Высокоуглеродистая сталь и ее особенности

Почему она востребована? Высокоуглеродистая сталь находит широкое применение в различных секторах промышленности. Это связано с ее положительными характеристиками, которые обусловлены составом сплава, в первую очередь, высокой твердостью и прочностью.

Ржавеющие и нержавеющие стали

Эпоха железа началась в IX—VII веках до нашей эры и продолжалась вплоть до I века нашей эры. Затем в Китае начался процесс освоения примитивных методов производства чугуна, который представляет собой сплав железа с углеродом. В то время как в Европе и России производство чугуна начало развиваться только в XIV и XVI веках соответственно. Как следствие, только в последние 200 лет стало возможным создание высококачественной высокоуглеродистой стали.

Изначально в большом объеме использовалась мягкая сталь. Перед приходом высокоуглеродистой стали клинки оружия проектировались толще, чтобы повысить прочность, однако их кромку приходилось постоянно затачивать. Люди, работающие в полевых условиях, были вынуждены носить с собой точильный камень, так как не могли рассчитывать на то, что клинок сохранится острым длительное время.

Высокоуглеродистая сталь была первым типом стали, обладающим существенными преимуществами. Это преобразило как проектирование инструментов, так и их применение. Армии, получившие доступ к высокоуглеродистой стали, имели значительное превосходство над противниками, которые еще использовали менее качественные материалы. Таким образом, углеродистая сталь кардинально изменила сталелитейное производство.

Ярким примером высокоуглеродистой стали является известная дамасская сталь. Производство дамаска было серьезной тайной, передававшейся от мастера к ученику. К сожалению, секреты создания истинной дамасской стали были утеряны примерно к 1750 году. Об этом мы можем поговорить в следующий раз.

Следует отметить, что наряду с дамасской сталью, с тех пор было разработано множество других методов производства высокоуглеродистой стали.

Что такое высокоуглеродистая сталь?

С течением времени термин «высокоуглеродистая сталь» стал использоваться для обозначения стали, не обладающей свойствами нержавеющей стали и содержащей высокое количество углерода. Однако современные нержавеющие стали могут иметь процент содержания углерода, равный таковому в не нержавеющей стали. В настоящее время в производстве ножей почти вся используемая сталь является высокоуглеродистой, за исключением некоторых специфических случаев, таких как метательные ножи. На сегодняшний день многие продолжают пользоваться термином высокоуглеродистая сталь, когда говорят о не нержавеющей стали, поэтому важно уметь различать эти термины в обсуждении различных видов стали.

Как уже упоминалось, высокоуглеродистая сталь состоит из железа и имеет содержание углерода не менее 0,55%. Кроме того, для улучшения различных свойств в сплав могут быть добавлены другие металлы. Однако недостатком углеродистой стали является ее высокая предрасположенность к ржавчине, поэтому многие клинки из данной стали подвергаются специальной обработке, чтобы избежать коррозии. В случае недостаточного ухода за ножами из высокоуглеродистой стали, они могут ржаветь, что в свою очередь может привести к повреждениям и даже разрушению клинков.

Классификация и марки

У ряда уникальных промышленных материалов есть определенные названия, которые могут быть связаны с именами тех, кто их изобрел, или с особыми свойствами. В то же время, большинство других материалов имеют условное обозначение — так называемую марку, в которой закодирована основная информация о составе и свойствах сплава. Марка в этом контексте можно сравнить с разновидностью, в которой состав и структура строго определены и неизменны.

Углеродистые стали традиционно делятся на несколько категорий, основываясь на двух определяющих параметрах: химический состав материала и его функциональное применение. При этом марки, находящиеся в одной группе по первому критерию, скорее всего, будут соответствовать друг другу и по рабочим характеристикам.

По химическому составу

Наиболее важным параметром, который исследуется при анализе любой марки стали, является процентное содержание углерода. Углеродистые стали делятся на три типа:
— 05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2
— 25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6
— 58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13

Низкоуглеродистые стали в основном используются для создания сварных изделий — их небольшой углеродный состав делает их очень пластичными для сварки и не дает образовываться трещинам и флокенам. Они легко поддаются механическим процессам, таким как резка и изгиб, и в целом отличаются низкой прочностью и высокой вязкостью.

Термическая обработка, такая как закалка, не дает значительного результата в увеличении прочности или твердости, однако низкое содержание углерода дозволяет применить специализированные методы химикотермической обработки, например, цементацию. При этом углерод из внешних источников насыщает поверхностные слои, что приводит к изменению реакции на закалку. В итоге поверхность становится чрезвычайно твердой, тогда как внутренняя часть остается мягкой, что помогает ей смягчать напряжения.

Среднеуглеродистые стали — исключительно распространены и популярны благодаря своей универсальности. Они не имеют недостатков, характерных для крайних групп, и при этом обладают собственными преимуществами.

Эти марки стали уверенно относятся к закалке, достигая необходимой прочности и твердости без особых усилий. Но следует быть осторожными при сварке, так как увеличенное содержание углерода может привести к образованию трещин во время кристаллизации шва.

Использование среднеуглеродистых сталей включает производство деталей машин и механизмов, которые постоянно испытывают нагрузки. Сюда можно отнести различные шестерни, рычаги, валы и оси, а также шкивы и колеса. Углеродистые стали, как правило, значительно дешевле легированных сталей, поэтому они предпочитаются в тех случаях, если конечный продукт не будет подвергаться воздействиям коррозии либо экстремальным температурным перепадам. Чаще всего такие стали применяются при работе в обычных производственных условиях.

Конечно, высокоуглеродистые стали крайне не рекомендуются для сварки из-за их высокой склонности к образованию трещин и флокенов, а также из-за остаточных напряжений в области сварного шва. Благодаря высокому содержанию углерода они показывают наилучшие результаты при закалке, достигая высокой твердости и прочности, иногда даже с пружинистыми свойствами.

Наиболее часто такие марки используются для создания специальных машинных деталей, а также для производства пружин различных форм (плоских, витых или тарельчатых) и режущего и слесарного инструмента.

По области применения

Исходя из химического состава, становится ясно, куда каждую марку можно применять более эффективно. На основании этого углеродистые стали делятся на три основные категории по области использования:

Свойства углеродистых сталей

Когда инженеры рассматривают ту или иную марку стали, их интересует химический состав не ради его значения, а как указание на возможные физико-механические характеристики. А именно, именно эти характеристики определяют функциональные возможности материала.

С учетом этой взаимосвязи можно заявить, что каждая марка углеродистой стали уникальна, поскольку имеет собственный и неповторимый набор характеристик.

Прочностные характеристики

Первым критерием, на который ориентируются при проектировании любой конструкции, становится способность материала выдерживать нагрузку. Это комплексная характеристика включает в себя:

• предел прочности — максимально допустимое значение силы, при котором металл начинает разрушаться;
• предел текучести — значение нагрузки, при которой металл начинает деформироваться;
• ударная вязкость — способность сопротивляться резким внешним воздействиям;
• относительное удлинение при разрыве — величина, на которую металл может удлиниться, прежде чем разрываться под действием силы, превышающей предел прочности;
• твердость — свойство сопротивляться внедрению другого твердого тела.

Эти показатели тесно связаны между собой, и анализируя их, можно легко предсказать поведение материала в процессе эксплуатации.

Связь между отдельными механическими характеристиками сплава не всегда линейная. Например, предел прочности на 1,7..2,2 раза превышает предел текучести. Стоит отметить, что чем выше предел прочности сплава, тем меньше может быть относительное удлинение при разрыве.

С механическими характеристиками углеродистых сталей наблюдается тенденция к росту при увеличении содержания углерода, который выступает основным маркером всех возможностей сплава.

Ниже представлена таблица с ориентировочными характеристиками различных категорий сталей в их исходном состоянии.

Способы получения материала

Разработка технологий промышленного производства стальных сплавов стала возможной лишь в XIX веке. Основная проблема заключалась в том, что доменные печи не обеспечивали температур, необходимых для выплавки стали. Увеличить содержание углерода в металле можно было путем повторной ковки и длительной продувки мехами, что способствовало восстановлению из оксидов. А для снижения доли углерода применялось окисление при высоких температурах, которое сопровождалось образованием углекислого газа во время обезуглероживания стали.

С развитием металлургической отрасли появились три новых технологии для выплавки стали:

• Мартеновские печи. Эта технология, использующая повторное использование нагретого воздуха посредством регенератора, была предложена Пьером Мартеном. Качество выплавляемого металла также повышалось благодаря использованию марганца для очистки расплава от фосфора. Внедрение этих технологий дало возможность изготавливать прочные оси и рессоры, что, в свою очередь, способствовало развитию железнодорожного транспорта. Последняя мартеновская печь была остановлена в 2018 году.
• Бессемеровские конвертеры. Эти установки позволяют удерживать расплавленный металл в жидком состоянии благодаря вырабатываемой в ходе окислительной реакции энергии и продувке газом. Изначально в таких конвертерах получали чугун, очищенный от фосфора и серы. Разработка механизма вращения яйцаобразного конвертера позволяет пропускать воздух через расплав.
• Электрические печи. Эти установки позволяют добывать металл в окислительной, восстановительной или вакуумной средах. Дуговые и индукционные технологии плавки значительно ускоряют процесс достижения необходимой температуры и одновременно уменьшают вредные выбросы. Процесс может проходить с использованием окисляющих добавок, так и без окисления примесей, в зависимости от исходного сырья и желаемых характеристик конечного металла.

Маркировка сплавов

В Российской Федерации действует система обозначений, которая маркирует стальные сплавы в соответствии с их химическим составом. Главные элементы и примеси в высокоуглеродистых типах стали должны быть присутствовать в определенных процентных долях, что регламентируется межгосударственным стандартом ГОСТ 1435-99.

Маркировка помимо химического состава позволяет оценить характеристики металла, что значительно упрощает выбор материала для дальнейшего производства. Нанесение маркировки, состоящей из букв и цифр, осуществляется специальной несмываемой краской.

Инструментальные марки высокоуглеродистой стали, которые имеют содержание углерода не более 0,75%, начинаются с буквы У. За ней следуют цифры, указывающие на углеродистость сплава (десятые доли процента).

Дополнительно маркировка может содержать:

• буква А указывает на принадлежность сплава к категории стали высокого качества;
• буква Ш обозначала сплавы высшего качества;
• буквами сп, пс и кп обозначаются разные уровни раскисления стали (спокойная, полуспокойная и кипящая соответственно).

Помимо углеродистости, на характеристики высокоуглеродистого сплава и его свойств сказываются содержание и процентное соотношение марганца, который усиливает прочность металла, его прокаливаемость и устойчивость к износу. Присутствие марганца в большинстве марок высокоуглеродистых сталей объясняется его значительным положительным влиянием на общие характеристики. Если содержание марганца превышает 0,8%, дальше за указанием процентного содержания углерода в маркировке будет стоять буква Г.

Состав и характеристики материала играют критическую роль в выборе технологий обработки. Заготовки маркируются в соответствии с содержанием таких легирующих добавок, как медь, никель и хром (не более 0,05%). Эта информация учитывается при производстве:

1. любых деталей, за исключением патентированной проволоки из углеродистой стали;
2. ленты и проволоки;
3. деталей, которые подлежат термической обработке (это не распространяется на проволоку и сердечники).

Рекомендуем статьи

Никель и хром в качестве добавок в тонколистовом металле могут усложнить его холодную обработку. Поэтому такие типы стали не используются для производства ленточного проката. В зависимости от назначения стального сплава, техническая документация должна содержать такие сведения, как:

• термическая обработка (ТО) — металл, который был закален;
• нагартовка (НГ) — металл с повышенной прочностью поверхности;
• группа по назначению (холодное волочение, горячий прокат, ковка);
• шкала прокаливаемости (в баллах) — этот параметр важно учитывать при производстве изделий, таких как сердечники и режущий инструмент;
• оценка структуры стального сплава (в баллах) — сетка вторичного цементита может ухудшать характеристики инструментальных сталей.

Это позволяет получателю маркировки иметь всю необходимую информацию для дальнейшей обработки металла.

Добавки и вредные примеси высокоуглеродистых сталей

В процессе производства сталей с повышенным содержанием углерода обычно используют более 20 легирующих компонентов. Основные из них:

К вредным примесям относятся и скрытые газы: кислород, водород и азот, которые негативно влияют на пластичность и провоцируют хрупкость стали. Кислород практически не растворяется в феррите, что приводит к загрязнению стали нитридами и оксидами.

Как влияет нагрев и отжиг на высокоуглеродистую сталь

Температура, применяемая к высокоуглеродистым сталям, часто используется для улучшения их обрабатываемости и состоит из нескольких этапов:

• нагрев до определенной температуры;
• выдержка;
• охлаждение с заданной интенсивностью.

Этот процесс позволяет достигнуть необходимых свойств металла, сохраняя размеры и форму деталей или заготовок. Однако, если температура нагрева выбрана неверно, изменяются свойства металла. Нагрев высокоуглеродистой стали до критической температуры может привести к образованию в структуре крупных зёрен, что называется видманштеттовой структурой. Это называется перегревом стали, исправить который весьма трудно. На перегретой стали будут заметны участки с оплавлением, которые окисляются в течение короткого времени. Пережог высокоуглеродистой стали считается серьезным браком, исправить который невозможно.

С другой стороны, нагрев высокоуглеродистой стали до температуры 700-750°С с последующим отжигом позволяет улучшить обрабатываемость:

• лазерной и механической резкой;
• давлением на листогибочных и формовочных прессах;
• на токарных, фрезерных и шлифовальных станках.

Правильный нагрев высокоуглеродистой стали и его последующий отжиг создают оптимальные эксплуатационные характеристики будущих изделий. Основной целью отжига после температурной обработки является устранение деформаций, уменьшение внутренних напряжений и улучшение смягчения структуры перед механической обработкой.

Характеристики высокоуглеродистой стали

Качество стали во многом определяется ее чистотой и количеством вредных примесей. Для раскисления используется марганец, который, кроме того, защищает металл от коррозии и нейтрализует негативное влияние серы.

Исходный материал обладает следующими характеристиками:

• высокая твердость и прочность;
• низкая пластичность и ударная вязкость;
• плохая свариваемость, сварные швы подвержены образованию трещин;
• износостойкость, устойчивость к истиранию.

В процессе изготовления проволоки высокоуглеродистую сталь патентуют: металл сначала нагревается и выдерживается в соляной или свинцовой ванне при температуре 450–550⁰, а затем подвергается волочению. Это позволяет проволоке выдерживать большие растяжения без разрыва. Для изготовления элементов инструмента используют литье, ковку или прокат с последующей термической обработкой, что повышает прочность на 10-15%. Крепежи подвергаются длительному прессованию.

При сварке углерод может выгорать, изменяя структуру металла в месте соединения, делая его более пористым, поэтому высокоуглеродистую сталь не рекомендуется использовать в сварных конструкциях. В необходимых случаях сваривания применяются специальные методы, такие как использование наконечников с пониженным тепловыделением, предварительный нагрев и низкоуглеродные присадочные материалы. Для соединения деталей менее 3 мм в толщину предварительный нагрев обычно не требуется.

Области применения высокоуглеродистой стали

• У7, У7А — для изготовления небольших инструментов, таких как молотки, зубила, отвертки, плоскогубцы, кузнечные штампы и игольная проволока.
• У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А — режущий и монтажный инструмент, работающий в условиях, где нагрев отсутствует (пилы, топоры, кусачки, кернеры, отвертки), а также накатные ролики для обработки мягких сплавов и пружинящие детали (клапаны, ламели, пружины). В высокточном исполнении — элементы часовых механизмов.
• У10, У10А — предназначены для технических и швейных игл.
• У10, У10А, У11, У11А — использованы для создания режущего инструмента, который работает при постоянной температуре, включая ролики, напильники и штампы низкого уровня точности. Эти сплавы обладают пружинистыми свойствами и применяются в производстве плоских и витых пружин.
• У10А, У12А — предназначены для сердечников трансформаторов.
• У12, У12А — для штампов, которые используются в процессе холодной обработки металла, пуансонов и штемпелей;
• У13, У13А — для хирургических и гравировальных инструментов, а также для деталей с низкой износостойкостью.

Области применения сталей различных марок

Марки высокоуглеродистой стали обычно применяются в производстве промышленного оборудования, в машиностроении, а также для создания слесарных, монтажных и ремонтных инструментов. Они также используются для изготовления точных измерительных приборов, таких как угольники и микрометры. Сплавы классифицируются по назначению на пружинные, быстрорежущие и подшипниковые.

Маркировка высокоуглеродистой стали

Обозначения марок высокоуглеродистой стали выглядят следующим образом:

• У — высокоуглеродистая сталь: содержание углерода от 0,65 до 1,29%;
• цифра — массовая доля углерода в сотых долях процента. Например: У8 означает 0,8-0,9%;
• А — высокое качество, содержание примесей ограничено: не более 0,018% серы и до 0,025% фосфора;
• Г — повышенное содержание марганца: свыше 0,33%.

Для некоторых операций состояние материала имеет первостепенное значение. Заготовки, предназначенные для дальнейшей переработки (слитки и прутки), отмечаются группами, и их обозначение зависит от наличия в составе добавок хрома, никеля и меди (до 0,05%):

• 1 — подходит для любых деталей и сердечников, за исключением патентированной проволоки;
• 2 — используется для проволоки и ленты;
• 3 — для изделий, нуждающихся в термообработке, исключая сердечники и проволоку.

Хром и никель в качестве добавок могут усложнять холодную обработку тонколистового металла, поэтому они не допускаются для второй группы, предназначенной для производства лент. В зависимости от назначения металлопроката техническая документация должна содержать ряд показателей:

• термообработка — закаленные полуфабрикаты обладают увеличенной прочностью и отмечаются обозначением ТО;
• нагартовка (НГ) — упрочнение поверхности;
• группы по назначению — подходящие для ковки, горячего проката или холодного волочения;
• баллы по шкале прокаливаемости — это важный показатель для производства режущих инструментов и сердечников;
• баллы для оценки структуры металла — плотность цементитной сетки имеет значительное значение при производстве инструментов.

Таким образом, сплавы одной марки могут быть как пригодными, так и непригодными для определенных сфер применения. В зависимости от поставленных задач производитель инструментов может запросить проведение дополнительных испытаний.