Каждая система стандартизации имеет свои принципы классификации сплавов. Так, в Украине и странах СНГ сталь, которая выпускается в соответствии с требованиями стандартов ДСТУ и ГОСТ, подразделяется на отдельные группы по назначению, способу изготовления, химическому составу и качеству. В свою очередь, по назначению ее разделяют на сталь с особыми свойствами, конструкционную и инструментальную. В данной публикации мы ознакомимся подробнее именно с последней разновидностью.
.jpg)
Инструментальные стали – это железоуглеродистые сплавы, которые используются в производстве различного инструмента (мерительного, режущего, штампового, ударного и др.). Они могут быть нелегированными и легированными и содержат обычно углерод в количестве от 0,5% до 2%. Инструментальная сталь обладает высокой прочностью, твердостью и износостойкостью, многие марки способны работать при высоких температурах без потери эксплуатационных характеристик. Помимо сталей, для такого применения используют инструментальные сплавы на основе карбидов тугоплавких металлов – тантала, титана, вольфрама (их еще называют твердыми сплавами).
Виды инструментальных сталей и ключевые требования к ним
При ответе на вопрос «Как классифицируются инструментальные стали?» мы также будем привязываться к отечественным нормативным документам и профильным техническим источникам. В них такие сплавы разделяют по нескольким признакам, основными из которых являются нижеследующие.
Классификация по химическому составу
- Углеродистые инструментальные стали (стали с пониженной прокаливаемостью) – нелегированные железоуглеродистые сплавы, содержащие обычно от 0,65% до 1,35% углерода. После упрочняющей термической обработки (закалки с низким отпуском) такие материалы приобретают высокую твердость и износостойкость при умеренной вязкости. В то же время они имеют невысокие показатели теплостойкости и прокаливаемости, вследствие чего их используют в производстве инструмента небольших размеров, который не подвергается нагревам свыше 200-250°С.
- Легированные инструментальные стали (полутеплостойкие и теплостойкие) – сплавы железа с углеродом, которые, помимо основных компонентов, содержат легирующие добавки – хром, марганец, вольфрам, титан, ванадий, молибден, кобальт и многие другие. В зависимости от степени легирования таких сталей варьируется уровень их прочностных характеристик, прокаливаемости и теплостойкости. Высоколегированные марки ледебуритного класса, которые используются для изготовления теплостойкого режущего инструмента, работающего при температурах до 600°С и выше, принято называть быстрорежущими.
Классификация по назначению
- Углеродистые и легированные стали для режущего инструмента. Из таких марок изготавливают фрезы, сверла, резцы и режущие головки, метчики, развертки, плашки, пилы, стамески, зенкеры, долота, напильники, топоры и другие изделия. Стали для такого применения обладают высокой твердостью рабочей поверхности, которая должна превышать твердость обрабатываемого материала, а также износостойкостью и достаточной вязкостью. В случае скоростной обработки резанием также необходимо обеспечить высокую теплостойкость.
- Штамповые стали для деформирования в холодном состоянии. Из них изготавливают штампы, которые выполняют пластическую деформацию при температурах окружающей среды. Такие марки также должны иметь высокую износостойкость, прочность и твердость, вязкость и некоторую теплостойкость (поскольку в процессе работы инструмент может разогреваться до 350°С). Штампы больших сечений требуют обеспечения сохранения формы при упрочнении, а также высокой прокаливаемости.
- Стали для измерительного инструмента. Для такого применения обычно используют высокоуглеродистые сплавы, содержащие хром, ванадий, марганец и другие элементы. Готовая продукция (линейки, калибры, шаблоны, штангенциркули и пр.) должна иметь высокую износостойкость и постоянство размеров. Измерительный инструмент закаливают и подвергают последующему длительному низкому отпуску для того, чтобы максимальное количество остаточного аустенита в структуре превратилось в мартенсит. Если этого не сделать, то при последующем самопроизвольном старении стали произойдет некоторое изменение формы и объема изделия, что очень критично для высокоточного инструмента.
- Стали для штампов, работающих при повышенных и высоких температурах (полутеплостойкие и теплостойкие). Такие сплавы обладают прочностью и вязкостью, которые сохраняются при повышении рабочих температур. Кроме того, штамповая сталь для этого применения имеет высокую окалиностойкость и разгаростойкость (способна выдерживать много циклов нагрева и охлаждения без образования трещин разгара), высокую теплопроводность. Материал крупногабаритных штампов должен обеспечивать равномерную прокаливаемость по сечению с целью формирования однородных структуры и свойств.
Отдельную группу материалов для изготовления инструмента составляют твердые сплавы. В отличие от структур, которые предлагает инструментальная сталь, состав этих сплавов представлен карбидами таких тугоплавких элементов как вольфрам, тантал, титан, которые связываются никелем или кобальтом. Из твердых сплавов методами порошковой металлургии изготавливают режущий инструмент (сверла, резцы, фрезы), прокатный инструмент (валки, шайбы, ролики), волочильные и штамповые матрицы и т.д.
Маркировка инструментальной стали
Инструментальные стали и сплавы обозначаются в зависимости от их химического состава и тех стандартов, в соответствии с требованиями которых они выпускаются. Ниже приведены примеры маркировки сталей, оговоренные отечественной нормативной документацией.
Инструментальные углеродистые стали, производимые по ДСТУ 3833 и ГОСТ 1435, обозначают буквой «У» и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента, например: У8, У10, У12. При этом, если в стали присутствует повышенное содержание марганца -0,33-0,58% - в ее маркировку после цифры добавляют букву «Г» (У8Г), а если марка относится к высококачественным, то в конце указывается буква «А» (У7А, У8ГА, У9А, У12А).
Пример расшифровки маркировки стали по ДСТУ 3833:
|
У10 |
|
У – сталь инструментальная качественная углеродистая (нелегированная); 10 – средняя массовая доля углерода 1% |
В стандартах ДСТУ 3953 и ГОСТ 5950, в соответствии с которыми производится легированная инструментальная сталь, марки имеют другой принцип обозначения. Сначала указывается цифра, характеризующая содержание углерода в десятых долях процента (если углерод составляет 1% и более – цифра может не указываться). Затем приводятся буквы легирующих элементов и цифры, которые показывают их содержание в процентах. Отсутствие цифры после буквы показывает, что легирование элементом выполняется на уровне 1% (в отдельных случаях – если оно не превышает 1,8%). Для химических элементов приняты такие обозначения: С – кремний, Г – марганец, Ф – ванадий, М – молибден, Н – никель, В – вольфрам, Т – титан, Д – медь, Х - хром. Примеры маркировки по ДСТУ 3953/ ГОСТ 5950: 5ХНМ, Х12МФ, 9Х5ВФ, ХВГ, 6ХВ2С.
Пример расшифровки маркировки стали по ДСТУ 3953:
|
9ХС |
|
9 – сталь инструментальная качественная легированная, средняя массовая доля углерода 0,9%; Х – легирование хромом на уровне 1%; С – легирование кремнием (1,2–1,6%) |
Отдельный сегмент представляют быстрорежущие инструментальные стали, маркировка которых оговаривается стандартом ГОСТ 19265. В этом случае обозначение материала начинается с буквы «Р» (показывает принадлежность стали к группе быстрорежущих), после которой указывается цифра средней массовой доли вольфрама, а затем – буквы и цифры, означающие легирующие элементы и их содержание. К вышеуказанным наименованиям модифицирующих компонентов в легированных сталях добавлены еще несколько (К – кобальт, А – азот), а также буква «Ш», означающая применение технологии электрошлакового переплава. Примеры маркировки: Р6М5, Р18, Р6М5К5, Р12Ф3, Р18К5Ф2.
В обозначении быстрорежущих сталей не указывают:
- Содержание хрома (независимо от его доли);
- Содержание молибдена при массовой доле до 1% включительно;
- Массовую долю ванадия в сталях Р6М5, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р2АМ9К5 и Р18;
- Содержание азота в сталях Р2АМ9К5 и 11Р3АМ3Ф2.
