних и тех же сортов стали величины могут существенно отличаться, а диапазоны величин для разных марок стали одного и того же рода – располагаться так, что любые зависимости окажутся в виде отчётливых кривых на графике. А также твёрдость меняется при разных внешних температуре и давлении.

Твёрдость сталей разных марок

Чем твёрже сталь, тем больше в ней должно содержаться углерода. Это задаёт то значение твёрдости, которое превысить не удастся, сколько данную марку сплава ни пытаться перезакалить. Для Ст20 твёрдость по шкале Роквелла в среднем равна 38 единиц, для Ст60 – 63. Повышение твёрдости промежуточных сортов стали начиная от наиболее низкоуглеродистой приближённо линейное. Наибольшей популярностью пользуются сорта стали 3, 30, 20, 53, 20Х, 55, 45, 35, 65Г, 12ХФ, 30Х, 25, 38ХА, при этом легирующие добавки управляют не столько параметром твёрдости, сколько иными – ударной вязкостью, упругостью, стойкостью к коррозии. Например, хромистые стали типа 20Х, 12Х, 30Х, 38ХА – несколько более устойчивы к ржавлению, чем простые их собратья без данной добавки. Никель, к примеру, повышает прокаливаемость. В целом же тенденция к повышению твёрдости прослеживается следующим образом: у Ст3 она не превышает 35 единиц по всё той же шкале Роквелла, у Ст30 в состоянии поставки – уже 44, у проката Ст35 – 47, Ст40 – 53, Ст45 – 57, Ст50 – 59, Ст55 – 61. Стали с содержанием углерода менее 0,3% по массе не поддаются закаливанию – из них изготавливают проволоку и гвозди.

Однако у некоторых высоколегированных и среднелегированных сталей твёрдость по Роквеллу может колебаться в значительных пределах (в режиме закалки и отпускания): 20Х – 55… 63, 65Г – 45… 47, Х12МФ – 61… 64, 30Х – 48… 54, 38ХА – 60… 61,5. Здесь, опять же, отслеживается аналогичная закономерность: чем больше углерода в сплаве, тем выше твёрдость. Однако вместе с ней растёт и способность крошиться при прикладывании к острию значительной силы при разрезании – с увеличением количества углерода по массе состава.

Для сравнения, твёрдость чугуна, содержание угля в котором превышает 2,14% по массе, преодолевает сама себя как явление: хрупкость чугуна настолько велика, что многие чугунные изделия растрескиваются от удара молотка, чего не происходит со стальными.

Как проверить в домашних условиях?

Общеизвестно, что сталь не царапается большинством цветных металлов. Можно попробовать поцарапать заготовкой стеклянную бутылку или осколок от листового оконного стекла, однако такой метод окажется весьма приближённым.

Проверка твёрдости в домашних условиях достигается попыткой высверлить сломанным, но подточенным заново сверлом из быстрорежущей стали. Если сталь при этом затупится, то твёрдость сплава явно превышает 64 единицы по Роквеллу. Сверлить эксклюзивные приборы, например, дорогостоящие ножи, вряд ли кто возьмётся, но просверлить отверстие в обычной детали, которая после подобного испытания вряд ли потеряет исходную функциональность, можно.

Если сталь легко процарапывается осколком бутылочного или оконного стекла, то перед вами, скорее всего, подделка. Быстрорежущую сталь особой твёрдости нелегко процарапать стеклом. А вот твёрдость победита, к примеру, такова, что победитовое сверло не царапается стеклом – скорее оно само его с лёгкостью процарапает.

Чтобы убедиться, что перед вами стальное сверло, а не победитовое, можно попробовать им просверлить глиняный кирпич или гранитный камень. Если при этом оно быстро затупится, то вы столкнулись с обычным сверлом из стали (оно сверлит лишь дерево).

Быстрорежущее сверло можно проверить на качество, просверлив им стальную деталь. Верно и обратное: заострённым обломком старого быстрорежущего сверла, который был подточен вручную, на напильнике или наждачке, высверливают заготовку с той стороны и в том участке, чьё повреждение не влияет на качество работы детали (например, это некритичная комплектующая вроде части стальной рамы). В этом случае проверяется качество закалки, нормализации, отжига или отпуска. Данный приём позволяет проверить, насколько нарушена технология термообработки отдельных деталей устройства, выдержит ли оно заявленный уровень ударно-вибрационной нагрузки.

