7. Инструментальные стали и сплавы

7.1. Основные свойства инструментальных сталей и факторы, влияющие на них.

1. Эксплуатационные свойства.

1) Твердость. Т.к. твердость характеризует сопротивление материала пластическим деформациям, то от твердости зависит устойчивость формы и размеров инструмента при работе. Увеличение твердости сопровождается уменьшением износа инструмента, увеличением чистоты поверхности обрабатываемого материала, уменьшением налипаемости металла на инструмент.

Твердость зависит от содержания углерода в мартенсите, дисперсности выделяющихся карбидов при нагреве и от количества остаточного аустенита в стали.

2) Прочность. Прочностной характеристикой инструментальных сталей является предел прочности на изгиб , т.к. большинство инструмента работают в условиях напряженного состояния, близкого к изгибу. Прочность растет при росте твердости. Однако на прочность большое влияние оказывают внутренние напряжения, величина зерна, распределение карбидов.

3) Ударная вязкость. Ударная вязкость более чем чувствительна к величине зерна, изменению состава, карбидной неоднородности. Значительное повышение ударной вязкости достигается уменьшением содержания углерода в стали и закалкой с высоким отпуском.

2. Технологические свойства.

1) Обрабатываемость резанием. Лучшей обрабатываемостью резанием обладают стали со структурой зернистого перлита. Улучшают обрабатываемость резанием легирующие элементы хром, вольфрам, ванадий.

2) Шлифуемость. Чистота поверхности при шлифовании ухудшается при наличии в структуре крупных и неоднородно распределенных карбидов. Шлифовочные трещины возникают в стали, в структуре которой имеется 10-12 % остаточного аустенита.

3) Закаливаемость – способность приобретать высокую твердость при закалке в мягких охлаждающих средах (масле, горячих средах, на воздухе).

4) Деформируемость характеризует изменение формы инструмента при термообработке вследствие пластической деформации. Наименьшему деформированию при закалке подвергаются стали ледебуритного класса.

5) Устойчивость при образовании трещин. Стали с исходной структурой зернистого перлита менее склонны к образованию трещин. Опасность образования трещин возникает с повышением температуры закалки, скорости охлаждения в области температур мартенситного превращения.

6) Чувствительность к перегреву (росту зерна). Боле чувствительны к росту зерна доэвтектоитдные, эвтектоидные углеродистые стали и стали с марганцем.

7) Устойчивость против обезуглероживания. Обезуглероживают сталь легированные элементы, образующие карбиды (углерод переходит в карбид).

7.2. Стали для режущего инструмента.

Углеродистые инструментальные стали.

Маркируются У7, У7А…У13, У13А. Буква означает «углеродистая», цифра–содержание углерода у десятых долях процента.

Углеродистые инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью, хорошо шлифуются при изготовлении инструмента, дешевы и недефицитны.

Сталь У7, У8 применяется для изготовления ножниц, инструмента по дереву (пилы, инструмент для обработки дерева) и инструмента ударного действия, где требуется повышенная ударная вязкость – пуансоны, керны, зубила, кузнечные штампы и т.д.

Сталь У9–У13 обладает более высокой твердостью и износостойкостью. Изготавливают сверла, метчики, развертки, фрезы для обработки мягких материалов и т.д. Из У13 с самой высокой твердостью и износостойкостью – также напильники и граверный инструмент.

Для выравнивания структуры перед термообработкой стали подвергают сфероидизирующему отжигу (дробление сетки цементита). Затем – закалка и последующий отпуск. Температура отпуска выбирается в зависимости от требуемых свойств. Для ударного инструмента (керны, зубила) требуется повышенная вязкость. Следовательно, применяют средний отпуск. Для напильников, метчиков – низкотемпературный отпуск при 150-200 ⁰С.

Недостатки – небольшая прокаливаемость до 5-10 мм, низкая теплостойкость. Эти инструменты применяются при низких скоростях резания.

После термообработки углеродистые инструментальные стали имеют такие свойства:

У9: ,=10%.

У12: Твердость после нагартовки или закалки и низкого отпуска 62-63 HRC.

Легированные инструментальные стали.

Обычно содержание углерода 0,9–1,4%, содержание легирующих элементов (Cr, W, Mn, Si, V и т.д.) не превышает 5%.

Легирующие элементы, увеличивая устойчивость аустенита, понижают скорость закалки и увеличивают прокаливаемость (при небольшом сечении – насквозь). Инструменты закаливают в масле для избежания коробления и образования закалочных трещин.

Термическая обработка – закалка в масло и соответствующий отпуск в зависимости от нужной твердости и вязкости.

Стали небольшой прокаливаемости – Х05, 7ХФ, 8ХФ. Повышенную прокаливаемость – стали 9ХС (до 40 мм) и ХВСГ (до 100 мм). Стали с добавлением марганца ХВГ, ХВСГ, который способствует увеличению остаточного аустенита, уменьшающего деформацию при закалке. Эти стали часто применяют для изготовления инструмента, имеющего большую длину при небольшом диаметре. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.

Теплостойкость таких сталей не превышает 300 ⁰С. Их используют для обработки с небольшими скоростями резания.

«Алмазная» сталь ХВ5 (5% W) благодаря присутствию вольфрама после термообработки с избыточным выделением мелкодисперсных карбидов имеет твердость HRC 65-67. Из этой стали изготавливают инструмент, сохраняющий длительное время острые кромки и высокую размерную точность (развертки, фасонные резцы, граверный инструмент и т.д.).

После термообработки легированные инструментальные стали имеют такие свойства:

9ХС – после отжига: ,,=39% , ψ=54%, КСU = 39 Дж/см².

9Х1: Твердость после закалки и низкого отпуска НВ 1^0-1= 352-429 МПа.

7ХФ: Твердость после отжига НВ 10^-1= 229 МПа.

ХВГС: Твердость после отжига НВ 1^0-1= 241 МПа.