Высокоуглеродистая сталь и ее особенности

Почему она востребована? Высокоуглеродистая сталь постоянно используется в самых разных областях промышленности. Это легко объясняется ее положительными свойствами, обусловленными самим составом сплава, – в основном твердостью и прочностью.

В чем особенности? Использование данного материала оправдано далеко не всегда, так как у него есть определенные минусы. Сплав плохо режется, имеет некоторые проблемы со сваркой, обладает низкой пластичностью. То есть прежде чем использовать такую сталь в каких-либо целях, нужно предварительно разобраться в ее качественных характеристиках.

Свойства высокоуглеродистой стали

Сталью принято называть сплав железа с углеродом, в состав которого также могут входить те или иные легирующие добавки. В зависимости от процентной доли углерода стальные сплавы бывают малоуглеродистыми, среднеуглеродистыми и высокоуглеродистыми. К последним относятся марки стали с этим показателем от 0,6 до 2,14 %.

С увеличением содержания углерода в стальных сплавах феррит в их кристаллической структуре замещается цементитом, что обуславливает высокую прочность и твердость высокоуглеродистой стали, однако наряду с улучшением этих характеристик имеет место снижение пластичности металла. Сказанное относится к разновидностям с углеродистостью меньше или равной 1 %. При больших значениях происходит формирование вторичной цементитной сетки, которая делает металл менее прочным.

На характеристиках стальных сплавов также сказываются вредные примеси, с увеличением процентной доли которых в составе металла снижается его качество. Существует ряд добавок, улучшающих отдельные свойства стали. Некоторые примеси не подлежат полному удалению из состава сплава по причинам технического характера. Речь идет о водороде, кислороде, азоте, кремнии, фосфоре, сере и марганце, присутствие которых в расплаве связано с особенностями технологии.

При исходно невысоких данных показатели стального сплава могут быть существенно улучшены путем введения в состав большего количества углерода. Добавление другого полезного элемента – марганца – позволяет повысить прочность, износостойкость и способность закаливаться, образуя мартенсит. Кроме того, эта добавка способствует нейтрализации вредного воздействия серы, которая в слишком больших концентрациях вызывает растрескивание металла при пластическом деформировании (ковке). Указанные свойства делают марганец одним из обязательных компонентов качественных типов стали.

С увеличением углеродистости стальных сплавов меняются и некоторые другие характеристики – происходит снижение сопротивления деформации и возрастание электрического сопротивления. Избыток углерода может привести к повышению хрупкости металла. Сплав на основе железа, содержащий более 2,4 % углерода, принято называть чугуном.

Состав высокоуглеродистых типов стали обуславливает их особенности, одна из которых – растрескивание сварных швов, происходящее из-за того, что термическое воздействие приводит к формированию зон локальной закалки. О правилах, соблюдение которых позволяет выполнять сварку деталей из стальных сплавов с высоким содержанием углерода, поговорим позже.

Способы получения материала

Промышленное производство стальных сплавов было невозможным вплоть до XIX века. Причина заключалась в том, что с помощью доменных печей нельзя было достичь температуры, достаточной для их выплавки. Повысить углеродистость металла можно было путем ковки и длительного продувания мехами, что приводило к восстановлению из оксидов. Для того чтобы сократить долю углерода, использовали окисление при высокой температуре, сопровождавшееся обезуглероживанием стали с образованием углекислого газа.

Со временем металлургия развивалась, что привело к появлению трех новых технологий выплавки:

• Мартеновские печи. Повторное использование нагретого воздуха с помощью регенератора было предложено Пьером Мартеном. Повышению качества выплавляемого металла способствовало также применение марганца для очистки расплава от фосфора. Внедрение этих технологий позволило изготавливать из полученного металла прочные оси и рессоры, что стимулировало развитие железнодорожного транспорта. Последняя печь такого типа была остановлена в 2018 году.
• Бессемеровские конвертеры. В таких установках вырабатываемая в ходе окислительной реакции энергия и продувка газом позволяют поддерживать расплавленный металл в жидком состоянии. С помощью этой технологии изначально получали чугун, очищенный от фосфора и серы. Для пропускания воздуха через расплав предусмотрена возможность вращения яйцевидного конвертера.
• Электрические печи. Применение таких установок дает возможность осуществлять выплавку металла в окислительной, восстановительной или вакуумной средах. Дуговые и индукционные технологии плавки отличаются быстрым достижением требуемой температуры и существенным сокращением вредных выбросов. Процесс может проходить с использованием окисляющих добавок или без окисления примесей – это зависит от используемого сырья и требуемых характеристик готового металла.

Маркировка сплавов

Действующая в РФ система обозначений предусматривает маркировку стальных сплавов, которая соответствует их химическому составу. Основные элементы и примеси должны содержаться в высокоуглеродистых типах стали в процентных долях, регламентируемых межгосударственным стандартом ГОСТ 1435-99.

Наряду с химическим составом высокоуглеродистого сплава маркировка дает возможность правильно оценить характеристики металла, а значит, облегчает подбор материала для изготовления конкретных изделий. Для нанесения маркировки, которая состоит из буквенных и числовых обозначений, используется специальная несмываемая краска.

Инструментальные марки высокоуглеродистой стали, количество углерода в которых не превышает 0,75 %, содержат в начале маркировки буквенное обозначение «У». По цифрам, которые следуют за ним, можно определить углеродистость стального сплава (указываются десятые доли процента).

