Инструментальные стали

1. Инструментальные стали.

Инструментальные стали предназначены для изготовления
следующих основных групп инструмента: режущего,
измерительного и штампов. По условиям работы
инструмента к таким сталям предъявляют следующие
требования: стали для режущего инструмента (резцы,
сверла, метчики, фрезы и др.) должны обладать высокой
твердостью, износостойкостью и теплостойкостью; стали для
измерительного инструмента должны быть твердыми,
износостойкими и длительное время сохранять размеры и
форму инструмента; стали для штампов (холодного и
горячего деформирования) должны иметь высокие
механические свойства (твердость, износостойкость,
вязкость), сохраняющиеся при повышенных температурах;
кроме того, стали для штампов горячего деформирования
должны обладать устойчивостью против образования
поверхностных трещин при многократном нагреве и
охлаждении. В группе инструментальных сталей можно
выделить углеродистые, легированные и быстрорежущие
инструментальные стали.

2. Инструментальные легированные стали.

Содержат 0,9…1,4 % углерода. В качестве легирующих элементов содержат хром, вольфрам, ванадий,
марганец, кремний и другие. Общее содержание легирующих элементов до 5%.
Высокая твердость и износостойкость в основном определяются высоким содержанием углерода.
Легирование используется для повышения закаливаемости и прокаливаемости, сохранения
мелкого зерна, повыщения прочности и вязкости.
Термическая обработка включает закалку и отпуск.
Проводят закалку с температуры 800…850oС в масло или ступенчатую закалку, что уменьшает
возможность коробления и образования закалочных трещин.
Отпуск проводят низкотемпературный, при температуре 150…200oС, что обеспечивает твердость HRC
61…66. Иногда, для увеличения вязкости, температуру отпуска увеличивают до 300oС, но при этом
наблюдается снижение твердости HRC 55…60.
Для деревообрабатывающего инструмента из сталей 6ХС и 9ХФ рекомендуется изотермическая
закалка, значительно улучшающая вязкость.
Повышенное содержание кремния (сталь 9ХС) способствует увеличению прокаливаемости до 40 мм и
повышению устойчивости мартенсита при отпуске. Недостатками сталей, содержащих кремний,
являются чувствительность их к обезуглероживанию при термообработке, плохая
обрабатываемость резанием и деформированием из-за упрочнения феррита кремнием.
Повышенное содержание марганца (стали ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества
остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при закалке. Это особенно
важно для инструмента, имеющего большую длину при малом диаметре, например, протяжек.
Хром увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.
Стали используются для изготовления инструмента и ударного, и режущего.
“Алмазная ” сталь ХВ5 содержит 5% вольфрама. Благодаря присутствию вольфрама, в термически
обработанном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу. Твердость
составляет HRC 65…67. Cталь используется для изготовления инструмента, сохраняющего
длительное время острую режущую кромку и высокую размерную точность (развертки,
фасонные резцы, граверный инструмент).

3. Стали для измерительных инструментов.

Стали для измерительного инструмента должны обладать высокой твердостью,
износостойкостью, небольшим коэффициентом теплового расширения и сохранять
постоянство размеров и формы в течение длительного срока службы. Обычно
применяют высокоуглеродистые (заэвтектоидные низколегированные) хромистые
стали X (1,0–1,1% С и 1,3–1,6% Сr), ХГ (1,3–1,5% С, 0,45–0,7% Мn, 1,3–1,6% Сr), ХВГ, 9ХС.
Измерительный инструмент из стали X и ХГ проходит закалку с возможно более
низкой температуры, обычно 840–850° С, для получения минимального количества
остаточного аустенита.
В закаленной высокоуглеродистой стали при нормальной комнатной температуре в
течение длительного времени самопроизвольно протекает процесс старения,
который заключается в частичном распаде мартенсита и превращении некоторого
количества остаточного аустенита в мартенсит. Старение вызывает небольшое
изменение объема в линейных размерах изделия, недопустимое для измерительных
инструментов высоких классов точности. Для предупреждения старения
измерительные инструменты продолжительное время (12–60 ч) подвергают отпуску
при температуре 120–140°С. Твердость после указанной обработки составляет HRC
62–64. Иногда после закалки производят обработку холодом при температуре 50-80°С для более полного превращения остаточного аустенита.
Измерительные скобы, шайбы, линейки и другие плоские и длинные инструменты
изготовляют из листовой стали марок 15, 15Х, 20Х, 12ХН3А и для получения рабочей
поверхности с высокой твердостью и износостойкостью подвергают цементации
(стали 15, 20) и закалке; поверхностной закалке ТВЧ – стали 50, 55; для крупного
инструмента сложной формы применяют азотируемую сталь 35ХМЮА.
3. Углеродистые инструментальные стали Углеродистые стали (ГОСТ 1435)
поставляют после отжига на зернистый перлит с гарантией на химический состав и

4. Быстрорежущие стали.

