Выплавка и применение высокоуглеродистой стали

Любая сталь — это сплав. В основном он состоит из железа и углерода (обозначается буквой С), и в него могут добавляться различные легирующие элементы, влияющие на физические свойства конечного продукта. Сталь может быть высоко- и низколегированная, особого назначения, кипящая, спокойная и полуспокойная. Бывает мало- средне- и высокоуглеродистая сталь, разделение зависит от количества углерода в их составе. При повышенном количестве углерода, сталь является высокоуглеродистой.

Высокоуглеродистая сталь

От содержания углерода в составе зависят характеристики стали. Он может содержаться в сплаве в количестве от 0,02 до 2,14%. К высокоуглеродистым относятся стали, где количество углерода более или равно показателю 0,6 %. С увеличением количества углерода в составе стали, увеличивается содержание цементита, а феррита уменьшается. Металл становится более твердым и прочным, но теряет пластичность. Такая закономерность применима для стали с содержанием углерода не более 1 %. Если же его процент в составе повышается, то формируется сетка вторичного цементита, что приводит к снижению прочности.

Качество высокоуглеродистой стали, ее свойства зависят от количества вредных примесей. Чем их меньше, тем выше качество металла. Большое количество примесей характерно для другого вида сплава, который называется легированной сталью. Из-за невозможности удаления примесей из сплава по техническим причинам, позволяет входить в состав стали:

• Водороду.
• Азоту.
• Кислороду.
• Кремнию.
• Марганцу.
• Фосфору.
• Сере.

Присутствие данных элементов объясняется методом, которым выплавлялась сталь: кислородно-конвертерным, мартеновским или вакуумным. Углерод же добавляется в сплав намеренно, при его низких исходных показателях. Наличие марганца в стали увеличивает ее прокаливаемость, значительно повышает прочность и износостойкость, устраняет вредное влияние серы, из-за большого количества которой при ковке металл образует трещины. Поэтому марганец присутствует практически во всех типах стали.

При повышении в составе металла углерода меняются и другие свойства сплава. Снижается его ковкость и увеличивается электрическое сопротивление. При очень высоком содержании углерода металл становится хрупким. Не случайно, при содержании углерода в составе более 2,4%, металлические сплавы относят к чугунам. Эти материалы хуже прочих обрабатываются резанием и давлением, у них снижен показатель жидкотекучести. По этой причине конструкционные изделия и детали из такой стали не изготавливают. Она применяется для производства деталей методом отливки, также из такой стали изготавливают проволоку, которую обрабатывают методом штамповки.

Сварка

Способом сварки изделия из высокоуглеродистой стали стараются не соединять. Из-за повышенной температуры в сварном шве и зоне вокруг него возникают трещины, из состава стали выжигается углерод и в области сварки появляются закаленные сегменты, металл становится пористым. В связи с такими особенностями сварочных работ, выполнять их с этим видом стали стоит при крайней необходимости или ремонтных работах. При этом нужно пользоваться электродами с невысокой тепловой мощностью. Сварочная дуга должна быть не окислительного, а восстановительного типа. Отрицательных эффектов сварки можно избежать если предварительно прогреть соединяемые детали до 200-250 градусов.

Маркировка

Маркировка высокоуглеродистой и любой другой стали дает возможность точно узнать их химический состав, характеристики материала. Наносится несмываемой краской на поверхность стали. Включает как буквенные, так и цифровые обозначения, по которым можно узнать: тип и количество легирующих элементов, качественные характеристики материала, степень раскисления металла и другие:

• Буква «У» в начале маркировки обозначает содержание углерода в пределах 0,75%, сталь относящуюся к категории инструментальных, цифры, располагающиеся после буквы означают содержание в стали углерода в десятых долях процента.
• «А» в составе маркировки указывает что сплав относится к категории высококачественных сталей.
• «Ш» означает, что сталь высокого качества.
• Буквы «сп», «пс» и «кп» присутствующие в маркировке обозначают степень раскисления стали, спокойный, полуспокойный и кипящий соответственно.
• «Г» означает наличие в сплаве марганца в количестве 0,8% и более.

Маркировка стали дает возможность узнать полную информацию о конкретном виде стали, по характеристикам можно точно подобрать металл для своих целей.

Использование

Высокоуглеродистая сталь марок 55, 60, 70 характеризуются высокой твердостью, прочностью, поэтому пригодны для изготовления:

• Высокопрочной проволоки.
• Стальной дроби, использующейся для абразивной обработки материалов (рубленой, литой, колотой).
• Тросов.
• Штоков.
• Пружин.
• Режущих инструментов.
• Деталей землеройных и сельскохозяйственных машин.

Углеродистая качественная конструкционная сталь 15, 35, 45, 50 используется для деталей с последующей цементацией, чтобы повысить твердость, износоустойчивость деталей:

• Валов.
• Зубчатых колес.
• Осей.
• Гаек.
• Болтов.
• Напильников.

Прочие детали, в процессе эксплуатации испытывающие трение.

Марки ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, имеющие легирующую добавку хрома, используют для изготовления подшипников.

Инструментальную сталь повышенного качества широко применяют при производстве металлообрабатывающих инструментов особой твердости: резцов, зенковок, сверл.

Информацию по всем углеродистым металлам можно найти в различных ГОСТ. Как правило, в первую очередь специалисты обращаются к стандартам № 1050 от 1988 и № 380 от 2005 годов, в которых по отдельным позициям есть сноски на иные нормативные документы.

Высокоуглеродистая нержавеющая сталь

Если объединить высокоуглеродистую и нержавеющую сталь для получения высококачественной углеродистой нержавеющей стали, то состав такого металла возьмет лучшее из каждого сплава. Эта сталь устойчива к ржавчине или окрашиванию и она очень твердая. Как правило, этот сплав считается сплавом из высококачественной нержавеющей стали.

Углеродистая нержавеющая сталь имеет хороший край при заточке, и этот твердый металл очень подходит для изготовления ножей. Нож из высокоуглеродистой нержавеющей стали хорошо и долго держит заточку, не темнеет, не впитывает посторонние запахи от приготовляемых продуктов. В нем удачно сочетаются положительные стороны нержавеющей и высокоуглеродистой стали и нивелированы недостатки каждой из них.

Изготовление

Изготовлением металлов и их сплавов занимается металлургическая промышленность. Процесс получения высокоуглеродистой стали — это переплавка чугуна с уменьшением в составе количества серы и фосфора и регулировкой содержания углерода до требуемых концентраций. Различные методы проведения таких процессов позволяют выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Это вид обработки, при котором расплавленный чугун продувается воздухом (бессемеровский метод) или чистым кислородом. При таком способе углерод окисляется и выгорает из сплава, в результате чего чугун постепенно становится сталью.

Бессемеровский метод выплавки стали сейчас не используется из-за невысокого качества получаемого сплава, который в процессе производства насыщался газами и не освобождался от серы и фосфора. Сталь получается прочной, но склонной к быстрому старению.

Мартеновский способ

Это метод, при котором углерод из чугуна выжигается не только с помощью кислорода, но и за счет добавления железной руды и заржавевших металлических изделий. Этот процесс происходит в огромных печах, куда подается горячий воздух и горючий газ. Размер ванн для расплавления первоначальных ингредиентов в таких печах очень велик, они вмещают до 500 тонн жидкого металла. Температура в плавильной ванне достигает 1700 градусов и поддерживается на этом уровне. Выжигание углерода вначале идет под воздействием кислорода, присутствующего в повышенном количестве в горючих газах, а затем посредством оксидов железа. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства. Плавка стали происходит в течение 7 часов, за это время возможна регуляция состава добавлением нужных руд или металлического лома.

Электротермический (вакуумный)способ

Он позволяет выплавить качественную сталь с минимальным количеством посторонних добавок. Преобразование первоначального сырья в сталь происходит в вакуумной среде, без доступа воздуха, из-за чего этим способом изготавливаются металлы намного качественнее, чем при других видах плавки. Благодаря улучшенным свойствам этой стали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Стоимость такого вида обработки металлов дороже, поэтому таким способом изготовления сплавов пользуются в случае технологической необходимости изготовления высококачественного изделия. Для того, чтобы удешевить процесс, используют специальный ковш, который помещают внутрь вакуумной печи и разогревают.

Заключение

Зная и применяя специфические характеристики высокоуглеродистых сталей, их используют в различных отраслях промышленности. Изучение таких свойств и специфики отличий позволит безошибочно использовать требуемый материал.