Где применяется инструментальная углеродистая сталь и как она обозначается

Обновлено: 08.01.2025

Вы здесь:
Где применяют инструментальную углеродистую сталь

Где применяют инструментальную углеродистую сталь

Инструментальная углеродистая сталь носит такое название из-за содержания углерода в ее составе. Его массовая доля в разных марках составляет от 0,65 до 1,29%. Металл обладает повышенной твердостью. После отжига или высокого отпуска она может быть в пределах 187 – 217 HB, после закалки в воде – около 63 HRC. Благодаря этому свойству материал используют для изготовления инструментов, которые в процессе эксплуатации не имеют разогрева режущей кромки. Это инвентарь для работы с деревом, а также пневматические, слесарно-монтажные приспособления, кузнечные штампы, игольная проволока, плиты и формы для литья. Кроме этого ее используют для изготовления разнообразных деталей. Однако в современное время при создании металлических конструкций часто предпочитают применять алюминиевый профиль. Это достаточно прочный материал. Кроме этого он имеет небольшой вес, легко обрабатывается и отличается долговечностью, устойчив к агрессивной среде.

Марки углеродистой стали и их применение

Обозначение этого вида стали начинается с буквы У. Пример: У7, У7А. Цифра обозначает среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента. В нашем примере это 0,7%. Кроме углерода присутствуют примеси других металлов; кремний, марганец, сера, фосфор. Также имеются хром, никель и медь. При минимальном количестве включений, сталь является высококачественной, и имеет в обозначении букву А. Буква Г обозначает повышенное количество марганца.

Благодаря своей высокой прочности и твердости углеродистая сталь применяется в различных областях. Кроме инструментов по дереву и металлу из нее изготавливают детали машин, которые должны выдерживать большие нагрузки: маховики, зубчатые колеса, поршни, шатуны и коленчатые валы, делают пружины, рессоры, сердечники статора. В строительстве пользуются спросом разнообразные профили в форме уголка, швелера, двутавра. Из стальных полос изготавливают изогнутые конструкции и отделочные элементы. Тонколистовой прокат из углеродистой стали используется для производства оцинкованного листа, также широко применяемого в строительстве.

Расшифровка маркировок сталей, правила обозначения

Сталь является самым распространенным сплавом. Разнообразие областей применения обуславливает большое количество разновидностей с различными требованиями, как по механическим, так и химическим характеристикам стали. Различные марки стали подразумевают не только разнообразие химического состава, но и технологию изготовления.

В основе многообразия сплавов лежит именно химический состав металла, поскольку легирующие компоненты определяют конечный результат, а технология изготовления и обработки лишь подчеркивает и выделяет отдельные характеристики. Некоторые элементы, входящие в состав, могут ухудшать характеристики, поэтому отдельные элементы маркировки могут указывать на отсутствие или низкое содержание подобных веществ.

Расшифровка маркировки позволяет определить содержание основных элементов сплава и, отчасти, технологию производства, а также оценить технические характеристики, а с ними и область возможного применения.

Кроме различий в составе и обработке, подразделяют также категории стали по механической прочности. Насчитывается 5 категорий, которые различаются методикой испытаний на соответствие механической прочности. Испытания проводятся на растяжение и ударную вязкость контрольных образцов.

Виды сталей и особенности их маркировки

Различные области применения сталей требуют наличие у нее строго определенных свойств – физических, химических. В одном случае требуется максимально высокая износоустойчивость, в других – повышенная устойчивость против коррозии, в третьих внимание уделяется магнитным свойствам.

Видов стали много. Основная масса выплавляемого металла идет в производство конструкционной стали, в которую входят такие виды:

Строительная. Низколегированная сталь с хорошей свариваемостью. Основное назначение – производство строительных конструкций.
Пружинная. Имеют высокую упругость, усталостную прочность, сопротивление разрушению. Идет на производство пружин, рессор.
Подшипниковая. Основной критерий – высокая износоустойчивость, прочность, низкая текучесть. Применяется для производства узлов и составляющих подшипников различного назначения.
Коррозионностойкая (нержавеющая). Высоколегированная сталь с повышенной стойкостью к воздействию агрессивных веществ.
Жаропрочная. Отличается способностью длительное время работать в нагруженном состоянии при повышенных температурах. Область применения – детали двигателей, в том числе газотурбинных.
Инструментальная. Применяется для производства метало- и деревообрабатывающих, измерительных инструментов.
Быстрорежущая. Для изготовления инструмента металлообрабатывающего оборудования.
Цементируемая. Применяется при изготовлении деталей и узлов, работающих при больших динамических нагрузках в условиях поверхностного износа.

При расшифровке обозначений нужно учитывать, что каждому из видов соответствует строго определенная буква в маркировке.

Классификация по химическому составу

Основными легирующими добавками являются металлы. Варьируя количественный состав добавок и их массовую долю, получают большое разнообразие марок стали. Само по себе чистое железо имеет невысокие технические свойства. Малая механическая прочность, сильная подверженность коррозии, требуют введения в состав сплава дополнительных веществ, которые направлены на улучшение одного из качеств, либо сразу нескольких.

Нередко улучшение одних характеристик влечет за собой ухудшение иных. Так, высоколегированные нержавеющие стали могут иметь низкую механическую прочность, а качественные углеродистые вместе с высокой прочностью получают ослабленные коррозионные свойства.

Как уже говорилось выше, одной из классификаций марок стали является ее химический состав. Основными компонентами всех без исключения сталей являются железо и углерод, содержание которого не должно превышать 2,14 %. В зависимости от количества и пропорций добавок, содержание железа в композиции должно составлять не менее 50 %.

По количеству содержащегося углерода классифицируют три группы сталей:

Малоуглеродистые – содержание углерода менее 0,25 %;
Среднеуглеродистые – 0,25-0,6 % углерода;
Высокоуглеродистые, с содержанием углерода более 0,6 %.

Увеличение процентного содержания углерода повышает твердость металла, но, вместе с тем, снижается его прочность.

Для улучшения эксплуатационных качеств, в состав сплава вводят определенное количество химических элементов. Такие стали называют легированными. Для легированных сталей также существует деление на три группы:

Низколегированные, с содержанием добавок до 2,5 %;
Среднелегированные, которые содержат от 2,5 до 10 % легирующих элементов;
Высоколегированные. Содержание легирующих примесей варьируется от 10 до 50 %.

Маркировка сталей отражает наличие и процентное содержание легирующих добавок. При расшифровке каждому элементу соответствует определенная буква, рядом с которой находится цифра, соответствующая его содержанию в процентах. Отсутствие чисел говорит о том, что добавка присутствует в сплаве в количестве менее 1-1,5%. Наличие углерода в составе не отражается, поскольку он входит во все композиции, но его содержание обозначается в самом начале маркировки.

Маркировка может говорить и о назначении сплава. Поскольку в данной классификации также используются буквенные обозначения, то регламентируется порядок их расположения – в начале, середине и конце маркировки.

Классификация по назначению

Выше уже были приведена классификация видов сталей по назначению. Маркировка конструкционных сталей включает в себя такие обозначения:

Строительная – обозначается буквой С и цифрами, характеризующими предел текучести.
Подшипниковая – обозначается буквой Ш. Далее идет обозначение и содержание легирующих добавок, в основном, хрома.
Инструментальная нелегированная – обозначается буквой У и содержанием углерода в десятых долях процента.
Быстрорежущая – обозначается буквой Р и символами легирующих компонентов.
Нелегированная конструкционная сталь имеет в обозначении символы Сп и число, показывающее содержание углерода в десятых или сотых долях процента.

Классификация стали по назначению

Остальные разновидности, в том числе и инструментальные марки из легированных сталей, не имеют специальных обозначений, кроме химического состава, поэтому расшифровку и назначение отдельных видов можно определить только по справочной литературе.

Классификация по структуре

Под структурой стали подразумевается внутреннее строение металла, которое может существенно меняться в зависимости от условий термообработки, механических воздействий. Форма и размер зерен зависят от состава и соотношения легирующих добавок, технологии производства.

Основу зерен стали составляет кристаллическая решетка железа, в которую включены атомы примесей – углерода, металлов. Углерод может образовывать твердые растворы в кристаллической решетке, а может создавать с железом химические соединения, карбиды.

Добавки металлов существуют в виде растворов, и многие из них влияют на состояние раствора углерода.

Структура стали меняется при изменениях температуры. Эти изменения называются фазами. Каждая фаза существует в определенном температурном диапазоне, но легирующие добавки могут существенно смещать границы перехода одной фазы в другую.

Насчитывают такие основные фазы состояния металла:

Аустенит. Атомы углерода находятся внутри кристаллической решетки железа. Данная фаза существует в диапазоне 1400-700 °С. При наличии в составе от 8 до 10% никеля, аустенитная фаза может сохраняться и при комнатной температуре.
Феррит. Твердый раствор углерода в железе.
Мартенсит. Пересыщенный раствор углерода. Данная фаза свойственна закаленной стали.
Бейнит. Фаза образуется при быстром охлаждении аустенита до температуры 200-500 °С. Характеризуется смесью феррита и карбида железа.
Перлит. Равновесная смесь феррита и карбида. Образуется при медленном охлаждении аустенита до температуры 727 °С.

Фазы строения металла характеризуют его физические свойства, в зависимости от которых определяется класс стали – конструкционная, литейная и так далее.

Классификация по качеству

Легированная и нелегированная сталь в пределах каждой марки отличается качеством, которое зависит от технологии производства и качества исходных материалов.

На качество стали особо влияют примеси, которые остаются в ней при восстановлении железа из рудных концентратов. В основном негативно влияют на качество стали фосфор и сера. По их содержанию классифицируют стали обыкновенного качества и высококачественную, в конце обозначения которой присутствует буква А. Содержание фосфора в высококачественной стали не превышает 0,025 %.

Классификация по способу раскисления

При выплавке стали в ней остается некоторое количество кислорода в составе окислов железа. Для снижения количества кислорода и восстановления железа из окислов применяется реакция раскисления, при которой в расплавленный металл добавляют соединения, более активные по взаимодействию с кислородом, чем железо. Во время реакции высвободившийся кислород также реагирует с углеродом, в результате чего образуется углекислый газ, который выделяется в виде пузырьков.

В зависимости от количества раскислителей и продолжительности процесса можно выделить три вида итогового сплава:

Кипящая сталь. В результате минимального использования присадок и времени реакции увеличен выход готовой продукции, которая, при этом отличается низким качеством;
Спокойная сталь. Металл, в котором полностью прошли процессы раскисления. Отличается высоким качеством, но дорога в производстве в связи с высокой стоимостью реагентов и сниженным выходом продукта;
Полуспокойная сталь. Промежуточный вариант с оптимальным сочетанием качества и стоимости.

При изготовлении ассортимента марок стали из металла разной степени раскисления применяется специальная маркировка материалов, соответственно символами «сп», «кп» и «пс».

Маркировка сталей по российским стандартам

Маркировка сталей по российским стандартам позволяет определить состав металла и, частично, принадлежность к определенному виду.

При наличии углерода в стали более 1 %, его количество в маркировке не указывается. Марка стали включает буквенные обозначения легирующих добавок с указанием их количества в десятых и сотых долях процента, но если содержание компонента менее 1,5 %, то в маркировке присутствует только буквенное обозначение.

Кроме химического состава, маркировка содержит символы, характеризующие назначение стали, степень ее качества.

Маркировка сталей по американской и европейской системам

Маркировка сталей отечественного производства и на постсоветском пространстве позволяет приблизительно определить состав, назначение и характеристики, не прибегая к справочной литературе. В американских и европейских стандартах такая расшифровка, по большей части, отсутствует. Это связано с большим количеством организаций, занимающихся стандартизацией металлопродукции.

По большей части обозначение стали по американским и европейским стандартам не содержит указаний на химический состав. Виды стали по назначению характеризуются буквенным или цифровым кодом, который можно расшифровать при помощи справочной литературы.

Только в европейском стандарте EN10027 существует вариант маркировки сплавов по химическому составу, который имеет близкое сходство с отечественными обозначениями.

Обозначения легирующих элементов

Для того чтобы по маркировке стали узнать качественный и количественный состав, для легирующих элементов используют буквенные обозначения. В основном, русские буквы соответствуют названиям элементов, хотя встречаются исключения, поскольку есть элементы, которые начинаются с одинаковых букв. Таблица легирующих элементов выглядит следующим образом.

Обозначение легирующих элементов в сталях

В	Вольфрам	Б	Ниобий
К	Кобальт	Е	Селен
М	Молибден	Р	Бор
Н	Никель	Ф	Ванадий
Т	Титан	Ц	Цирконий
Х	Хром	Ю	Алюминий
Г	Марганец	А	Азот
Д	Медь	С	Кремний

Как видно из таблицы, в ней присутствуют два неметалла – кремний и азот, а углерода нет. Наличие углерода подразумевается в составе любой стали, поэтому в обозначении указывается лишь его содержание

Цветовая маркировка

Цветовая маркировка сталей применяется для обозначения проката. Это удобно при хранении материалов на складах, транспортировке. Обозначение сталей производится метками в виде точек или полос, выполненных несмываемой краской. Цвет обозначений выбирается из таблицы согласно назначениям стали. При этом группа стали и степень ее раскисления не учитываются.

Пример цветовой маркировки стали

Примеры расшифровки маркировки

Для того чтобы расшифровка была понятнее, следует привести некоторые, наиболее яркие примеры маркировки. На основании примеров, определение марки стали в сравнении с уже известными, будет являться несложной задачей. Вот некоторые виды стали с расшифровкой условных обозначений:

30ХГСА – расшифровка марки стали говорит о том, что в сплаве содержится 0,3 % углерода, о чем свидетельствует цифра в начале обозначения. Сталь содержит хром (Х), марганец (Г), кремний (С), но их содержание менее 1,5 %. Символ «А» в конце обозначения говорит о том, что сталь высококачественная.
У8ГА – инструментальная сталь с содержанием углерода 0,8 %. Высококачественная с добавлением марганца.
Р6М5Ф2К8 – быстрорежущая сталь. Содержит 5 % молибдена, 2 % ванадия, 8 % кобальта. Хром содержится во всех быстрорежущих сталях в количестве около 4 %, поэтому в обозначение не входит. Вольфрам также всегда присутствует, но его содержание может изменяться, поэтому в данной марке его количество составляет 6 %.
Ст3сп5 – сталь конструкционная нелегированная, полностью раскисленная – спокойная, 5-й категории, то есть может применяться для изготовления несущих сварных конструкций.
ХВГ – сталь ХВГ имеет в составе хром, вольфрам и марганец в количестве около 1 % и дополнительные легирующие элементы, но их содержание меньше 0,5 %.

Углеродистые инструментальные стали

В машиностроении и других областях промышленности производственная деятельность заключается в выпуске заготовок и деталей, которые получаются путем механической обработки. Современные материалы могут обладать весьма высокими показателями твердости и прочности, за счет чего усложняется их обработка. Для того чтобы обеспечить быструю и качественную механическую обработку при изготовлении режущего инструмента или их кромки используются углеродистые инструментальные стали. Их особенность заключается в высокой стойкости к механическому воздействию.

Углеродистые инструментальные стали

Подобные металлы также могут использоваться при выпуске ответственных деталей, к которым предъявляются высокие требования в плане прочности и твердости.

Основные характеристики

Рассматривая основные свойства инструментальной стали следует отметить нижеприведенные моменты:

Низкая чувствительность к перегреву. При механической обработке снятие слоя материала с заготовки происходит за счет оказываемого требования. Нагрев металла приводит к изменению его основных качеств. Поэтому углеродистые инструментальные качественные стали не нагреваются даже при длительном трении с другими поверхностями.
Низкая чувствительно к привариванию к обрабатываемым деталям. Из-за оказываемого давления при подаче инструмента на момент обработки заготовок зона трения может несущественно нагреваться, что становится причиной повышения пластичности некоторые материалов. Если инструментальная сталь будет привариваться при этом к поверхности возникнет дополнительное сопротивление и качество получаемой детали существенно снизиться.
Для того чтобы упростить обработку металла его делают боле восприимчивой к обработке методом резки.
Восприимчивость к прокаливанию также определяется особым химическим составом.
Высокая пластичность в горячем состоянии позволяет получать заготовки метод плавления металла.
Высокое сопротивление процессу обезуглероживания позволяет получить наилучший результат при проведении закалки или других процессом химико-термической обработки.
Во время обработки может возникать ударная нагрузка, которая в большинстве случаев становится причиной образования трещин. Высококачественная углеродистая инструментальная сталь не имеет подобного недостатка.
Износостойкость и высокая прочность, твердость поверхности.

Химический состав углеродистых инструментальных сталей

Химический состав инструментальных углеродистых сталей во многом определяют основные эксплуатационные качества металла.

Применение

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

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.
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.
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.
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.

Свойства углеродистой инструментальной стали во многом определяются концентрацией углерода – чем больше, тем поверхность тверже, но повышается и хрупкость.

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

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

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

Классификация

Принято разделять инструментальные качественные стали на 5 основных групп:

Износостойкие, теплостойкие и высокотвердые – группа, представленная быстрорежущей легированной сталью. Кроме этого в данную группу относят сплавы с ледебуритной структурой, которая характеризуется повышенной концентрацией углерода (более 3%). Применение инструментальных углеродистых сталей данной группы заключается в изготовлении инструментов, которые могут подвергаться воздействию высокой температуры из-за установки высоких скоростей резания.
Теплостойкие и вязкие стали представлены сплавом, который имеет в своем составе молибден, хром и вольфрам. Химический состав инструментальной углеродистой стали данной группы характеризуется низким значением концентрации углерода.
Нетеплостойкие, вязкие и высокотвердые стали имеют небольшое количество примесей и среднее значение углерода. Данной группе характерен невысокий показатель прокаливаемости.
Средняя теплостойкость, высокая твердость, износостойкость – качества, свойственные металлам с 2-3% углерода и 5-12% хрома.
Низкая устойчивость к теплу и высокая твердость характерны сталям с заэвтектоидной структурой. В большинстве случае они не имеют легирующих элементов или их концентрация очень мала. Высокий уровень твердости обеспечивается за счет высокой концентрации углерода.

Высококачественная инструментальная сталь может подвергаться дополнительной химико-термической обработке для изменения состава и перестроения кристаллической решетки, за счет чего и достигаются необычные эксплуатационные качества.

Изделия из углеродистой инструментальной стали

Твердость считается основным параметром, высокое значение которого не позволяет использовать сталь при изготовлении инструментов или деталей, подвергающихся во время эксплуатации ударам или вибрации. Эта рекомендация связана с тем, что при увеличении концентрации углерода повышается твердость, но вязкость уменьшается. Уменьшение вязкости становится причиной повышения хрупкости структуры, в результате воздействия ударной нагрузки могут появляться трещины и другие дефекты, поверхность откалываться.

Классификация по уровню твердости выглядит следующим образом:

Высокий показатель вязкости и пониженная твердость характерны металлам, которые в составе имеют не более 0,4-0,7% углерода.
Высокая износостойкость и твердость поверхностного слоя достигаются при насыщении структуры металла углеродом до 0,7-1,5%.

Больший показатель концентрации углерода делает металл очень хрупким, что не позволяет его использовать в качестве материала при изготовлении инструмента. Кроме этого легирующие элементы способны повысить вязкость и снизить хрупкость при условии большой концентрации углерода. В некоторых случаях проводится химическая обработка для обеспечения износостойкой поверхности и вязкого основания, за счет чего инструмент или деталь приобретает высокие эксплуатационные качества.

Маркировка

Углеродистая инструментальная сталь марки могут иметь как цифры, так и буквенные обозначения. В большинстве случаев маркировка инструментальных углеродистых сталей в самом начале имеет букву «У», которая и указывает на тип металла. Обозначение углеродистой инструментальной стали также имеет следующие особенности:

Первое цифирное обозначение после буквы указывает в десятых долях количество углерода в отношении всего состава.
Встречается и буква «А», идущая за цифрой, обозначающей концентрацию углерода в составе. Она указывает на то, что углеродистая инструментальная сталь марка имеет высокое качество.
Для обозначения группы рассматриваемой стали может применяться буква «Р». В данном случае после этого обозначения идет буква, которая указывает на концентрацию вольфрама.
Другие легирующие вещества также указываются соответствующей буквой, после которой идет цифра для обозначения концентрации.
Принято считать, что у стали и рассматриваемой группы в обязательном порядке в составе есть хром, но его концентрация не более 4%. Если после соответствующего буквенного обозначения указывается цифра, то концентрация этого вещества уточняется.

Также можно встретить маркировку инструментальных углеродистых сталей начинающуюся с цифры. Примером приведем распространенные сплавы 9Х или 6ХГВ. Первая цифра также указывает на концентрацию в составе углерода, следующие буквы на легирующие элементы. Если после буквы легирующего элемента не указывается цифра, то принято считать, что их концентрация равна 1%. Кроме этого сама маркировка может начинаться с буквенных обозначений, свойственных легирующим элементам – это указывает на то, что концентрация.

Углеродистые инструментальные стали: свойства и область применения

Характеристики, которыми отличаются углеродистые инструментальные стали, позволяют успешно использовать данный материал не только для изготовления инструмента различного назначения, но и для производства пресс-форм для литья, измерительных приспособлений, а также других изделий, к точности геометрических параметров которых предъявляются повышенные требования.

Свойства углеродистых сталей позволяют применять их при изготовлении пресс-форм для высокоточного литья

Основные особенности

Современная металлургическая промышленность производит сталь в значительных объемах, поскольку это один из основных конструкционных материалов. Доля сталей, состав которых обогащен легированными элементами, составляет в данном объеме только 10%, остальная часть – это конструкции и изделия из обычных углеродистых сплавов. Данный факт свидетельствует о том, что именно углеродистые стали можно назвать основным материалом, используемым в современной промышленности.

Изделия из углеродистых сталей окружают нас повсюду

Широкая распространенность углеродистой стали объясняется:

невысокой стоимостью производства;
хорошей обрабатываемостью различными методами (резанием, давлением, сваркой);
хорошими эксплуатационными данными.

Инструментальные стали, относящиеся к сплавам углеродистой группы, отличает сложный химический состав, основу которого (97–99,5%) составляет железо. Кроме последнего, в них содержатся следующие элементы:

хром, никель и медь (их добавляют специально);
сера, фосфор, азот, кислород, водород (данные элементы присутствуют в инструментальной стали потому, что их невозможно совсем удалить при ее очищении);
марганец и кремний (их появление определяется особенностями производства инструментальных углеродистых сталей).

Содержание основных химических элементов в углеродистой стали

Значительное влияние на характеристики инструментальных сталей оказывает углерод, который намеренно вводится в их состав. От количества данного элемента зависит модификация структуры сплава. Так, у инструментальных сталей, в составе которых менее восьми десятых процента углерода, перлитная и ферритная внутренняя структура, более восьми десятых процента – цементитная и перлитная, ровно восемь десятых процента – полностью перлитная.

Большое количество углерода в составе инструментальных углеродистых сталей определяет следующие их характеристики:

невысокую пластичность и хорошую ударную вязкость;
исключительно высокую прочность;
устойчивость к холодной механической обработке.

Твердость металлопродукции из углеродистых сталей

На характеристики сплавов, которые содержат в своем составе значительное количество углерода, негативное влияние оказывают окислы железа. Чтобы уменьшить это влияние, в состав углеродистых сталей специально вводят следующие элементы:

кремний (часть объема данного элемента преобразуется в форму силикатных включений, остальное его количество полностью растворяется в феррите);
марганец (используется для раскисления железо-углеродистого сплава, но при этом решает и другие важные задачи: удаление из феррита и цементита, составляющих основу сплава, соединений железа с серой, которые крайне негативно влияют на его качество; повышение прочности металлических листов, полученных по горячекатаной технологии).

Допустимые отклонения по химическому составу в прокатных изделиях, предназначенных для дальнейшей переделки

Методы производства

Самым эффективным и экономичным способом производства инструментальных углеродистых сталей, который используется уже на протяжении многих лет, является кислородно-конвертерная технология. Заключается она в продувке жидкого чугуна, залитого в конвертер, кислородом. Продолжительность процесса производства по данной технологии не превышает одного часа. Углеродистые стали также выплавляются в мартеновских и электрических печах, для этого используются конвертеры бессемеровского типа.

Выплавка углеродистой стали

Получение инструментальных углеродистых сталей в конвертерах бессемеровского типа отличается высокой производительностью, но имеет ряд существенных недостатков. При использовании этой технологии из готового сплава не удается удалить все примеси неметаллической природы. В такой стали содержится значительное количество азота и других газообразных включений, которые снижают ее плотность и прочность, приводят к быстрому старению металла. В так называемых бессемеровских сталях, кроме того, содержится много фосфора и серы, удалить которые полностью не представляется возможным.

Удалить фосфор и серу или довести их содержание в металле до допустимого уровня позволяет кислородно-конвертерный метод. Стали, полученные по данной технологии, также отличаются невысоким содержанием азота и других газообразных включений. Выплавка инструментальных углеродистых сталей в мартеновских печах позволяет получить похожие характеристики, но данная технология отличается одним большим недостатком – длительностью реализации. Чтобы выплавить сталь в такой печи, потребуется ориентировочно 11 часов, что негативным образом отражается на экономической целесообразности данного процесса.

Получить самую качественную инструментальную сталь, в которой содержится минимальное количество фосфора, серы и кислорода, позволяет технология, предполагающая использование дуговых или индукционных электрических печей.

Компактные индукционные плавильные печи лего размещаются в небольших производственных помещениях

Данная технология (наиболее дорогая из всех существующих) позволяет получать материалы, которые предназначены также для изготовления ответственных металлических конструкций. Из-за высокой стоимости данного метода многие металлургические предприятия его не используют, отдавая предпочтение более экономичным технологиям.

Углеродистые стали, относящиеся к различным категориям, принято разделять по уровню качества на следующие типы:

металл самого высокого качества, в составе которого присутствует не более 0,03% серы и фосфора;
качественные стали, которые характеризуются следующим содержанием вредных примесей: фосфор – не более 0,035%, сера – не более 0,04%;
стали обыкновенного качества, в составе которых содержится не более 0,05% серы и не более 0,04% фосфора.

Стальные сплавы, которые относят к категории инструментальных, могут быть только качественными и высококачественными. Требования к конструкционным сталям несколько ниже, в данной категории могут находиться сплавы обыкновенного качества и качественные.

Количественное содержание углерода в стальном сплаве также оказывает влияние на то, к какой категории его относят. Так, стали с содержанием углерода, не превышающим 0,25%, входят в категорию малоуглеродистых, ровно 0,6% содержат среднеуглеродистые, больше 0,6% – высокоуглеродистые.

Схема микроструктуры углеродистой стали в зависимости от содержания углерода (темное поле — перлит, светлое — феррит)

Тип структуры углеродистых сталей также может отличаться. В зависимости от него такие сплавы подразделяют на следующие категории:

доэвтектоидные;
эвтектоидные;
заэвтектоидные.

Применение и маркировка

К углеродистым сталям инструментального типа относят сплавы, в которых углерод содержится в интервале 0,65–1,35%. Их химический состав, а также характеристики, которым они должны соответствовать, оговариваются положениями ГОСТ 1435-74 (есть редакция от 1999 года).

Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к инструментальным сталям можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.

Сферы назначения инструментальных углеродистых сталей

Применение инструментальных углеродистых сталей связано с производством:

резцов, ножовочных полотен, напильников, измерительного инструмента (марки У11-У13А);
инструмента пневматического типа, зубил, кусачек разных типов, пассатижей, молотков (У7 и У7А);
метчиков, плашек, разверток, сверл, матриц для холодной штамповки (У9-У10А);
пунсонов, инструментов для зенкования, фрезерования и обработки древесины, ножей, штампов (У8 и У8А).

По маркировке инструментальных углеродистых сталей можно узнать не только о том, сколько углерода содержится в их составе, но и о категории качества, к которой они относятся. Так, обозначение У8А, например, говорит о том, что в данном сплаве, который отличается повышенным качеством, содержится 0,8% углерода.

Примеры обозначения проката из углеродистой стали

При использовании углеродистых инструментальных сталей следует иметь в виду, что изделия из них подвергают обязательному отжигу, закалке и последующему отпуску. Данные виды термообработки, проводимой при соответствующей температуре, позволяют оптимизировать структуру таких сплавов и, соответственно, значительно улучшить показатели их твердости и прочности.

Читайте также: