Что изготавливают из инструментальной стали
Общее описание
Инструментальная сталь — это особый класс стали для изготовления агрегатов, рабочих узлов, конструкций и деталей электроники. Обладает высокой твердостью, износостойкостью к термическим, химическим, механическим воздействиям.Состав включает углерод, хром, молибден, ванадий и иные элементы, которые придают материалу требуемые характеристики. В зависимости от химического состава каждый сплав обладает своими преимуществами. Выбирается материал в соответствии с конкретными задачами.
Процесс термообработки, включающий закалку и отпуск, играет ключевую роль в формировании свойств. Закалка повышает твердость, а отпуск обеспечивает необходимую пластичность, что в итоге позволяет продлить срок службы конечной продукции.
Инструментальная сталь служит сырьем для режущих, штамповых, формовочных, наладочных инструментов. Используется для производства деталей точной механики с машиностроением. Это делает её незаменимым металлом в производстве.
Практическое использование
Инструментальная сталь выпускается под разные задачи:
- снижение веса
- повышение прочности
- cтойкость к нагрузкам
- долговечность
- защита от коррозии
Эти качества достигаются общим методом — насыщение железа иными элементами в разной пропорции. Однако у каждого сплава будут свои свойства.
Выпускается два типа сталей в зависимости от поставленных задач:
- Углеродистая. Материал насыщается углеродом. Отличается легкостью и прочностью в сравнении с обычной сталью. Используется преимущественно для выпуска крупных конструкций.
- Легированная Обогащается цветными металлами в конкретной доле. В зависимости от содержания компонентов повышается стойкость к температуре, влаге или растяжению.
Углеродистая сталь
Это сплав железа с углеродом, который отличается повышенной прочностью.Основные характеристики зависят от содержания углерода:
- низкоуглеродистая сталь (до 0,25% углерода) обладает хорошей ковкостью и пластичностью, что делает ее идеальной для формовки и сварки
- среднеуглеродистая сталь (0,25-0,60% углерода) имеет оптимальное сочетание прочности и пластичности, что позволяет использовать ее для производства деталей машин и конструкций
- высокоуглеродистая сталь (более 0,60% углерода) характеризуется большей твердостью и износостойкостью, но при этом менее пластичная и подвержена хрупкости
Применяется в машиностроении, инженерии и производстве инструментов. Выпускается и маркируется по регламенту ГОСТ 380-2005.
Практическое использование
Углеродистая сталь в числе самых распространённых и ключевых материалов в современной металлургии. Получается несколькими методами с конкретной спецификой.Доменное плавление
Железная руда с углем и флюсами загружается в доменную печь. Под действием высоких температур происходит образование чугуна, который содержит углерод и иные примеси. Затем металл проходит сталеплавильные процессы (конвертерный или рафинирующий) обработки. Происходит дозирование углерода и других элементов до получения заданных свойств.
Специфика доменного плавления — снижение затрат и цены конечной продукции. При этом скорость производства невысока. Поэтому данным методом чаще выпускаются сложные изделия — арматура, трубы и др.
Электродуговая плавка
Получается путем воздействия на руду электрической энергии. Процесс позволяет добиться высокой степени чистоты и управляемости конечного состава металла. Предоставляется гибкость в производстве стали с различными механическими свойствами.
Контроль качества термической обработки обеспечивает получение требуемых характеристик. В результате можно получать металлосплав требуемых свойств под конкретные отрасли.
Электродуговая плавка требует много энергетических затрат, но обеспечивает более высокую производительность (в сравнении с доменным плавлением).
Перечень продукции
Инструментальная сталь в числе востребованных материалов в промышленности.В зависимости от содержания элементов в спросе для выпуска сложной продукции:
- Стальные балки, колонны и фермы – это основные компоненты, используемые в строительстве. Легкие конструкции для жилых зданий, массивные элементы для промышленных объектов. Задействуется в производстве автомобилей, где изготавливаются кузовы, рамы, ходовая часть.
- Производство резцов, сверл, ножей, требующих высокой прочности и долговечности. Инструменты дерево- и металлообработки отличаются высокой точностью и большим ресурсом.
- Применяется в производстве труб и фитингов, которые используются в системах водоснабжения, отопления и газоснабжения. Изделия обладают высокой устойчивостью к деформациям и коррозии, что делает их незаменимыми в инженерных системах.
- Высокоуглеродистая сталь важна в производстве бытовых приборов и электроники. Стойкость и простота обработки делает ее пригодной для каркасов, корпусов и деталей. Конечный продукт показывает надежность и долговечность. Снижается вес и повышается прочность конструкций.
Сегодня задействуются технологии, позволяющие получать высококачественные материалы. За счет ввода в эксплуатацию долговечных сплавов достигается экономия ресурсов и снижение углеродного следа. Увеличение ресурса изделий сократило объемы выпуска и воздействие на экологию.
Технология развивается в рамках обработки и легирования. Создаются новые сплавы, которые отвечают требованиям ведущих отраслей, включая возобновляемую энергетику и высокие технологии.
Плюсы и минусы
Углеродистая сталь распространена в современной промышленности за счет ряда преимуществ:
- Высокая прочность и жесткость. Стальные изделия выдерживают большую механическую нагрузку от бетонных плит и иных конструкций. Позволяют вести строительство типовых зданий ускоренно в крупном объеме.
- Простота получения. Задействуется в массовом производстве простых изделий (арматура, швеллер, двутавр, труба и др.).
- Низкая себестоимость. Доступность сырья, малые энергетические затраты, простота технологии выпуска позволяют получить конечную продукцию низкой цены.
При всех достоинствах металлосплав имеет и существенные недостатки:
- подверженность коррозии, требующая дополнительных защитных мер, особенно в условиях высокой влажности или агрессивной среды
- хрупкость при низких температурах, приводящая к непредвиденным разрушениям изделий и конструкций
Ограниченные возможности термообработки делают металл менее подходящим для применения в тяжелых условиях на промышленных объектах.
Важный момент — насыщение углеродом проходит за один цикл. Не требует сложной обработки и больших вложений. Но для увеличения срока службы в тяжелых условиях руда легируется. Этот более затратный технологический процесс, удорожающий цену конечного продукта. Поэтому насыщенная другими металлами сталь не задействуется для недорогих строительных каркасов и опор.
Легированная сталь
Включает металлы из числа хрома, никеля, молибдена. Эти составы обладают улучшенными механическими и физическими свойствами. В результате сплав более устойчив к коррозии, износу, высоким температурам. Характеристики зависят от типа легирующих элементов. Получается сплав с разными свойствами для повсеместного использования от строительства и машиностроения до выпуска бытовой техники.Одним из ключевых качеств легированной стали является возможность получения различных классов прочности и твердости:
- хромированная сталь обладают высокой прочностью и мягкостью
- никелевые составы отличаются хорошей ударной устойчивостью при низких температурах
- молибденовые сплавы характеризуются жаростойкостью
Благодаря этим качествам инструментальная сталь стала основным материалом в производстве конструкций, которые требуют надежности и долговечности. Также существуют специальные инструментальные стали профильного назначения. В них присутствует сразу несколько легированных металлов в большом объеме.
По составу различают несколько типов стали:
- низколегированная (до 2% суммарной доли всех легирующих элементов)
- среднелегированная (до 10%)
- высоколегированная (любое содержание при железе от 55%)
Легирование более сложный процесс в производстве, который удорожает стоимость конечной продукции. Поэтому оно не востребовано в выпуске типовых конструкций, для которых важна низкая себестоимость.
Технология выпуска
Представляет типичную металлообработку, которая включает несколько ключевых этапов:
- Сначала происходит плавка в электропечах или конверторах с нагревом до + 2200 °C для насыщения железной руды углеродом.
- Далее в расплав добавляются легирующие элементы, которые вводятся в строго рассчитанных пропорциях. Эти элементы способствуют улучшению прочности, коррозионной стойкости, а также повышают устойчивость к механическим повреждениям.
- После происходит термическая обработка, которая включает закалку и отпуск. В результате улучшается структура и свойства материала.
На выходе получается высокопрочная, износостойкая сталь, которая востребована во многих отраслях. Технология производства служит основой для получения современных металлосплавов.
Типы производимых изделий
Продукция применяется в механике, строительстве и химической промышленности. Это сплавы повышенной износостойкости для критических компонентов. В промышленности из легорованной стали делают элементы силовой установки (шатуны, коленвалы, распредвалы). Они требуют высокой прочности и устойчивости к экстремальным условиям работы. Выпускаются различные инструменты — сверла, резцы и фрезы, ножи высокой твердости.
В строительной отрасли находит применение для выплавки арматуры, каркасов зданий, мостов. Сталь выдерживает значительные нагрузки и долговечна. Используется в сельском хозяйстве для сборки машин и техники повышенной производительности.
В энергетической отрасли служит сырьем для выпуска турбин и генераторов, где требуется высокая термостойкость и способность противостоять агрессивным средам. Например, в газовых и паровых турбинах металлосплавы обеспечивают необходимые характеристики, позволяя эффективно генерировать электрическую энергию.
Также востребована для выпуска медицинского оборудования, включая хирургические инструменты и имплантаты. Использование сплавов с соблюдением высокой точности содержания критично, т.к. они должны быть еще и биосовместимыми.
Легированная сталь остается важным материалом, способствуя развитию технологий и повышению качества производимой продукции. Производится и маркируется по ГОСТ 4543-2016.
Плюсы и минусы
Сталь рассчитана на эксплуатацию в тяжелых условиях и агрессивной среде.Поэтому для нее стоит отметить следующие достоинства:
- Повышенная прочность. Углерод придает устойчивость к силовым нагрузкам, а легирующие металлы увеличивают коэффициент растяжения. В результате изделия выдерживают морозы и резкие перепады температуры без деформации.
- Устойчивость к влаге. Легированные металлы присутствуют по всему объему инструментальной стали, защищая ее от коррозии даже после износа. Это обеспечивает более высокую защиту от влаги в сравнении с оцинковкой.
- Лучшая свариваемость. За счет цветных металлов в составе металлосплав плавится при более низкой температуре в сравнении с железом (от +1450 °C против +1811 °C). Сварка изделий проходит проще и с меньшими энергетическими затратами.
- Механическая устойчивость. Менее подвержена разрушению при сильном трении. Эти качества важны для изготовления трущих поверхностей механизмов.
В первую очередь, проблема в разной температуре плавления. Для никеля она близка к углеродистой стали. У хрома составляет +1800 °C. А молибден плавится только при +2620 °C.
Вторая проблема — это сложность плавки готовых изделий. При нарушениях происходит непредусмотренное перенасыщение углеродом, которое проявляет низкие эксплуатационные качества. При содержании железа менее 50% сплав становится хрупким, химически активным. Разрушается под действием влаги и солнечных лучей.
Также увеличиваются затраты на расходные материалы. Для выпуска углеродистой стали можно использовать молибденовые формы, выдерживающие до 5000 использований. Для плавки ряда легирующих сплавов нужен нагрев до +3000 °C, который выдерживают лишь тигли из углеродных волокон. Они дороже и рассчитаны на 2200-3500 циклов.
По этим причинам легированная продукция более дорогая в цене в сравнении с обычными углеродистыми изделиями. Легирование применяется только для выпуска высокотехнологичной продукции, не рентабельно для типовых инженерных конструкций.