Высокоуглеродистая сталь: виды и особенности

Автор:

Редакция сайта Vtmstol

СОДЕРЖАНИЕ

Высокоуглеродистая сталь является ходовым материалом в разных областях промышленности. Однако повышенная концентрация углерода не является преимуществом само по себе, а всего лишь отвечает за свойства металла.

Таким образом высокоуглеродистые стали имеют свои ограничения на использование. В нашей статье мы расскажем, из чего состоит данный металл, как он маркируется и поговорим о сферах его применения и особенностях сварки.

Определение высокоуглеродистой стали

Свойства стали напрямую зависят от концентрации в ней углерода, которая может составлять от 0,02 до 2,14 %. Стали, в которых этот показатель ≥ 0,6 %, называют высокоуглеродистыми. Чем больше в сплаве углерода, тем меньше в нем феррита и больше цементита.

Металл становится прочным и твердым, но при этом теряет пластичность. Эта закономерность относится к сталям с долей углерода ≤ 1 %. Если содержание углерода становится выше, то образуется сетка вторичного цементита, из-за чего снижается прочность металла.

На свойства высокоуглеродистой стали влияют входящие в ее состав вредные примеси: чем их больше, тем ниже качество металла. Как правило, много присадок содержится в другом виде стали — легированной. Некоторые примеси всегда входят в состав сплава из-за технической невозможности их удаления. К ним относятся:

Водород.
Кислород.
Азот.
Кремний.
Фосфор.
Сера.
Марганец.

Наличие этих примесей обусловлено методами выплавки стали: мартеновским, кислородно-конвертерным или вакуумным. В отличие от них углерод добавляют в сталь, если исходные его показатели низки. Марганец нужен для повышения прочности металла, стойкости к износу стали и ее способности закаляться путем образования мартенсита.

Также он нейтрализует вредное воздействие серы: если ее слишком много, то в металле при ковке появляются трещины. В связи с этим марганец является обязательным компонентом стальных сплавов.

При увеличении концентрации углерода в стали изменяются и другие ее свойства. Сопротивление деформации металла снижается, а электрическое сопротивление растет. Если углерода в стали слишком много, то она делается хрупкой. Если углерода в составе металлического сплава содержится более 2,4 %, то его относят к чугунам.

У таких сплавов снижена жидкотекучесть, они плохо обрабатываются давлением и резанием. Именно поэтому из чугуна не производят конструкционные детали. Чугуны подходят для изготовления деталей методом отливки, а также для производства проволоки, обрабатываемой методом штамповки.

Способы получения высокоуглеродистой стали

Конверторные

В конверторных печах расплавлению подвергается весь состав сплава, при этом раскаленная масса продувается техническим кислородом. Чтобы очистить расплав от посторонних примесей, в него добавляют известь. Таким образом, примеси превращаются в шлак. В ходе производственного процесса металл активно окисляется. В результате выделяется большое количество угарного газа.

Способы получения высокоуглеродистой стали

Конверторные печи имеют один серьезный недостаток: в процессе производства углеродистых сталей образуется очень много пыли. Приходится устанавливать дополнительные фильтрующие установки, что приводит к удорожанию производства. Однако благодаря высокой производительности метод все же нашел широкое применение в металлургии.

Мартеновские

Изготавливая высокоуглеродистые стали различных марок с помощью мартеновских печей, можно получать высококачественные сплавы. При этом производственный процесс включает несколько операций:

В специальный отсек печи загружают компоненты сплава: стальной лом, чугун и т. д.
Все компоненты нагревают до больших температур.
При термическом воздействии все составляющие становятся однородной расплавленной массой.
При плавлении компоненты железного сплава и углерод взаимодействуют между собой.
В результате химического взаимодействия из печи выходит готовый сплав.

Электрические

Принцип изготовления углеродистой стали разных марок в электрических печах отличается от перечисленных выше. Нагревание в них происходит иначе: благодаря применению электричества уменьшается окисляемость металла. Следовательно, в итоговом сплаве снижено содержание водорода, благодаря чему улучшаются структура стали и качество конечного продукта.

Сферы применения высокоуглеродистых сталей

Входящий в состав стальных сплавов углерод существенно влияет на их качество и механические свойства, как говорилось выше. Нелишним будет напомнить об этой связи, поскольку она напрямую влияет на сферы применения сплавов. При повышении концентрации углерода в металле содержание феррита уменьшается, а цементита — увеличивается.

Сталь с содержанием углерода не более 1 % благодаря цементиту становится прочной и твердой, но менее пластичной. Если углерода в стали менее 1 %, то в его структуре образуется сетка вторичного цементита, из-за чего показатели прочности стали снижаются.

Высокая концентрация углерода в составе сплава изменяет и некоторые другие его характеристики. Например, электрическое сопротивление становится выше, а ударная вязкость ниже. Стальные сплавы с увеличенным содержанием в них углерода имеют повышенный показатель температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому. Имея особую структуру, высокоуглеродистые стали обладают сниженной жидкотекучестью, поэтому они плохо поддаются обработке давлением и резанием.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Этот тип сталей нашел применение в производстве деталей методом литья, а также проволоки, обрабатываемой методом штамповки. Сварочные работы с высокоуглеродистыми сталями проводят очень редко, поскольку технология их сложна, а качественные соединения сварить не удастся.

Маркировка высокоуглеродистых сталей

В действующей в Российской Федерации системе обозначений стали маркируются в соответствии с их химическим составом. Наличие основных элементов и примесей и их количество регламентируются стандартом ГОСТ 1435-99.

Высокоуглеродистая сталь маркируется следующим образом:

У — содержание углерода от 0,65 до 1,29 %.
Цифра — массовая доля углерода, выражаемая в сотых долях процента, например: У8 — 0,8-0,9 %.
А — высокое качество, малое количество примесей: серы — не более 0,018 %, фосфора — до 0,025 %.
Г — увеличенная концентрация марганца — более 0,33 %.

Для некоторых операций состояние металла имеет большое значение. Виды заготовок, нуждающиеся в дальнейшей обработке (прутки, слитки), объединяют в группы, маркируя в соответствии с содержащимися в них добавками меди, никеля и хрома (до 0,05 %):

1 — для любых деталей, за исключением патентированной проволоки;
2 — для ленты и проволоки;
3 — для деталей, проходящих термообработку, кроме проволоки и сердечников.

Холодную обработку тонких листов металла затрудняет наличие присадок никеля и хрома, поэтому они не входят во вторую группу (производство ленточного проката). Изделия из металла имеют разное назначение, в зависимости от этого в технических документах отмечают ряд показателей:

Термообработка — закаленные заготовки обладают высокой прочностью и получают обозначение ТО.
Нагартовка (НГ) — повышение прочности поверхности.
Группы по назначению (холодное волочение, горячий прокат, ковка).
Шкала прокаливаемости (баллы) — важный показатель для сердечников и режущих инструментов.
Оценка структуры металла (баллы) — плотность цементитной сетки, важный параметр при изготовлении инструментов.

Читайте также: «Контактная сварка»

Высокоуглеродистые стали определенной марки могут быть пригодны для одних производственных сфер и непригодны для других. В зависимости от намеченных задач при изготовлении инструментов проводят дополнительные испытания.

Сварка высокоуглеродистых сталей

Стали с высоким содержанием углерода обладают низкой пластичностью, поэтому сфера их использования ограничена. Как правило, для изготовления сварных конструкций они не подходят.

Изделия из высокоуглеродистой стали характеризуются высокой прочностью и устойчивостью к износу, поэтому востребованы при ремонтных работах, производстве высокопрочной проволоки, пружин, а также инструментов — деревообрабатывающих, бурильных, режущих и т. д.

Высокоуглеродистые стали можно подвергать сварке, обеспечив предварительный и сопутствующий подогрев до 150-400 °С, а также дальнейшую термообработку. Если этого не сделать, то сварное соединение получится химически неоднородным, хрупким, склонным к образованию трещин. Ниже приведено еще несколько правил успешной сварки сталей с высоким содержанием углерода:

После подогрева производят отжиг до тех пор, пока деталь не охладится до 20 °C.
Запрещается проводить сварочные работы на сквозняке и при температуре окружающей среды ниже 5 °С.
Чтобы сварные швы были прочными, требуется создание плавных переходов от одного металла к другому.
Рекомендуется формировать швы в виде узких валиков, охлаждая каждый наплавленный слой.
Работник также должен соблюдать правила сварки среднеуглеродистых сплавов.

Необходимо очищать рабочую поверхность от различных загрязнений. Наличие окалины, ржавчины, грязи, шероховатостей может приводить к образованию пор.

Конструкции из высокоуглеродистой стали охлаждают постепенно, на открытом воздухе. Это помогает добиться нормальной структуры металла.

Необходимых прочностных характеристик ответственных деталей можно добиться благодаря предварительному их подогреву до 400 °C.

Для высокоуглеродистых сталей допустимы несколько видов сварки:

Лучше всего проводить работы с изделиями путем ручной дуговой сварки с использованием покрытых электродов. Поскольку высокоуглеродистая сталь имеет свою специфику, для ее сваривания применяют специально разработанные электроды, например НР-70. Проводят сварку постоянным током обратной полярности.
Еще один способ — сварка под флюсом. Поскольку обеспечить равномерное нанесение флюса на рабочую поверхность вручную очень сложно, обычно применяют автоматическую технологию. Этот способ помогает предотвратить воздействие на сварочную ванну неблагоприятных погодных условий благодаря тому, что расплавленный флюс формирует плотную защитную оболочку.

Для сварки под флюсом служат трансформаторы, выдающие переменный ток и формирующие устойчивую дугу. Одно из преимуществ этого вида сварки — минимальные потери металла в силу небольшого количества брызг.

Газовая сварка для высокоуглеродистых сталей не рекомендуется, поскольку она приводит к выгоранию большого объема углерода, из-за чего в стали формируются закалочные структуры, негативно влияющие на качество соединения.

Читайте также: «Технология сварки сталей»

Использование газовой сварки допустимо, если соединить нужно рядовые конструкции. Сваривание осуществляется при нормальном или небольшом пламени, мощность которого — не выше 90 м3 ацетилена в час. Изделие подогревают до 300 °C. Сварочные работы проводят левым методом, благодаря чему время нахождения металла в жидком и перегретом состоянии уменьшается.

Подводя итоги, можно отметить главное – нужно обращать внимание при работе с изделием из углеродистой стали в первую очередь на его маркировку. Она подскажет, какими физико-химическими свойствами обладает металл и где лучше применять деталь. Зная принципы маркировки продукции из металла, легко подобрать необходимый материал.

Высокоуглеродистая сталь

Оцените, пожалуйста, статью

Всего оценок: 1, Средняя: 5