Маркировка и применение различных марок стали

Особенности термической обработки

Термическая обработка при температуре порядка 1200 — 1300 ºC, с последующим отпуском, вызывает дисперсионное затвердевание. В процессе закаливания большая часть карбида Fe3W3C разлагается и переходит в твердый раствор аустенитного или мартенситного типа. Это приводит к насыщению сплава углеродом, вольфрамом и другими легирующими элементами. Отпуск, который выполняют при температурах в 550 — 560 ºC приводит к повышению твердости до максимальных параметров. Это происходит в следствии выделении карбидов и разложение остатков аустенита.

Инструмент сложной формы, в т.ч. тонколезвийный или работающий в условиях переменной нагрузки, например, на прерывистом точении должен обладать высокой прочностью и вязкостью.

Нагревание под закаливание сталей типа Р18 выполняют при таких температурах и временных паузах, которые обеспечат разложение карбидов и упрочнение аустенита. Это необходимо для получения необходимой теплостойкости.

Тонколезвийный инструмент, с размерами режущей части от 3 до 5 мм температура закаливания должна быть ниже на 10 — 20 ºC от максимальной (1250 ºC).

Высокие температуры, которые необходимы для проведения термической обработки впоследствии могут привести к появлению трещин и излишних напряжений. Для того, чтобы избежать этих неприятностей, подогрев материала выполняют в два этапа. Первый нагрев выполняют при уровне температуре 400 — 500 ºC, второй при 800 — 850 ºC. По достижении окончательной температуры, а это 1200 — 1300 ºC, время нахождения детали в зоне нагрева ограничивают. Допустимое время рассчитывают из соотношения 10 — 15 секунд на 1 мм толщины (диаметра). То есть сверло диаметром 5 мм может находиться при таком режиме порядка 50 — 75 секунд.

Время нахождения заготовки на подогреве может быть удвоено в сравнении с пиковой нагрузкой. То есть, то же сверло будет находиться на подогреве порядка 100 — 150 секунд.

Предварительный и финишный нагрев выполняют в соляной ванне. Она заполняется смесью из:

• 78 % ВаСl2 (хлорид бария);
• 22 % NaCl (натрий хлор).

Для предохранения заготовок от окисления раствор раскисляют с помощью фтористого магния.

Отпуск стали проводят также в несколько этапов. Заготовки выдерживают при температуре 550- 570 ºC, причём необходимо провести два — три сеанса длительностью один час каждый

Стали углеродистые инструментальные

Из инструментальных углеродистых сталей получают горячекатаную, кованую и калиброванную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечников, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного деформирования.

Теплостойкость инструментальных углеродистых сталей не превышает 200°С, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следовательно режущие свойства и износостойкость.

Инструментальные углеродистые стали условно можно разделить на две группы (ГОСТ 1435-99): качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13 и высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А.

В качественных инструментальных углеродистых сталях допускается содержание 0,03% серы и 0,035% фосфора, в высококачественных – 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп: 1-я – качественные стали всех марок, предназначенные для изготовления продукции всех видов (кроме патенти- рованной проволоки и ленты); 2-я – высококачественные стали всех марок, предназначенные для тех же целей, что и стали первой группы; 3-я – стали марок У10А и У12А для изготовления сердечников; 4-я – стали всех марок для производства патентированной проволоки и ленты; 5-я – стали марок У7÷У13 для изготовления горяче- и холоднокатаных листов и лент, в том числе термически обработанных толщиной до 2,5 мм (кроме патентированной ленты), а также стали этих марок для производства горячекатаной и кованой сортовой стали и холоднотянутой шлифованной стали (серебрянки).

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью (63÷64 HRC3), значительно превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью и теплостойкостью (способностью сохранять свойства при высоких температурах).

Измерительный инструмент, изготовленный из такой стали, должен быть прочным (ав = 590÷640 МПа), длительное время сохранять заданные размеры и форму. Рабочие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки, пробивки отверстий, накатки, раскатки), сделанные из этой стали, должны иметь высокую твердость, обладать износостойкостью при достаточной вязкости. Все это достигается путем закалки с отпуском, а для измерительного инструмента и за счет искусственного старения. В табл. 12 приведены свойства углеродистой инструментальной стали, в табл. 13- примерное назначение инструментальной углеродистой стали.

Таблица 12. Свойства стали углеродистой инструментальной (ГОСТ 1435 — 74)

Таблица 13. Примерное назначение стали углеродистой инструментальной

Как правило, изготовлению инструмента предшествует отжиг на зернистый цементит, который способствует лучшей обрабатываемости резанием и уменьшает коробление деталей при закалке.

Это интересно: Устройство и сфера применения стального троса — объясняем обстоятельно

Технология изготовления

Изготовление стали в металлургической промышленности производится различными способами. Каждый метод производства отличается, в зависимости от применяемого оборудования. Так, все оборудование для производства углеродистых сталей можно разделить на три типа:

• Конверторные плавильные печи.
• Печи мартеновского типа.
• Электрические печи.

Конверторные

Конверторные печи осуществляют расплавление всего состава сплава. При таком методе расплавленная масса подвергается обработке техническим кислородом. Для очистки раскаленной массы от разнообразных примесей в нее добавляют известь. Так удается превратить примеси в шлак. Во время производственного процесса активно происходит процесс окисления металла. Это провоцирует выделение большого количества угара.

Изготовление углеродистых сталей в печах конверторного типа имеет существенный недостаток. К нему относится то, что при работе происходит выделение большого количества пыли. Это приводит к необходимости установки дополнительных фильтровальных установок, что влечет за собой затраты денежных средств. Несмотря на это, конверторный метод имеет высокую производительность, и широко применяется в металлургии.

Мартеновские

Получение различных марок углеродистой стали с использованием печей мартеновского типа дает возможность получить конечный продукт высокого качества. Производственный процесс происходит следующим образом:

• В специализированный отсек печи загружаются составляющие сплава: чугун, стальной лом и т. д.;
• Весь состав нагревается до высокой температуры;
• Под воздействием температуры все составляющие превращаются в однородную раскаленную массу;
• При плавлении происходит взаимодействие всех компонентов сплава железа и углерода;
• Материал, получившийся в результате химического взаимодействия, выходит из печи.

Принцип работы мартеновской печи

Электрические

Способ получения различных марок углеродистой стали в электрических печах отличается от вышеперечисленных. Его отличие состоит в способе нагрева состава. Применение электричества для разогрева компонентов снижает окисляемость металла. Это значительно уменьшает количество водорода в составе металла, что улучшает структуру сплава и влияет на качество окончательного продукта.

Характеристики быстрорежущих сталей

Быстрорежущие стали – сплавы, которые имеют достаточно большое количество легированных добавок. За счет добавления различных химических веществ свойства металла серьезно меняются. Рассматривая характеристики следует отметить, что материал подобного типа специально создается для эксплуатации при высоком показателе трения, который возникает на момент резания. Состав быстрорежущей инструментальной стали существенно повышает твердость металла, за счет чего он может работать на повышенной скорости.

Основные характеристики быстрорежущих сталей

Характеристики быстрорежущей стали следующие:

1. Высокая твердость. Рассматривая основное назначение подобного металла следует учитывать, что он может использоваться для обработки деталей или заготовок путем резания. Как показывают проведенные тесты, качественная быстрорежущая сталь сохраняет свои основные эксплуатационные качества при нагреве инструмента даже до температуры 6000 градусов Цельсия. Кроме этого быстрорежущая сталь обычного качества может иметь даже меньшую твердость в сравнении с обычным углеродистым металлом.
2. Повышенная стойкость к высокой температуре. Устойчивость к воздействию повышенной температуры определяет то, как долго инструмент сможет работать без изменения своих эксплуатационных качеств. Из-за слишком высокого показателя трения металл может нагреваться, что становится причиной изменения кристаллической решетки. В результате основные свойства быстрорежущей стали могут существенно измениться. Как правило, нагрев становится причиной повышения пластичности и снижения твердости, за счет чего износ поверхности проходит намного быстрее.
3. Устойчивость к разрушению. Режущий инструмент, который может работать на высокой скорости, должен обладать повышенной механической устойчивостью. Кроме этого инструмент может работать при высоком показателе подачи, что позволяет работать на большой глубине резания.

Именно химический состав быстрорежущей стали определяет ее основные эксплуатационные качества.

Состав

В зависимости от количества углерода, разделяют углеродистую и легированную сталь. Наличие углерода придает материалу прочность и твердость, а также уменьшает вязкость и пластичность. Его содержание в сплаве на уровне до 2,14%, а минимальное количество примесей, обусловленное технологическим процессом изготовления, позволяет основной массе до 99,5% состоять из железа.

Примеси, которые постоянно входят в структуру углеродистой стали, имеют небольшое содержание. Марганец и кремний не превышают 1 %, а сера и фосфор находятся в пределах 0,1 %. Увеличение количества примесей характерно для другого типа стали, который называют легированным.

Отсутствие технической возможности полного удаления примесей из готового сплава, позволяет входить в состав углеродистой стали таким элементам как:

• водороду;
• азоту;
• кислороду;
• кремнию;
• марганцу;
• фосфору;
• сере.

Наличие этих веществ обусловлено методом плавки стали: конвертерным, мартеновским или другим. А углерод, добавляется специально. Если количество примесей, трудно отрегулировать, то корректируя уровень углерода, в составе будущего сплава, влияют на свойства готового изделия. При наполнении материала углеродом до 2,4 %, стали относят к углеродистым.

Применение

Углеродистая сталь, благодаря своим свойствам, нашла широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, особенно, в машиностроении. Использование в конструкторских расчетах способности металла сопротивляться нагрузкам и иметь высокие пределы усталости, позволяет изготавливать из углеродистой стали такие ответственные детали машин, как: маховики, зубчатые передачи редукторов, корпуса шатунов, коленчатые валы, поршни плунжерных насосов, технологическую оснастку для деревообрабатывающей и легкой промышленности.

Высокоуглеродистые стали с увеличенным количеством марганца, применяют для изготовления таких деталей, как пружины, рессоры, торсионы и подобные узлы, требующие упругости сплава. Инструментальные сплавы повышенного качества, широко применяют при производстве инструментов, которыми обрабатывают металлы: резцы, сверла, зенковки.

Использование углеродистой стали с низким и средним количеством содержания углерода, нашло применение при возведении металлических конструкций и коммуникаций. Специальные прокатные станы металлургических комбинатов изготавливают, постоянно пользующиеся спросом, различные профили:

• уголки;
• швеллеры;
• трубы;
• двутавры;
• другие, в том числе заказные, виды профилей.

Во всех отраслях широко используется листовой прокат, который отличается размерами, качеством и толщиной изготавливаемых изделий.

Используя специфические свойства углеродистых сталей, их применяют в различных областях народного хозяйства. Знание специфики отличий тех или иных сплавов, позволит грамотно и технологично применить требуемый материал в нужном месте.

Рейтинг: /5 —
голосов

Применение

Применение инструментальных углеродистых сталей во многом зависит от химического состава. Чаще всего применяется для получения:

1. Режущего инструмента. На протяжении многих лет для изготовления инструментов использовали обычную сталь, которая в процессе работы могла нагреваться и быстро изнашиваться. На тот момент устанавливались станки токарной и сверлильной группы, которые могли проводить обработку только при низкой скорости и невысокой подачи. Появление современного оборудования, в частности станков с ЧПУ, привело к повышению требований, предъявляемых к инструменту. Только появление инструментальной стали и твердых сплавов позволило полностью раскрыть потенциал современного оборудования. Также не стоит забывать, что для получения качественных поверхностей должна существенно увеличиваться скорость подачи, повысить производительность можно при увеличении подачи. Современные режущие инструменты могут выдерживать неоднократные циклы нагрева и охлаждения, срок эксплуатации при этом увеличивается в несколько десятков раз.
2. Высококачественных деталей. Примером можно назвать конструкцию ДВС, которая имеет поверхности с точными размерами и шероховатостью. Для того чтобы при эксплуатации подвижные элементы не меняли свою форму по причине нагрева их изготавливают из инструментальной стали.
3. Приборов, применяемых для проведения точных измерений. Для получения небольших деталей с точностью линейных размеров в несколько сотен миллиметров заготовка не должна нагреваться или деформироваться за счет оказываемого давления со стороны режущего инструмента.
4. Литейной прессформы, которая должна выдерживать существенное давление.

Применение углеродистых инструментальных сталей в зависимости от марки

Для изготовления деталей больше всего подходить марка У7 или У7А, для изготовления режущего и другого инструмента У10 или У12. Данная закономерность связана с тем, что для получения режущего инструмента должны использоваться более твердые металлы.

Маркировка углеродистых инструментальных сталей в данном случае указывает на процентное содержание углерода и наличие других примесей.

При холодном прессовании могут применяться марки У10 – У12. Проведенные тесты указывают на то, что их твердость составляет 57-59 HRC. Среди особенностей отметим:

1. Достаточно высокую вязкость.
2. Высокий уровень сопротивления деформациям пластического типа.
3. Повышенная износостойкость.

Если габариты инструмента большие, то могут применяться сплавы, в состав которых включаются полезные примеси.

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: