Вуглецеві інструментальні сталі: види, застосування, ГОСТ
Характеристики, якими відрізняються вуглецеві інструментальні сталі, дозволяють успішно використовувати цей матеріал не тільки для виготовлення інструменту різного призначення, але і для виробництва прес-форм для лиття, вимірювальних засобів, а також інших виробів, до точності геометричних параметрів яких пред’являються підвищені вимоги.
Властивості вуглецевих сталей дозволяють застосовувати їх при виготовленні прес-форм для високоточного литва
Основні особливості
Сучасна металургійна промисловість виробляє сталь в значних обсягах, оскільки це один з основних конструкційних матеріалів. Частка сталей, склад яких збагачений легованими елементами, що становить в даному обсязі тільки 10%, інша частина – це конструкції та вироби із звичайних вуглецевих сплавів. Даний факт свідчить про те, що саме вуглецеві сталі можна назвати основним матеріалом, використовуваним в сучасній промисловості.
Вироби з вуглецевих сталей оточують нас всюди
Широка поширеність вуглецевої сталі пояснюється:
- невисокою вартістю виробництва;
- хорошою оброблюваністю різними методами (різанням, тиском, зварюванням);
- хорошими експлуатаційними даними.
Інструментальні сталі, що відносяться до сплавів вуглецевої групи, що відрізняє складний хімічний склад, основу якого (97-99,5%) становить залізо. Крім останнього, у них містяться такі елементи:
- хром, нікель і мідь (їх додають спеціально);
- сірка, фосфор, азот, кисень, водень (дані елементи присутні в інструментальної стали тому, що їх зовсім неможливо видалити при її очищенні);
- марганець і кремній (їх поява визначається особливостями виробництва вуглецевих інструментальних сталей).
Вміст основних хімічних елементів у вуглецевої сталі
Значний вплив на характеристики інструментальних сталей має вуглець, який навмисно вводиться в їх склад. Від кількості цього елемента залежить модифікація структури сплаву. Так, у інструментальних сталей, у складі яких менше восьми десятих відсотка вуглецю, перлитная і феритної внутрішня структура, більш восьми десятих відсотка – цементитная і перлитная, рівно вісім десятих відсотка – повністю перлитная.
Велика кількість вуглецю в складі вуглецевих інструментальних сталей визначає такі їх характеристики:
- невисоку пластичність і хорошу ударну в’язкість;
- виключно високу міцність;
- стійкість до холодної механічної обробки.
Твердість металопродукції з вуглецевих сталей
На характеристики сплавів, які містять у своєму складі значну кількість вуглецю, негативний вплив мають оксиди заліза. Щоб зменшити цей вплив, до складу вуглецевих сталей спеціально вводять наступні елементи:
- кремній (частина обсягу даного елемента перетворюється у форму силікатних включень, решта його кількості повністю розчиняється у фериті);
- марганець (використовується для розкислення залізо-вуглецевого сплаву, але при цьому вирішує й інші важливі завдання: видалення з фериту і цементиту, що становлять основу сплаву, сполук заліза з сіркою, які вкрай негативно впливають на його якість; підвищення міцності металевих листів, отриманих з гарячекатаної технології).
Допустимі відхилення за хімічним складом в прокатних виробах, призначених для подальшої переробки
Методи виробництва
Найбільш ефективним і економічним способом виробництва вуглецевих інструментальних сталей, який використовується вже впродовж багатьох років, є киснево-конвертерная технологія. Вона полягає в продувці рідкого чавуну, залитого в конвертер, киснем. Тривалість процесу виробництва по даній технології не перевищує однієї години. Вуглецеві сталі також виплавляється в мартенівських і електричних печах, для цього використовуються конвертери бесемерівського типу.
Виплавка вуглецевої сталі
Отримання вуглецевих інструментальних сталей в конвертерах бесемерівського типу відрізняється високою продуктивністю, але має ряд істотних недоліків. При використанні цієї технології з готового сплаву не вдається видалити всі домішки неметалевої природи. У такій стали міститься значна кількість азоту та інших газоподібних включень, які знижують її щільність і міцність, призводять до швидкого старіння металу. У так званих бессемеровских сталях, крім того, міститься багато фосфору і сірки, видалити які повністю не представляється можливим.