Кроме механических способов проверки, присутствуют и термические. Например, инструментальная сталь, из которой изготовлен нож, нагревается до температуры закалки, указанной в инструкции к закаливанию конкретной массы стали. Далее инструмент охлаждается в масле. Затем его нагревают до температуры отпуска – и вновь охлаждают. В описании к определённой марке стали указано, что сталь приобретает определённый оттенок при нагреве – нагревать её нужно, пока она не приобретёт данный оттенок, затем вновь охладить. После отпуска исчезнут все усталостные напряжения, и стальной сплав обретёт ту твёрдость, что указана в его описании.

Если оказалось, что твёрдость далека от ожидаемой, значит, вы столкнулись с подделкой, закалить и отпустить изделие, как это наблюдалось бы с заявленной маркой стали, не удастся. Такие изделия годятся лишь для переплавки в качестве металлолома.

Как повысить?

Повышению твёрдости через закаливание и отпускание не подлежат сорта низкоуглеродистой стали. Даже когда изначально кажется, что масло, прижигаемое к поверхности закаливаемой заготовки, превратится в уголь и этим обогатит процентное содержание углерода, то на самом деле это не так. Сталь должна обладать более чем тремя промилле углерода (по массе), только тогда возможно немного повысить её твёрдость в домашних условиях. Дополнительному закаливанию и отпусканию подвергаются все быстрорежущие составы, относящиеся к инструментальным сталям, а также нержавейки начиная с серии Ст-31Х14.

Перед закаливанием рекомендуется выполнить отжиг. Температура отжига, как правило, ниже, чем во время закалки, но заметно выше, чем при отпускании. Например, сталь У12А обладает твёрдостью 64 по шкале Роквелла. Закаливают при 800 по Цельсию – вначале раскалённый инструмент ненадолго (на доли секунды) опускают в воду, затем – несколько раз на это же время – в масло. Сталь эта раскаляется до светло-красного, для чего достаточно применить большой костёр, к примеру, в шашлычнице или печке из огнеупорного кирпича, либо в самодельной муфельной печи. Причём работать эта печь вполне может от спирали, залитой в огнеупорную глину или даже помещённой в керамику. Но в качестве источника нагрева допустимо и использование паяльной лампы – например, газосварки, переведённой из турборежима в режим обычного горения пропана или метана. О том, что раскаливание инструмента происходит штатно, свидетельствует покраснение металла.

Однако, превысив температуру до 1300 и более градусов, велик риск перегреть сплав, из которого изготовлен прокаливаемый инструмент – сталь делается почти белой и окончательно теряет твёрдость.

Сталь инструментальная У8

Расшифровка марки стали У8: буква У говорит о том, что перед нами инструментальная качественная нелегированная сталь, в которой присутствует углерод в среднем количестве 0,8%.

Инструмент из стали У8 и его термообработка: молотки слесарные изготовляют из сталей У7 и У8. Закалке подвергаются боёк и хвост. Нагрев лучше всего вести в соляной или свинцовой ванне. При нагреве молотка в камерной печи сначала закаливают боёк, а потом хвост, после чего попеременно охлаждают до полного потемнения средней части. Для окончательного охлаждения молоток переносят в масло. Отпускают при 260-340° в течение 30-40 мин. Твёрдость R_c = 49 -56. Проверяют твёрдость на приборе РВ.

Для изготовления пневматического инструмента применяют сталь У8 или У7. Закалке подвергают рабочую хвостовую часть. Следует избегать нагрева пневматического инструмента полностью, поэтому лучше всего производить нагрев в соляных или свинцовых ваннах. Рабочую часть закаливают в воде с переносом в масло, а хвостовую часть в масле. После этого инструмент отпускают в зависимости от требуемой твёрдости рабочей части, а именно: зубила, крейцмейсели, пробойники, чеканы и насечки отпускают при 240-270° с выдержкой 30 - 40 мин. Требуемая твёрдость R_c = 56-59.

