Как сделать высокоуглеродистую сталь

Обновлено: 28.04.2024

Высокоуглеродистая сталь не имеет в своем составе легирующих элементов, среди которых находятся хром, ванадий и никель. Стоит отметить, что данный вид стали имеет в своем составе углерод свыше 0,6%. Содержание углерода определяет свойства сталей. Таким образом, с увеличением процентного содержания углерода в составе стали, возрастает предел ее прочности и повышается твердость, но, в тот же момент, снижаются ее пластические свойства.

Углеродистая сталь более устойчива к высоким температурам и сохраняет свои свойства при подогреве до 450 градусов по Цельсию. Она прекрасно воспринимает динамические нагрузки разной тяжести и способна не поддеваться коррозии. В этом случае углеродистая сталь очень легкая и устойчива к износу. Например углеродистой сталью является чугун и его изделия.

Разные виды углеродистых сталей применяются для производства инструментов, деталей для котлов, труб, турбин и других изделий, которые применяются для эксплуатации при высоких нагрузках.

Средне- и высокоуглеродистые стали имеют характерную особенность – образовывать закалочные структуры в сварочном шве и зоне термического влияния, которые могут создавать опасность хрупкого разрушения. Для получения надежных сварочных швов подбирается марка стали в соответствии возможности получения требуемых стабильных механических свойств сварочных соединений.

Высокоуглеродистые стали склонны к хрупкости после воздействия термического цикла сваривания и выражается значительно сильнее, в чем в среднеуглеродистых сталях. Стали данного вида чувствительны к горячим и холодным трещинам. Из-за этого следует обязательно подогревать свариваемый металл до температуры 350 – 400 градусов по Цельсию. После подогрева требует производить отжиг и проводить его до тех пор, пока свариваемое изделие не остынет до температуры 20 градусов по Цельсию.

Изготовление надежных сварочных соединений может затрудняться из-за нависшей опасности образования холодных трещин и повышенной чувствительности сталей данного вида к концентраторам напряжения при статических и динамических нагрузках.

Сварные конструкции проектируются с наименьшей концентрацией напряжений. Радиусы перехода от одного сечения в свариваемой детали к другой должны быть максимальными исходя из допустимых конструктивны соображений.

Для того чтобы повысить прочность сварочных швов высокоуглеродистой стали, следует создавать плавные переходы от одного до другого свариваемого металла. Для стыкового сварочного соединения стоит удалять усиление сварочного шва.

Особое внимание в этом случае нужно уделять проплаву сварочного шва, который имеет более крутой переход от шва к металлу изделия. В случае, когда механическая обработка внутренней поверхности детали для зачистки и проплавления невозможна, то следует проводить комбинированное сваривание без остающейся подкладки.

В таком случае первый сварочный шов производится автоматической аргонодуговой сваркой с использованием неплавящегося электрода без присадки по всей длине сварочного шва, обеспечивая 100% равномерного проплавки металла.

Выплавка и применение высокоуглеродистой стали

Любая сталь — это сплав. В основном он состоит из железа и углерода (обозначается буквой С), и в него могут добавляться различные легирующие элементы, влияющие на физические свойства конечного продукта. Сталь может быть высоко- и низколегированная, особого назначения, кипящая, спокойная и полуспокойная. Бывает мало- средне- и высокоуглеродистая сталь, разделение зависит от количества углерода в их составе. При повышенном количестве углерода, сталь является высокоуглеродистой.

Высокоуглеродистая сталь

От содержания углерода в составе зависят характеристики стали. Он может содержаться в сплаве в количестве от 0,02 до 2,14%. К высокоуглеродистым относятся стали, где количество углерода более или равно показателю 0,6 %. С увеличением количества углерода в составе стали, увеличивается содержание цементита, а феррита уменьшается. Металл становится более твердым и прочным, но теряет пластичность. Такая закономерность применима для стали с содержанием углерода не более 1 %. Если же его процент в составе повышается, то формируется сетка вторичного цементита, что приводит к снижению прочности.

Водороду.
Азоту.
Кислороду.
Кремнию.
Марганцу.
Фосфору.
Сере.

Присутствие данных элементов объясняется методом, которым выплавлялась сталь: кислородно-конвертерным, мартеновским или вакуумным. Углерод же добавляется в сплав намеренно, при его низких исходных показателях. Наличие марганца в стали увеличивает ее прокаливаемость, значительно повышает прочность и износостойкость, устраняет вредное влияние серы, из-за большого количества которой при ковке металл образует трещины. Поэтому марганец присутствует практически во всех типах стали.

При повышении в составе металла углерода меняются и другие свойства сплава. Снижается его ковкость и увеличивается электрическое сопротивление. При очень высоком содержании углерода металл становится хрупким. Не случайно, при содержании углерода в составе более 2,4%, металлические сплавы относят к чугунам. Эти материалы хуже прочих обрабатываются резанием и давлением, у них снижен показатель жидкотекучести. По этой причине конструкционные изделия и детали из такой стали не изготавливают. Она применяется для производства деталей методом отливки, также из такой стали изготавливают проволоку, которую обрабатывают методом штамповки.

