2.2 Инструментальные стали

Инструментальные стали в зависимости от химического состава делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие. По твердости в холодном состоянии все эти стали мало отлича­ются друг от друга, основное их отличие в теплостойкости.

В сталях приняты следующие обозначения легирующих элемен­тов: Г — марганец, С — кремний, Х — хром, Н — никель, В — воль­фрам, Ф — ванадий, М — молибден, Ю — алюминий, Т — титан, Б — ниобий, Д — медь, Е — селен, Л — бериллий, Р — бор, П — фосфор.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435--74) выпускают среднего качества и высококачественные (Буква А обозначает, что сталь высококачественной плавки, содер­жащие меньше серы и фосфора).

Углеродистые инструментальные стали содержат в среднем от 0,65 до 1,3% углерода и обозначаются буквой У.

Углеродистые инструментальные стали имеют низкую теплостойкость— 200...250⁰ С. Твердость инст­румента после закалки — HRC 62—64; прочность на из­гиб—200—220 кгс/мм²

Наибольшее применение из них получили стали марок У10А - У12А, содержащие 1,0...1,2% углерода; 0,15—0,35% марганца и столько же кремния; 0,02% серы и 0,03% фосфора.

Из этих ста­лей изготавливают инструменты, работающие при невы­соких скоростях резания (до 15 м/мин), мери­тельный и ударный инструмент: метчики, плаш­ки, фрезы, малоразмерные сверла и развертки, калибры и штампы.

Примерное назначение различных марок углеродистой инстру­ментальной стали следующее:

У7А— для инструмента, который должен обладать большой вязкостью при умеренной твердости (зубила, кузнечные штампы, обжимки, отвертки, центры токарных станков, ножницы, буравы и т. п.).

У7 (помимо указанного для У7А инструмента) — для кувалд, кузнечных и слесарных молотов, гладилок, плотничьего инстру­мента и т. п.

У8А — для инструмента, который должен обладать повышенной твердостью при достаточной вязкости (матрицы простой формы, пробойники, ножницы и ножи по металлу, пуансоны, столярный инструмент, пилы, резцы по меди, пневматический инструмент, цапфы и подпятники, буры средней твердости).

У8 (помимо указанного для У8А инструмента) - для гибочных губок, зубил и т. п.

У9А — для дыропробивных штемпелей, кернеров, деревообде­лочного инструмента.

У9 (помимо указанного для У9А инструмента) — для зубил по горным породам и пр.

У10А — для инструмента, не подвергающегося резким и силь­ным ударам и имеющего острые лезвия (токарные и строгальные резцы, волочильные кольца, сверла, метчики, развертки, плашки, фрезы, ножовочные полотна, фасонные штампы, буры для твердых пород, инструмент для гвоздильного производства).

У10 (помимо указанного для У10А) — для камнетесного ин­струмента, зубил для насечки напильников.

У12А и У12—для инструмента, который должен обладать весьма большой твердостью (токарные и строгальные резцы по латуни и пр.).

У13А — для инструмента, который должен иметь исключи­тельно высокую твердость: напильники, шаберы и т.д.

У13 — для резцов по твердому металлу, бритв, шаберов, воло­чильного инструмента, зубил для насечки напильников, сверл, инструмента для обработки твердого камня, граверного инстру­мента и пр.

Легированные инструменальные стали (ГОСТ 5950—73) содержат примерно такое же количество углерода, как и углеродистые, но дополнительно легированы небольшими количествами (~1%) вольфрама, хрома, ванадия и других элементов. Введение этих элементов повышает для таких сталей режущую способность и теплостойкость до 300^° С.

Легированная инструментальная сталь характерна более вы­сокой прокаливаемостью и износоустойчивостью, чем углероди­стая. Кроме того, благодаря наличию легирующих элементов ле­гированная сталь обладает меньшей критической скоростью закалки, а это дает возможность производить ее закалку в масле и получать свойства несколько более высокие, чем в углеродистой.

Наиболее распространенные марки легированных сталей: 9ХС; ХВГ; ХВ5 ХВСГ; Х6ВФ. Где первая цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента, буква указывает на легирующий элемент, цифра после буквы показывает содержание этого элемента в целых процента.

Например: 9ХС - С-0,9 %, Cr -1%, Si - 1%;

ХВГ - С-1,0%, Cr -1%, Mn-1%.

Вследствие небольшой теплостойкости легированные инструментальные стали применяются для из­готовления инструментов, работающих с невысокими скоростями резания их допускают примерно в 1,2 —1,4 раза больше скорости резания, чем у углеродистых. Областью приминения является изготовление метчиков, плашек, ручных разверток, сверл малого и среднего диаметра и т. д.

Так, например, стали марок ХВГ и ХВСГ после термической обработки имеют твердость HRC 63—64, прочность на изгиб 250—270 кгс/мм² и теплостой­кость 250—260°С. Они более износоустойчивы и лучше прокаливаемы, поэтому их применяют для инструментов диаметром (стороной) от 20 до 90 мм.

Штамповые стали для инструментов холодного и горячего деформирования:

Стали для инструментов холодного деформирования. Штампы диаметром 75—100 мм сложной формы и для тяжелых условий ра­боты изготовляют из сталей повышенной прокаливаемости X, ХВГ.

Для изготовления инструмента, который должен иметь высо­кую твердость и повышенную износостойкость, а также малую деформируемость при закалке, применяют стали с высокой прокаливаемостью и износостойкостью, например сталь Х12Ф1 (1,25 - 1,45%С; 11—12,5% Cr; 0,7—0,9% V).

Для инструмента, подвергающегося в работе большим ударным нагрузкам (пневматические зубила, обжимки, ножницы при холод­ной резке металла), применяют стали с меньшим содержанием углерода, повышенной вязкости 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С и др. Твердости HRCэ50—55.

Стали для инструментов горячего деформиро­вания. Стали 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, применяемые для изготовления молотовых штампов, содержат одинаковое количество (0,5—0,6%) углерода и легированы хромом. Такое содержание углерода позво­ляет получить достаточно высокую ударную вязкость, а хром повы­шает прочность и увеличивает прокаливаемость. Никель вводят в эти стали с целью повышения вязкости и улучшения прокаливае­мости. Вольфрам и молибден повышают твердость и теплостойкость, уменьшают отпускную хрупкость, измельчают зерно и уменьшают склонность стали к перегреву. Марганец, как более дешевый леги­рующий элемент, является заменителем никеля.

Для сталей молотовых штампов характерна глубокая прокали­ваемость, например стали 5ХНМ и 5ХГМ прокаливаются в сече­ниях до 200—300 мм. Твердость после отпуска HRC35—45 зависят от стали и размера штампа.

Стали ЗХ2В8Ф, 5ХЗВЗМФС и другие применяют для вытяжных и высадочных штампов, а также пресс-форм для литья под давлением. К этим сталям предъявляют повышенные требования по теплостой­кости и разгаростойкости и меньшие требования по прокаливаемости.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73) обладают более высокой теплостойкостью и износостойкостью по сравнению с углеродистыми и легированными сталями, что позволяет работать на больших скоростях резания. Быстрорежущие стали являются основными инструментальными материалами, из них изготовляется около 60% лезвийных инструментов. Важнейшим легирующим элементом, входящим в состав быстрорежущих сталей, является вольфрам (6…18%) и хром (3,0 …4,6%), а также углерод (0,7…1,55%). Кроме вольфрама быст­рорежущие стали содержат в значительных количествах молибден, кобальт, ванадий.

В обозначении марок буква Р указы­вает, что сталь относится к группе бы­строрежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содер­жание ванадия в стали в процентах обоз­начается цифрой, проставляемой за бук­вой - Ф, кобальта — цифрой, следующей за буквой - К и т. д.

Высокие режущие свойства быстрорежущих сталей во мно­гом определяются параметрами термообработки, отличными от термообработки других инструментальных сталей. Особен­ность термообработки—закалка до высоких температур (1240...1280° С). После закалки быстрорежущие стали обычно подвергаются трехкратному отпуску с температур 550...560° С. Такая термообработка обеспечивает твердость HRC62...69, теплостойкость 620...720° С, изгибную прочность 2,5...4,0 ГПа.

А также за счет легирования сильными карбидообразующими элементами: вольфрамом, мо­либденом, ванадием и некарбидообразущим кобальтом. Содержание хрома во всех быстрорежущих сталях составляет 3,0—4,5% и в обозначении марок не указывается. Практически во всех мар­ках быстрорежущих сталей допускается серы и фосфора не более 0,3% и никеля не более 0,4%. Существенным недостат­ком этих сталей является значительная карбидная неоднородность, особенно в большого сечения.

С увеличением карбидной неоднород­ности прочность стали снижается, при работе выкрашиваются режущие кромки инструмента и снижается его стойкость.

Карбидная неоднородность выражена сильнее в сталях с повышенным содер­жанием вольфрама, ванадия, кобальта. В сталях с молибденом карбидная неод­нородность проявляется в меньшей сте­пени.

Быстрорежущие стали по теплостойкости делятся на стали умеренной, повышенной и высокой теплостойкости.

Стали умеренной теплостойкости (620...630° С) составляют 75...80% от общего производства быстрорежущих сталей. К ним относятся вольфрамовые стали марок Р18, Р12, Р9 и вольфрамомолибденовые стали Р6М5; Р6АМ5; Р8МЗ; Р6МЗ; 10Р6М5. В этих сталях молибден заменяет вольфрам в соотношение 1:1,5. Причем молибдена не должно быть более 5%, т.к. повышается хрупкость материала.

Быстрорежущие стали умеренной теплостойкости предназна­чены в основном для обработки конструкционных материалов сравнительно невысокой твердости (НВ 260—280). Наиболее широко при­меняется в настоящее время быстрорежущая сталь с кар­бидным упрочнением марки Р6М5.

Стали повышенной теплостойкости (630...650⁰ С) допол­нительно легированы кобальтом и ванадием. Кобальт значи­тельно повышает теплостойкость и твердость стали. Кроме того, он существенно увеличивает теплопроводность сталей. Наиболее распространенными марками быстрорежущих сталей повышенной теплостойкости являются: Р9К10; Р9К5; Р9М4К8; Р6М5К5; 10Р6М5К5; Р10К5Ф5; Р18Ф2К8М; Р12Ф4К5; Р12МЗФ2К8.

Быстрорежущие стали повышенной теплостой­кости предназначены для обработки труднообрабатываемых материалов: жаропрочных и титановых сплавов, нержавеющих сталей, а также конструкционных сталей. Например, быстрорежущая сталь марки Р18Ф2К8М (18% W; 2% V; 8% Со; 1% Мо), являющаяся наиболее теплостойкой (Т = 650° С) и твердой (HRC67...68) из стали этой группы, предназначена для обработки наиболее труднообрабатываемых жаропрочных сплавов на никелевой и хромовой основах (ЖС6-К, ХН67ВМТЮЛ и др.), высокопрочных сталей высокой твердости (1600 МПа). Период стойкости инст­рументов, изготовленных из этой стали, в 3...4 раза выше, чем инструментов из сталей умеренной теплостойкости.

Стали высокой теплостойкости принадлежат к сталям с принципиально новым характером упрочнения — интерметаллидными фазами - это стали с пониженным содержанием углерода (0,05...0,15%). Они обладают высокими твердостью (68...69HRC), теплостойкостью (700...730° С), из­носостойкостью, теплопроводностью и удовлетворительной прочностью. Основными легирующими элементами в них являются: кобальт (16...25%), вольфрам (11...20%) и молибден (4...7%). В отличие от остальных групп быстрорежущих сталей они упрочняются вследствие выделения интерметаллидов, а не карбидов. В этих сталях образуются интерметаллиды Co7W6 и Со7Мо8. В интерметаллидах часть атомов кобальта может заменяться атомами железа с образованием (CoFe)7We и (CoFe)7Mo8. Основной упрочняющей фазой является интерметаллид Со7W6.

Поэтому они называются сталями с интерметаллидным упрочнением (дисперсионно-твердеющие). К ним от­носятся стали марок В11М7К23; В18М7К25; В14М7К25 и др.

Наиболее эффективно использовать эти стали при резании труднообрабатываемых материалов. Так, при обработке ти­тановых сплавов стойкость инструментов из дисперсионно-твердеющих сталей в 30...50 раз выше стойкости инструментов из стали Р18, при резании жаропрочных и нержавеющих сталей в 10...20 раз выше, чем у инструментов из стали Р12Ф4К5.

В связи с дефицитом вольфрама разработаны быст­рорежущие стали с малым его содержанием и даже безвольфрамовые.

Безвольфрамовая быстрорежущая сталь 11М5Ф (C~l,l%; Mo~5,5%; Cr~4,0%; V~l,5%) xapaтеризуется высокой твердостью HRC62...64, теплостойкостью Т=620°С, повышенной изгибной прочностью (σи=3,4...4,0 ГПа). Она предназначена для обработки отожженных углеродистых легированных конструкционных сталей, а также цветных сплавов на медной и алюминиевой основе.