Стали получили свое название за свойства. В следствии высокой теплостойкости (550…650 oС),
изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями
резания.
Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного легирующего элемента – вольфрама,
до 5 % хрома и молибдена, до 10 % кобальта
Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает щлифуемость.
Кобальт повышает теплостойкость до 650oС и вторичную твердость HRC 67…70.
Микроструктура быстрорежущей стали в литом состоянии имеет эвтектическую структурную
составляющую. Для получения оптимальных свойств инструментов из быстрорежущей
стали необходимо по возможности устранить структурную неоднородность стали –
карбидную ликвацию. Для этого слитки из быстрорежущей стали подвергаются
интенсивной пластической деформации (ковке). При этом происходит дробление
карбидов эвтектики и достигается более однородное распределение карбидов по
сечению заготовки.
Затем проводят отхиг стали при температуре 860…900oС. Структура отожженной
быстрорежущей стали – мелкозернистый (сорбитообразный) перлит и карбиды, мелкие
эвтектоидные и более крупные первичные. Количество карбидов около 25 %. Сталь с такой
структурой хорошо обрабатывается резанием. Подавляющее количество легирующих
элементов находятся в карбидной фазе. Для получения оптимальных свойств стали в
готовом инструменте необходимо при термической обработке обеспечить
максимальное насыщение мартенсита легирующими элементами. При закалке
быстрорежущие стали требуют нагрева до очень высоких температур, около 1280oС.
Нагрев осуществляют в хорошо раскисленных соляных ваннах BaCl2/, что улучшает
равномерность прогрева и снижает возможность обезуглероживания поверхности. Для
снижения термических фазовых напряжений нагрев осуществляют ступенчато: замедляют
нагрев при температурах 600…650oС и при 850…900oС. График режима термической
обработки быстрорежущей стали представлен на рисунке

5.

Охлаждение от закалочной температуры производится в масле. Структура стали после
закалки состоит из легированного, очень тонкодисперсного мартенсита,
значительного количества (30…40 %) остаточного аустенита и карбидов вольфрама.
Твердость составляет 60…62 HRC. Наличие аустенита остаточного в структуре
закаленной стали ухудшает режущие свойства.
Для максимального удаления аустенита остаточного проводят трехкратный отпуск при
температуре 560oС. При нагреве под отпуск выше 400oС наблюдается увеличение
твердости. Это объясняется тем, что из легированного остаточного аустенита
выделяются легированные карбиды. Аустенит при охлаждении от температуры
отпуска превращается в мартенсит отпуска, что вызывает прирост твердости.
Увеличению твердости содействуют и выделившиеся при температуре отпуска
мелкодисперсные карбиды легирующих элементов. Максимальная твердость
достигается при температуре отпуска 560oС.
После однократного отпуска количество аустенита остаточного снижается до 10%.
Чтобы уменьшить его количество до минимума, необходим трехкратный отпуск.
Твердость стали после отпуска составляет 64…65 HRC. Структура стали после
термообработки состоит из мартенсита отпуска и карбидов.
При термической обработке быстрорежущих сталей применяют обработку холодом.
После закалки сталь охлаждают до температуры — 80 … — 100oС, после этого
проводят однократный отпуск при температуре 560oС для снятия напряжений.
Иногда для повышения износостойкости быстрорежущих сталей применяют
низкотемпературное цианирование.
Основными видами рехущих инструментов из быстрорежущей стали являются резцы,
сверла, долбяки, протяжки, метчики машинные, ножи для резки бумаги. Часто из
быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента.

6. Безвольфрамовые теплостойкие стали.

Безвольфрамовые теплостойкие стали нашли применение для изготовления разнообразных
штампов. Штамповые стали должны обладать сочетанием определенных свойств, например,
жаропрочность, теплостойкость, термостойкость, вязкость, прокаливаемость, отпускная
хрупкость, слипаемость. Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в
холодном и горячем состоянии. Инструмент для холодного процесса должен иметь твердость
не ниже 58 HRC. Для их изготовления применяют стали У10 ... У12 (простые сечения) и Х или ШХ15
для сложных сечений при требовании повышенной прокаливаемости. Валки прокатных станов
для холодного деформирования изготавливают из 9Х. Для инструментов ударного
деформирования в холодном состоянии применяют марки 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С, 5ХВ2С, 6ХВ2С ГОСТ
5950 - 73. Для обработки давлением при относительно невысоком нагреве (накатные плашки,
ролики, фильеры для волочения и др.) применяют высокохромистые стали (12% Cr при 1 - 1.5 %
С), что приводит к образованию большого числа карбидов Cr7C3. Эти стали обладаю высокой
износоустойчивостью, повышенной теплопроводностью, малой деформируемостью при
термической обработке и некоторыми другими особыми свойствами. По своей природе стали
типа Х12 похожи на быстрорежущие. Закаливаются от температур 1050 - 1150 С, при этом с
высоких получают высокую красностойкость, а во втором - наибольшую прочность.
Наиболее распространены марки Х12, Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ ГОСТ 5950 - 73. Для работы штампов при
высоких температурах (600 С) или в тяжелых условиях работы - с высокой производительностью,
штамповка деталей больших размеров, глубокая вытяжка или сложная конфигурация детали,
применяют легированные инструментальные стали 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНСВ (ГОСТ 5950 - 73), а для
динамических условий работы, например, штампы горизонтально - ковочных машин - марки
30Х2В8Ф, 4Х5В2ФС, 4Х5В5ФМ, 4Х3В2М2Ф2 (ГОСТ 5950 - 73). Первая группа стали имеет большую
вязкость, но способна работать при меньших температурах. Наиболее распространенной
термической обработкой таких сталей является закалка от 1050 С в масле и низкого отпуска.

