9. Углеродистые инструментальные стали

Стали для режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы, протяжки, метчики, пилы и т.д.) должны обладать высокой твердостью режущей кромки – HRC 63 – 66; высокой прочностью и сопротивлением малой пластической деформации; теплостойкостью (красностойкостью) особенно при высоких скоростях резания и обработке труднообрабатываемых деталей.

Углеродистые и легированные стали при правильном применении могут удовлетворять первым двум требованиям, но не являются теплостойкими (отдельные марки легированных сталей являются полутеплостойкими).

Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми. Как правило, их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания, не подвергаемого разогреву в процессе эксплуатации. Состав инструментальных сталей пониженной прокаливаемости приведен в таблице 2.8.

Таблица 2.8.

Состав инструментальных углеродистых сталей

Сталь	C, %	Mn, %	Cr, %
У7	0,65 – 0,74	0,20 – 0,40	<0,15
У8	0,75 – 0,84	0,15 – 0,40	<0,15
У9	0,85 – 0,94	0,15 – 0,35	<0,15
У10	0,94 – 1,04	0,15 – 0,35	<0,15
У11	1,05 – 1,14	0,15 – 0,35	<0,15
У12	1,15 – 1,24	0,15 – 0,35	<0,15
У13	1,25 – 1,35	0,15 – 0,35	<0,15
Х05	1,25 – 1,40	0,20 – 0,40	0,4 – 0,6
Х06	1,05 – 1,14	0,40 – 0,70	0,4 – 0,6
65ХФ	0,60 – 0,70	0,30 – 0,60	0,45 – 0,7
85ХФ	0,80 – 0,90	0,30 – 0,60	0,45 – 0,7
Примечание: 1. Во всех перечисленных сталях ограничивается содержание кремния (≤0,30 – 0,35 %), никеля (≤0,2 %), серы и фосфора (≤0,02 %) в высококачественной (группы А) и ≤0,03 % в качественной сталях. 2. В сталях 65ХФ и 85ХФ содержится 0,15 – 0,30 % V.

Буква У показывает, что эта сталь углеродистая, цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Значит сталь У7 содержит около 0,7% С, а сталь У10 – 1,0 %С и т.д.

Свойства углеродистых инструментальных сталей, а так же режимы их термической обработки зависят главным образом от содержания в стали углерода.

Углеродистые стали У7 и У7А (0,65 – 0,74 % С) после закалки в воду с 800 – 820 °С имеют HRC 63 – 65. Критический диаметр после закалки в воду и 4 – 6 мм после закалки в масло.

Низким отпуском при 150 – 160 °С можно понизить твердость до HRC 61 – 63.

Стали У8, У8А (0,75 – 0.84 % С) и У9, У9А (0,85 – 0,94% С) после закалки с 780 – 800 °С в воду имеют твердость HRC 63 – 65; после закалки в воду и 4 – 6 мм после закалки в масло. Низким отпуском при 200 – 220 °С можно понизить твердость до HRC 57 – 59.

Стали У10, У10А (0,95 – 1,04 % С), У11, У11А (1,05 – 1,14 % С), У12, У12А (1,15 – 1,24 % С) и У13, У13А (1,25 – 1,35 % С) закаливают с 760 – 780 °С в воду, при этом получают HRC 64 – 66; после закалки в воду и у4 – 6 мм после закалки в масло. Низким отпуском при 150 – 160 °С можно получить твердость сталей У10 и у10А HRC 62 – 63; стали У11, У11А, у12, У12А, у13, У13А отпускают при 200 – 220 °С, при этом получают HRC 58 – 59.

Углеродистые стали относятся к сталям неглубокой прокаливаемости, нетеплостойким. Малая устойчивость переохлажденного аустенита углеродистых сталей обусловливает их низкую прокаливаемость (до сечения 5 – 10 мм). Низкая устойчивость аустенита определяет основные достоинства и недостатки таких сталей.

Достоинствами углеродистых сталей является то, что в малых сечениях (до 15 – 20 мм) после закалки достигается высокая твердость в поверхностном слое (HRC 63 – 66) и мягкая вязкая сердцевина инструмента (рис. 2.24).

Такие свойства благоприятны для такого инструмента как ручные метчики, напильники, пилы, стамески, долота, зубила и т.д. В отожженном состоянии углеродистые стали имеют низкую твердость (НВ 150 – 180), в них легко при отжиге получается структура зернистого цементита, что обусловливает их хорошую обрабатываемость при изготовлении инструмента.

Рис. 2.24. Прокаливаемость углеродистой инструментальной стали в сечении 20 мм при разных температурах закалки: 1 - 790°С; 2 – 810 °С; 3 – 830 °С

Заэвтектоидные стали закаливают от температур , а доэвтектоидные от , т.е. углеродистые стали имеют низкую температуру закалки. Такая температура нагрева под закалку технологически легко выполнима, вызывает малые окисления и обезуглероживание инструмента. Закалка осуществляется в воде. После закалки углеродистые стали содержат малые количества остаточного аустенита – до 5 – 8 % (рис. 2.25), что не уменьшает их твердости и исключает необходимость проведения обработки для распада остаточного аустенита.

Рис. 2.25. Влияние содержание углерода на температуры начала М_н и конца М_к мартенситного превращения и количество остаточного аустенита А_ост.

Недостатками углеродистых сталей является малая прокаливаемость и закаливаемость. Она не позволяет применять эти стали для инструмента сечением более 20 – 25 мм. Стали нетеплостойкие, высокая твердость их сохраняется лишь до температур 250 – 200 °С. Стали имеют высокую чувствительность к перегреву вследствие растворения избыточных карбидов в аустените. Может наблюдаться неоднородная твердость на поверхности инструментов вследствие возможного частичного распада по перлитной ступени при переносе инструмента из печи в охлаждающую среду.

Из-за существенных недостатков углеродистых сталей их мало применяют в промышленности, особенно в механизированном производстве.