Характеристика инструментальных сталей: виды, свойства, применение

Сферы применения

Использование таких сталей особенно заметно в машино- и приборостроении, характеризуются тем, что их эксплуатационные показатели должны быть выше аналогичных для материалов, которые ими обрабатываются.

По областям применения различают инструментальные стали:

1. Для холодной обработки.
2. Для горячей обработки.
3. Ударопрочные.
4. Повышенной износостойкости.
5. Специального назначения.

Отдельно выделяют материалы для режущего инструмента, непрерывных (прокатка, волочение, экструдирование) и периодических (резка, штамповка, вытяжка, гибка, формовка, выдавливание) операций обработки давлением. Они применяются соответственно в механических и штамповочных производствах.

Требования к инструментальным материалам

Подразделяются на требования по химическому составу и требования по режимам термообработки.

Металлургические характеристики различных составов чрезвычайно сложны. Но в основном они представляют собой средне- и высокоуглеродистые стали с определенными легирующими элементами, добавленными в различных количествах для обеспечения особых характеристик.

Содержание углерода в рассматриваемых материалах должно быть не ниже 0,3…0,5%; это важно для повышения твердости и износостойкости. В то же время в химсостав часто добавляют определённые легирующие элементы, обеспечивающие:

• Рост показателей ударной вязкости или прочности;
• Сохранение размера и формы инструмента во время его термической обработки;
• Повышение твёрдости и/или износостойкости.

Инструментальные стали, применение которых обусловлено наличием определённых легирующих элементов, обычно содержат:

• Хром - приводит к интенсивному увеличению твердости после термообработки, способствует росту износостойкости.
• Кобальт - используется в быстрорежущих сталях, увеличивает красноломкость при высоких рабочих температурах.
• Марганец - при использовании в небольших количествах способствует приданию стойкости, лучше фиксирует форму изделия после термообработки, снижает температуру закалки.
• Молибден - увеличивает глубину закалённого слоя, снижает температуру закалки, повышает износостойкость.
• Никель – повышает прочность, износо- и окалиностойкость.
• Вольфрам – увеличивает износостойкость и твёрдость.
• Ванадий - повышает ударную вязкость и уменьшает размер зерна.

В обоснованных случаях в химсостав вводится также небольшое количество кремния (повышает твёрдость), серы (улучшает способность к обработке резанием), бора (увеличивает пластичность при знакопеременных нагрузках) и ряда других химических элементов.

Классификация материалов

Инструментальные стали делятся на три основные категории:

• Для холодной обработки металлов;
• Для горячей обработки металлов;
• Быстрорежущие.

Первые могут закаливаться на воздухе и в масле, вторые – только в масле. Причина: закалка в масле снижает максимально достижимую твёрдость поверхности, что важно при обработке металлов в холодном состоянии, когда пластичность заготовок понижена.

Быстрорежущие инструментальные стали характеризуются наиболее высокой твёрдостью, но – одновременно – и повышенной хрупкостью, поэтому подлежат дополнительной термообработке на красноломкость.

К другим типам инструментальных сталей относятся водоотверждаемые, ударостойкие, а также материалы специального назначения.

Особенности маркировки

Основные принципы маркировки не отличаются тех, которыми пользуются при условном обозначении стальных конструкционных материалов, и базируются на условных обозначениях химических элементов, присутствующих в виде добавок, а не примесей. Однако имеются и отличия:

• В обозначении быстрорежущих материалов в начале указывается буква «Р» (от английского rapid – быстрый). Таким образом, инструментальная сталь марки Р6М5 означает, что в ней содержится около 0,95…1,0 % углерода, 6 % вольфрама и около 5% молибдена (хром в маркировке не приводится, поскольку его среднее содержание в сталях данного класса примерно одинаково, и находится в пределах 3,0…4,5 %);
• Нелегированные инструментальные стали маркируются буквой У (углерод), которая ставится в начале условного обозначения. Цифры после этой буквы указывают процентное содержание углерода, умноженное на 10. В частности, сталь У12 содержит около 1,2 % С;
• В ряде случаев для изготовления высокостойкого инструмента, обладающего повышенной противоизносной способностью, используют шарикоподшипниковые стали по ГОСТ 801-78. Маркировка, принятая в данном стандарте, сохраняется и для инструментальных материалов;
• Ряд специальных сталей выплавляется по ТУ предприятий-изготовителей. Например, маркировка ЭП 597 соответствует стали Р12Ф3, произведенной на Электростальском металлургическом комбинате (индекс П – поисковая), маркировка ЭИ – исследовательская, ДИ – исследовательская, выплавленная на заводе «Днепроспецсталь» (Украина) и т.д.Для такой продукции через тире обычно указывается стандартное обозначение материала.

После обозначения марки иногда отмечается и способ её выплавки (например, ВД – вакуумно-дугового переплава).

Закалка и отпуск углеродистых инструментальных сталей

Стали, предназначенные для холодной обработки металла, обычно закаливаются в масле. Они используются там, где рабочие температуры не превышают 200°C. Применяются для изготовления крупных деталей или деталей, требующих минимальной деформации во время закалки.

Использование закалки в масле и закалки на воздухе помогает уменьшить деформацию. В то же время интенсивность закалки в воде гораздо выше, поэтому в изделии практически всегда остаются внутренние остаточные напряжения. Закалка в воде допускается только для нелегированных марок, прокаливаемость которых меньше. При закалке в воде допускается более широкий диапазон закалочных температур.

Быстрорежущие инструментальные стали целесообразно предусматривать для изготовления режущих инструментов, где прочность и твёрдость должны сохраняться при температурах до 760°C. Такие инструменты закаливают до 62…67 HRC, причём такая твёрдость сохраняется и при высоких рабочих температурах применения.

Во время отпуска происходит превращение мартенсита и остаточного аустенита, в результате чего снижаются внутренние напряжения и хрупкость, повышается ударная вязкость и пластичность. Отпуску подвергают всю оснастку, кроме той, что прошла изотермическую закалку. В зависимости от требуемых температур отпуск проводят в масляных или селитровых ваннах, в печах с принудительной циркуляцией воздуха, а также в ваннах с расплавами щелочей (режим светлого отпуска). Охлаждение после отпуска должно быть медленным, если материал склонен к отпускной хрупкости.

Инструментальная штамповая сталь

В зависимости от особенностей эксплуатации различают следующие виды данных материалов:

Для штампового инструмента горячего деформирования с умеренной, повышенной и высокой теплостойкостью (30ХГТ, 6ХВ2С, ЭИ-395 и др.).

Для штампового инструмента холодного деформирования (Х12М, Х6ВФ, ДИ-51 и др.), в том числе вторичнотвердеющие с высокой износостойкостью и вязкостью.

Быстрорежущие стали, содержащие повышенное число карбидов и дополнительно легированные никелем (Р2М9К8Н2,10Р6М5К5СН2 и т.п.).

Технические требования на углеродистые штамповые стали приведены в ГОСТ 1412-85 , легированные – в ГОСТ 5950-73, быстрорежущие – в ГОСТ 19265-73. В последнее время увеличилась доля штамповых сталей, которые производятся методами порошковой металлургии, для чего используется технология распыления расплава при его последующем затвердевании и уплотнении с применением гидро- или газостатов (метод ASEA-Stora).