Высокоуглеродистые стали широко используются в промышленности благодаря уникальному сочетанию прочности, твердости и износостойкости.
1. Понятие и классификация высокоуглеродистых сталей
Высокоуглеродистые стали - это стали, содержащие от 0,6 до 2% углерода. По сравнению с низкоуглеродистыми сталями (менее 0,6% C) они обладают более высокими прочностными характеристиками, но меньшей пластичностью.
По содержанию углерода высокоуглеродистые стали подразделяют на:
- Обычные - 0,6-1,7% C
- Повышенной прочности - 1,8-2,14% C
Кроме углерода, в высокоуглеродистых сталях могут содержаться легирующие элементы - марганец, кремний, хром, никель и др. Они улучшают технологические и эксплуатационные свойства.
Основные марки высокоуглеродистых сталей согласно ГОСТ:
- 60, 70, 80, 85 - конструкционные стали повышенной прочности
- У7, У10, У12, У13 - инструментальные стали
- 50, 55 - подшипниковые стали
2. Химический состав и структура
Углерод оказывает значительное влияние на структуру и свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость, прочность, предел текучести, электросопротивление, а пластичность и вязкость снижаются.
Легирующие элементы также существенно влияют на свойства. Например, марганец увеличивает прокаливаемость и прочность стали, а кремний повышает ее твердость и износостойкость.
Структура высокоуглеродистой стали состоит из феррита и цементита, причем с ростом содержания C доля цементита увеличивается. Цементит отвечает за твердость и хрупкость стали.
3. Физико-механические свойства
Высокоуглеродистые стали характеризуются высокими показателями прочности. Например, временное сопротивление разрыву для стали 70 составляет 800 МПа. Однако с увеличением содержания углерода свыше 1% прочность начинает снижаться.
Твердость высокоуглеродистых сталей по Бринеллю достигает 200-230 НВ. Это обеспечивает их высокую стойкость к истиранию и высокую износостойкость при трении.
К недостаткам этих сталей относится низкая ударная вязкость (15-30 Дж/см2) и повышенная хладноломкость при отрицательных температурах, особенно после термической обработки.
Теплопроводность высокоуглеродистых сталей невысока - 30-36 Вт/(м·°С). А электросопротивление, наоборот, довольно большое - 0,4-0,5 мкОм·м.
4. Технологии производства заготовок
Существует несколько методов выплавки высокоуглеродистых сталей: в конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Последние обеспечивают наиболее точный контроль химического состава.
Для формирования слитков применяют как стационарную разливку в изложницы, так и непрерывную разливку при получении проката. При непрерывной разливке скорость охлаждения выше, поэтому структура металла более однородная.
Из слитков методом прокатки, волочения или ковки получают различные полуфабрикаты - листы, прутки, проволоку. Волочение позволяет повысить прочностные характеристики за счет упрочнения кристаллической решетки.
Также для получения заготовок применяют литье по выплавляемым моделям и металлургический синтез. Последний использует реакцию восстановления оксидов для прямого получения порошков и гранул.
5. Термическая и химико-термическая обработка
Высокоуглеродистые стали марок 55 60 65 подвергают различным видам термообработки с целью формирования определенной структуры и требуемого комплекса свойств.
Наиболее распространены закалка (нагрев до аустенитной области и быстрое охлаждение) и последующий низкий отпуск. Это позволяет достичь твердости 60-65 HRC при сохранении вязкой сердцевины.
Для создания износостойких поверхностных слоев используют лазерную и индукционную закалку, ограничив термическое воздействие только поверхностным слоем.
Химико-термическая обработка (цементация, азотирование) также формирует износостойкие поверхностные слои, насыщенные углеродом или азотом.
6. Механическая обработка резанием
Из-за высокой твердости обработка высокоуглеродистых сталей резанием затруднена. Обрабатываемость повышается при содержании углерода 0,6-0,8%, далее она резко ухудшается.
7. Сварка и пайка
Сварка высокоуглеродистых сталей затруднена из-за склонности к образованию закаленных зон и трещин в шве. Поэтому применяют предварительный подогрев до 200-300°С и сварочные материалы с пониженным тепловложением.
Для дуговой сварки используют электроды типа Ц, ЦТ, ОЗС-12. Сварку ведут на постоянном или переменном токе обратной полярности. Скорость сварки должна быть высокой, чтобы ограничить термическое влияние.
Для аргонодуговой сварки применяют неплавящийся вольфрамовый электрод и присадочную проволоку Св-08Г2С. Этот вид сварки обеспечивает высокое качество шва.
8. Пайка
Пайка деталей из высокоуглеродистых сталей возможна мягкими и твердыми припоями. Мягкие припои (оловянно-свинцовые) используют для неответственных изделий, твердые (на серебряной основе) - в ответственных соединениях.
Перед пайкой поверхность очищают от оксидов и флюсуют. Оптимальный зазор в стыке 0,05-0,2 мм. Припой должен полностью заполнять зазор.
9. Термообработка
Для придания необходимых свойств детали из высокоуглеродистых сталей подвергают термической обработке. Наиболее распространены закалка и низкий отпуск, позволяющие получить требуемую твердость и вязкость.
Поверхностную закалку (лазерную, индукционную) используют, когда нужно упрочнить только рабочие поверхности детали.
При химико-термической обработке (цементации, азотировании) на поверхности формируется износостойкий диффузионный слой, обогащенный легирующим элементом.
10. Применение в промышленности
Благодаря высокой прочности и износостойкости высокоуглеродистые стали широко используются для производства режущего, штампового инструмента, деталей, работающих на трение и в ударных нагрузках.
Их применяют в машиностроении, при производстве подшипников, пружин, для изготовления инструментов обработки металлов давлением.
