2.2.2. Легированные инструментальные стали

Произошли в результате улучшения свойств углеродистых инструментальных сталей путем введения небольшого количества, не превышающего 1%, различных легирующих элементов: хрома, вольфрама, марганца, кремния, ванадия и др. Основные марки этих сталей:

11ХФ(1,1%C,+1%Cr+0,3%V+Fe), 9XC(0,9%C+1,4%Si+1%Cr+Fe), XВГ(1%C+1%Cr+1%W+1%Mn+Fe).

Сталь ХВГ отличается уникальным свойством: легирующие компоненты Сr, W, Mn подобраны в ней так, что превращения, происходящие при термической обработке, не вызывают изменения объема материала. Это позволяет уменьшить деформирование инструмента в процессе термической обработки и длительной эксплуатации.

Введение легирующих компонентов улучшает свойства стали: хром повышает прокаливаемость, вольфрам - теплостойкость, ванадий - твердость.

Допустимая температура для этих сталей лежит в интервале К, твердость HRC 61...64, предел прочности при изгибе σ_u = 2500...3000 МПа. Инструменты из этих сталей допускают в 1,2...1,4 раза более высокие скорости резания по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями.

Сталь марки ХВГ предназначена для изготовления крупногабаритных инструментов: протяжек, длинных метчиков и др.

Сталь марки 9ХС применяется для изготовления сверл и разверток диаметром не более 10 мм, метчиков, плашек. Из легированных инструментальных сталей изготовляется около 5% режущего инструмента.

3. Быстрорежущие стали

Являются основными инструментальными материалами. Все марки обозначаются буквой Р. Около 50% инструментов изготовляется из этих сталей. По применяемости они делятся на две группы: стали нормальной производительности и стали повышенной производительности.

Стали нормальной производительности применяются в общем машиностроении для обработки материалов, сравнительно хорошо поддающихся обработке резанием. Основными марками этих сталей являются: Р6М5 (0,85%C+3%Cr+6%W+5%Mo+1,5%V+Fe), Р18 (0,7%C+3%Cr+18%W+1%V+Fe) и др. В связи с тем, что вольфрам является дефицитным материалом, сталь марки Р18 выпускается в ограниченном количестве. Применение ее допускается для изготовления точного инструмента сложного профиля, подвергающегося шлифованию: фасонные резцы, червячные фрезы, зуборезные долбяки и др. Эти стали характеризуются твердостью HRC 62...65, пределом прочности при изгибе σ_u = 2900...3400 MПа, допустимой температурой K. При обработке сталей средней твердости, например незакаленной стали 45, они допускают скорости резания в пределах 0,8…1,0 м/с. Подавляющее большинство инструментов: сверла, зенкеры, развертки, резцы, метчики, плашки и другие изготовляются из стали марки Р6М5.

Стали повышенной производительности применяются для изготовления инструментов, предназначенных для обработки труднообрабатываемых материалов, к которым относятся высокопрочные стали и сплавы, титановые сплавы, нержавеющие стали, жаропрочные сплавы и другие материалы со специфическими свойствами. Эти стали по химическому составу делятся на кобальтовые, ванадиевые и кобальтованадиевые.

Представителями кобальтовых сталей являются стали марок Р9К5 и Р9К10.Кобальт повышает теплопроводность стали и допустимую температуру до К. Эти стали хорошо шлифуются. Предел прочности при изгибе лежит в пределах σ_u=2100...2500 МПа. Недостатком этих сталей является склонность к обезуглероживанию при термической обработке, т.е. к переходу углерода из поверхностных слоев инструмента в соляную ванну, применяющуюся для нагрева инструмента при его термообработке, путем соединения с кислородом, имеющимся в ванне. Для устранения явления обезуглероживания соляные ванны раскисляют бурой. Обезуглероженный слой на инструменте имеет пониженную твердость и поэтому должен быть удален при заточке или шлифовании. Для этого необходимо предусматривать увеличенные припуски до 1,5 мм на рабочих поверхностях и лезвиях инструмента.

Применение кобальтовых сталей в связи с дефицитом кобальта весьма ограничено и допускается в обоснованных случаях: при обработке титановых, жаропрочных и высокопрочных сплавов.

Марки ванадиевых быстрорежущих сталей: Р9Ф5, Р18Ф2, Р14Ф4 и др. Ванадий - недефицитный материал. Стоимость ванадиевых сталей в 1,5..2 раза ниже, чем кобальтовых. Ванадий придает материалу высокую твердость HRC 6З...65, т.к. он является карбидообразующим элементом. Твердость карбида ванадия VC высокая и сопоставима с твердостью электрокорунда, применяемого для заточки и шлифования инструмента. Поэтому инструменты из ванадиевых сталей плохо поддаются шлифованию. Эти стали не рекомендуются для инструментов сложного профиля, подвергающихся шлифованию.

Ванадиевые стали характеризуются высокой прочностью при изгибе σ_u=3000...3100 МПа, допустимой температурой К. Эти стали применяются для изготовления инструментов, предназначенных для обработки титановых сплавов, закаленных сталей: развертки, концевые фрезы, метчики и др.

Ванадиево - кобальтовые стали марок Р12Ф4К5, Р10К5Ф5, Р10М4Ф3К5 и другие обладают преимуществами кобальтовых и ванадиевых сталей. Характеризуются весьма высокой твердостью HRC 63...67, допустимой температурой К, прочностью при изгибе 2800... 3500 МПа. Рекомендуются для обработки труднообрабатываемых материалов высокой прочности с твердостью HRC 43...45.

Быстрорежущие стали могут быть литыми, когда исходная заготовка получается по технологии литья, и порошковыми, когда заготовка для инструмента получается по технологии порошковой металлургии. В последнем случае после выплавки быстрорежущей стали ее превращают путем распыления в мелкозернистый порошок с размером частиц 120…180 мкм. Порошок помещают в контейнер, предварительно его прессуют в холодном состоянии, выкачивают из контейнера воздух, нагревают до К и вторично прессуют под давлением 14000 МПа. Из полученного материала куют заготовки. Порошковые быстрорежущие стали характеризуются мелкодисперсной, однородной структурой, равномерным распределением карбидов. Они имеют более высокую твердость, прочность и теплостойкость. Шлифуемость стали улучшена. Все это обеспечивает более высокие режущие свойства инструмента. Марки порошковых быстрорежущих сталей обозначаются буквой П: Р6М5П, Р18П и т.п.