Главная  >  Справочник  >  Сталь инструментальная углеродистая У12А

Сталь инструментальная углеродистая марки У12А: описание, свойства и применение

Инструментальная углеродистая сталь марки У12А – это высокоуглеродистая сталь, предназначенная для изготовления инструментов, работающих в условиях, не требующих высокой красностойкости, но нуждающихся в повышенной твердости и износостойкости. Буква "У" в маркировке обозначает, что сталь углеродистая инструментальная. Цифра "12" указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента, то есть около 1.2%. Буква "А" указывает на то, что сталь является высококачественной, что подразумевает более строгие требования к химическому составу и чистоте металла по сравнению с обычными углеродистыми сталями.

 

Основные характеристики и преимущества стали У12А:

• Высокая твердость и износостойкость: Благодаря высокому содержанию углерода, сталь У12А после закалки и отпуска приобретает высокую твердость, что обеспечивает отличную износостойкость режущего инструмента.
• Хорошая прокаливаемость: Сталь У12А хорошо прокаливается на небольшую глубину, что обеспечивает твердую рабочую кромку инструмента при сохранении некоторой вязкости сердцевины.
• Невысокая стоимость: По сравнению с легированными инструментальными сталями, У12А является более экономичным вариантом, что делает ее привлекательной для производства большого количества простого инструмента.
• Простота обработки: Сталь У12А относительно легко обрабатывается резанием и ковкой в отожженном состоянии.
• Свариваемость: Свариваемость стали У12А ограничена и требует специальных методов сварки и предварительного подогрева.

Недостатки стали У12А:

• Низкая красностойкость: При нагреве до высоких температур (выше 200°C) сталь быстро теряет свою твердость, поэтому не рекомендуется использовать ее для изготовления инструментов, работающих в условиях высоких температур.
• Низкая прочность на изгиб и ударную вязкость: Высокое содержание углерода снижает пластичность и ударную вязкость стали, что может приводить к хрупкому разрушению инструмента при значительных нагрузках.
• Склонность к обезуглероживанию: При нагреве сталь У12А склонна к обезуглероживанию поверхностного слоя, что ухудшает ее свойства. Требуются специальные меры защиты при термообработке.

 

Химический состав стали У12А (ГОСТ 1435-99)

Элемент	Содержание, %
Углерод (C)	1.15 - 1.30
Кремний (Si)	0.10 - 0.35
Марганец (Mn)	0.15 - 0.40
Никель (Ni)	до 0.25
Сера (S)	до 0.020
Фосфор (P)	до 0.025
Хром (Cr)	до 0.20
Медь (Cu)	до 0.25
Мышьяк (As)	до 0.08

Расшифровка обозначений:

• C: Углерод – основной элемент, определяющий твердость и прокаливаемость стали.
• Si: Кремний – повышает прочность и упругость стали, способствует раскислению при выплавке.
• Mn: Марганец – повышает прокаливаемость, улучшает обрабатываемость и снижает хрупкость.
• Ni: Никель – повышает прочность и коррозионную стойкость, но в углеродистых сталях содержится в небольших количествах как примесь.
• S: Сера – вредная примесь, ухудшает механические свойства стали (снижает пластичность и ударную вязкость), повышает красноломкость.
• P: Фосфор – вредная примесь, повышает хладноломкость стали.
• Cr: Хром – повышает прокаливаемость, твердость и износостойкость, но в углеродистых сталях содержится в небольших количествах как примесь.
• Cu: Медь – повышает коррозионную стойкость, но в углеродистых сталях содержится в небольших количествах как примесь.
• As: Мышьяк – вредная примесь, ухудшает свариваемость и снижает пластичность.

 

Механические свойства стали У12А (ГОСТ 1435-99)

Механические свойства стали У12А зависят от режима термической обработки (закалка и отпуск). Приведенные ниже значения являются ориентировочными и могут варьироваться в зависимости от конкретных условий.

