Углеродистые и легированные инструментальные стали

Номенклатура инструментальных материалов разнообразна. Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А. У13, У13А. Помимо железа и углерода, эти стали содержат 0,2. 0,4 % марганца.

Инструменты из углеродистых сталей обладают достаточной твердостью при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200. 250 °С) их твердость резко уменьшается.

Легированные инструментальные стали по своему химическому составу отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния или марганца, или наличием одного или нескольких легирующих элементов:

Для изготовления режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами — лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонностью к короблению, но теплостойкость их практически равна теплостойкости углеродистых сталей 350. 400 °С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназначенных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, развертки).

Для изготовления режущего инструмента применяют высокоуглеродистые, высококачественные стали с содержанием углерода 0,9…1,3% (У9А, У10А, У12А и т. д.).

Таблица 1. Некоторые свойства наиболее применяемых углеродистых

Марка стали	Физико-механические свойства	Карбид-ная фаза, %	Тепло-стой-кость, о С
г/см 3	НВ, МПа	После отжига	После закалки и отпуска
НВ, МПа	, МПа	, МПа	10 5 , Дж/м 2	НRCэ
У10;У10А	7,81	0,2	63-65	14,0-16,0	200-250
У11;У11А	7,81	—	63-65	15,5-17,0	200-250
У12;У12А	7,81	0,2	63-65	17,0-18,5	200-250
У13;У13А	7,81	—	—	63-65	18,5-20,0	200-250

Углеродистые инструментальные стали обозначаются буквой У, за которой следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали, умноженная на 0,1. Так в стали марки У10 массовое содержание углерода составляет 1%. Буква А в обозначении соответствует высококачественным сталям с пониженным массовым содержанием примесей.

После полной термической обработки они имеют высокую твёрдость (61…63 HRC_э), что позволяет режущему инструменту, изготовленному из данных сталей, обрабатывать заготовки из углеродистых сталей и чугунов в отожжённом и нормализованном состоянии с твёрдостью 30…32 HRC_э. Из-за низкой теплостойкости режущий инструмент, изготовленный из них, работает на скоростях резания не выше 20…25 м/мин.

Износостойкость углеродистых сталей в указанном диапазоне скоростей резания может быть повышена путём легирования их небольшим количеством вольфрама, хрома, кремния и марганца. Такие инструментальные стали получили название легированных (9ХС, ХВГ, ХВ6 и др.).

Таблица 2. Некоторые свойства наиболее применяемых

легированных инструментальных сталей.

Марка стали	Физико-механические свойства	Карбид-ная фаза, %	Тепло-стой-кость, о С
г/см 3	НВ, МПа	После отжига	После закалки и отпуска
НВ, МПа	, МПа	, МПа	10 5 , Дж/м 2	НRCэ
11Х;11ХФ	7,82	—	1,6	63-65	15,5-17,0	200-250
9ХС	7,83	0,25	63-66	12,5-14,0	240-250
ХВСГ	7,83	—	—	62-64	14,0-15,5	200-220
ХВГ	7,83	—	—	63-66	14,0-16,0	200-220
Х6ВФ	—	—	59-61	12,0-14,0	400-500
Х12Ф1	—	—	2,95	63-65	15,0-17,0	490-510
Х12М	—	—	—	—	63-65	—	490-510

Легированные инструментальные стали обозначаются цифрой, характеризующая массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода 1%), за которой следуют буквы, соответствующие легирующим элементам (Г-марганец, Х-хром, С-кремний, В-вольфрам, Ф-ванадий), и цифры, обозначающие содержание элемента в процентах. Они обладают повышенной твёрдостью (HRC_э 63…65), средняя теплостойкость – 250 о С. Из легированных сталей изготавливают сложнопрофильные мелкоразмерные инструменты: развёртки, фасонные резцы, метчики, плашки.

Вопрос увеличения эффективности обработки конструкционных сталей остается всегда актуальным. Исследования в этом направлении в одно время привели к появлению новых марок стальных сплавов, предназначенных исключительно для изготовления инструмента и оснастки под него. Название они получили соответствующее — инструментальные стали и сплавы. что их отличало от обычных конструкционных? Какими свойствами они обладали?

Общие сведения

Сталь, процент углерода в которой составляет более 0,7%, называют инструментальной. В основе фазовой структуры лежит мартенсит и только в некоторых случаях ледибурит.

Используется главным образом в машиностроении в качестве материала для производства инструмента по обработке черных и цветных сплавов.

Инструментальную сталь отличает ряд особенностей по сравнению с конструкционной. Среди них наиболее важными являются:

• Повышенная твердость, которая составляет 60-65 единиц по шкале Роквелла.
• Дополнительная прочность. Временное сопротивление на разрыв не должно быть ниже 900 МПа.
• Способность сопротивляться воздействию абразивного износа.
• Высокая прокаливаемость — свойство сталей термически упрочняться.
• Красностойкость, которая характеризует металл с точки зрения способности сохранять свои прочностные характеристики при увеличении температурного воздействия на него.

