О термине «высокоуглеродистая сталь» слышал практически каждый. Первые ассоциации, возникающие при её упоминании – это качественные изделия, повышенная прочность, устойчивость к коррозии. Действительно, за счёт своих физико-химических свойств она востребована и используется абсолютно во всех отраслях промышленности. Сам состав сплава уже является преимуществом: он насыщен углеродом, за счёт чего приобретает высокую твёрдость и прочность.
Однако, к использованию высокоуглеродистого сырья необходимо подходить взвешенно. Наряду с положительными качествами оно имеет и недостатки. Высокоуглеродистые стали плохо поддаются механической обработке, имеют низкую пластичность, а сварка требует высшей квалификации и опыта работника.
Свойства высокоуглеродистых сталей
Высокоуглеродистыми принято называть стали, содержащие в своём составе углерод и легирующие добавки. В зависимости от объёмного содержания углерода они подразделяются на мало-, средне- и высокоуглеродистые. К последнему типу относятся стали, содержание углерода в которых составляет – 0,50-2,14%.
Структурой и свойствами углеродистых сталей занимается такая наука, как «Материаловедение». По мере насыщения стали углеродом феррит, содержащийся в кристаллической решётке, замещается цементитом. За счёт этого сплав приобретает высокую прочность и твёрдость. Параллельно с этим снижается и пластичность. Сталь становится хрупкой, снижается ударная вязкость. Поэтому при изготовлении чётко контролируется процентное содержание углерода.
На снижение показателей высокоуглеродистых сталей большое влияние оказывают посторонние примеси. Чем выше их объём, тем ниже качество сплава. Некоторые примеси можно удалить ещё в процессе производства, некоторые удалить невозможно. К последним относятся кремний, фосфор, сера, азот, марганец, водород и кислород. Они нежелательны, но их наличие обуславливается технологией производства.
По мере насыщения углеродом стали происходит снижение сопротивлению деформации, возрастает электрическое сопротивление, повышается хрупкость металла. Сплавы, содержание углерода в которых превышает 2,40% , уже относят к чугунам.
Особенности высокоуглеродистых сталей
Как отмечалось выше, высокоуглеродистыми принято называть сплавы, объёмное содержание углерода в которых не превышает 2,14 %. На практике, в различных отраслях промышленности и машиностроении применяют стали с содержанием углерода 1,40-1,60%. Определённые элементы и примеси «добавляют» необходимые показатели прочности. К ним относятся сера, фосфор, газы, случайные механические включения.
Снижение пластических свойств металла с высоким содержанием углерода затрудняет «холодную» обработку, повышает риск образования трещин. Это объясняется изменениями структуры металла. Увеличение количества перлита и уменьшение феррита влечёт за собой ухудшение обрабатываемости.
Добавки и вредные примеси высокоуглеродистых сталей
При производстве сталей с повышенным содержанием углерода используется порядка 20 легирующих компонентов. Основными из них являются:
- Марганец, вводящийся в качестве раскислителя. Его объёмная доля 0,3-0,8%. Марганец нейтрализует вредное воздействие кислорода и серы;
- Кремний также применяется в качестве раскислителя. Он стабилизирует предел текучести, повышает показатели прокаливаемости. Количество кремния в высоколегированных сталях не превышает 0,4%;
- Сера считается вредной примесью. Она представляет собой сульфид железа, обладающего очень высокой температурой плавления. Чтобы нейтрализовать серу необходимо разогреть сталь до 900-1000°C. Содержание серы строго контролируется в процессе производства и не должно превышать 0,05%;
- Фосфор также относится к вредным примесям. Он является основной причиной хрупкости и хладоломкости высоколегированных сталей. Увеличение его объёма всего лишь на 0,01% повышает хладоломкость на 20-25° С.
К вредным примесям относятся и скрытые газы: кислород, водород, азот. Именно они отрицательно влияют на пластичность и придают стали излишнюю хрупкость. Кислород практически не растворяется в феррите и загрязняет сталь нитридами и оксидами.
Как влияет нагрев и отжиг на высокоуглеродистую сталь
Температурный воздействие в отношении высокоуглеродистых сталей часто применяют для улучшения их обрабатываемости. Этот процесс подразумевает:
- нагрев до определённой температуры;
- выдержку;
- охлаждение с определённой интенсивностью.
Это позволяет получить необходимые свойства металла без изменения размеров и формы деталей или заготовок. Термическая обработка вызывает изменения структуры металла только в том случае, если температура нагрева выбрана некорректно. Нагрев высокоуглеродистой стали до критической температуры приводит к образованию в её структуре крупных зёрен, получению т.н. «видманштеттовой структуры». Проще это называется перегревом стали. Исправить дефект весьма трудно. На перегретой стали получаются отчётливо различимые участки оплавления, которые окисляются в течение нескольких дней. «Пережог» высокоуглеродистой стали является неисправимым браком.
В то же время нагрев высокоуглеродистой стали до температуры 700-750°С с последующим отжигом позволяет улучшить обрабатываемость:
- лазерной резкой;
- механической резкой;
- давлением на листогибочных и формовочных прессах;
- на токарных, фрезерных и шлифовальных станках.
Нагрев высокоуглеродистой стали до правильной температуры с последующим отжигом позволяет добиться оптимальных эксплуатационных характеристик будущего изделия. Основными целями отжига после температурной обработки являются устранение деформаций литья, уменьшение внутренних напряжений, смягчение структуры перед механической обработкой.
Применение высокоуглеродистых сталей
Популярность высокоуглеродистых сталей обусловлена, прежде всего, их механическими характеристиками. Из сталей марок 55, 60 и 70 производят:
- высокопрочные проволоки;
- тросы;
- резцы для токарных и фрезерных станков;
- режущий инструмент;
- ответственные детали машин, механизмов, спецтехники;
- валы и шестерни;
- зубчатые колёса редукторов;
- подшипники качения.
Высокоуглеродистые стали сочетают в себе высокую твёрдость и сопротивляемость к окислению. Именно поэтому они востребованы при производстве популярной и ходовой продукции – ножей, ножниц, хирургического инструмента.