Видалити фосфор і сірку або довести їх вміст в металі до допустимого рівня дозволяє киснево-конвертерний метод. Сталі, одержані за даної технології, також відрізняються невисоким вмістом азоту та інших газоподібних включень. Виплавка вуглецевих інструментальних сталей у мартенівських печах дозволяє отримати схожі характеристики, але дана технологія відрізняється одним великим недоліком – тривалістю реалізації. Щоб виплавити сталь в такій печі, потрібно орієнтовно 11 годин, що негативним чином відбивається на економічній доцільності даного процесу.
Отримати найякіснішу інструментальну сталь, в якій міститься мінімальна кількість фосфору, сірки і кисню, дозволяє технологія, що припускає використання дугових або індукційних електричних печей.
Компактні індукційні плавильні печі лего розміщуються в невеликих виробничих приміщеннях
Дана технологія (найдорожча з усіх існуючих) дозволяє отримувати матеріали, які призначені для виготовлення відповідальних металевих конструкцій. З-за високої вартості цього методу багато металургійні підприємства його не використовують, віддаючи перевагу більш економічним технологій.
Класифікація
Вуглецеві сталі, що відносяться до різних категорій, прийнято розділяти за рівнем якості на наступні типи:
- метал самого високої якості, у складі якого присутній не більше 0,03% сірки і фосфору;
- якісні сталі, які характеризуються таким вмістом шкідливих домішок: фосфор – не більше 0,035%, сірка – не більше 0,04%;
- сталі звичайної якості, у складі яких міститься не більш 0,05% сірки і не більше 0,04% фосфору.
Сталеві сплави, які відносять до категорії інструментальних, можуть бути тільки якісними і високоякісними. Вимоги до конструкційних сталям декілька нижче, в цій категорії можуть перебувати сплави звичайної якості і якісні.
Кількісний вміст вуглецю в сталевому сплаві також надає вплив на те, до якої категорії його відносять. Так, сталі з вмістом вуглецю не перевищує 0,25%, входять у категорію маловуглецевих, рівне 0,6% містять середньовуглецеві, більше 0,6% – високовуглецеві.
Схема мікроструктури вуглецевої сталі залежно від вмісту вуглецю (темне поле — перліт, світле — ферит)
Тип структури вуглецевих сталей також може відрізнятися. В залежності від нього такі сплави підрозділяють на наступні категорії:
- доевтектоідні;
- евтектоїдних;
- заевтектоідні.
Застосування і маркування
До вуглецевої сталі інструментального типу відносять сплави, в яких вуглець міститься в інтервалі 0,65–1,35%. Їх хімічний склад, а також характеристики, яким вони повинні відповідати, визначаються положеннями ГОСТ 1435-74 (є в редакції від 1999 року).
Ознайомитися з усіма вимогами ГОСТ до інструментальних сталей можна, скачавши даний документ у форматі pdf за посиланням нижче.
ГОСТ 1435-74 Сталь нелегированная інструментальна. Технічні умови
Скачати
Сфери призначення вуглецевих інструментальних сталей
Застосування вуглецевих інструментальних сталей пов’язано з виробництвом:
- різців, ножівкові полотен, напилків, вимірювального інструменту (марки У11-У13А);
- інструменту пневматичного типу, зубил, кусачок різних типів, пасатижів, молотків (У7 і У7А);
- мітчиків, плашок, розгорток, свердел, матриць для холодного штампування (У9-У10А);
- пунсонов, інструментів для зенкування, фрезерування і обробки деревини, ножів, штампів (У8 і У8А).
Щодо маркування вуглецевих інструментальних сталей можна дізнатися не тільки про те, скільки вуглецю міститься в їх складі, але і про категорії якості, до якої вони належать. Так, позначення У8А, наприклад, говорить про те, що в даному сплаві, який відрізняється підвищеною якістю, міститься 0,8% вуглецю.
Приклади позначення прокату з вуглецевої сталі
При використанні вуглецевих інструментальних сталей слід мати на увазі, що вироби з них піддають обов’язковому відпалу, гартування та наступного відпустки. Дані види термообробки, що проводиться при відповідній температурі, дозволяють оптимізувати структуру таких сплавів і, відповідно, значно покращити показники їх твердості і міцності.