Сварка

Способом сварки изделия из высокоуглеродистой стали стараются не соединять. Из-за повышенной температуры в сварном шве и зоне вокруг него возникают трещины, из состава стали выжигается углерод и в области сварки появляются закаленные сегменты, металл становится пористым. В связи с такими особенностями сварочных работ, выполнять их с этим видом стали стоит при крайней необходимости или ремонтных работах. При этом нужно пользоваться электродами с невысокой тепловой мощностью. Сварочная дуга должна быть не окислительного, а восстановительного типа. Отрицательных эффектов сварки можно избежать если предварительно прогреть соединяемые детали до 200-250 градусов.

Маркировка

Буква «У» в начале маркировки обозначает содержание углерода в пределах 0,75%, сталь относящуюся к категории инструментальных, цифры, располагающиеся после буквы означают содержание в стали углерода в десятых долях процента.
«А» в составе маркировки указывает что сплав относится к категории высококачественных сталей.
«Ш» означает, что сталь высокого качества.
Буквы «сп», «пс» и «кп» присутствующие в маркировке обозначают степень раскисления стали, спокойный, полуспокойный и кипящий соответственно.
«Г» означает наличие в сплаве марганца в количестве 0,8% и более.

Маркировка стали дает возможность узнать полную информацию о конкретном виде стали, по характеристикам можно точно подобрать металл для своих целей.

Использование

Высокопрочной проволоки.
Стальной дроби, использующейся для абразивной обработки материалов (рубленой, литой, колотой).
Тросов.
Штоков.
Пружин.
Режущих инструментов.
Деталей землеройных и сельскохозяйственных машин.

Углеродистая качественная конструкционная сталь 15, 35, 45, 50 используется для деталей с последующей цементацией, чтобы повысить твердость, износоустойчивость деталей:

Валов.
Зубчатых колес.
Осей.
Гаек.
Болтов.
Напильников.

Прочие детали, в процессе эксплуатации испытывающие трение.

Марки ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, имеющие легирующую добавку хрома, используют для изготовления подшипников.

Инструментальную сталь повышенного качества широко применяют при производстве металлообрабатывающих инструментов особой твердости: резцов, зенковок, сверл.

Информацию по всем углеродистым металлам можно найти в различных ГОСТ. Как правило, в первую очередь специалисты обращаются к стандартам № 1050 от 1988 и № 380 от 2005 годов, в которых по отдельным позициям есть сноски на иные нормативные документы.

Высокоуглеродистая нержавеющая сталь

Если объединить высокоуглеродистую и нержавеющую сталь для получения высококачественной углеродистой нержавеющей стали, то состав такого металла возьмет лучшее из каждого сплава. Эта сталь устойчива к ржавчине или окрашиванию и она очень твердая. Как правило, этот сплав считается сплавом из высококачественной нержавеющей стали.

Углеродистая нержавеющая сталь имеет хороший край при заточке, и этот твердый металл очень подходит для изготовления ножей. Нож из высокоуглеродистой нержавеющей стали хорошо и долго держит заточку, не темнеет, не впитывает посторонние запахи от приготовляемых продуктов. В нем удачно сочетаются положительные стороны нержавеющей и высокоуглеродистой стали и нивелированы недостатки каждой из них.

Изготовление

Изготовлением металлов и их сплавов занимается металлургическая промышленность. Процесс получения высокоуглеродистой стали — это переплавка чугуна с уменьшением в составе количества серы и фосфора и регулировкой содержания углерода до требуемых концентраций. Различные методы проведения таких процессов позволяют выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Это вид обработки, при котором расплавленный чугун продувается воздухом (бессемеровский метод) или чистым кислородом. При таком способе углерод окисляется и выгорает из сплава, в результате чего чугун постепенно становится сталью.

Бессемеровский метод выплавки стали сейчас не используется из-за невысокого качества получаемого сплава, который в процессе производства насыщался газами и не освобождался от серы и фосфора. Сталь получается прочной, но склонной к быстрому старению.

Мартеновский способ

Это метод, при котором углерод из чугуна выжигается не только с помощью кислорода, но и за счет добавления железной руды и заржавевших металлических изделий. Этот процесс происходит в огромных печах, куда подается горячий воздух и горючий газ. Размер ванн для расплавления первоначальных ингредиентов в таких печах очень велик, они вмещают до 500 тонн жидкого металла. Температура в плавильной ванне достигает 1700 градусов и поддерживается на этом уровне. Выжигание углерода вначале идет под воздействием кислорода, присутствующего в повышенном количестве в горючих газах, а затем посредством оксидов железа. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства. Плавка стали происходит в течение 7 часов, за это время возможна регуляция состава добавлением нужных руд или металлического лома.

