Что такое автоматная сталь и как ее обрабатывают

Части автомобилей, а также компоненты строительной и сельскохозяйственной техники, подвергающиеся высоким нагрузкам, изготавливаются из легированных стали хромистого и хромоникелевого типов, дополненных свинцом и кальцием.

Автоматная сталь: свойства, плюсы и минусы, сферы применения

Автоматная сталь представляет собой одну из разновидностей сплавов в металлургии и занимает место в обширной категории конструкционных металлов. Рассмотрим, чем именно соединения этого типа отличаются от других подкатегорий сталей.

К конструкционным стальным сплавам относятся углеродистые железные сплавы, которые характерны высокой степенью очистки от нежелательных примесей, таких как сера и фосфор. В процессе выплавки металла принимаются специальные технологические меры для уменьшения содержания этих элементов.

Важно максимально снизить процентное содержание серы и фосфора в конструкционных сплавах, так как они способны значительно ухудшать качество стали. Появление серы в составе металла может вызывать холодное растрескивание в процессе обработки и, как следствие, приводит к потере ключевых эксплуатационных характеристик. Фосфор оказывает аналогичное воздействие, вызывая трещины при термообработке.

Согласно установленным нормам, фосфор и сера могут присутствовать в конструкционной стали в пределах не более 0,05 % от общего веса. Сплав, в котором содержание этих элементов не превышает 0,035 %, считается качественным, при концентрации до 0,025 % — высококачественным, а до 0,015 % — сверхвысококачественным.

Конструкционные стали обладают высокой прочностью и стойкостью к воздействию экстремальных температур, а также характеризуются чистотой. Однако в изготовлении метизов эти характеристики могут обернуться недостатками. Появление автоматной стали стало ответом на вызовы, связанные с обработкой металлических изделий.

Автоматная сталь не имеет отношения к стали, применяемой в производстве оружия, несмотря на свое название. Это углеродистый железный сплав, обладающий необходимыми физическими свойствами для обработки на автоматических станках.

Автоматная сталь используется для массового производства метизов, которые не предназначены для работы под высокими нагрузками, такими как гайки, болты, шпильки и др. Все аспекты, касающиеся производства изделий из автоматной стали, регулируются ГОСТ 1414-75.

Как уже упоминалось, плохие свойства, вызванные примесями серы и фосфора, требуют их максимального устранения из конструкционных сталей. Однако в автоматной стали допускается присутствие этих элементов в сравнительно высоких концентрациях.

Это объясняется тем, что для стали, которая будет использоваться на автоматических станках, важны не так сильные и твердые характеристики, как пластичность и хорошая обрабатываемость.

Состав автоматной стали может включать не только серу и фосфор, но и другие примеси. Для ковки такого металла оптимальной является температура в диапазоне от +950 °С до +1200 °С.

Состав автоматной стали

Автоматные типы легированной стали могут включать разнообразные присадки, состав и пропорции которых зависят от конкретного назначения металла. Эти компоненты позволяют снизить себестоимость конечных изделий и увеличить производительность:

• Сера (максимум 0,2 %). Этот элемент облегчает обработку, повышая ломкость стружки во время работы на станке. Кроме того, сера обладает смазывающими и вяжущими свойствами, позволяя получать более однородные поверхности. В связи с тем, что для введения этой добавки в состав соединений часто используют марганцевые сульфиды, в таких сталях также может допускаться содержание марганца, который минимально влияет на свойства сплава.
• Фосфор (концентрация не должна превышать десятых долей процента), подобно сере, способствует улучшению ломкости стружки и упрощает обработку на станках.
• Селен увеличивает ломкость стружки при сохранении прочностных характеристик самого металла, что способствует продлению долговечности режущих кромок инструмента.
• Кальций обеспечивает более эффективное резание, улучшая скорость обработки и создавая специальный поверхностный слой. К тому же, этот элемент предотвращает налипание стружки на заготовку и увеличивает срок службы рабочих частей машин.
• Свинец (не более 0,3 %) позволяет повысить производительность в обработке на 30 % и значительно снижает износ режущих кромок, так как он значительно уменьшает налипание отходов обработки. Свинец также используется в качестве добавки в латуни.

Концентрация легирующих добавок и их содержание в автоматной стали регулируются тем же государственным стандартом, упомянутым ранее. Это обусловлено тем, что любое изменение количества хотя бы одного элемента может резко ухудшить как обрабатываемость металла, так и качество готовой продукции.

Что это такое?

