26). Инструментальные стали и твердые сплавы.

15.0. Введение

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие вы-сокой твердостью (60-65 HRC), прочностью и износостойкостью и применяемые для изго-товления различного инструмента.

Для инструмента, требующего повышенной вязкости, например для штампов горячего деформирования, применяют доэвтектоидные стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры тростита или даже сорбита. Износостойкость и твердость этих сталей ниже, чем эвтектоидных.

Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), т.е. способность сохранять высокую твердость при нагреве (устой-чивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы).

Все инструментальные стали подразделяются на три группы: не обладающие теплостой-костью ( углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-4% легирующих элементов), полутеплостойкие до 400 - 5000С ( содержащие свыше 0,6-0,7 % С и 4 - 18 % Cr) и теплостойкие до 550-6500С (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, V, Mo, Co, ледебуритного класса), получившие название быстрорежущих.

Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливае-мость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью.

Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).

Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали мар-кируют буквой "У" (углеродистая); следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква "А" в конце (У10А) указыва-ет, что сталь высококачественная.

Легированные инструментальные стали Х, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т.д. маркируют цифрой, показывающее среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержа-ние < 1 %. Если содержание углерода 1%, то цифра чаще отсутствует.

Буквы обозначают легирующие элементы, а следующие за ним цифры - содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента

Быстрорежущие стали маркируются буквой "Р". Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали - вольфрама (в %). Среднее содержание молибдена (в % ) в стали обозначают цифрой, поставленной за бук-вой "М", кобальта - цифрой за буквой "К", ванадия - цифрой после буквы "Ф" и. т. д. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обо-значении марки стали не указывается.

23.2)Стали для режущего инструмента

Стали для режущего инструмента после закалки и низкого отпуска должны иметь вы-сокую твердость в режущей кромке (HRC62-68), значительно превышающую твердость об-рабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения разме-ров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда реза-ние выполняется повышенной скоростью.

Углеродистые стали небольшой прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью. Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А), У10(У10А), У11 (У11А), У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие мало устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, спиральные пилы, шаберы, но-жовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12 и У13), у которых после термической обработки структура - мартенсит и карбиды. Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термообработки троститную структуру.

Таблица 39

Сталь углеродистая инструментальная качественная

Мар-ка стали

Химический состав, %

Твер-дость НВ

Примерное назначение

C Mn Si S P

не более не более

У7 0,65-0,74 0,20-0,40 0,15-0,35 0,030 0,035 187 Для инструмента, подвер-гающегося ударам: зубила, штампы, кузнечные и слесар-ные молотки, плотничий ин-струмент ( стамески, долота)

У8 0,75-0,84 « « « « 187 Для инструмента, подвер-гающегося ударам: штампы, матрицы, пуансоны, пробой-ники, слесарный инструмент, пилы, зубила для угля, камня.

У9 0,85-0,94 0,15-0,35 « « « 192 Для инструмента требующего твердости и некоторой вязко-сти (штемпели, кернеры, сто-лярный инструмент, зубила по камню)

У10 0,96-1,04 « « « « 197 Режущий и мерительный ин-струмент (резцы, сверла, фре-зы, метчики, калибры, плит-ки). Вытяжные, обрезные и вырубные штампы небольших размеров и простой формы)

У12 1,15-1,24 « « « « 207 Режущий, мерительный и хи-рургический инструмент

У13 1,25-1,35 « « « « 217 Резцы по твердому металлу, бритвы, граверный инстру-мент

Углеродистые стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зерни-стого перлита, низкую твердость и хорошо обрабатываются резанием.

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью, так как их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190-2000С

Таблица 40

Сталь углеродистая инструментальная качественная

Сталь Температура, 0С Твердость,

НRC

Закалка Отпуск

У7 800 -820

в в., в р/р солей 275-325

400-500 48-58

44-48

У10 -У12 760-780

в в., в р/р солей 150-170

- 62-63

-

Легированные стали повышенной прокаливаемости, не обладающие теплостойко-стью. Легированные инструментальные стали подобно углеродистым, не обладают тепло-стойкостью и пригодны только для резания материалов невысокой прочности с небольшой скоростью, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-2500С.

Таблица 41

Химический состав (по легирующим элементам) и термическая обработка

некоторых легированных инструментальных сталей

Сталь Содержание элементов, % Температура, 0С Твер-дость

HRC

С Mn Si Cr Другие

элементы Закалки Отпус-ка

11ХФ

(11Х) 1,05-1,15 0,4-0,7 0,15-0,35 0,40-0,70 0,15-0,30 V 830-860 140-160 62-65

13Х 1,25-

1,4 0,3-0,6 0,15-0,35 0,40-0,70 - 780-800 100-120 62-67

ХВСГ 0,95-1,05 0,6-0,9 0,65-

1,0 0,60-

1,1 0,5-0,8 W

0,05-0,15 V

0,65-1,0 Si 840-860 140-160 62-64

9ХС 0,85-0,95 0,3-0,6 1,2-

1,6 0,95-1,25 - 860-880 140-160 62-65

Х 0,95-1,00 0,15-0,4 0,15-0,35 1,3-

1,65 - 840-850 150-160 62-64

В2Ф 1,05-1,22 0,15-0,45

0,15-0,35 0,2-

0,4 1,6-2,0 W

0,2-0,28 V 810-830 140-160 64-65

Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают большой устойчиво-стью переохлажденного аустенита, а следовательно и большой прокаливаемостью. Инстру-менты из этих сталей можно охлаждать при закалке в масле и горячих средах, что уменьша-ет деформацию и коробление инструмента. Низколегированные стали 11ХФ и 13Х рекомендованы для инструментов диаметром до 15 мм, закаливаемых в масле или в горячих средах для уменьшения деформации по сравнению с получаемой в углеродистых сталях, закаливаемых в воде. Ванадий тормозит рост зерна при нагреве под закалку.

Стали повышенной прокаливаемости (60-80мм) 9ХС ХВСГ имеют большую тепло-стойкость (250-2600С), хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Однако сталь 9ХМС склонна к обезуглероживанию при нагреве, в отожженном со-стоянии имеет повышенную твердость187-241 НВ, что ухудшает ее обработку резанием и давлением.

Вольфрамовые стали В2Ф и ХВ4 после закалки в водных растворах имеют очень вы-сокую твердость и применяются для пил по металлу, граверных инструментов и обработки твердых металлов.

Быстрорежущие стали. В отличии от других инструментальных сталей быстроре-жущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость, прочность и изно-состойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600-6500С, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2 - 4 раза) и стойкость инструментов (в 10 - 30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими их теплостойкость, является в первую очередь вольфрам и его химический аналог - молиб-ден. Сильно повышает теплостойкость (до 645 - 6500С) и твердость после термической об-работки (67 - 70 HRC) кобальт и в меньшей степени ванадий. Ванадий, образуя очень твер-дый карбид VC, повышает износостойкость, но ухудшает шлифуемость.

Таблица 42

Химический состав, % наиболее распространенных быстрорежущих сталей.

Сталь C Cr W V Mo

P18 0,7-0,8 3,8-4,4 17,5-19 1,0-1,4 0,5-1,0

P9 0,85-0,95 3,8-4,4 8,5-9,5 2,3-2,7 До 1,0

P6M5 0,82-0,90 3,8-4,4 5,5-6,5 1,7-2,1 5,0-5,5

Наиболее часто применяют сталь Р6М5.

Для обработки высокопрочных, коррозионностойких и жаропрочных сталей и спла-вов применяют стали, содержащие кобальт Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р2АМ9К5, Р2М9К5 с повышенной красностойкостью.

Для чистовых инструментов при обработке вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными свойствами нашла применение сталь Р12Ф3 с высоким содержа-нием ванадия.

Применяются стали с повышенным содержанием углерода и азота при низком со-держании вольфрама и молибдена (11Р3АМ3Ф2)) для инструментов простой формы при об-работке углеродисты и низколегированных сталей (красностойкость 6200С).

Быстрорежущие стали относятся к карбидному классу. Основным карбидом является М6С, в котором так же растворен ванадий. При недостаточной деформации наблюдается карбидная ликвация, которая представляет собой участки не разрушенной эвтектики, вытя-нутые в направлении деформации.

Для снижения твердости (250-300 НВ), улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке, после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 840 - 8800С. Если отжиг проведен неудовлетворительно, то при последующей закалки возможен брак стали вследствие образования «нафталинового» излома. Этот излом крупнозернистый, чешуйчатый, похожий на нафталин. Сталь с таким изломом обладает высокой хрупкостью.

Для придания стали теплостойкости инструменты подвергают закалке и многократ-ному отпуску. Закалка для Р18 - 12700С, а для Р6М5 - 12200С. Во избежание образования за-калочных трещин инструмент подогревают.

Структура быстрорежущей стали после закалки представляет собой высоколегиро-ванный мартенсит, содержащий 0,3-0,4% С, нерастворенные избыточные карбиды и остаточный аустенит (рис. 68). Чем выше температура закалки, тем ниже температура мартенситных точек Мн и Мк и тем больше количество остаточного аустенита, который понижает режущие свойства, и поэтому его присутствие в готовом инструменте не допустимо. После закалки следует отпуск при 550- 5700С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов. Чтобы весь аустенит перешел в мартенсит, применяют многократный отпуск (чаще трехкратный). Иногда инструменты, для уменьшения остаточного аустенита непосредственно после закалки охлаждают до -800С, с последующим двукратным отпуском. Твердость после закалки 62-63 HRC, а после отпуска 63-65 HRC.

Выбор стали для режущего инструмента. В таблице указаны рекомендуемые стали для металлорежущего инструмента, не теплостойкие материалы применяются редко. Подав-ляющее число инструментов изготовляют из быстрорежущей стали.

Все шире применяются быстрорежущие стали, полученные методом порошковой ме-таллургии, В этих сталях карбидная фаза очень мелкая, что способствует более полному рас-творению карбидов в аустените и повышению теплостойкости. Основные порошковые стали, предложенные для замены сталей Р18 Р6М5 - Р0М2Ф3-МП, М6Ф1-МП, М6Ф3-МП мало содержат дефицитного вольфрама. Несмотря на высокое содержание ванадия, стали хорошо шлифуются. Применяются и другие порошковые стали, например 10Р6М5-МП, Р6М5К5-МП и Р12М3К8.

Таблица 43

Стали, рекомендуемые для режущих инструментов

Тип инструмента Рекомендуемая сталь

Резцы и резцовые головки:

фасонные на автоматах

долбежные. строгальные, отрезные

Р18, Р12Ф3

Р6М5, Р9, 11Р3АМ3Ф2

Сверла:

для обработки металлов с твердостью 60-280 НВ

для обработки металлов большой твердость

для трудно обрабатываемых сплавов

Р6М5

Р12Ф3, Р6М5К5,

Р6М5К5

Фрезы:

резьбовые, червячные

те же для резания с высокой скоростью

те же для резания трудно обрабатываемых сплавов

Р6М5, Р8М3, Р9, Р18

Р6М5К5

Р6М5Ф3, Р9М4К8

Долбяки , шеверы Р6М5, Р8М3, Р12

Метчики:

машинные

ручные

Р6М5, Р18 , Р9М4К8, Р6М5Ф3

У11А, У12А, 11ХФ

Плашки круглые:

для нарезания мягких металлов

для нарезания твердых металлов

ХВСГ

Р6М5, Р12Ф3

Развертки:

машинные

то же, для трудно обрабатываемых сплавов

ручные

Р6М5, Р9, Р12Ф3

Р6М5К5, Р9М4К8

ХВСГ, Р6М5

Зенкеры:

для обработки мягких металлов

для обработки твердых металлов

Р6М5, Р8М3

Р9М4К8, Р8М3К6С

Пилы:

сегменты к круглым пилам, ножовочные полотна

машинные и ручные для обработки древесины

Р9, Р6М5

9ХФ, У10А, У8ГА

Стамески, долота, топоры для обработки древесины 7ХФ, 6ХС

Напильники:

для мягких металлов

для твердых металлов

13Х,Х, У13А

Р6М5, Р8М3, Р9

1 Быстрорежущая сталь с повышенным содержанием углерода (1,02-1,12%). Применя-ют при резании металлов с твердостью до 250 - 280 НВ

Стойкость режущего инструмента из порошковых сталей по сравнению со стойко-стью инструмента из аналогичных сталей обычного производства в 1,2 - 2 раза выше.