Согласно государственным стандартам предусмотрены следующие разновидности инструментальных марок, исходя из их технологического назначения:

• Инструментальные углеродистые стали ГОСТ 1435-99. Помечаются буквой «У» в начале маркировки. Цифра, следующая далее в обозначении, показывает углеродистую составляющую: У12, У10 и т.д. Размерность берется в сотых долях процента. В конце может ставиться буква «А» (например, У10А), которая показывает, что данная инструментальная сталь имеет уменьшенное количество отрицательных включений. В частности, это относится к сере и фосфору, элементам, ответственным за ухудшение механических свойств стального сплава.
• Легированные инструментальные стали ГОСТ 5950-2000. Цифра, стоящая в начале, показывает сотую долу процента карбидов в стали. В случае ее отсутствия значение данного параметра принимается равным 1%. Далее следует буквенное обозначение легирующих элементов с указанием цифрами их содержания в целых долях процента: Х, 5ХВГ, 9ХС и прочее.
• Быстрорежущие инструментальные стали ГОСТ 19265-73. В технической документации маркируются буквой «Р». Цифрой за ней обозначают ориентировочное содержание вольфрама – базового химического компонента для данной стали. Помимо него быстрорезы могут включать в своем составе кобальт и ванадий. Они также указываются в маркировке соответствующими буквами: К и Ф. Содержание хрома во всех быстрорежущих сталях колеблется в пределах 3-4%. По этой причине его не обозначают в маркировке.
• Штампованные инструментальные стали ГОСТ 1265-74. Маркируется данный вид сталей аналогично легированным. По характеру применения они бывают штампованными сталями холодной и горячей деформации.

Рассмотрим каждый пункт теперь более подробно.

Инструментальная углеродистая сталь

Данный класс в машиностроении используется как материал для производства режущего инструмента с минимальным габаритным размером не более 13 мм. Причина этого ограничения кроется в их ограниченной прокаливаемости. Более крупные габаритные размеры возможны только если большая часть режущей кромки находится на поверхности (короткие свёрла, зенкера и прочее).

Для большинства режущего инструмента — зенковки, ножовки и фрезы — применяются стали У13, У11 и У10. В случае если стальной сплав работает в условиях сильных ударных воздействий, рекомендуется использовать марки типа У8 и У7. Они обладают большим коэффициентом ударной вязкости и, соответственно, способны выдержать большие динамические нагрузки.

Преимуществом инструментальных сталей приведенного класса является низкая цена, приемлемая податливость резанию в отожжённом состоянии и умеренная твердость. Для повышения их механических свойств применяют разного рода термообработку. Прежде всего, это закалка в соляном растворе или воде при 820 ºС плюс низкий отпуск, главное назначение которого — снятие внутренних напряжений.

Главным недостатком углеродистой инструментальной стали — это узкий диапазон температур закаливания, что усиливает внутренние деформации стали при ее термообработке. По этой причине использование данных сплавов ограничивается инструментом, работающим с низкими скоростями резания и температурами нагрева до 220 ºС.

Легированная инструментальная сталь

По сравнению с вышеописанной легированная обладает большей толщиной прокаливаемого слоя и меньшей склонностью к перегреву, что позволяет существенно снизить риск образования трещин во время термообработки инструмента. Благодаря этому минимальный габаритный размер инструмента увеличивается с 12 до 40 мм.

Низколегированные стали марок типа 11Х и 13Х рекомендуются для изготовления метчиков, ножей и напильников толщиной 1-15 мм. Особенно если указанный инструмент при этом имеет большую длину.

Стали 9ХС и ХВГС обладают повышенной красностойкостью с критической температурой 250 ºС. Они используются для сверл, плашек, гребенок и прочего инструмента диаметром до 80 мм. Недостатком их является небольшая хрупкость в отожжённом состоянии и чувствительность к образованию трещин во время шлифовки.

Также легированная инструментальная сталь отлично зарекомендовала себя в изготовлении разного рода измерительного инструмента — штангенциркули, линейки, скобы и прочее — за счет низкого значения коэффициента теплового расширения. Наиболее подходящими из них послужили стали типа Х и ХГ.

Быстрорежущая инструментальная сталь

Быстрорежущих инструментальных сталей от всех выше представленных видов инструментальных стальных сплавов отличает более высокая красностойкость. Данные сплавы не изменяют своих механических характеристик при температурном режиме до 650 ºС. Как результат, скорость резания увеличивается в 5 раза, а долговечность инструментария в 32 раз.

Этого стало возможным благодаря включению в их химический состав вольфрама или его аналога молибдена. Также на теплостойкость положительно влияет добавление в сталь таких металлов как кобальт, ванадий и хром. Наиболее востребованными марками в машино- и станкостроении являются Р18, Р12, Р6М4 и Р10К5Ф5. Из данной группы инструментальных сталей стоит отметить Р12, т.к. она обладает лучшей технологичностью: более податлива обработке давлением.

Термическая обработка данных стальных сплавов включает в себя закалку при 1250 ºС и многократный низкий отпуск при 350 ºС. Превышение указанных температур крайне нежелательно, т.к. это приводит к резкому снижению механических характеристик, в частности образования хрупкости. Иногда для улучшения коррозионностойких свойств быстрорезы дополнительно обрабатываются паром.

Штампованная сталь

Штампованная инструментальная сталь используется в производстве матриц и пуансонов штампов. Как было сказано ранее, она подразделяется на сталь холодного и горячего деформирования.

Инструментальная сталь холодной деформации работают при температуре 250-300 ºС. Сюда относят Х12М и Х12Ф1, в основе которых лежит фазовая структура ледибурит. Их отличие — это высокое значение прокаливаемости, красностойкости и твердости (64 HRC). Из них изготовляют массивные штампы сложной формы, ролики для накатывания резьбы и т.д.

Штампованные стали горячей деформации работают с более горячим металлом, температура которого может доходить до 550 ºС. Поэтому, помимо всего прочего, они должны обладать разгаростойкосью — способностью выдерживать многократные перегревы и не трескаться при этом. Наиболее востребованными марками здесь являются 5ХНМ и ХГМ.

Инструментальные стали в свое время совершили технологический прорыв в области обработки металлов. Их использование позволило повысить скорость резания почти в 5 раз. Но прогресс не стоит на месте. Сейчас они становятся все менее актуальными. Особенно на фоне новостей об усовершенствовании керамических сплавов.