Обжимки, поддержки, бойки и выколотки отпускают при 270-300° в течение 30-40 мин. Требуемая твёрдость R_c = 53-56. Определяют твёрдость тарированным напильником. Нередки случаи, когда пневматический инструмент в месте перехода с меньшего диаметра на больший во время работы ломается, причём структура излома на глубину 5-8 мм по окружности весьма мелкозернистая, а глубже крупнозернистая. Основной причиной поломок является недостаточная чистота поверхности в местах переходов (риски, царапины и пр.).

Долота станочные изготовляют из сталей У8, У9, 65Х. Место перехода от тонкой части долота к толстой, а также стенки отверстия в полом долоте должны быть закалены на небольшую твёрдость. При несоблюдении этого возможно отгибание долота или поломка его во время работы. Получение небольшой твёрдости переходной части достигается прерывистой закалкой в воде для сплошных долот из углеродистой стали или же полной закалкой с последующим отпуском в соляной ванне до серого цвета побежалости для всех других долот. Хвостовую часть не закаливают. Долота сплошные отпускают при температуре 260-280°, а полые при 320-360°; выдерживают 20-30 мин. Требуемая твёрдость для оплошных долот R_c = 56-58, а для полых R_c = 50-52.

Стамески и долота плотничьи и столярные изготовляют из этих же сталей. Нагрев под закалку производят в печах-ваннах на длину 60-80 мм. При нагреве в камерных печах инструмент замачивают на длину 60-80 мм. Хвостовую часть не закаливают. Отпускают при температуре 250-300° в течение 20-40 мин. Требуемая твёрдость R_c = 53-58.

Клейма изготовляют из вышеупомянутых сталей, закаливают с последующим отпуском при температуре 220-250°. Хвостовик отпускают путём нагрева в свинцовой ванне до серого цвета побежалости. Требуемая твёрдость рабочей части R_c =54-58.

Обзор стали марок У7 и У7А

Сталь У – один из подклассов инструментального сплава. Она является одной из самых твёрдых по характеристикам. У7А не относится к наиболее твёрдым, однако она нужна, например, в тех деталях сложных инструментов, где высокое легирование ни к чему.

Состав и расшифровка

Наиболее твёрдым из видов стали является как раз инструментальная. По определению даже новичок поймёт, что из неё можно сделать, например, пассатижи или клещи и т. д. Инструментарий, будучи подразделённым на конкретные орудия труда как таковые, сортируется и по конкретным разновидностям инструментальных стальных сплавов. Однако из У7А изготавливают далеко не всю технологическую оснастку. К примеру, резаки типа пильных полотен (они являются расходниками) производят из быстрорежущей стали Р-линейки, а не из сплавов У. Последний буквенный маркер – А – значит, что стальной сплав улучшенный: специальная выплавка лишает его избытка серы и фосфора.

Дело в том, что данные примеси способствуют дополнительному охрупчиванию стали. Особенно здесь отличается сера: она портит железо, делает его хрупким, а фосфор способствует укрупнению зернистости стали, придавая составу большую склонность к отломам, сколам, трещинам. Высокий спрос на сталь У7 поддерживается благодаря её относительно большей жаростойкости и жаропрочности: по сравнению с чёрной сталью, обладающей обыкновенным уровнем качества (например, трубу или ванну из чёрной стали легко проломить кувалдой), состав У7А сохраняет свои режущие свойства при некотором перегреве, от которого чёрная сталь уже превратилась бы в «пластилиновую», почти моментально затупившись. Цифра 7 – 0,7% угля (содержание углерода) в составе. Но туда также дополнительно входят и следующие примеси: 3 промилле кремния, 2,5 промилле марганца, столько же никеля, меди (соответственно), 2 промилле хрома.

