Высокоуглеродистая сталь

Высокоуглеродистая сталь — это углеродистая сталь, содержащая углерод в количестве от 0,6 % до 2,14 % по массе. Относится к группе инструментальных и конструкционных сталей, отличающихся высокой твёрдостью, прочностью и износостойкостью, но при этом — пониженной пластичностью и вязкостью. С увеличением содержания углерода возрастает способность стали к закалке, что позволяет получать изделия с высокой твёрдостью режущей кромки или рабочей поверхности. Верхний предел содержания углерода (2,14 %) соответствует границе, за которой сплав переходит в категорию чугунов.

Классификация

Высокоуглеродистые стали классифицируют по нескольким признакам: по содержанию углерода, по назначению, по качеству и по способу выплавки.

По содержанию углерода

• Умеренно высокоуглеродистые (0,6–0,8 % C) — сочетают достаточную твёрдость с приемлемой вязкостью. Применяются для пружин, рессор, штампов, молотков.
• Высокоуглеродистые (0,8–1,2 % C) — обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Используются для режущего инструмента (ножи, свёрла, метчики), измерительного инструмента, штампов холодного деформирования.
• Сверхвысокоуглеродистые (1,2–2,14 % C) — очень твёрдые, но хрупкие. Применяются ограниченно — для напильников, шаберов, бритвенных лезвий, волочильных фильер.

По качеству

• Обыкновенного качества (группы А, Б, В по ГОСТ 380) — содержат повышенное количество серы и фосфора, используются для второстепенных деталей.
• Качественные (ГОСТ 1050) — с пониженным содержанием вредных примесей, применяются в машиностроении.
• Высококачественные (ГОСТ 1435) — с минимальным содержанием серы и фосфора, предназначены для ответственного инструмента.
• Особовысококачественные — выплавляются в вакуумных печах, используются в авиа- и ракетостроении.

По назначению

• Инструментальные углеродистые стали (У7, У8, У10, У12, У13) — основная группа высокоуглеродистых сталей, маркируются буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У8 содержит 0,8 % C.
• Пружинные стали (65, 70, 75, 85) — после закалки и отпуска приобретают высокий предел упругости.
• Подшипниковые стали (ШХ15) — содержат 0,95–1,05 % C и хром, обеспечивающий высокую твёрдость и износостойкость.
• Стали для измерительного инструмента (У10, У12) — обладают стабильностью размеров после термической обработки.

Химический состав и структура

Основными легирующими элементами в высокоуглеродистой стали являются углерод, марганец (0,2–0,6 %), кремний (0,17–0,37 %), а также неизбежные примеси — сера (до 0,04 %) и фосфор (до 0,035 %). В зависимости от марки могут добавляться хром, никель, ванадий, вольфрам для улучшения прокаливаемости, износостойкости или теплостойкости.

В равновесном состоянии структура высокоуглеродистой стали состоит из перлита и цементита (вторичного). При содержании углерода более 0,8 % в структуре появляется ледебурит (эвтектика), что характерно для заэвтектоидных сталей. После закалки формируется мартенсит — игольчатая структура, обеспечивающая максимальную твёрдость (до 65–68 HRC).

Производство

Высокоуглеродистые стали выплавляют в мартеновских печах, кислородных конвертерах или электродуговых печах. Для ответственных марок применяют вакуумирование, электрошлаковый переплав (ЭШП) или вакуумно-дуговой переплав (ВДП) для удаления газов и неметаллических включений.

После разливки слитки подвергают горячей деформации (прокатке, ковке) для получения полуфабрикатов — листов, прутков, ленты, проволоки. Конечная термическая обработка включает отжиг (для снятия напряжений и улучшения обрабатываемости резанием), закалку и отпуск.

Термическая обработка

Термическая обработка высокоуглеродистой стали направлена на достижение заданных механических свойств:

• Отжиг — нагрев до 750–800 °C, медленное охлаждение. Снижает твёрдость, улучшает обрабатываемость резанием.
• Нормализация — нагрев выше критической точки (Ac3), охлаждение на воздухе. Устраняет крупнозернистую структуру.
• Закалка — нагрев до 780–850 °C (в зависимости от марки), выдержка и быстрое охлаждение в воде, масле или полимере. Формирует мартенситную структуру, твёрдость повышается до 60–68 HRC.
• Отпуск — повторный нагрев до 150–600 °C (низкий, средний, высокий отпуск). Снимает внутренние напряжения, повышает вязкость. Для режущего инструмента применяют низкий отпуск (150–200 °C), для пружин — средний (350–450 °C), для деталей, работающих при ударных нагрузках, — высокий (500–600 °C).

Свойства

Основные физико-механические свойства высокоуглеродистой стали:

• Твёрдость — от 20 HRC (в отожжённом состоянии) до 68 HRC (после закалки и низкого отпуска).
• Предел прочности — 600–1200 МПа (в зависимости от марки и термообработки).
• Предел текучести — 350–900 МПа.
• Относительное удлинение — 3–15 % (снижается с ростом содержания углерода).
• Ударная вязкость — 10–50 Дж/см² (низкая у заэвтектоидных сталей).
• Плотность — 7,85 г/см³.
• Температура плавления — 1450–1520 °C.

Недостатки: склонность к хрупкому разрушению, низкая коррозионная стойкость (требует защитных покрытий), плохая свариваемость (необходим предварительный подогрев и последующая термообработка).

Применение

Высокоуглеродистая сталь используется в отраслях, где требуется высокая твёрдость, износостойкость и упругость:

• Режущий инструмент — ножи, ножницы, свёрла, метчики, плашки, фрезы, развёртки, напильники, шаберы.
• Измерительный инструмент — штангенциркули, микрометры, калибры, шаблоны.
• Штампы и пресс-формы — штампы холодного деформирования, пуансоны, матрицы.
• Пружины и рессоры — автомобильные рессоры, пружины подвески, клапанные пружины.
• Подшипники — шарики, ролики, кольца подшипников качения.
• Канаты и проволока — стальные канаты, струны, пружинная проволока.
• Бытовые изделия — ножи, топоры, лопаты, стамески, долота, зубила.
• Музыкальные инструменты — струны роялей, гитар, скрипок (рояльная проволока).

Марки высокоуглеродистой стали (по ГОСТ)

В России и странах СНГ наиболее распространены следующие марки:

• У7, У7А — 0,65–0,74 % C. Инструмент для обработки дерева, пневматические зубила, молотки.
• У8, У8А — 0,75–0,84 % C. Ножи, ножницы, штампы, пуансоны.
• У9, У9А — 0,85–0,94 % C. Напильники, шаберы, фрезы.
• У10, У10А — 0,95–1,04 % C. Метчики, плашки, свёрла, измерительный инструмент.
• У12, У12А — 1,15–1,24 % C. Бритвенные лезвия, волочильные фильеры, напильники.
• У13, У13А — 1,25–1,35 % C. Инструмент для обработки твёрдых материалов, гравировальные резцы.
• 65, 70, 75, 85 — пружинные стали (0,65–0,85 % C). Рессоры, пружины, торсионы.
• ШХ15 — 0,95–1,05 % C, 1,3–1,65 % Cr. Подшипники качения.

Сравнение с другими сталями

Интересные факты

• Дамасская сталь (булат) исторически изготавливалась из высокоуглеродистой стали с содержанием углерода до 1,5–2,0 %, что придавало клинкам исключительную твёрдость и упругость.
• Сталь марки У13 (1,3 % C) используется для изготовления бритвенных лезвий, так как после закалки позволяет получить кромку толщиной до 0,01 мм.
• Высокоуглеродистая сталь плохо поддаётся холодной штамповке из-за низкой пластичности, поэтому большинство заготовок из неё изготавливают ковкой или горячей прокаткой.
• В СССР и России для инструментальных сталей действует ГОСТ 1435-99, который устанавливает требования к химическому составу и свойствам марок У7–У13.

Источники

• ГОСТ 1435-99 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Технические условия».
• ГОСТ 1050-2013 «Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия».
• ГОСТ 14959-79 «Пружинная углеродистая и легированная сталь. Технические условия».
• Марочник сталей и сплавов / под ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.
• Материаловедение: учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Г. Мухин и др. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.