Электротермический (вакуумный)способ

Он позволяет выплавить качественную сталь с минимальным количеством посторонних добавок. Преобразование первоначального сырья в сталь происходит в вакуумной среде, без доступа воздуха, из-за чего этим способом изготавливаются металлы намного качественнее, чем при других видах плавки. Благодаря улучшенным свойствам этой стали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Стоимость такого вида обработки металлов дороже, поэтому таким способом изготовления сплавов пользуются в случае технологической необходимости изготовления высококачественного изделия. Для того, чтобы удешевить процесс, используют специальный ковш, который помещают внутрь вакуумной печи и разогревают.

Заключение

Зная и применяя специфические характеристики высокоуглеродистых сталей, их используют в различных отраслях промышленности. Изучение таких свойств и специфики отличий позволит безошибочно использовать требуемый материал.

Семейство конструкционных сталей — основа машиностроения и строительства

Конструкционная сталь — материал особой прочности и пластичности, что обеспечивает высокую сопротивляемость к разрушению изготовленных из нее конструкций. Представляет собой сплав, определенные характеристики которого позволяют использовать многопрофильный материал для изготовления промышленных механизмов и строительных конструкций.

Что такое конструкционная сталь

К механизмам и конструкциям, используемым на предприятиях обрабатывающей промышленности и строительстве, предъявляются высокие требования по качеству и стойкости. По этой причине металл для их производства должен обладать особыми технологическими свойствами для обеспечения безаварийной эксплуатации в различных условиях окружающей среды. Этим требованиям соответствует группа конструкционных сталей, представители которой наделены заданными параметрами химических, физических и механических свойств.

Состав конструкционных сплавов содержит набор полезных добавок – железо, марганец, медь, кремний и другие элементы, но основным параметром, определяющим все свойства стального проката, является углерод. Увеличение содержания углерода в сплаве повышает прочность металла и порог его хладноломкости, что позволяет стальным конструкциям выдерживать суровые климатические условия, а также высокие промышленные нагрузки.

сталь углеродистая качественная;
легированная качественная.

фосфор (P) наделяет металлопрокат способностью к растрескиванию и поломкам по ходу механической обработки (холодной);
сера (S) способствует трещинообразованию под действием высокого давления во время горячей обработки (спектр красного каления).

Применение деталей из углеродистого металла с высоким содержанием фосфора и серы оправдано при необходимости повышения степени обрабатываемости изделия методом резания (автоматные виды сталей).

Маркировка

конгломераты обыкновенного качества, содержащие до 0,05 % вредных добавок, маркируют обозначением «Ст»;
качественный металл, содержащий максимум 0,035% серно-фосфорных примесей, имеет маркировку «Сталь»;
высококачественное металлическое сырье, содержащее до 0,025 % примесей, снабжают завершающей буквой «А»;
особовысококачественные с 0,015 % фосфора и серы маркируют конечной буквой «Ш».

Исходя из сферы применения металлопроката, он бывает строительным (в основном низкоуглеродистый тип) и машиностроительным (средняя и низкоуглеродистая категория). Среднеуглеродистую конструкционную сталь (0,25-0,55 % серы) используют в машиностроении благодаря хорошему сочетанию механических свойств после термической обработки. Металл с низким содержанием углерода применяют для строительных работ по причине хорошей степени свариваемости, низкой склонности к старению.

Углеродистая конструкционная сталь

Качество металлопроката этого типа может быть обыкновенным и высоким. Материал обыкновенного качества более дешевый за счет меньшей очистки от вредных компонентов, отличается большим количеством неметаллических примесей.

Градация по качественному показателю

А – сплавы этой группы не требуют дальнейшей термической обработки, что способствует сохранению заводских свойств исходного металла. Маркировка стандартная – буквы «Ст» плюс цифры, обозначающие степень прочности и пластичности – Ст1, Ст3 и т.п.
Б – гарантированный химический состав материала этой группы поддается раскислению. Маркировка содержит букву «Б» с указанием степени раскисления в конце – БСТ3сп (спокойная), БСт1кп (кипящая). Числом обозначают процент углерода.
В – группа сталей повышенного качества с гарантированным химическим составом выдерживает механическую обработку. Маркируется буквами ВСт1, ВСт3 и т.д. Для производства изделий из металла этой группы потребуется дополнительная обработка, преимущественно сваркой.

Металлопрокат обыкновенного качественного состава применяют для изготовления деталей, требующих сварки, необходимых для работы в условиях небольших нагрузок. Конструкционную сталь этого типа в основном используют в автомобильной промышленности, а также в строительном деле для конструкций массового предназначения.

Металл обыкновенного типа соответствующих марок используют для производства гвоздей, проволоки, заклепок. Из конструкционного материала выпускают оси и валы, работающие под слабой нагрузкой, различные виды крепежных деталей, используют для получения фасонного проката.