Сера и фосфор не превышают 0,3 промилле – по отдельности, для каждого из этих двух компонентов. Если их удалить (почти) совсем, то сталь У7 потеряет способность к внезапной отломке, при этом производственный процесс получает экономию на отпускании, проводимом с целью уменьшения зернистости (размер микрогранул, которые составляют кристаллическую структуру стального сплава). На практике же полностью бессернистая и бесфосфористая стали встречаются так же редко, как чистое железо, – в основном лишь в лабораториях. Поэтому любая сталь в некоторой степени сохраняет свою ломкость (т. н. красноломкость), что учитывается мастерами при разработке определённых изделий.

Характеристики и свойства

Химический состав сплава У7А таков, что отпускная склонность к охрупчиванию у стали данной марки почти полностью отсутствует. Начинают ковать сталь, подогрев и остудив её до 1180 градусов, прекращают – при 800: к этому моменту металл окончательно теряет заявленную ковкость. При площади сечения ниже 100 мм2 заготовки из данной стали охлаждаются методом естественного остывания. Большие размеры – 101… 300 мм2 – потребуют постепенного остужения вместе с погашенной (остывающей) печью. Это необходимо, чтобы заготовки прокалились и отожглись, а затем отпустились в достаточной мере.

Нарушение технологий выплавки, ковки и поствыдержки грозит большей коррозией в процессе эксплуатации, участившимися случаями слома, скалывания конструкций. Сплав У7А, приняв свои свойства после полного затвердевания и остывания, хорошо отшлифовывается. Плотность состава – 7,83 г/с3. С ростом температуры до 900 градусов теплопроводность стали У7 снижается с 46 до 29 ватт на метр длины (при нагревании на один градус), экстремумов, имеющих место при изменении закономерности с «провалами» в обратную сторону, нет.

Долгосрочная прочность на сжатие, разрушение – 180 МПа, мгновенная (момент деформирующей силы) – порядка 600. Сплав У7 не является флокеночувствительным.

Сортамент и аналоги

По выпускаемой продукции стальные изделия У7 отсортированы в соответствии с ГОСТ, действующим в России. Так, ленточная сталь до 1 мм изготавливается по нормативам ГОСТ 10234-1977. Для каждого подвида продукции справедлив свой норматив. Но выпуском ленточного железа сталь У7 не ограничивается: в России производят листовую и полосовую заготовки, сортовые и фасонные комплектующие, включая всевозможный прокат, характерный для данного сплава. Листы и полосы соответствуют нормативам ГОСТ 4405-1975. Заменяет сталь У7 родственный ей состав – У8.

Применение

Кроме топоров, из У7А производят стамески, долота и т. д., в качестве пневматических инструментов – бойки отбойников, в качестве дополнительного ручного инструментария – зубила, молотки, кувалды, отвёртки, пассатижи, бокорезы, кузнечные штамповщики, игольные проволоки для швейных и технических игл и т. д.

Термообработка

Закаливание может производиться с охлаждением в воде, при этом структура состава обретает мелкозернистость. Лучшая среда для резкого охлаждения во время закаливания – масло. Закалка недопустима в масляной отработке – структура последней представляет собой разрушенные молекулы углеводородов, которые склонны полимеризоваться, в результате технологический процесс закаливания окончательно нарушится, сталь окажется либо недозакалённой, либо отпущенной. Температура нагрева под закалку – порядка 800 градусов. Состав выдерживает температуры до 1270 градусов по Цельсию, отпуск состава производят при температуре примерно в 420 градусов. Полностью обработанный сплав обретает твёрдость по Роквеллу в 65 единиц. Деформация при околопиковом воздействии в 500 и более мегапаскалей на заготовку увеличивает скорость изменения её формы до 1 см/мин. Отжигание выполняется при средней температуре в 760 градусов по Цельсию.

Сварочные работы по стали У7 проводить без предварительного низкотемпературного отжига – хотя бы до 150 градусов – нельзя. В первую очередь это обусловлено минимальным количеством хрома, формирующего при завышенной дозировке в сплаве прочную окисную плёнку на его поверхности. Зачищать и подогревать до температуры в 300 градусов соединяемые заготовки всё же необходимо: сварочный шов в противном случае легко развести и сломать, а в ответственных конструкциях это недопустимо. Свариваемость инструментальной стали У7 в конструкциях и сооружениях, несущих большие и постоянные нагрузки, недопустима. По мере удаления точки измерений в разогретом до температуры закаливания состоянии от поверхности (или торца) заготовки твёрдость опускается с 43 единиц по Роквеллу, а ближе к центру, сердцевине – и вовсе падает до 29 единиц.

