Углеродистые инструментальные стали: свойства и область применения

Характеристики, которыми отличаются углеродистые инструментальные стали, позволяют успешно использовать данный материал не только для изготовления инструмента различного назначения, но и для производства пресс-форм для литья, измерительных приспособлений, а также других изделий, к точности геометрических параметров которых предъявляются повышенные требования.

Свойства углеродистых сталей позволяют применять их при изготовлении пресс-форм для высокоточного литья

Основные особенности

Современная металлургическая промышленность производит сталь в значительных объемах, поскольку это один из основных конструкционных материалов. Доля сталей, состав которых обогащен легированными элементами, составляет в данном объеме только 10%, остальная часть – это конструкции и изделия из обычных углеродистых сплавов. Данный факт свидетельствует о том, что именно углеродистые стали можно назвать основным материалом, используемым в современной промышленности.

Изделия из углеродистых сталей окружают нас повсюду

Широкая распространенность углеродистой стали объясняется:

• невысокой стоимостью производства;
• хорошей обрабатываемостью различными методами (резанием, давлением, сваркой);
• хорошими эксплуатационными данными.

Инструментальные стали, относящиеся к сплавам углеродистой группы, отличает сложный химический состав, основу которого (97–99,5%) составляет железо. Кроме последнего, в них содержатся следующие элементы:

• хром, никель и медь (их добавляют специально);
• сера, фосфор, азот, кислород, водород (данные элементы присутствуют в инструментальной стали потому, что их невозможно совсем удалить при ее очищении);
• марганец и кремний (их появление определяется особенностями производства инструментальных углеродистых сталей).

Содержание основных химических элементов в углеродистой стали

Значительное влияние на характеристики инструментальных сталей оказывает углерод, который намеренно вводится в их состав. От количества данного элемента зависит модификация структуры сплава. Так, у инструментальных сталей, в составе которых менее восьми десятых процента углерода, перлитная и ферритная внутренняя структура, более восьми десятых процента – цементитная и перлитная, ровно восемь десятых процента – полностью перлитная.

Большое количество углерода в составе инструментальных углеродистых сталей определяет следующие их характеристики:

• невысокую пластичность и хорошую ударную вязкость;
• исключительно высокую прочность;
• устойчивость к холодной механической обработке.

Твердость металлопродукции из углеродистых сталей

На характеристики сплавов, которые содержат в своем составе значительное количество углерода, негативное влияние оказывают окислы железа. Чтобы уменьшить это влияние, в состав углеродистых сталей специально вводят следующие элементы:

• кремний (часть объема данного элемента преобразуется в форму силикатных включений, остальное его количество полностью растворяется в феррите);
• марганец (используется для раскисления железо-углеродистого сплава, но при этом решает и другие важные задачи: удаление из феррита и цементита, составляющих основу сплава, соединений железа с серой, которые крайне негативно влияют на его качество; повышение прочности металлических листов, полученных по горячекатаной технологии).

Допустимые отклонения по химическому составу в прокатных изделиях, предназначенных для дальнейшей переделки

Методы производства

Самым эффективным и экономичным способом производства инструментальных углеродистых сталей, который используется уже на протяжении многих лет, является кислородно-конвертерная технология. Заключается она в продувке жидкого чугуна, залитого в конвертер, кислородом. Продолжительность процесса производства по данной технологии не превышает одного часа. Углеродистые стали также выплавляются в мартеновских и электрических печах, для этого используются конвертеры бессемеровского типа.

Выплавка углеродистой стали

Получение инструментальных углеродистых сталей в конвертерах бессемеровского типа отличается высокой производительностью, но имеет ряд существенных недостатков. При использовании этой технологии из готового сплава не удается удалить все примеси неметаллической природы. В такой стали содержится значительное количество азота и других газообразных включений, которые снижают ее плотность и прочность, приводят к быстрому старению металла. В так называемых бессемеровских сталях, кроме того, содержится много фосфора и серы, удалить которые полностью не представляется возможным.