Ограничения

Содержание углерода, обозначаемое цифровым индексом, накладывает определенные ограничения на качество, область применения стальных изделий.

Наименование	Свойства изделий, сферы применения
Низкоуглеродистые	Малонагружаемые детали из этого материала отличаются небольшой прочностью при высокой пластичности и уровне свариваемости. Изделия пригодны для штамповки холодным способом, исключив термическую обработку. Из металлического сплава производят сложные детали для автомобилей, ответственные сварные конструкции
Среднеуглеродистые	Среднеуглеродистой конструкционная сталь становится после улучшения методом закалки и горячего отпуска (до 650°С). Эти показатели повышают прочность стальных деталей, но понижают пластичность, что допускает обработку резанием. Улучшенный закалкой материал высокой прочности применяют в машиностроении
Высокоуглеродистые	Для высокоуглеродистых материалов характерен высокий процент марганца. Из такого вида металла производят изделия, которым требуется повышенная упругость, износостойкость (рессоры, пружины). После отжига материал хорошо поддается обработке резанием
Качественные	Конструкционный материал этой категории содержит увеличенную долю примесей – серно-фосфорных, свинцовых добавок. Качественный металл применяют для выпуска деталей, подвергающихся повышенной обработке, не вредящей металлорежущему инструменту. Это класс автоматных сталей, обогащенных серой, фосфором, свинцом, предназначенных для работы на станках-автоматах

Для повышения износостойкости металлоизделий применяют графитизацию, наклеп, наплавку. Подобные методы улучшения параметров конструкционной стали позволяют добиться повышения твердости материала, устойчивости его к износу.

Область применения

Конкретную область применения углеродистого металлопроката определяют его характеристики.

Конструкционные сплавы	Свойства сталей, области применения
Машиностроительный	Применяют для производства автомобилей благодаря высоким механическим свойствам, распространяющимся на весь материал. Детали машин отличаются надежностью, хорошо сопротивляются большим нагрузкам, ударному воздействию, сохраняя повышенную прочность
Строительный	Из углеродистых сплавов изготавливают мостовые конструкции , фермы, оборудование нефте- и газопроводов. Основное требование к сталям конструкционным этого типа – хороший показатель свариваемости при небольшом объеме легирующих компонентов. Повышению прочности способствует легирование кремнием, а также марганцем
Арматурный	Арматурой из стального материала армируют железобетонные конструкции, что способствует повышению их прочности при воздействии нагрузок. Этот тип металла представлен прутками (гладкими, профилированными) и проволокой. В зависимости от требований прочности к конструкциям (предварительно напряженные либо ненапряженные) стальную арматуру упрочняют термической обработкой
Пружинный	Свойства упругости используют для изготовления пружинной стали. Основное требование к металлу конструкционного типа – повышенная текучесть, которая достигается методом закалки с отпуском в температурном режиме до 400°С. Такой уровень температуры обеспечивает наивысшее значение предела упругости. Конструкционные стали для особо нагружаемых пружин усиливают добавкой ванадия и хрома
Шарикоподшипниковый	К изделиям предъявляется требование особой твердости из-за высоких локальных нагрузок. По этой причине для получения металлопроката выбирают высокоуглеродистую сталь. Легкость закалки при низких температурах и применении масла обеспечивают легированием хромом, для улучшения прокаливания вводят кремниево-марганцевые элементы
Цементуемый	Этот вид содержит 0,1-0,25 % углерода, что позволяет использовать их для производства изделий, подвергающихся цементированию. Детали цементуемого и цианируемого класса (болты, шестерни, гайки и т.д.) имеют небольшие размеры при повышенной прочности благодаря введению полезных добавок

Котельная разновидность углеродистых сплавов производится в виде котельных листов двух типов – толстолистовой материал толщиной свыше 4 мм и тонколистовая основа меньше 4 мм толщиной. Из котельного типа стали изготавливают паровые котлы (водогрейные), а также сосуды (паропроводы, коллекторы, трубы), способные выдерживать повышенные температуры (до 450 o С) при высоком давлении пара. Качественный металлопрокат обладает хорошей свариваемостью, маркируются буквой «К» на конце (12К, 16К, 22К и т.д.).

Особенности легированных сплавов

Наряду с углеродистыми качественными сталями, для конструкций в строительстве, а также для деталей машиностроения и приборостроения применяют легированную сталь. Легирование металла (обогащение основного состава полезными добавками) наделяет готовые изделия рядом специальных свойств, улучшает технологические, прочностные, физико-химические качества.

до 2,5-5 % примесей – материал низколегированный;
до 10 % добавок – металл среднелегированный;
свыше 10 % примесей – высоколегированный прокат.

