Углеродистые инструментальные стали – как и зачем производятся?

1 Углеродистые стали – что они собой представляют?

Сталь является главной продукцией современной черной металлургии. При этом из всего объема выпускаемой в настоящее время стали примерно 10 процентов приходится на легированные ее марки, а остальной ассортимент готовой продукции состоит из углеродистых сплавов. Это означает, что именно они представляют собой основной промышленный металлический материал.

Причины популярности углеродистых составов заключаются в относительной дешевизне их производства, а также в хорошем сочетании их технологичности и эксплуатационных характеристик (адекватные затраты на резку, обработку сваркой и давлением).

Интересующие нас инструментальные стали представляют собой сложные сплавы, в которых ключевым компонентом является железо. Данного химического элемента в них содержится до 99,5 процентов (минимум – 97). К другим составляющим сплавов относят:

• никель, хром, медь (их наличие в готовом продукте обусловлено разными обстоятельствами);
• азот, фосфор, водород, кислород, сера (такие элементы остаются в сплаве потому, что их не удается полностью удалить из него);
• кремний, марганец (данные примеси появляются из-за технических нюансов, связанных с процессом выплавки металла).

А вот углерод, который даже в очень малых количествах оказывает существенное влияние на параметры готовой продукции, в углеродистые сплавы вводится специально. Он позволяет модифицировать структуру металла. Она будет перлитной и ферритной в тех случаях, когда углерода в стали имеется менее 0,8 %, цементитной и перлитной при содержании углерода более 0,8 % и чисто перлитной при содержании углерода ровно 0,8 %.

Сплавы с большим количеством углерода характеризуются:

• малой пластичностью и ударной вязкостью;
• превосходной прочностью;
• высоким пределом хладоломкости.

Для нивелирования негативного влияния примесей окислов железа на характеристики готовой стали, содержащей углерод, используется:

• Кремний: в металле он остается исключительно в форме силикатных включений, остальная же его часть (практически вся) растворяется в феррите.
• Марганец: данный элемент также применяется для раскисления стального сплава. Он, во-первых, увеличивает показатель прочности горячекатаных листов металла, во-вторых, удаляет из цементита и феррита соединения железа с серой, которые снижают качество металла. Влияние марганца на характеристики разных марок стали почти всегда идентичное, так как в них он содержится примерно в одинаковых количествах.

2 Как производятся углеродистые стали – краткие сведения

Сейчас наиболее эффективным вариантом производства стальных сплавов считается кислородно-конверторная технология, длительность которой составляет не более одного часа. Кроме того, выплавляют их в электрических и мартеновских печах, конверторах бессемеровского типа.

Получение бессемеровской стали предполагает продувку воздухом чугуна, находящегося в жидком состоянии. Эта методика достаточно производительна, но имеет немало недостатков – выплавленный металл сильно загрязнен примесями неметаллического характера, склонен к быстрому старению, имеет малую прочность, что вызвано высоким содержанием в нем азота и других газов. Кроме того, из бессемеровского металла не удается в должной мере удалить фосфор и серу.

А вот кислородный конвертор дает возможность убрать фосфор и серу до требуемого безопасного уровня. При этом не будет фиксироваться и повышенного содержания азота. Мартеновская технология обеспечивает металлу параметры аналогичные составам, выплавляемым по кислородно-конвертерному способу. Но длительность плавки в мартеновской печи составляет порядка 11 часов, что, конечно же, экономически нецелесообразно.

Максимальное удаление фосфора, серы и кислорода из углеродистых сталей становится возможным при использовании индукционных либо дуговых электрических печей. Металл, выплавленный в таких агрегатах, признается по-настоящему качественным. Он предназначается для изготовления наиболее ответственных конструкций и изделий. Часто углеродистая инструментальная сталь производится именно в электропечах. К сожалению, такая плавка очень дорогая, поэтому многие металлургические предприятия предпочитают производить продукцию по более экономным технологиям.

3 Классификация углеродистых сталей

Готовый металл причисляют к различным группам, учитывая те или иные его показатели. Принято подразделение стали по качеству:

• содержание серы и фосфора менее 0,03 % – высококачественный металл;
• содержание фосфора менее 0,035 %, а серы менее 0,04 % – качественная сталь;
• содержание серы до 0,05 % и фосфора до 0,04 % – продукция обыкновенного качества.

Инструментальные стали могут быть исключительно высококачественными и качественными, конструкционные – качественными и обыкновенного качества.

По содержанию углерода стальные сплавы делят на высоко-, средне- и малоуглеродистые (углерода в них содержится соответственно – более 0,6, ровно 0,6 и не более 0,25 процентов), а по структуре на:

• заэвтектоидные;
• эвтектоидные;
• доэвтектоидные.

4 Углеродистые инструментальные стали – описание и характеристики

Под таковыми понимают сплавы, в которых количество углерода варьируется в пределах 0,65–1,35 % (ГОСТ 1435–99). Используются они для изготовления:

• ножовочных полотен, разных видов сверл, резцов, измерительного инструмента, напильников (марки – от У11 до У13А);
• пневматического инструмента, плоскогубцев, зубил, кусачек, молотков (У7А и У7);
• матриц для штамповки в холодном виде, разверток, сверл, плашек, специальных метчиков (У10А и У10, У9А и У9);
• ножниц, штампов, ножей, фрез, инструмента для обработки дерева, пуансонов, зенковок (У8А и У8).

Из маркировки таких сталей можно узнать, какое в них имеется содержание углерода. Так, если мы видим перед собой сплав с маркировкой У11, это означает, что в нем углерод присутствует в количестве 1,1 %, У8 – 0,8 % и так далее. Литера А, добавляемая в конце, указывает на повышенное качество металла (фосфора в нем содержится не более 0,025 %, серы – не более 0,018 %). В качественных же углеродистых сталях, применяемых для производства инструментов, серы может содержаться до 0,028 %, фосфора – до 0,03 % включительно.

Особенность подобных составов заключается в том, что они могут использоваться при сравнительно небольших (в пределах 200 градусов Цельсия) рабочих температурах. Их теплостойкость, таким образом, является невысокой. При нагреве более 200° режущая кромка инструмента из углеродистых сталей значительно уменьшает показатель своей твердости (до 15–18 HRC с 62–63). Понятно, что с такими характеристиками ни о каком качестве инструмента уже не может идти и речи.

Углеродистый металл для изготовления инструмента всегда отжигается с целью придания изделиям из него высокой твердости и оптимальной структуры. После отжига также в обязательном порядке проводят закалку стали и ее отпуск. Последний осуществляется при определенной температуре (не более 290 °С), конкретный показатель которой обусловлен нужной твердостью инструментов.