Кроме того, в маркировке, которая наносится на продукцию из высокоуглеродистой стали, могут указываться:

• буква «А» указывает на принадлежность высокоуглеродистого сплава к категории стали высокого качества;
• буквой «Ш» принято обозначать сплавы особо высокого качества;
• буквами «сп», «пс» и «кп» обозначаются разные степени раскисления стали (спокойная, полуспокойная и кипящая).

Помимо углеродистости на характеристиках высокоуглеродистого стального сплава существенно сказывается наличие и процентная доля марганца, который делает металл более прочным, прокаливаемым и устойчивым к изнашиванию. Наличие марганца в составе подавляющего большинства марок высокоуглеродистых стальных сплавов объясняется существенным положительным влиянием на характеристики. При содержании, превышающем 0,8 %, в маркировке за указанием процентной доли углерода следует буква «Г».

Состав и характеристики металла играют важную роль при выборе способов обработки. Заготовки маркируются в соответствии с содержанием таких добавок, как медь, никель и хром (до 0,05 %). Эта информация учитывается, когда из стали изготавливаются:

1. любые детали, за исключением патентированной проволоки из углеродистой стали;
2. лента и проволока;
3. детали, подлежащие дальнейшей термической обработке (сказанное не относится к проволоке и сердечникам).

Никель и хром в качестве добавок в составе тонкого листового металла могут затруднять его холодную обработку. Такие типы стали не используются в производстве ленточного проката. В зависимости от назначения стального сплава техническая документация должна содержать сведения о:

• термической обработке (ТО) – прошедший закалку металл;
• нагартовке (НГ) – металл с повышенной прочностью поверхности;
• группе по назначению (холодное волочение, горячий прокат, ковка);
• шкале прокаливаемости (в баллах) – этот параметр важно учитывать при производстве таких изделий, как сердечники и режущий инструмент;
• оценке структуры стального сплава (в баллах) – сетка вторичного цементита может ухудшать характеристики инструментальных сталей.

Правила сварки высокоуглеродистых типов стали

При сварке деталей из высокоуглеродистой стали необходимо обеспечить их прогрев до требуемой температуры (от +150 °С до +400 °C) и последующую термическую обработку металла швов.

При несоблюдении этих требований высока вероятность формирования химических неоднородностей, растрескивания металла швов и околошовной зоны, склонности соединений к хрупкому разрушению. Также при сварке необходимо обеспечить следующие условия:

1. нагретые детали следует подвергнуть отжигу, постепенно снизив их температуру до +20 °C;
2. нельзя производить сварку на сквозняке, а температура воздуха в рабочем помещении должна быть не менее +5 °C;
3. для формирования прочных соединений переходы между соединяемыми элементами должны быть максимально плавными;
4. шов должен формироваться узкими валиками с обязательным остыванием каждого наплавленного слоя;
5. соединенные сваркой конструкции из высокоуглеродистых типов стали должны охлаждаться естественным путем на открытом воздухе.

Также нередко пользуются сваркой под флюсом, нанести который равномерным слоем вручную проблематично, поэтому чаще всего используется автоматический способ нанесения. Сформированная флюсом плотная оболочка обеспечивает надежную защиту сварочной ванны от внешних воздействий.

Сварку осуществляют переменным током, используемые для этого трансформаторы обеспечивают формирование устойчивой дуги. При такой технологии существенно снижается разбрызгивание, что позволяет добиться минимальных потерь металла.

При газовой сварке происходит выгорание углерода и формирование закалочных структур, отрицательно сказывающихся на качестве швов, а значит применение этого способа для соединения элементов ответственных конструкций недопустимо. Следует использовать нормальное или малое пламя мощностью не более 90 м3 ацетиленовой смеси в час. Для уменьшения времени нахождения металла в расплавленном состоянии рекомендуется применять левый метод сварки.

Области применения сплавов

Применение высокоуглеродистой стали обусловлено ее отличными механическими характеристиками. Марки 55, 60 и 70 используются для изготовления высокопрочной проволоки, тросов, штоков, пружин, режущего инструмента, деталей специальной техники и т. п. Также из стали с высоким содержанием углерода изготавливают рубленую, литую или колотую дробь, которая используется в качестве абразива в металлообработке.

При изготовлении деталей из конструкционных марок 15, 35, 45 и 50 их подвергают цементации для повышения твердости и стойкости к изнашиванию. Такой металл идет на изготовление валов, зубчатых колес, метизов, напильников и других изделий, эксплуатация которых связана с трением.

Из марок ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, содержащих хром в качестве легирующей добавки, изготавливают детали подшипников. Из высококачественных инструментальных типов стали изготавливают резцы, зенковки, развертки, сверла и другие инструменты для металлообработки.

Высокоуглеродистые нержавеющие типы стали объединяют в себе преимущества этих двух классов стальных сплавов, сочетая устойчивость к ржавлению и высокую твердость. Благодаря способности хорошо держать заточку режущей кромки такой металл широко используется для изготовления ножей.

Суммируя сказанное, следует еще раз подчеркнуть важность маркировки, изучив которую, можно подобрать оптимальный металл для каждой конкретной задачи. Отличные характеристики высокоуглеродистой стали делают ее материалом, который получил широкое применение в самых разных областях – от промышленного производства до изготовления штучных ножей высочайшего качества.