Легированная конструкционная сталь применяется для самых ответственных узлов механизмов, подвергаемых особо тяжелым нагрузкам. Для обеспечения высокой конструктивной прочности такие детали обязательно проходят окончательную термическую обработку для гарантии повышенной прочности.

начинается с двух цифр, обозначающий процентный состав углерода;
русской буквой прописывают конкретный элемент легирования;
следующая за буквой цифра указывает процентное содержание этой присадки;
завершающая буква «А» сообщает, что сталь высококачественная.

Преимущества добавок

повысить прочность, не подвергая изделия термической обработке;
усилить твердость, ударную вязкость, уровень прокаливаемости;
обогатить особыми свойствами (жаропрочность, стойкость к коррозии).

Разные виды добавок улучшают определенные показатели конструкционной стали. Введение никеля способствует повышению ударной вязкости, а в содружестве с хромом обеспечивает способность к глубокому прокаливанию. Подобное сочетание примесей гарантирует равномерное улучшение свойств конгломерата по всей площади сечения.

Недостатки

К недостаткам хромоникелевого улучшения можно отнести вероятность хрупкости после отпускного процесса. Недостаток устраняют путем введения молибдена (0,2-0,4 %). Область применения легированного материала этого вида – крупные цементируемые изделия (валы, шестерни, шатуны) улучшенной прочности, износостойкости, пластичности. Для существенного усиления этих свойств молибден заменяют присадкой вольфрама, которая устраняет также отпускную хрупкость.

Наиболее распространенный дефект конструкционных сплавов – появление флокенов. Это трещины (белые пятна) внутри стальной детали, которые можно заметить на изломах. Флокены снижают усиление механических свойств, превращая сталь в непригодный для использования материал.

Появление тонких нитеобразных дефектов (волосовины) связано со скоплением неметаллических примесей, представляющих собой продукты раскисления. Их направленность отражает текучесть металла под действием давления во время горячей обработки. Преимущественный состав волосовин – силикатные включения.

Изделия из легированных сплавов малоуглеродистого вида часто страдают от межкристаллических трещин. Причина образующихся дефектов связана усадкой, их расположение обычно совпадает с осью слитка. На поверхность трещины не выходят в отличие от волосовин, с целью их устранения поверхность заготовки подвергают зачистке. Для защиты от появления дефектов, ухудшающих качество металла, разработан ряд специальных мероприятий.

Основные марки и категории инструментальных сталей

В его состав стали могут входить различные легирующие добавки — марганец, свинец, хром, никель, фосфор и другие. Главной функцией легирующих добавок является улучшение свойства материала — повышение прочности, снижение коррозийного потенциала, улучшение электропроводности. Особое положение занимают так называемые инструментальные стали, из которых делают различные детали и инструменты (топоры, иголки, зубила, кувалды, молотки и так далее). Но какими физико-химическими особенностями обладают инструментальные стали? Как их производят? И какие существует основные марки таких сталей?

Основные особенности

Инструментальная сталь — это такая сталь, в состав которой входит не менее 0,7% углерода. В ее состав могут входить и некоторые другие легирующие компоненты (свинец, хром, алюминий, никель, фосфор). Однако их содержание в большинстве случаев невелико — менее 0,1%. Так как инструментальные стали содержат повышенное количество углерода, их очень часто называют углеродистыми. Подобное терминологическое словоупотребление не совсем корректно с точки зрения ГОСТ, однако обыкновенные люди часто используют такое название на бытовом уровне.

Качественные сплавы. Главный критерий — низкое содержание серы (до 0,03%) и фосфора (до 0,035%). Низкая концентрация легирующих веществ делает сплав твердым и прочным. Детали из этого сплава не ломаются, не деформируются, сохраняют форму при ударе и нагреве. Качественные сплавы не имеют специальной маркировки в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения стали.
Высококачественные сплавы. Главный критерий — сверхнизкое содержание серы (до 0,02%) и фосфора (до 0,03%). По физико-химическим свойствами высококачественные сплавы повторяют просто качественные. Но за счет более низкого содержания легирующих добавок высококачественные сплавы обладают более высокой прочностью, не ржавеют, не гнутся при нагреве и так далее. Высококачественные сплавы имеют специальную маркировку в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения марки стали.

Сплав инструментальных сталей высокопрочный. Поэтому из него часто делают различные инструменты. Это молотки, отвертки, пилы, оборудование для механических или электронных устройств. За счет прочности сплава инструменты сохраняют свою форму даже при длительной эксплуатации. Чистые инструментальные сплавы обладают пониженными антикоррозийными свойствами, поэтому в состав многих сплавов добавляют легирующие добавки, снижающие коррозийную активность материала. В качестве легирующих добавок применяют хром, вольфрам, алюминий и другие вещества.

Виды углеродистой стали

Инструментальные углеродистые стали стандартного типа. Отличаются средним или высоким содержанием углерода (более 0,7%) и низким содержанием легирующих добавок (суммарно менее 1%). Обладают неплохими физическими свойствами — высокая прочность, устойчивость при ударе или деформации, химическая инертность, низкий коррозийный потенциал. Применяются для изготовления ручных, механических и электронных инструментов.
Легированные. По составу похожи на предыдущую марку, однако содержат повышенное количество легирующих добавок. Содержание легирующих веществ от 1 до 20%. В качестве дополнительных компонентов чаще всего выступают хром или вольфрам. Эти добавки улучшают антикоррозийные свойства материала, что хорошо сказывается на сроке годности деталей. Также в металл могут вноситься и другие добавки — алюминий, марганец, кремний, медь, азот, кобальт, бор, никель. Их назначение — увеличение пластичности, повышение прочности, снижение электрического потенциала, снижение магнитных свойств.
Быстрорежущие. Представляет собой особую разновидность легированного сплава, который прошел специальную финальную обработку. Основные легирующие добавки — углерод (0,7-1,5%), хром (3-4%), вольфрам (0-18%), молибден (0,5-6%), кобальт (0-9%). Материал обладает высокой прочностью и прекрасно сохраняет форму при физической деформации, ударе или высокотемпературном нагреве. Поэтому из него делают различное режущие оборудование — дисковые пилы, ножи, лезвия, хирургические инструменты. Материал проходит многократную закалку, отпуск, что усложняет его производство, увеличивает себестоимость.
Валковые. Материал содержит ряд легирующих добавок (алюминий, кремний, ванадий), улучшающих прочность и пластичность металла. Валковую сталь обычно выплавляют в виде длинных пластин или листов, которые потом нарезаются на нужные детали. Сфера применения — изготовление опорных, прокатных, листовых валков. Также из валковых материалов делают небольшие плоские инструменты для резки металла — обрезные матрицы, пуансоны, ножи, рамные пилы. На финальном этапе обработки материал может проходить отпуск или закалку в цехах для улучшения физических свойств металла.
Штамповые. Материал содержит среднее количество углерода (от 0,7 до 1,5%) и небольшое количество легирующих добавок (алюминий, хром, никель, марганец). Главное отличие материала заключается в том, что на финальном этапе выплавки материал проходит штамповку. Это обуславливает ряд физических свойств материала — повышенная устойчивость, минимальный риск образования трещин, высокая теплопроводность, устойчивость к образованию окалины. На этапе выплавки материал отличается высокой вязкостью, однако после застывания он становится прочным и однородным. Высокая вязкость при нагреве позволяет упростить процедуру штамповки, а также улучшает теплопроводность металла после остывания.

Марки и категории

Различают множество категорий инструментальных сталей — У7, У7А, У8, У8ГА, У9 и другие. Самые используемые материалы марок У7А, У8, У8А и У9, поскольку они отличаются высокой прочностью, устойчивостью к нагреву, не деформируются при ударе. Марки У10 и выше также отличаются хорошей прочностью, однако они становятся пластичными при длительном контакте с высокими температурами, что снижает их универсальность. Основные марки инструментальных сталей:

Категория	Марки	Физические особенности
Углеродистая, стандартная	У7, У7А	Марки отличаются хорошей прочностью, низкой электропроводностью, низким риском коррозии. Подходят для производства деревообрабатывающих инструментов — топоры, стамески, долота. Также могут применяться для изготовления зубил, иголок, плоскогубцев, кусачек, молотков, ручных пил, крючков.
Углеродистая, повышенной прочности	У8, У9 + подвиды	Марки обладают повышенной прочностью, но хуже переносят локальный или общий нагрев. Поэтому их используют для производства деревообрабатывающего оборудования — топоры, стамески, станковое оборудование, пилы, ролики. Также могут применяться для производства мелких деталей, которые не будут подвергаться нагреву — запчасти для часов, иголки, крючки, заклепки, гвозди, болты, шурупы.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, с легирующими добавками или без них	У10, У11 + подвиды	Марки хорошо выдерживают деформацию и локальный нагрев до невысоких температур, отличаются пониженным риском коррозии. Легирующие добавки могут улучшать физические свойства марок (устойчивость к нагреву, пониженный риск коррозии, повышенная пластичность). Основные запчасти — сверла, ленточные пилы, фрезы, ролики, шаберы, напильники. Некоторые марки применяются для изготовления медицинского оборудования, деталей для электронных инструментов.
Углеродистая, повышенной или стандартной прочности, без легирующих добавок	У12, У12А	Марки относятся к категории грубых сталей, отличающихся пониженным классом точности. Сфера применения — производство прочных запчастей или деталей, которые не будут нагреваться до средних, высоких температур. Примеры запчастей — резцы, молотки, топоры, ручные пилы, напильники.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, без легирующих добавок	У13, У13А	Марки относят к группе грубых сталей, которые становятся пластичными при нагреве. Обладают пониженным классом точности, поэтому эти марки используют для производства ручных обрабатывающих инструментов. Примеры — напильники, лезвия, надфили, инструменты для гравировки, хирургическое оборудование.