Пример расшифровки маркировки стали по ГОСТ 19265:
|
Р9М4К8 |
|
Р – сталь инструментальная быстрорежущая; 9 – среднее содержание вольфрама на уровне 9%; М – легирование молибденом; 4 – среднее содержание молибдена 4% К – легирование кобальтом; 8 – среднее содержание кобальта 8% |
Химический состав, механические свойства и применение инструментальной стали
Конкретная марка инструментальной стали выбирается в зависимости от условий, в которых будет эксплуатироваться готовый инструмент. Отдельно стоит отметить, что различные режимы термической обработки, которым могут подвергаться инструментальные стали, свойства их способны изменять в достаточно широких диапазонах. Неправильно подобранные технологические параметры закалки или отпуска могут привести к абсолютной непригодности изделия, несмотря на корректно выбранный химический состав. Ниже в таблице представлено ориентировочное содержание основных химических элементов, твердость и области применения некоторых марок инструментальных сталей.
Инструментальные стали - химический состав, свойства, примеры использования
|
Марка стали |
Химический состав, % |
Твердость HRC после закалки и отпуска |
Применение |
||||||
|
С |
Mn |
Cr |
Si |
W |
V |
Mo |
|||
|
У7 |
0,65-0,74 |
0,17-0,33 |
≤ 0,20 |
0,17-0,33 |
- |
- |
- |
56-58 |
Зубила |
|
У12 |
1,10-1,29 |
0,17-0,33 |
≤ 0,20 |
0,17-0,33 |
- |
- |
- |
60-64 |
Развертки, метчики |
|
ХВГ |
0,90-1,05 |
0,80-1,10 |
0,9-1,2 |
0,10-0,40 |
1,2-1,6 |
- |
- |
62-65 |
Метчики, калибры, пуансоны, протяжки, матрицы и др. |
|
9ХС |
0,85-0,95 |
0,30-0,60 |
0,95-1,25 |
1,2-1,6 |
- |
- |
- |
62-65 |
Фрезы, сверла, плашки, клейма, метчики, гребенки, развертки |
|
Р6М5 |
0,80-0,88 |
0,20-0,50 |
4,8-5,3 |
0,20-0,50 |
5,7-6,7 |
1,7-2,1 |
4,8-5,3 |
63-65 |
Режущий/ резьбонарезной инструмент, пилы, напильники, сверла и др. |
Универсального режима термической обработки инструментальной стали не существует. Температуры нагрева под закалку, среды и условия охлаждения, параметры последующего отпуска назначаются в привязке к химическому составу, размерам и требуемому комплексу свойств конечного инструмента.
Например, для режущих полотен из стали У7 вполне подойдет такой вариант упрочнения: нагрев под закалку до 820°С, выдержка при этой температуре с последующим охлаждением в воде и низким отпуском при температурах 150-200°С.
.jpg)
В то же время, если применить эти режимы к быстрорежущей стали Р6М5, ничего хорошего из этого не получится - скорее всего, изделие растрескается еще на этапе закаливания. Стали такого типа греют до гораздо более высоких температур (свыше 1200 градусов по Цельсию) для растворения вторичных карбидов и получения легированного аустенита. После этого применяется закалка в масле или ступенчатая закалка в расплавленных солях, а затем – многократный отпуск (чаще всего используют три цикла) при 550-570°С. Для «быстрорезов» также является эффективной обработка холодом – охлаждение в область минусовых температур, вплоть до -196°С с целью более полного распада аустенита.
Легированные и нелегированные инструментальные стали и изделия из них прочно укоренились во всех сферах промышленности и быта. Без них не могут функционировать деревообрабатывающая отрасль и энергетика, строительство и машиностроение, черная и цветная металлургия. Обилие направлений использования обусловило создание широчайшего марочного сортамента (в данной статье описан лишь небольшой кластер материалов для изготовления инструмента). Поэтому к выбору инструментальной стали и параметров ее термической обработки следует подходить очень взвешенно, начиная от оценки рабочих условий и заканчивая анализом доступных рыночных альтернатив и надежных поставщиков.