Удалить фосфор и серу или довести их содержание в металле до допустимого уровня позволяет кислородно-конвертерный метод. Стали, полученные по данной технологии, также отличаются невысоким содержанием азота и других газообразных включений. Выплавка инструментальных углеродистых сталей в мартеновских печах позволяет получить похожие характеристики, но данная технология отличается одним большим недостатком – длительностью реализации. Чтобы выплавить сталь в такой печи, потребуется ориентировочно 11 часов, что негативным образом отражается на экономической целесообразности данного процесса.

Получить самую качественную инструментальную сталь, в которой содержится минимальное количество фосфора, серы и кислорода, позволяет технология, предполагающая использование дуговых или индукционных электрических печей.

Компактные индукционные плавильные печи лего размещаются в небольших производственных помещениях

Данная технология (наиболее дорогая из всех существующих) позволяет получать материалы, которые предназначены также для изготовления ответственных металлических конструкций. Из-за высокой стоимости данного метода многие металлургические предприятия его не используют, отдавая предпочтение более экономичным технологиям.

Классификация

Углеродистые стали, относящиеся к различным категориям, принято разделять по уровню качества на следующие типы:

• металл самого высокого качества, в составе которого присутствует не более 0,03% серы и фосфора;
• качественные стали, которые характеризуются следующим содержанием вредных примесей: фосфор – не более 0,035%, сера – не более 0,04%;
• стали обыкновенного качества, в составе которых содержится не более 0,05% серы и не более 0,04% фосфора.

Стальные сплавы, которые относят к категории инструментальных, могут быть только качественными и высококачественными. Требования к конструкционным сталям несколько ниже, в данной категории могут находиться сплавы обыкновенного качества и качественные.

Количественное содержание углерода в стальном сплаве также оказывает влияние на то, к какой категории его относят. Так, стали с содержанием углерода, не превышающим 0,25%, входят в категорию малоуглеродистых, ровно 0,6% содержат среднеуглеродистые, больше 0,6% – высокоуглеродистые.

Схема микроструктуры углеродистой стали в зависимости от содержания углерода (темное поле — перлит, светлое — феррит)

Тип структуры углеродистых сталей также может отличаться. В зависимости от него такие сплавы подразделяют на следующие категории:

• доэвтектоидные;
• эвтектоидные;
• заэвтектоидные.

Применение и маркировка

К углеродистым сталям инструментального типа относят сплавы, в которых углерод содержится в интервале 0,65–1,35%. Их химический состав, а также характеристики, которым они должны соответствовать, оговариваются положениями ГОСТ 1435-74 (есть редакция от 1999 года).

Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к инструментальным сталям можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.

Сферы назначения инструментальных углеродистых сталей

Применение инструментальных углеродистых сталей связано с производством:

• резцов, ножовочных полотен, напильников, измерительного инструмента (марки У11-У13А);
• инструмента пневматического типа, зубил, кусачек разных типов, пассатижей, молотков (У7 и У7А);
• метчиков, плашек, разверток, сверл, матриц для холодной штамповки (У9-У10А);
• пунсонов, инструментов для зенкования, фрезерования и обработки древесины, ножей, штампов (У8 и У8А).

По маркировке инструментальных углеродистых сталей можно узнать не только о том, сколько углерода содержится в их составе, но и о категории качества, к которой они относятся. Так, обозначение У8А, например, говорит о том, что в данном сплаве, который отличается повышенным качеством, содержится 0,8% углерода.

Примеры обозначения проката из углеродистой стали

При использовании углеродистых инструментальных сталей следует иметь в виду, что изделия из них подвергают обязательному отжигу, закалке и последующему отпуску. Данные виды термообработки, проводимой при соответствующей температуре, позволяют оптимизировать структуру таких сплавов и, соответственно, значительно улучшить показатели их твердости и прочности.