7. Штамповые стали.

Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие
металл в холодном состоянии и деформирующие металл в
горячем состоянии. Условия работы стали при различных
видах штамповки сильно различаются между собой.
Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой
изготавливают штампы, обычно должна обладать высокой
твердостью, обеспечивающей устойчивость стали против
истирания, хотя и вязкость, особенно для пуансонов, имеет
также первостепенное значение. Сталь для "горячих
штампов"должна иметь как можно меньшую
чувствительность к местным нагревам. В недостаточно вязкой
(пластичной) стали, например в плохо отпущенной, местный
нагрев может привести к образованию трещин.
Из углеродистой стали марок У10, У11, У12 изготавливают
штампы небольших размеров и простой конфигурации;
ввиду неглубокой прокаливаемости их следует применять для
относительно легких условий работы (малая степень
деформации, невысокая твердость штампуемого
материала).

8. Твердые сплавы.

Твёрдые сплавы получают методами порошковой
металлургии в виде пластин. Основными
компонентами таких сплавов являются карбиды
вольфрама (WC), титана (TiC) и тантала (ТаС),
мельчайшие частицы которых соединены
сравнительно мягким и менее тугоплавким
кобальтом. Карбиды придают сплаву высокую
твёрдость и теплостойкость, кобальт - прочность
на изгиб.
Твердые сплавы имеют высокую твердость - 72...76
HRC и теплостойкость до 850... 1000 °С. Это
позволяет работать со скоростями резания в 3 - 4
раза большими, чем инструментами из
быстрорежущих сталей.

9. Применяемые в настоящее время твердые сплавы делятся на:

Вольфрамовые сплавы группы ВК: ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК6, ВК6-М,
ВК6-ОМ, ВК8 и др.
В условном обозначении цифра показывает процентное
содержание кобальта. Например, обозначение ВК8
показывает, что в нем 8 % кобальта и 92 % карбидов
вольфрама. Буквами М и ОМ обозначается мелкозернистая
и особо мелкозернистая структура; титановольфрамовые
сплавы группы ТК: Т5К10, Т15К6, Т14К8, ТЗОК4, Т60К6 и др.
В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т,
показывает процентное содержание карбидов титана, после
буквы К — кобальта, остальное — карбиды вольфрама;
титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК: ТТ7К12, ТТ8К6,
ТТ20К9 и др.
В условном обозначении цифры, стоящие после буквы Т,
показывают процентное содержание карбидов титана и
тантала, после буквы К - кобальта, остальное - карбиды
вольфрама.
Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизованных
пластин, которые припаиваются, или крепятся механически к
державкам из конструкционной стали.

10. Сверхтвердые материалы.

Их широко применяют для оснащения (вставками) лезвийных инструментов (резцы,
сверла, торцовые фрезы). Такие инструменты используют для чистовой размерной
обработки при высоких скоростях резания (100-200 м\мин и более).
Среди сверхтвердых материалов первое место принадлежит алмазу, твердость
которого в 6 раз превосходит твердость карбида вольфрама и в 8 раз - твердость
быстрорежущей стали Преимущественное применение имеют синтетические
алмазы (борт, баллас, карбонадо) поликристаллического строения, которые по
сравнению с монокристаллами отличаются меньшей хрупкостью и стоимостью.
Алмаз теплостоек до (при большем нагреве он графитизируется). Относительно
небольшая теплостойкость компенсируется высокой теплопроводностью алмаза,
снижающей разогрев режущей кромки инструментов при высоких скоростях
резания.
Область применения алмазных инструментов ограничивается высокой адгезией к
железу, что является причиной его низкой износостойкости при точении сталей и
чугунов. Алмазным инструментом обрабатывают цветные металлы и их сплавы, а
также пластмассы, керамику, обеспечивая при этом низкую шероховатость
поверхности.
Большей универсальностью обладают инструменты из поликристаллического нитрида
бора с кубической решеткой называемого кубическим нитридом бора получают
спеканием микропорошков нитрида бора (с гексагональной, кубической
решеткой или вюрцитоподобного) при высоких температурах и давлениях или
прямым синтезом из нитрида бора с гексагональной решеткой . В зависимости от
технологии получения выпускают под названием: эльбор, эльбор-Р, боразон.