Сталь инструментальная углеродистая марки У7А: описание, свойства и применение

Сталь У7А – это высокоуглеродистая инструментальная сталь, широко используемая в различных отраслях промышленности для изготовления инструментов, требующих высокой твердости и износостойкости, но не подвергающихся сильным ударным нагрузкам. Буква "У" в маркировке обозначает углеродистую инструментальную сталь, цифра "7" указывает на содержание углерода в десятых долях процента (в данном случае около 0,7%), а буква "А" свидетельствует о повышенном содержании марганца, что улучшает прокаливаемость и другие характеристики стали.

Основные свойства стали У7А:

Высокая твердость: После закалки и отпуска сталь У7А достигает высокой твердости, что обеспечивает отличную износостойкость инструмента.
Хорошая износостойкость: Повышенное содержание углерода формирует карбиды, которые существенно повышают сопротивление износу.
Невысокая прокаливаемость: Углеродистые стали, в том числе У7А, обладают невысокой прокаливаемостью. Это означает, что при закалке на большую глубину сталь может не получить требуемую твердость.
Ограниченная ударная вязкость: Высокое содержание углерода снижает ударную вязкость стали, делая её более хрупкой и чувствительной к ударным нагрузкам.
Хорошая обрабатываемость резанием (в отожженном состоянии): До закалки сталь У7А хорошо поддается обработке резанием, что облегчает изготовление инструмента.
Невысокая свариваемость: Сваривать сталь У7А сложно из-за высокого содержания углерода. Сварные соединения подвержены образованию трещин.
Склонность к обезуглероживанию: При нагреве сталь У7А подвержена обезуглероживанию поверхностного слоя, что ухудшает её свойства.
Невысокая теплостойкость: При повышенных температурах сталь У7А быстро теряет твердость.
Доступность и относительно низкая стоимость: Углеродистые инструментальные стали, в целом, более доступны и дешевле, чем легированные инструментальные стали.

Химический состав стали У7А (ГОСТ 1435-99):

Элемент	Содержание (%)
Углерод (C)	0.65 - 0.74
Марганец (Mn)	0.30 - 0.60
Кремний (Si)	0.17 - 0.33
Хром (Cr)	до 0.20
Никель (Ni)	до 0.25
Медь (Cu)	до 0.20
Сера (S)	до 0.030
Фосфор (P)	до 0.030
Мышьяк (As)	до 0.08

Расшифровка обозначений символов:

У - Углеродистая инструментальная сталь
7 - Содержание углерода в десятых долях процента (0.7%)
А - Высококачественная сталь (гарантированная чистота по примесям серы и фосфора)

Механические свойства стали У7А:

Механические свойства стали У7А сильно зависят от термической обработки (закалка, отпуск) и состояния поставки. Приводимые ниже значения являются ориентировочными.

Свойство	Значение (ориентировочное)
Предел прочности (временное сопротивление), σ<sub>в</sub>, МПа	В зависимости от термообработки: 600-1200 МПа и выше
Предел текучести, σ<sub>т</sub>, МПа	В зависимости от термообработки: 300-700 МПа и выше
Относительное удлинение при разрыве, δ, %	В зависимости от термообработки: 5-20 %
Относительное сужение, ψ, %	В зависимости от термообработки: 10-40 %
Твердость по Роквеллу (HRC)	После закалки и отпуска: 58-64 HRC (в зависимости от режима термообработки)

Физические свойства стали У7А:

Свойство	Значение (ориентировочное)	Единица измерения
Плотность, ρ	7820 - 7850	кг/м³
Модуль упругости первого рода, E	200 - 210	ГПа
Коэффициент линейного термического расширения, α (20-100°C)	11.7 - 12.5	10<sup>-6</sup>/°C
Теплопроводность, λ	35 - 45	Вт/(м·К)
Удельная теплоемкость, с	460 - 480	Дж/(кг·К)
Электрическое сопротивление, ρ	0.18 - 0.22	мкОм·м

Области применения стали У7А:

Сталь У7А широко используется для изготовления инструментов, не подвергающихся сильным ударным нагрузкам, но требующих высокой твердости и износостойкости. Конкретные примеры:

Инструменты для обработки дерева:
- Ручные пилы по дереву
- Стамески
- Топоры
- Зубила
- Сверла по дереву
Инструменты для обработки металлов:
- Напильники (мелкие)
- Шаберы
- Клейма
- Развертки
- Метчики (малого диаметра)
- Плашки (малого диаметра)
Инструменты для обработки кожи и текстиля:
- Ножи для кожи
- Ножницы
Измерительный инструмент:
- Кернеры
- Некоторые виды щупов
Штампы (для холодной штамповки):
- Простые вырубные и пробивные штампы для тонколистового материала.
Пружины:
- Пружины для ненагруженных механизмов, работающих при нормальных температурах.

Виды металлопроката из стали У7А:

Сталь У7А поставляется в различных видах металлопроката:

Круг: Наиболее распространенный вид проката, используемый для изготовления различных инструментов.
Полоса: Применяется для изготовления ножей, стамесок и других плоских инструментов.
Лист: Используется для изготовления штампов, режущих инструментов и других деталей.
Проволока: Для изготовления пружин и других мелких деталей.
Поковки: Для изготовления крупных инструментов и деталей сложной формы.

ГОСТы, ссылающиеся на сталь У7А или металлопрокат из неё:

ГОСТ 1435-99 "Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия." (Основной ГОСТ, определяющий химический состав, механические свойства и другие требования к стали У7А).
ГОСТ 5950-2000 "Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали. Общие технические условия." (Хотя и для легированной стали, может содержать информацию, полезную при сравнении свойств).
ГОСТ 2590-2006 "Прокат сортовой стальной горячекатаный круглый. Сортамент." (Определяет размеры и допуски для круглого проката).
ГОСТ 4405-75 "Полосы горячекатаные и кованые из инструментальной стали. Сортамент." (Определяет размеры и допуски для полосового проката).
ГОСТ 103-2006 "Прокат сортовой стальной горячекатаный полосовой. Сортамент." (Определяет размеры и допуски для полосового проката).
ГОСТ 7417-75 "Сталь калиброванная круглая. Сортамент." (Определяет размеры и допуски для калиброванного круглого проката).
ГОСТ 8568-77 "Листы стальные рифленые. Технические условия." (Хотя сталь У7А обычно не используется для рифленых листов, может использоваться как основа для инструмента, встраиваемого в оборудование, использующее эти листы).
Другие ГОСТы, регламентирующие изготовление конкретных инструментов, где сталь У7А может быть указана как рекомендуемый материал (например, ГОСТы на напильники, стамески, пилы и т.д.). Необходимо проверять конкретные ГОСТы на интересующий инструмент.

Операции в цехах, производимые с использованием материалов из стали У7А:

В цехах, использующих сталь У7А, выполняются различные операции, связанные с изготовлением, обработкой и использованием инструмента:

Заготовительный цех:
- Резка металла: Резка проката (круг, полоса, лист) на заготовки нужной длины с использованием ленточнопильных станков, гильотинных ножниц, абразивных кругов.
- Сортировка и складирование: Сортировка заготовок по размерам и маркам стали, складирование для дальнейшей обработки.
Механический цех:
- Токарная обработка: Создание цилиндрических и конических поверхностей на заготовках (например, для изготовления осей, валов).
- Фрезерная обработка: Создание плоских и фасонных поверхностей, пазов, канавок (например, для изготовления корпусов инструментов, штампов).
- Шлифование: Доводка поверхностей до высокой точности и шероховатости.
- Сверление: Создание отверстий различного диаметра.
- Нарезание резьбы: Нарезание внутренней и внешней резьбы (метчиками и плашками, изготовленными из стали У7А).
- Долбление: Создание шпоночных пазов, шлицев.
Термический цех:
- Закалка: Нагрев стали до определенной температуры и быстрое охлаждение (обычно в воде или масле) для получения высокой твердости.
- Отпуск: Нагрев закаленной стали до более низкой температуры для снятия внутренних напряжений и повышения вязкости. Режим отпуска выбирается в зависимости от требуемой твердости и других свойств инструмента.
- Отжиг: Нагрев стали до определенной температуры и медленное охлаждение для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости. Применяется для подготовки заготовок к дальнейшей механической обработке.
- Нормализация: Нагрев стали до определенной температуры и охлаждение на воздухе для улучшения структуры и механических свойств.
Инструментальный цех:
- Изготовление инструмента: Полный цикл изготовления инструментов из стали У7А, включающий все вышеперечисленные операции.
- Ремонт инструмента: Восстановление изношенного или сломанного инструмента (переточка, заточка, закалка и отпуск).
- Заточка инструмента: Регулярная заточка режущего инструмента для поддержания его работоспособности.
Штамповочный цех:
- Холодная штамповка: Изготовление деталей из листового металла с использованием штампов, изготовленных из стали У7А (вырубка, пробивка, гибка).

Важные замечания:

При выборе стали У7А для изготовления инструмента необходимо учитывать условия его эксплуатации, в частности, ожидаемые нагрузки, температуры и абразивность обрабатываемого материала.
Термическая обработка играет ключевую роль в формировании свойств стали У7А. Неправильно выбранный режим термообработки может привести к ухудшению характеристик инструмента.
Для повышения эксплуатационных характеристик инструмента из стали У7А может применяться поверхностное упрочнение (например, азотирование или цианирование).
Перед использованием стали У7А в ответственных конструкциях рекомендуется проводить испытания на соответствие требованиям ГОСТ.
При работе со сталью У7А необходимо соблюдать технику безопасности, особенно при выполнении термической обработки.