После правильных закалки и отжига сталь обретает на поверхности величину твёрдости в 65 единиц по шкале Роквелла.

Сталь У7 (У7А)

Сталь У7 (У7А) – нелегированная высокоуглеродистая сталь, используемая в основном для изготовления рабочих инструментов. Распространённый материал, имеющий множество зарубежных аналогов и обладающий хорошим соотношением цены и качества.

Характеристики

Наиболее характерные свойства материала проявляются в зависимости от процентного содержания углерода. Сплавы с относительно малой долей углерода (0,6-0,7%) имеют трооститную структуру, сплавы с высокой долей (от 1% и выше) – мартенситную.

Вторичные свойства (например, склонность к повышенной хрупкости при изменении температуры) проявляются при повышении концентрации некоторых дополнительных элементов в сплаве и одинаковы для всей линейки инструментальных сталей.

Плюсы

низкая стоимость;
хорошее сопротивление пластической деформации;
отсутствие хрупкости при охлаждении после отжига;
оптимальные вязкость и твёрдость для возможности быстрого изготовления множества инструментов.

Минусы

Сплав У7 обладает низкой износо- и теплостойкостью: при нагреве готового инструмента до температуры свыше 200 °C теряется твёрдость материала;
Из-за крупного зерна прочность бывает несколько ниже, чем у быстрорежущих видов.

Расшифровка

Название любой марки стали кратко описывает её состав, в том числе количество посторонних примесей. Так, для стали У7А:

буква «У» указывает на то, что перед нами углеродистая (высокопрочная и нелегированная) сталь;
цифра 7 – коэффициент процентного содержания углерода, в данном случае составляющего 0,7%;
буква «A» маркирует материал как высококачественный, с содержанием примесей (серы и фосфора) не более 0,025%.

Более редкие маркировки «АА» или «А-А» будут обозначать особо чистый сплав – до 0,015% примесей. Допустимое же количество примесей в материале без подобных маркировок (например, У7) – 0,035%.

Разновидности инструментальных нелегированных сталей с повышенным содержанием марганца могут дополнительно помечаться буквой Г – например, У8ГА.

Химический состав

Примерное процентное соотношение компонентов для стали У7:

C	Mn	P	S	Si	Cr	Ni	Cu	Fe
0,65-0,74	0,17-0,33	Физические свойства

Сталь У7/У7А не подвержена отпускной хрупкости, не склонна к поражению флокенами. Не используется для сварки. Обладает хорошей шлифуемостью.

Ковка слитков проводится при температуре 1150 °C с последующим понижением до 800 °C.

Некоторые физические свойства напрямую зависят от количества примесей в материале. Например:

избыток серы повышает хрупкость материала в горячем состоянии (красноломкость);
избыток фосфора – хрупкость при пониженных температурах (хладноломкость);
наличие марганца в сплаве положительно влияет на ковкость, но его избыток также приводит к хрупкости и растрескиванию.

Сфера применения

Сталь У7 применяется в изготовлении инструментов для работы по дереву, а также других инструментов, подвергающихся ударным нагрузкам, при использовании которых не происходит разогрева режущей кромки или экстремального давления: молотков, топоров, отвёрток, плоскогубцев, кусачек. Также может использоваться для изготовления измерительных или штамповых инструментов.

Аналоги

Близкими по назначению и составу будут сплавы У8, У9 и их разновидности.

Эквивалентные по составу материалы могут иметь собственную маркировку в соответствии со стандартами страны-производителя.

Регион	Стандарт	Эквивалент
ЕС	EN	CT70
Германия	DIN	C70W
Франция	AFNOR	Y170
Италия	UNI	C70KU
Австрия	ONORM	K970
Чехия	CSN	19132
Польша	PN	N7
Китай	GB	T7
Япония	JIS	SK7

Знание этих стандартов поможет сделать правильный выбор при покупке или производстве собственного инвентаря.

Читайте также: