Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали (У8 – У 13) являются наиболее дешевыми, но они относятся к сталям неглубокой прокаливаемости (до сечений 5-10 мм), определяемой малой устойчивостью переохлажденного аустенита. Эти стали нетеплостойки (высокая твердость их сохраняется лишь до температур 200-250 °С) и имеют высокую чувствительность к перегреву. Как правило, их применяют для изготовления малоответственного инструмента, работающего при малых скоростях резания, не допускающих разогрев в процессе работы не выше 200 °С.

Достоинствами углеродистых сталей является то, что в малых сечениях (до 15-20 мм) после закалки достигается высокая твердость в поверхностном слое (HRC63-66) и мягкая, вязкая сердцевина инструмента. 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 резанием при изготовлении инструмента.

В отожженном состоянии сталь У8 относится к эвтектоидному классу, а остальные стали – к заэвтектоидному. В нормализованном состоянии стали относятся к перлитному классу.

Термообработка сталей: предварительная – отжиг на зернистый перлит (НВ 150-180); окончательная – закалка с температуры А_с1+ (30-50) °С в воде и низкий отпуск при температуре 150-200 °С. После окончательной термообработки структура представляет собой отпущенный мартенсит + цементит + остаточный аустенит (5-8 %), твердостьHRC60-63.

Легированные стали

Легирование уменьшает недостатки углеродистых сталей, прежде всего повышает прокаливаемость. Легируют в небольшом количестве хромом, кремнием, марганцем, вольфрамом, ванадием. Роль легирующих элементов состоит в повышении прокаливаемости, износостойкости, сопротивлению разупрочнению при разогреве режущей кромки в процессе резания.

Легированные стали для режущего инструмента подразделяют на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости. В группу сталей неглубокой прокаливаемости входят низколегированные стали, содержащие невысокое содержание хрома (0,4-0,7 %), ванадия (0,15-0,30 %) – 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ; а также стали с вольфрамом – ХВ4, В2Ф. Легирование хромом несколько повышает устойчивость переохлажденного аустенита и прокаливаемость по сравнению с углеродистыми сталями. Использование ванадия для легирования этих сталей позволяет обеспечить меньшую чувствительность стали к перегреву и регламентированную глубину прокаливаемости. Так, применяя разную температуру закалки, можно регулировать толщину закаленного слоя, не опасаясь перегрева стали. По этой причине для сталей типа 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ рекомендуют два температурных интервала нагрева под закалку, 820-840 °С и 850-870 °С. Более высокая температура закалки позволяет растворить часть карбида ванадия в аустените и повысить его устойчивость, а нерастворенная часть карбида ванадия оказывает барьерное действие на рост зерна. При принятом содержании ванадия в этих сталях (0,15-0,30 %) граница образования структуры перегрева повышается до 900-950 °С. Подобные стали используют для изготовления метчиков, пил, зубил, отрезных матриц и пуансонов, ножей холодной резки, подвергаемых местной закалке.

Стали с вольфрамом ХВ4, В2Ф имеют повышенное содержание углерода, что обеспечивает получение карбида Ме₆С и мартенсита с высоким содержанием углерода, благодаря чему эти стали имеют после закалки наиболее высокую твердость (HRC65-67) и износостойкость. Они применяются для обработки твердых металлов, например валков холодной прокатки, при небольшой скорости резания.

В группу сталей глубокой прокаливаемости входят хромистые стали с более высоким содержанием хрома (1,4-1,7 %) и стали комплексно легированные несколькими элементами (хромом, марганцем, кремнием, вольфрамом).

Хромистые стали 9Х1, Х по составу подобны подшипниковой стали ШХ15 и могут быть заменены ею. Комплексно легированные стали 9ХС, ХГС, ХВГ обладают высокой прокаливаемостью. Особенно это относится к сталям с марганцем, поэтому стали типа ХВГ применяют для крупного режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания (протяжки, развертки, сверла и др.). Легирование кремнием позволяет повысить устойчивость против отпуска.

Недостатком перечисленных легированных сталей является их невысокая теплостойкость, что исключает возможность их применения для режущего инструмента, эксплуатируемого в тяжелых условиях, связанных с разогревом режущей кромки.

Термообработка легированных сталей: предварительная – отжиг на зернистый перлит (НВ 240); окончательная – закалка от температуры А_с1+ (30-50) °С в воде или масле и низкий отпуск при температуре 150-220С. После окончательной термообработки твердость составляетHRC60-65.