Влияние углерода на свойства стали при прокатке на трехручьевом станке

В металлургии углерод (C) считают главным компонентом, который определяет свойства стали. Этот химический элемент придает сплавам железа прочность, твердость, пластичность. Содержание C составляет 0,02- 2,14 %. Даже небольшие изменения его концентрации меняют характеристики металла. Процент углерода оказывает действие на структуру кристаллической решетки, что сказывается на механических качествах, свариваемости, обрабатываемости. Углеродистые стали применяют в разных отраслях промышленности, в том числе для производства проката на станах. Особое значение имеет влияние химического элемента на свойства металла при прокатке на трехручьевом станке, который позволяет за один проход получать профили сложной формы.

Трехручьевой прокатный станок: устройство, принцип работы

Трехручьевой прокатный станок — агрегат с десятью рядами валков, образующих три калибра (ручья) для производства профилей разной конфигурации. Заготовка последовательно проходит через каждый ручей, постепенно приобретая заданную форму, размеры. Валки имеют профиль, соответствующий геометрии готового изделия.

Трехручьевой станок для проката евроштакетника

Привод — от электродвигателя через редуктор. Особенность трехручьевого станка — возможность получать за один проход сразу три типоразмера профиля. Примеры — металлический штакетник шириной 100, 90, 90 мм. Это повышает производительность, снижает энергозатраты по сравнению с использованием нескольких станов. Качество проката зависит от химического состава заготовки, в первую очередь — от доли углерода.

Влияние содержания углерода на структуру железных сплавов

Концентрация углерода определяет фазовый состав — соотношение феррита, цементита. При содержании до 0,8 % сплав состоит из феррита (мягкого, пластичного), перлита (смеси феррита, цементита). С ростом концентрации элемента C увеличивается доля перлита, цементита, что повышает твердость, прочность, но снижает пластичность, вязкость. Углерод в стали искажает кристаллическую решетку железа, создавая дислокации, затрудняя скольжение атомов. При концентрации более 0,8 % в структуре появляется хрупкий цементит в виде сетки по границам зерен. Такой металл склонен к образованию трещин при ударных нагрузках. Структура, свойства углеродистой стали сильно зависят от скорости охлаждения после проката. При ускоренном охлаждении элемент C не успевает выделиться в виде цементита, образуя пересыщенный твердый раствор — мартенсит. Увеличивает прочность, но уменьшает вязкость и склонность к деформации — вот как влияет большое содержание углерода на свойства стали.

Изменение механических свойств в зависимости от процента углерода

С увеличением содержания C закономерно возрастают твердость, прочность, но снижаются пластичность, ударная вязкость. Прокат из низкоуглеродистого сплава (до 0,25 % С) отличается высокой пластичностью, хорошей свариваемостью, штампуемостью. Среднеуглеродистый металл (0,25-0,6 % С) сочетает достаточную прочность с удовлетворительной пластичностью. Он склонен к образованию закалочных структур, что позволяет повысить твердость, износостойкость термообработкой. Высокоуглеродистая сталь (более 0,6 % С) приобретает высокую твердость, прочность за счет образования большого количества цементита, но становится хрупкой, трудно обрабатываемой. Углерод влияет на другие характеристики — теплопроводность, магнитные свойства, коррозионную стойкость.

Углеродистые сплавы для проката

Для производства проката используют конструкционные углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные. Среди них: Ст0, Ст3, Ст5пс, 08пс, 10, 20, 35, 45, 60. Выбор марки зависит от требований к готовому прокату по прочности, пластичности, свариваемости. Низкоуглеродистые материалы Ст3, 08пс применяют для неответственных деталей, не несущих высоких нагрузок. Среднеуглеродистый металл 35, 40 подходит для более нагруженных элементов, требующих сочетания прочности, пластичности. Таблица свойств стали:

Высокоуглеродистые сплавы 60, 65Г используют для упругих деталей — пружин, рессор. Прокатка легированных материалов 09Г2С, 17ГС позволяет повысить прочность, хладостойкость профилей.

Низкоуглеродистый сплав

Низкоуглеродистые материалы удобны для прокатки на трехручьевом станкее благодаря высокой пластичности. Они легко деформируются без образования трещин, обладают низким сопротивлением обработке давлением. Для повышения прочности проката используют легированные стали типа 09Г2, 14Г2 с добавками марганца, кремния. Готовые профили из "мягкого" низкоуглеродистого металла хорошо гнутся, штампуются, свариваются. Они нужны для изготовления гнутых профилей, элементов металлоконструкций, сварных труб, проволоки, гвоздей, болтов, гаек. Простой пример — на трехручьевом станке из холоднокатаной ленты прокатывают оцинкованный штакетник для заборов. Содержание углерода до 0,25 % гарантирует штакетнику достаточную гибкость, стойкость к коррозии.

Среднеуглеродистый сплав

Среднеуглеродистые материалы сложнее обрабатывать давлением из-за повышенного сопротивления деформации. Для улучшения прокатываемости целесообразно проводить нагрев заготовок или использовать сплавы с добавками марганца, кремния, хрома, никеля. Легирующие элементы повышают прочность, вязкость, измельчают зерно. Готовые профили из среднеуглеродистого металла подвергают закалке, отпуску для повышения твердости, износостойкости.

Листы среднеуглеродистого сплава

На станах из таких материалов прокатывают арматуру периодического профиля, швеллеры, рельсы узкой колеи, фасонные профили для машиностроения, строительства. Среднеуглеродистую сталь 35, 40, 45 используют для производства зубчатых колес, валов, осей, коленчатых валов, штоков, плунжеров, кулачков, других деталей, работающих под нагрузкой.

Высокоуглеродистый сплав

Высокоуглеродистые материалы наиболее трудны для прокатки из-за высокой прочности, склонности к образованию трещин. Для предотвращения разрушения требуется тщательный подбор температурного режима, степени обжатия, использование калиброванных валков. Нежелательно применять интенсивные режимы обработки, вызывающие быстрое охлаждение металла. Из высокоуглеродистой стали на прокатном стане получают в основном простые профили: полосы, ленту, квадрат, шестигранник. Готовый прокат обязательно подвергают термообработке для снятия внутренних напряжений. Он востребован для изготовления измерительных инструментов, режущих кромок, пружин, пружинящих шайб, рессор, других упругих элементов. Рессорно-пружинный сплав 65, 70 обеспечивает высокий предел упругости, релаксационную стойкость деталей. Прочность — вот что дает углерод в высокоуглеродистой стали.

Оптимизация режимов прокатки в зависимости от марки сплава, содержания углерода

Для получения качественного проката надо правильно выбрать режимы обработки в зависимости от химического состава заготовки. Главными параметрами оптимизации выступают температура, степень обжатия, скорость прокатки, диаметры, профиль валков. Низкоуглеродистые материалы допускают прокатку при комнатной температуре, высокой скорости. Марки сплавов таковы:

С увеличением доли углерода требуется повышать температуру, уменьшать обжатие за проход. Легированные сплавы прокатывают при более высокой температуре, чем углеродистые того же класса, но с меньшими значениями вытяжки. Для каждой марки определяют число проходов, позволяющее получить заданные размеры, свойства профиля. Излишняя вытяжка приводит к анизотропии свойств или разрушению металла.

Роль контроля содержания углерода в обеспечении качества проката

Содержание углерода кардинально влияет на структуру, свойства сплавов железа, определяя выбор марки для обработки на прокатном стане. Низкоуглеродистые материалы наиболее технологичны, легко поддаются формовке, сварке, но имеют невысокую прочность. Среднеуглеродистые стали обладают лучшим комплексом механических свойств, однако требуют нагрева, контролируемого охлаждения при прокатке. Высокоуглеродистый металл самый прочный, износостойкий, но из-за склонности к трещинообразованию пригоден лишь для получения простых профилей. Оптимизация режимов прокатки под каждую марку позволяет максимально использовать преимущества, нивелировать недостатки сплавов разных классов. Контроль содержания C на всех этапах производства (от выплавки до проката) служит ключевым фактором обеспечения стабильного качества, эксплуатационной надежности готовых профилей. Чтобы придать прочность металлу — вот зачем добавляют в сплав химический элемент C.

Поставкой трехручьевых станков для проката евроштакетника занимается компания "ПрофиСталь".