Особенности закалки, отжига

В первой ванне температура находится в пределах от 400 до 550 градусов. Металл сперва помещаются в эту ванну на срок не более 1 часа.
После равномерного обогрева запчасти деталь переносят в другую соляную ванну, где температура будет на 200-300 градусов выше.
После нагрева деталь вновь переносят в третью ванну, где температура составляет 1250-1300 градусов. В этой ванне проходит финальная закалка металла.

Ступенчатая закалка позволяет равномерно распределить мартенсит, аустенит по всему материалу, что благоприятно сказывается на его физических свойствах. Чтобы расплавить часть аустенита, нужно выполнить финальный отпуск в ванне, температура которой составляет не более 550 градусов. Отпуск рекомендуется повторять хотя бы 3 раза, чтобы снизить количество аустенита ниже критического уровня. Для дополнительной закалки можно также применять технологию обработки холодом. Для этого закаленный металл следует поместить в емкость с жидким материалом, температура которого составляет от -100 до -50 градусов. Низкотемпературная закалка выполняется в один этап, повторная закалка не требуется, что связано с особенностью расплава аустенита при низких температурах.

Несколько слов о маркировке

Все инструментальные стали имеют специальное буквенно-числовое обозначение. По ГОСТ этот код должен наноситься на все упаковки со стальными деталями, а в ряде случаев обозначение должно наноситься и на саму деталь. В случае транспортировки детали на территорию другого государства маркировка наносится в обязательном порядке. Также должны быть учтены государственные стандарты принимающей сторон. Скажем, государство может потребовать, чтобы помимо отечественной маркировки на нее наносился дополнительный код, соответствующий национальному законодательству.

Код ГОСТ имеет следующую структуру: X1 X2 Y Z. Расшифровка будет такой:

X1 — этот показатель отражает высокое содержание углерода в сплаве. Переменная X1 может принимать только одно значение — символ У. Так как инструментальные сплавы содержат повышенное количество углерода, то этот символ указывается всегда. Поэтому по факту у всех инструментальных сплавов код начинает с символа У.
X2 — этот показатель отражает концентрацию углерода в десятых долях процента. Минимальное значение, которое может принимать инструментальная сталь, равно 7 (что ясно из определения этой стальной марки). Формально значение X2 не ограничено, однако по факту содержание углерода в инструментальных сплавах редко составляет более 1,2%. Поэтому обычно переменная X2 находится в пределах от 7 до 12.
Y — этот показатель указывает на наличие легирующих добавок. Основная легирующая добавка — это марганец, из-за которой переменная может принимать значение Г. В качестве легирующих веществ могут также использоваться хром (символ X), вольфрам (символ В) и другие. Обратите внимание, что при отсутствии легирующих добавок переменная Y будет отсутствовать.
Z — этот показатель указывает на категорию сплава (качественная или высококачественная). Если сплав является высококачественным, то ставится буква А. Если сплав является просто качественным, то какие-либо символы не ставятся.

Скажем, у нас имеется деталь марки У8ГА. Символы У и 8 означают, что в состав материала входит повышенное содержание углерода, а точная концентрация углерода составляет 0,8%. Буква Г указывается на то, что в сплаве содержится марганец. Буква отражает тот факт, что сталь является высококачественной.
Теперь рассмотрим другой пример. У нас имеется сплав с маркировкой У12. Символы У и 12 указывают на то, что в составе сплава содержит углерод в концентрации 1,2%. Переменная Y отсутствует — это значит, что материал не содержит легирующие добавки в значительных количествах. Также у сплава нет буквы А в конце кода — это значит, что материал относится к категории качественных (но не высококачественных).

Углеродистые инструментальные стали — стальной сплав, который содержит не менее 0,7% углерода. Материал обладает хорошими физическими свойствами — высокая прочность, хорошая пластичность, низкий риск коррозии, сохранение формы при ударе. Сплав обладает простой выплавкой, что хорошо сказывается на себестоимости материала. Чтобы улучшить свойства металла, в него добавляют различные легирующие добавки — хром, вольфрам, кобальт, алюминий и другие.

Сера и фосфор ухудшают физические свойства материала, поэтому их содержание должно составлять менее 0,03% для серы и менее 0,035% для фосфор. Если металл содержит до 0,02% серы и до 0,03% фосфора, то его называют высококачественным. Из инструментальных углеродистых сплавов делают различные инструменты — молотки, пилы, ролики, отвертки, кусачки и так далее. В зависимости от состава и способов обработки различают несколько категорий стали. Основные типы — стандартная сталь, легированная, быстрорежущая, валковая, штамповая. Популярные марки — У7А, У8, У8А, У9. По ГОСТ инструментальные сплавы должны иметь специальную маркировку в виде буквенно-числового кода.

Выплавка углеродистой стали

По степени раскисления, т. е. содержанию растворенного в металле кислорода, углеродистая сталь может быть кипящей, спокойной и полуспокойной.

Кипящая сталь неполностью раскислена и при застывании слитка продолжает протекать реакция окисления углерода с выделением пузырей СО. Содержание углерода в этой стали колеблется от 0,02 до 0,27%.

Спокойную сталь раскисляют таким образом, чтобы исключить взаимодействие углерода и кислорода во время кристаллизации слитка. При выплавке спокойной стали в основных сталеплавильных агрегатах ее раскисляют марганцем, кремнием и алюминием.

По химическому составу спокойную сталь разделяют на углеродистую и легированную. Углеродистую сталь делят в свою очередь на низко- (

Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает среднее положение между кипящей и спокойной. При кристаллизации полуспокойной стали выделяется небольшое количество СО, достаточное, однако, для устранения образования сосредоточенной усадочной раковины. Выход годного из слитка полуспокойной стали достигает ≥90%, что больше, чем выход из слитков кипящей и, тем более, спокойной стали. Поэтому в последние годы выплавка полуспокойной стали заметно возросла. Полуспокойная сталь содержит до 0,5% С; 0,5—0,9% Mn; 0,5—0,15% Si и выплавляется преимущественно в мартеновских печах и кислородных конверторах.

Технология выплавки углеродистой стали

Углеродистую сталь в дуговых электропечах выплавляют как одно-, так и двушлаковым процессом. Выплавка с двумя шлаками проводится на свежей шихте с окислением и диффузионным раскислением металла в печи под белым, слабокарбидным или известково-глиноземистым шлаком. Выше выплавку стали на свежей шихте рассматривали преимущественно применительно к углеродистой стали. Поэтому ниже отмечены лишь основные моменты выплавки рассматриваемой стали на свежей шихте с двумя шлаками.

Шихта состоит на 85—90% из железистого лома, скрапа, обрези прокатных цехов и на 10—15% из передельного чугуна. В качестве науглероживателя используют также кокс или электродный бой.

Шихту рассчитывают таким образом, чтобы содержание углерода но расплавлении было на 0,3—0,4% выше нижнего предела для стали данной марки. Плавление ведут форсированно с использованием кислородной или газокислородной продувки. Конец расплавления устанавливают по состоянию ванны (отсутствие местного интенсивного кипения), прощупыванием шомполами и по температуре металла, которая должна быть ≥1550° С. Окислительный период заканчивается при содержании углерода в металле, равном нижнему пределу для данной марки стали или еще на 0,03—0,05% ниже, и при содержании фосфора ≤0,015%. Температура металла в конце окисления ванны должна быть ≥1610° С. После окончания присадок железной руды или продувки кислородом производится 10-мин выдержка.

В случае, если восстановительный период проводят под белым шлаком, перед наведением рафинировочного шлака металл раскисляют ферромарганцем и кусковым ферросилицием или силикомарганцем из расчета введения 0,1% Si в металл и марганца на нижний предел. Продолжительность рафинирования под белым шлаком составляст ≥40 мин, под карбидным шлаком 1—1,5 ч. Окончательно металл раскисляют либо полностью алюминием па штангах за 3— 5 мин до выпуска, либо часть алюминия заменяют силикокальцием.

В восстановительный период желательно перемешивание металла при помощи установки электромагнитного перемешивания. Так, например, на 100-т электропечах Новолипецкого завода установки электромагнитного перемешивания включают в следующие моменты:

в окислительный период до достижения металлом 1600° С
при хорошем состоянии подины;
при скачивании шлака;
при раскислении металла;
за 5 мин до взятия проб и замера температуры.

Такой режим работы установки электромагнитного перемешивания не влияет на стойкость подины и откосов электропечи.

В практике отечественных и особенно зарубежных заводов широко применяется выплавка углеродистой стали в электропечах одношлаковым процессом на свежей шихте с окислением.

Доля углеродистой стали в сортаменте дуговых электропечей возрастает. При определенных условиях (относительно дешевой электроэнергии и металлического лома) электропечи становятся конкурентоспособными е мартеновскими печами по выплавке углеродистой стали. На отечественных заводах в связи с большим числом действующих мартеновских печей углеродистую сталь выплавляют преимущественно в этих печах, а электропечи предназначены для выплавки более сложного сортамента.

Сталь с высоким содержанием углерода, после определенной термической обработки, имеет большую прочность, высокую твердость и износостойкость. Эти качества используются при производстве изделий для железнодорожного транспорта и деталей подвижного состава, металлокорда, подшипников и других изделий. Высокоуглеродистую сталь (∼0,5–1,10 % С) выплавляют как в конвертерах, так и в дуговых печах. Плавка такой стали, по сравнению с плавкой стали с более низким содержанием углерода, отличается некоторыми особенностями.

Читайте также: