Что такое высокоуглеродистая сталь

Благодаря большому числу преимуществ высокоуглеродистой стали, этот материал широко применяется в разных сферах. Но, вместе с плюсами, у него есть и несколько минусов, ограничивающих использование сплава. А, чтобы лучше разобраться с возможностями таких сталей, стоит подробнее изучить их свойства и характеристики, которые определяют их сферу применения.

Что из себя представляет высокоуглеродистая сталь

Все стали представляют собой сплавы железа с углеродом. В большинстве случаев – с добавкой других компонентов для улучшения характеристик. Один из способов классификации сталей – по содержанию в их составе углерода, доля которого может находиться в пределах 0,02-2,14%.

Применяется для производства инструментов.

Высокоуглеродистые стали можно отличить по названию, которое начинается с «У» или «ШХ». Содержание углерода в них начинается с 0,6%. Доля этого элемента влияет на характеристики сплава. До 1,0% его увеличение делает материал менее пластичным и более прочным. Но, когда углерода становится больше 1,0%, формируется вторичный цементит, а прочность уменьшается.

Из описания выше, можем дать определение для данной стали.

Высокоуглеродистая сталь – это сплав железа с углеродом (а также и другими элементами), в котором содержание углерода находиться в пределах 0,6-2,14 %, а доля железа не менее 45%.

Особенности изготовления

Высокоуглеродистая сталь выплавляется на металлургических предприятиях тремя способами. Каждый из них представляет собой переплавку чугуна, при которой в составе исходного сырья уменьшается содержание фосфора и серы, а количество углерода приводится к нужному уровню. Самый простой и быстрый – кислородно-конвертерный или бессемеровский метод. При его использовании углерод постепенно выгорает из чугуна, постепенно превращая его в сталь. Но качество сплава получается низким из-за большого содержания вредных примесей.

Мартеновский способ, при котором для выжигания углерода используется не только кислород, но и железная руда, и металлический лом. Производительность тоже высокая, хотя и ниже, чем у кислородно-конверторной методики. В процессе выплавки образуются и удаляются шлаки силикатов и фосфатов, а состав высокоуглеродистой стали регулируется путём добавления нужного количества руды или металла.

С помощью вакуумного (электротермического) способа можно получить сталь лучшего качества – с минимальным количеством вредных примесей. Именно так получают инструментальные и жаростойкие сплавы. Но и стоимость такой обработки дороже, чем двух остальных, а объём выплавки – меньше.

Свойства материала

На характеристики стали влияет количество и вид вредных примесей – чем их меньше, тем качественнее получается сплав. Хотя есть добавки, способные улучшить некоторые параметры материала. Тем более что полностью избавиться от примесей не получится. И в состав высокоуглеродистой стали входят не только железо и углерод, но и азот, водород, кислород, кремний, фосфор, марганец и сера. А их количество во многом зависит от способа выплавки.

Наличие в составе сплава марганца увеличивает значения износостойкости, прочности и прокаливаемости. И даже устраняет негативное влияние на материал серы, из-за которой ковка материала приводит к появлению на нём трещин. Однако сравнительно высокое содержание углерода снижает ковкость и делает материал хрупким. А ещё сплав отличается низкой жидкотекучестью, плохо режется и поддаётся обработке давлением. Из-за этого высокоуглеродистую сталь практически не применяют для создания конструкционных изделий.

Сварка высокоуглеродистых сталей

Материал не рекомендуется сваривать с помощью газовой сварки – высокая температура приводит к появлению трещин в зоне сварного шва и рядом с ним. Выжигание кислорода в области сварки приводит к появлению закалённых участков, из-за чего сплав получается пористым.

Трещина на сварном шве, это результат нарушения технологии сварки металла.

Сварка высокоуглеродистых сталей всё-таки возможна – но для этого применяются специальные электроды. Кроме того, перед началом процесса стальные детали нагреваются до температуры 150-400 °С. А после подогрева проводится термообработка – до тех пор, пока конструкция не остынет до 20 °С. Неплохого результата получается достичь при сварке узкими валиками, когда каждый наплавленный слой охлаждается перед созданием нового.

Если же толщина металла менее 3 мм, то подогрев высокоуглеродистой стали перед сваркой производить не следует.

Обозначение материала

Узнать о составе сталей можно с помощью маркировки, наносимой на поверхность стальных слитков несмываемой краской. Хотя иногда, по соглашению сторон, от такого нанесения отказываются. С помощью маркировки определяются качественные характеристики сплава, содержание и тип добавок в его составе и даже степень раскисления. Это позволяет проще подобрать материал для конкретных целей.

В названии марки могут быть такие элементы:

• «У» в начале и 1-2 цифры после неё. Так обозначают высокоуглеродистые стали, которые относятся к инструментальным. Число показывает содержание углерода в десятых долях процента – например, для У8 этот показатель находится в пределах 0,8-0,9%.
• «Г». Показывает, что сплав был усилен с помощью марганца. И, хотя этот элемент присутствует в любой высокоуглеродистой стали, «Г» в названии означает, что его содержание превышает 0,8%.
• «А». Сталь относится к категории высококачественных. Это значит, что в её составе содержится не больше 0,018% серы и до 0,025% фосфора.
• «Ш». Означает, что сталь подшипниковая – отличающаяся высоким качеством и, в отличие от других высокоуглеродистых сплавов подходящая для изготовления подшипников. Литера «Х» показывает, что для улучшения характеристик использовался хром, а цифры – массовую долю этого элемента.

В самом конце названия марки могут стоять дополнительные обозначения, показывающие степень раскисления. Наличие литер «сп» показывает, что сталь спокойная, полученная путём обогащения первоначального сплава раскислителями. В её составе практически отсутствуют неметаллические примеси и шлаки, из-за чего повышаются качество и цена. Обозначение «кп» применяют для кипящих (не окисленных) стальных сплавов. Стоимость получения таких материалов ниже, но и содержание примесей максимальное. Оптимальный вариант – сталь «пс» или «полуспокойная», качество и цена которой находится между категориями «сп» и «кп».

Применение материала

Сфера применения высокоуглеродистых сталей достаточно большая, и зависит от их марок:

• Из нелегированной стали У7 и У7А в основном изготавливают инструменты – для работы по дереву, штамповые и другие, при использовании которых не происходит нагрева сплава.
• Серии У8 и У9 подходят, чтобы изготавливать кусачки, пилы, топоры и накатные ролики. А ещё –чтобы делать ламели, клапана, пружины и другие пружинящие детали.
• Сплавы У10 применяют для изготовления технических и швейных игл. Такую же сталь, вместе с серией У11, применяют, чтобы делать штампы, напильники и ролики. А высокая пружинистость материалов делает их подходящими для создания плоских и витых пружин.
• Сталь У10А подходит для изготовления сердечников трансформаторов.
• Сплав У12А используют, чтобы делать мелкие штемпели, напильники, ножи и бритвенные лезвия, слесарные шаберы и напильники.
• Серия У13 подходит, чтобы делать инструменты с высокими требованиями к износостойкости – в том числе, хирургические и гравировальные.
• Сплавы ШХ являются материалом для изготовления не только подшипников, но и ножей, и разных видов режущего инструмента.

Высокоуглеродистая сталь с содержанием углерода 1,25-2,14% называется сверхвысокоуглеродистой. Её используют для специальных целей, включая создание осей, ножей и пуансонов – но только после специальной закалки.

Обратите внимание, что вся представленная информация о высокоуглеродистой стали, является справочной, и носит ознакомительный характер.