В отожженном состоянии:

• Предел прочности (временное сопротивление), σ_в: ~ 640 МПа
• Предел текучести, σ_т: ~ 340 МПа
• Относительное удлинение, δ: ~ 10%
• Относительное сужение, ψ: ~ 15%
• Твердость по Бринеллю, HB: ~ 255

После закалки и отпуска:

• Твердость по Роквеллу, HRC: 62-65 (в зависимости от температуры отпуска)

Расшифровка обозначений:

• σ_в (Предел прочности): Максимальное напряжение, которое материал может выдержать до разрушения.
• σ_т (Предел текучести): Напряжение, при котором материал начинает пластически деформироваться (необратимо).
• δ (Относительное удлинение): Относительное изменение длины образца после разрыва, выраженное в процентах от первоначальной длины. Характеризует пластичность материала.
• ψ (Относительное сужение): Относительное изменение площади поперечного сечения образца в месте разрыва, выраженное в процентах от первоначальной площади. Характеризует пластичность материала.
• HB (Твердость по Бринеллю): Метод измерения твердости, основанный на вдавливании стального шарика в материал.
• HRC (Твердость по Роквеллу): Метод измерения твердости, основанный на вдавливании алмазного конуса или стального шарика в материал.

 

Физические свойства стали У12А

Свойство	Значение
Плотность, кг/м<sup>3</sup>	7810
Температура ковки, °С	850 - 750
Температура критических точек, °С	Ac<sub>1</sub> = 727, Ac<sub>3</sub> = 760
Теплопроводность, Вт/(м·°С)	33
Удельная теплоемкость, Дж/(кг·°С)	480
Модуль упругости, ГПа	210
Коэффициент линейного расширения, 1/°С (20-100°С)	11.7 * 10<sup>-6</sup>

Расшифровка обозначений:

• Плотность: Масса единицы объема материала.
• Температура ковки: Диапазон температур, при которых сталь обладает достаточной пластичностью для обработки ковкой.
• Ac₁: Температура начала аустенитного превращения при нагреве.
• Ac₃: Температура полного аустенитного превращения при нагреве.
• Теплопроводность: Способность материала проводить тепло.
• Удельная теплоемкость: Количество тепла, необходимое для нагрева единицы массы материала на один градус.
• Модуль упругости: Мера жесткости материала, характеризующая его сопротивление упругой деформации.
• Коэффициент линейного расширения: Относительное изменение длины материала при изменении температуры на один градус.

 

Области применения стали У12А

Сталь У12А широко используется для изготовления инструментов, не подвергающихся нагреву в процессе работы. К ним относятся:

• Ручной инструмент:
  • Напильники
  • Метчики
  • Плашки
  • Развертки
  • Шаберы
  • Зубила
  • Клейма
  • Ножи для бумаги и картона
  • Иглы
  • Скальпели
• Металлорежущий инструмент:
  • Небольшие сверла (диаметром до 6 мм)
  • Развертки
  • Метчики
  • Плашки (для ручной нарезки резьбы)
• Деревообрабатывающий инструмент:
  • Стамески
  • Долота
  • Ножи для рубанка
• Измерительный инструмент:
  • Калибры
  • Щупы
• Штампы:
  • Небольшие штампы для холодной штамповки (без ударных нагрузок)
• Пружины:
  • Пружины, не подвергающиеся нагреву в процессе работы.
• Детали:
  • Детали, требующие высокой твердости и износостойкости, но не подвергающиеся высоким температурам и ударным нагрузкам.

Важно отметить: Сталь У12А не рекомендуется использовать для инструментов, работающих при высоких температурах, подвергающихся ударным нагрузкам или требующих высокой вязкости. В таких случаях следует использовать легированные инструментальные стали.

 

Формы металлопроката из стали У12А

Сталь У12А поставляется в различных формах металлопроката:

• Круг: Наиболее распространенная форма, используется для изготовления осевого инструмента (сверла, развертки, метчики и т.д.).
• Полоса: Используется для изготовления плоского инструмента (ножи, стамески, шаберы и т.д.) и штампов.
• Квадрат: Используется для изготовления различных деталей и инструментов.
• Лист: Используется для изготовления штампов, ножей и других плоских деталей.
• Проволока: Используется для изготовления пружин и других мелких деталей.
• Поковки: Используются для изготовления крупных деталей сложной формы.

