8.2.2. Инструментальные стали

Инструментальные стали используются для изготовления различных видов инструмента: режущего, штампового или мерительного. Режущий инструмент работает в условиях высоких контактных нагрузок и трения с обрабатываемым металлом. Для обеспечения требуемой точности изготовления геометрия и свойства режущей кромки не должны изменяться в процессе работы. Материал инструмента должен обладать высокой твердостью (60 HRC), износостойкостью и достаточной ударной вязкостью, чтобы сохранять геометрию режущей кромки и сопротивляться разрушению при динамических нагрузках.

При резании происходит нагрев режущей кромки инструмента. Основное требование, предъявляемое к инструментальным материалам – теплостойкость (красностойкость) – способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве. По назначению и теплостойкости выделяют несколько подгрупп сталей:

а) для режущего инструмента, работающего с небольшим разогревом до 350 °С (стали ХМФ, 9ХС);

б) для режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях, с разогревом до 500-650 °С (быстрорежущие стали Р18, Р9, Р6М5);

в) для штампов холодного деформирования (стали ХВГ, Х6ВФ);

г) для штампов горячего деформирования (стали ХВ4Ф, Х12МФ);

д) для измерительного инструмента (стали 9Х1, 9ХВГ) и т.д.

Быстрорежущие стали применяются для изготовления инструмента, работающего при значительном нагружении и нагреве (600 °С) режущих кромок. Быстрорежущие стали легируются карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием.

Маркируются буквой «Р» (rapid – быстрый), числом, показывающим содержание вольфрама, буквами и цифрами, указывающими дополнительные легирующие элементы и их количество. В марках быстрорежущих сталей не указывают углерод (более 1 %), хром (более 4 %), ванадий (более 2 %), молибден до 1 %. Например, Р18, Р9К5 и др.

После прокатки или ковки быстрорежущие стали подвергают отжигу для снижения твердости и повышения обрабатываемости резанием. Сталь выдерживают при 800–850 °С до полного превращения аустенита в перлитно-сорбитную структуру с избыточными карбидами. Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности и вязкости инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и многократного отпуска.

При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение в аустените труднорастворимых карбидов вольфрама, молибдена и ванадия. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки высоколегированный мартенсит с высокой теплостойкостью. Температура закалки – 1220–1280 °С.

Для предотвращения образования трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности стали, нагрев под закалку проводят с одним или двумя промежуточными прогревами в расплавах солей. Инструменты простой формы закаливают в масле, сложной – в расплавах солей (KNO₃, NaNO₃) при 250–400 °С.

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высоколегированного мартенсита (0,3–0,4 % углерода), нерастворенных при нагреве избыточных карбидов, остаточного аустенита (20–30 %). Последний снижает твердость, режущие свойства инструмента и его присутствие недопустимо.

При последующем отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550–570 °С в течение 45–60 мин.

Число отпусков может быть сокращено путем обработки стали холодом, при которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают детали простой формы. Твердость после закалки 62–63 HRC, после отпуска повышается до 63–65 HRC.

Для дальнейшего повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости режущих инструментов применяют цианирование, азотирование. Их выполняют после окончательной термообработки, шлифования и заточки инструментов.

Стали для ударных инструментов должны обладать повышенной вязкостью для предупреждения поломок и выкрашивания режущих кромок инструмента. Необходимые свойства обеспечиваются легированием. Хромокремнистые стали (4ХС, 6ХС) прокаливаются насквозь при диаметре 50–60 мм (охлаждение в масле), хромовольфрамокремнистые (5ХВ2СФ, 6ХВ2С) – до 70–80 мм. Стали предназначены для изготовления пневматических зубил, обжимок; вырубных, обрезных и чеканочных штампов, работающих с повышенными ударными нагрузками; рубильных ножей, штемпелей, клейм; прошивочного и деревообрабатывающего инструмента. Для повышения износостойкости инструмента проводят химико-термическую обработку (азотирование, нитроцементацию), обеспечивающую увеличение поверхностной твердости без заметного снижения сопротивления хрупкому разрушению.