Важно понимать, что автоматной сталью называют не те сплавы, что применяются для создания автоматического оружия. Это конструкционный металл, используемый для получения заготовок на автоматических станках. Таким образом, все такие материалы должны обладать свойствами, которые упрощают обработку и позволяют обеспечить экономичность последующего использования. Высокое качество конечного продукта также имеет первостепенное значение. Оно существенно зависит от химического состава и структуры металла, что иногда даже важнее, чем профессионализм специалистов или совершенство используемого оборудования. Одним из наиболее важных практических свойств является стабильная обрабатываемость резанием, что обязательно указывается в любых контрактах на поставку автоматной стали.

ГОСТ для обычной конструкционной стали требует обеспечения стабильной прочности, а также стойкости к перепадам температур. В данном стандарте прописано также требование к минимизации содержания примесей выше критического уровня. Однако подобные свойства недостаточны для автоматной стали, и они могут даже стать недостатками. Производственные процессы для создания сложных малогабаритных деталей на автоматах не требуют использования прочных материалов. Напротив, высокая пластичность должна упрощать обработку. В России автоматная сталь выпускается в соответствии с стандартом 1414 от 1975 года и должна обладать малой шероховатостью поверхности для достижения однородной структуры.

Ключевым свойством является также низкий износ режущих инструментов и станков, а также возможность резки на высоких скоростях.

Плюсы и минусы

Как видно, автоматные стали обрабатываются легко и быстро. При работе с они образуют хорошо отделяющуюся стружку и характеризуются высокой теплопроводностью. Этот материал считается сравнительно мягким. При контакте с ним ресурс любого режущего инструмента затрачивается медленно.

Все эти преимущества обеспечивают повышенную производительность и рентабельность производства многократно. Тем не менее, повышенное содержание серы и фосфора, способствующее хорошей обрабатываемости, создает и определенные проблемы: трудно добиться высоких вязких и пластичных характеристик.

Какие присадки добавлены в автоматных легированных сталях?

Автоматная сталь обогащается легирующими добавками, что улучшает ее обрабатываемость, но в то же время снижает механические характеристики готовых изделий. Главная цель увеличения содержания серы и фосфора заключается в облегчении переработки металлического материала и в сокращении затрат на обслуживание станка и его расходных материалов.

В зависимости от требуемых свойств металла в состав добавляются различные легирующие компоненты, что ускоряет серийное производство и удешевляет конечные продукты.

Состав сплава осматривается на наличие таких компонентов:

• Сера вводится в состав в виде марганцевого сульфида, снижая прочность сплава, улучшая срез стружки и уменьшая шероховатость.
• Фосфор действует аналогично сере, улучшая характеристики металла.
• Селен дополнительно повышает ломкость стружки, не меняя в то же время прочности сплава.
• Свинец уменьшает затраты на детали благодаря увеличению ресурса режущего инструмента и замедления его износа при работе с более прочными металлами.
• Кальций упрощает резку, предотвращая прилипание стружки к металлу, и увеличивает срок службы режущего инструмента.
• Марганец в небольших концентрациях (обычно не более 0,01%) практически не влияет на качество сплава, однако часто присутствует в автоматных сталях в контексте серы, вводимой в марганцевом сульфиде.

Особенности физической обработки автоматных сталей

Автоматная сталь с легирующими добавками выплавляется при температуре 1300 °C. После выплавки и диффузного отжига все компоненты равномерно распределяются в объеме сплава. Воздействие высоких температур исключает вероятность хрупкости фрагментов готового металла из-за неравномерного распределения фосфора или серы. Кроме того, характеристики стали могут быть дополнительно улучшены:

• Цементацией — это процесс диффузного насыщения углерода, что значительно повышает износостойкость.
• Цианированием — добавлением азота и углерода, проводимым при температуре 950 °C.
• Закалкой и отпуском — что делает сплав более твердым, хрупким и менее вязким.

Физические свойства и изготовление автоматной стали

Физические свойства автоматной стали схожи с характеристиками обычной конструкционной стали. Основные различия автоматных сталей обусловлены присутствием в составе различных примесей, среди которых следует выделить серу и фосфор, а также некоторые другие добавки (такие как свинец, селен, кальций, марганец, теллур и др.). Не менее важно значение технологии выплавки и дальнейшей обработки (диффузный отжиг, цементация, закалка и др.). Рассмотрим более подробно основные примеси и технологии обработки.

Легирующие добавки

• Сера (до 0,2%). Способствует улучшению ломкости стружки за счет снижения прочности сплава, что позволяет проводить станочную обработку. Также сера обеспечивает вяжущий и смазывающий эффекты, уменьшая шероховатость поверхности. Чаще всего сера добавляется в металл в виде марганцевых сульфидов, поэтому автоматные стали часто содержат марганец.
• Фосфор (до 0,15%). По своим свойствам схож с серой: улучшает ломкость стружки, снижает шероховатость и др.
• Селен. Увеличивает ломкость стружек, сохраняя при этом высокую прочность сплава, а также продлевает срок службы режущего инструмента.
• Свинец. Увеличивает долговечность режущего инструмента и продлевает срок обработки материала, что снижает стоимость деталей.
• Кальций. Создает на поверхности металла тонкий слой во время резки, который улучшает резку и скорость обработки, а также минимизирует прилипание стружки к металлу, продлевая срок службы инструмента.
• Марганец. Почти не влияет на свойства автоматной стали, но часто присутствует в ее составе, так как сера вводится в сплав при помощи марганцевых сульфидов, а после плавки марганец остается в виде легирующего компонента в низких количествах (обычно до 0,01%).

Физическая обработка

В процессе плавки, помимо добавления легирующих компонентов, автоматная сталь обычно подвергается обжигу при температуре около 1300 градусов по Цельсию. Основная цель обжига — равномерное распределение компонентов, таких как фосфор и сера, по всему объему сплава (иначе будут образовываться участки с различной хрупкостью). Также в процессе дальнейшей обработки материал может подвергаться цементированию и закалке, что позволяет получить прочный и пластичный материал, который легко подвергается резке и одновременно не портит инструменты в станке. Основные способы выплавки автоматной стали включают мартеновский процесс и конверторную технику.

Преимущества и недостатки автоматной стали

• Обработка на автоматических станках проста — можно получать как обычные детали (болты, гайки, шурупы), так и более сложные объекты, например, шестерни, валики с выемками и различные механические передачи.
• Высокая скорость обработки, отличные резательные характеристики и низкий износ резцов. Это приводит к снижению себестоимости деталей.
• Наличие дополнительных преимуществ — простота плавки, неплохая прочность, долгий срок эксплуатации изделий, а также возможность добавления различных присадок для изменения физических характеристик материала.

Главными недостатками являются присутствие серы и фосфора, что негативно сказывается на вязкости и пластичности готовых деталей. Это особенно критично для автомобильных компонентов, поскольку поломка какого-либо узла может представлять серьезную угрозу для жизни. Важно также учитывать, что фосфор и сера обуславливают хрупкость материала при резких температурных перепадах, поэтому детали из автоматной стали рекомендуется использовать в условиях с постоянной температурой.

Технические характеристики автоматных сталей

Технические характеристики сплавов значительно улучшаются при добавлении висмута, марганца, никеля и хрома. Добавление свинца в количестве не более 0,3% позволяет увеличить скорость механической обработки примерно на 25-50 %. При этом режущий инструмент становится более износостойким и долговечным.

Обрабатываемая часть детали не перегревается благодаря включению висмута. Кальций способствует образованию особого слоя в зоне резки, что предотвращает образование адгезии и действует как внутренний смазывающий агент. Все легирующие элементы добавляются в состав согласно стандарту ГОСТ 1414-75. Соблюдение этого документа обязательно, так как даже небольшие превышения концентрации добавок могут негативно сказаться на свойствах стали.

Для улучшения характеристик выпускаемых сталей также применяются следующие действенные методы:

• Цементация с диффузным поверхностным насыщением металла углеродом, значительно повышающая износостойкость готовой продукции;
• Диффузный отжиг для устранения неоднородности, вызванной концентрацией серы. Температура отжига составляет около 1150 градусов;
• Закалка и высокий отпуск. Такая термическая обработка делает автоматную сталь менее вязкой и пластичной, увеличивая хрупкость и твердость;
• Цианирование, при котором сталь насыщается азотом и углеродом при температуре около 950 градусов.

Потребителям, в основном, поставляются нагартованные автоматные стали. Уникальными характеристиками считаются высокая обрабатываемость и высокие механические свойства.

Марки автоматных сталей

В обозначениях марок автоматных сталей используется буква А, после чего указывается процентное содержание углерода в сотых долях и легирующие элементы. Наиболее известными марками являются сернистые углеродистые стали А10, А20, А30, содержащие определенные проценты свинца, обозначенные как АС11, АС14, АС40, также поставляемые с добавлением свинца и марганца — АС35Г2, АС45Г2.

Марки стали, содержащие кальций, обозначаются как АЦ40, АЦ60, с кальцием и марганцем — АЦ35Г2. Продукция с селеном доступна в прокате марок А35Е, А45Е. Применяя точную маркировку, производители металлических изделий выбирают соответствующие режимы обработки.

Работа на автоматических металлорежущих станках при изготовлении деталей осуществляется без частой замены инструментов, а участие операторов минимизируется. Это обеспечивает стабильное крупносерийное или массовое производство благодаря формированию хрупкой стружки, которая легко удаляется из зоны резания. Высокопроизводительное изготовление метизов различных конфигураций и размеров для промышленного и строительного секторов из качественной автоматной стали удовлетворяет требования многих клиентов.