 

ГОСТы, регламентирующие сталь У12А и металлопрокат из нее

• ГОСТ 1435-99: Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия. Этот ГОСТ определяет требования к химическому составу, механическим свойствам, качеству поверхности и другим параметрам стали У12А и металлопроката из нее.
• ГОСТ 5950-2000: Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной и нелегированной стали для режущего инструмента. Этот ГОСТ содержит требования к стали, предназначенной для изготовления режущего инструмента, включая сталь У12А.
• ГОСТ 2590-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент. Этот ГОСТ определяет размеры и другие параметры круглого проката из стали, в том числе из стали У12А.
• ГОСТ 4405-75: Полосы горячекатаные и кованые из инструментальной стали. Сортамент. Этот ГОСТ определяет размеры и другие параметры полосового проката из стали, в том числе из стали У12А.
• ГОСТ 2591-2006: Прокат сортовой стальной горячекатаный квадратный. Сортамент. Этот ГОСТ определяет размеры и другие параметры квадратного проката из стали, в том числе из стали У12А.
• ГОСТ 7417-75: Сталь калиброванная круглая. Сортамент. Этот ГОСТ определяет размеры и другие параметры калиброванного круглого проката из стали, в том числе из стали У12А.
• ГОСТ 8559-75: Сталь калиброванная квадратная. Сортамент. Этот ГОСТ определяет размеры и другие параметры калиброванного квадратного проката из стали, в том числе из стали У12А.

Важно отметить: При выборе металлопроката из стали У12А необходимо учитывать требования конкретного ГОСТа, определяющего размеры, форму и другие параметры проката.

 

Операции в цехах с использованием материалов из стали У12А

Сталь У12А проходит различные этапы обработки в цехах для получения готовых изделий:

1. Заготовительный цех:
   • Резка: Разрезание металлопроката (прутков, полос, листов) на заготовки необходимого размера с использованием ленточнопильных станков, гильотинных ножниц, абразивных кругов.
   • Правка: Устранение кривизны и деформаций заготовок с помощью прессов и правильных машин.
2. Кузнечный цех (при необходимости):
   • Ковка: Придание заготовкам необходимой формы путем пластической деформации под воздействием ударов молота или давления пресса. Ковка производится в нагретом состоянии (850-750°C).
   • Штамповка: Формирование деталей в штампах под воздействием давления.
3. Механический цех:
   • Токарная обработка: Обработка заготовок на токарных станках для придания им цилиндрической формы, нарезания резьбы, подрезки торцов и т.д.
   • Фрезерная обработка: Обработка заготовок на фрезерных станках для получения плоских и фасонных поверхностей, пазов, канавок и т.д.
   • Шлифовальная обработка: Доводка поверхностей деталей до требуемой точности и шероховатости с использованием шлифовальных станков.
   • Сверление: Выполнение отверстий с помощью сверлильных станков.
   • Нарезание резьбы: Нарезание внутренней и наружной резьбы с помощью метчиков и плашек.
4. Термический цех:
   • Отжиг: Нагрев стали до определенной температуры (обычно 760-780°C) и медленное охлаждение для снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости и снижения твердости.
   • Закалка: Нагрев стали до температуры аустенизации (760-780°C) и быстрое охлаждение в воде или масле для получения мартенситной структуры и высокой твердости.
   • Отпуск: Нагрев закаленной стали до определенной температуры (обычно 180-250°C) для снижения внутренних напряжений, повышения пластичности и ударной вязкости при некотором снижении твердости.
   • Обезвреживание (защита от обезуглероживания): Процесс, направленный на предотвращение потери углерода с поверхности стали при нагреве во время термической обработки. Может включать использование защитных атмосфер, обмазок или металлических контейнеров.
5. Контрольный цех (ОТК):
   • Визуальный контроль: Осмотр деталей на наличие дефектов поверхности (трещины, царапины, раковины).
   • Измерение размеров: Контроль геометрических размеров деталей с использованием измерительного инструмента (штангенциркули, микрометры, индикаторы).
   • Контроль твердости: Измерение твердости деталей с использованием твердомеров (Роквелла, Бринелля).
   • Металлографический анализ (при необходимости): Исследование микроструктуры стали для определения ее качества и соответствия требованиям.
6. Инструментальный цех (при производстве инструмента):
   • Заточка: Заточка режущих кромок инструмента на заточных станках.
   • Доводка: Доводка режущих кромок инструмента до требуемой остроты и шероховатости с использованием абразивных материалов.
7. Сборочный цех (при производстве изделий, состоящих из нескольких деталей):
   • Сборка: Соединение отдельных деталей в готовое изделие.
   • Регулировка: Регулировка механизмов и узлов изделия для обеспечения их правильной работы.
8. Упаковочный цех:
   • Упаковка: Упаковка готовых изделий для защиты от повреждений при транспортировке и хранении.

Таким образом, сталь У12А проходит сложный путь обработки в различных цехах, прежде чем превратиться в готовое изделие. Каждый этап обработки требует соблюдения технологических режимов и контроля качества для обеспечения соответствия готового изделия требованиям технических условий.