Інструментальні сталі: види, використання, маркування

Кожна система стандартизації має власні принципи класифікації сплавів. Так, в Україні та країнах СНД сталь, що випускається відповідно до вимог стандартів ДСТУ та ГОСТ, поділяється на окремі групи за призначенням, способом виготовлення, хімічним складом та якістю. У свою чергу, за призначенням її поділяють на сталь з особливими властивостями, конструкційну та інструментальну. У цій публікації ми ознайомимося саме з останнім різновидом. 

Інструментальні сталі – це залізовуглецеві сплави, які використовуються у виробництві різноманітного інструменту (вимірювального, ріжучого, штампового, ударного та ін.). Вони можуть бути нелегованими і легованими, зазвичай містять вуглець у кількості від 0,5% до 2%. Інструментальна сталь має високу міцність, твердість і зносостійкість, багато марок здатні працювати за високих температур без втрати експлуатаційних характеристик. Крім сталей, для такого застосування використовують інструментальні сплави на основі карбідів тугоплавких металів - танталу, титану, вольфраму (їх ще називають твердими сплавами). 

Види інструментальних сталей і ключові вимоги до них 

При відповіді на питання «Як класифікуються інструментальні сталі?» ми також будемо звертатися до вітчизняних нормативних документів та профільних технічних джерел. У них такі сплави поділяють за декількома ознаками, основними з яких є нижченаведені. 

Класифікація за хімічним складом 

• Вуглецеві інструментальні сталі (сталі зі зниженою прогартовуваністю) – нелеговані залізовуглецеві сплави, що містять зазвичай від 0,65% до 1,35% вуглецю. Після зміцнюючої термічної обробки (гартування з низьким відпуском) такі матеріали набувають високої твердості та зносостійкості при помірній в'язкості. При цьому вони мають невисокі показники теплостійкості та прогартовуваності, внаслідок чого їх використовують у виробництві інструменту невеликих розмірів, який не піддається нагріванню понад 200-250°С. 
• Леговані інструментальні сталі (напівтеплостійкі та теплостійкі) – сплави заліза з вуглецем, які, крім основних компонентів, містять легуючі добавки – хром, марганець, вольфрам, титан, ванадій, молібден, кобальт та багато інших. Залежно від ступеню легування таких сталей варіюється рівень їхніх характеристик міцності, прогартовуваності та теплостійкості. Високолеговані марки ледебуритного класу, які використовуються для виготовлення теплостійкого ріжучого інструменту, що працює за температур до 600°С і вище, називають швидкорізальними (швидкоріжучими). 

Класифікація за призначенням 

• Вуглецеві та леговані сталі для різального інструменту. З таких марок виготовляють фрези, свердла, різці та ріжучі головки, мітчики, розгортки, плашки, пили, стамески, зенкери, долота, напилки, сокири та інші вироби. Сталі для такого застосування мають високу твердість робочої поверхні, яка повинна перевищувати твердість матеріалу, що оброблюється, а також зносостійкість і достатню в'язкість. У разі швидкісної обробки різанням також необхідно забезпечити високу теплостійкість. 
• Штампові сталі для деформування у холодному стані. З них виготовляють штампи, які виконують пластичну деформацію за температури навколишнього середовища. Такі марки також повинні мати високу зносостійкість, міцність та твердість, в'язкість та деяку теплостійкість (оскільки в процесі роботи інструмент може розігріватися до 350°С). Штампи великих перетинів вимагають забезпечення збереження форми при зміцненні, а також високої прогартовуваності. 
• Сталі для інструментів вимірювання. Для такого застосування зазвичай використовують високовуглецеві сплави, що містять хром, ванадій, марганець та інші елементи. Готова продукція (лінійки, калібри, шаблони, штангенциркулі та ін.) повинна мати високу зносостійкість та сталість розмірів. Вимірювальний інструмент загартовують і піддають подальшому тривалому низькому відпуску для того, щоб максимальна кількість залишкового аустеніту в структурі перетворилася на мартенсит. Якщо цього не зробити, то при наступному природному старінні сталі відбудеться деяка зміна форми та об'єму виробу, що дуже критично для високоточного інструменту. 
• Сталі для штампів, що працюють за підвищених і високих температур (напівтеплостійкі та теплостійкі). Такі сплави мають міцність і в'язкість, які зберігаються при підвищенні робочих температур. Крім того, штампова сталь для цього застосування має високу окалиностійкість та розгаростійкість (здатна витримувати багато циклів нагріву та охолодження без утворення тріщин розпалу), високу теплопровідність. Матеріал великогабаритних штампів повинен забезпечувати рівномірну прогартовуваність їхнього перетину з метою формування однорідних структури та властивостей. 

Окрему групу матеріалів для виготовлення інструменту становлять тверді сплави. На відміну від структур, які пропонує інструментальна сталь, склад цих сплавів представлений карбідами таких тугоплавких елементів, як вольфрам, тантал, титан, які зв'язуються нікелем або кобальтом. З твердих сплавів методами порошкової металургії виготовляють різальний інструмент (свердла, різці, фрези), прокатний інструмент (валки, шайби, ролики), волочильні та штампові матриці тощо. 

Маркування інструментальної сталі 

Інструментальні сталі та сплави позначаються в залежності від їхнього хімічного складу та тих стандартів, відповідно до вимог яких вони випускаються. Нижче наведено приклади маркування сталей, обумовлені вітчизняною нормативною документацією. 

Інструментальні вуглецеві сталі, вироблені за ДСТУ 3833 та ГОСТ 1435, позначають літерою «У» та цифрою, що вказує на середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка, наприклад: У8, У10, У12. При цьому, якщо в сталі присутній підвищений вміст марганцю - 0,33-0,58% - до її маркування після цифри додають літеру «Г» (У8Г), а якщо марка відноситься до високоякісних, то в кінці вказується «А» ( У7А, У8ГА, У9А, У12А). 

Приклад розшифрування маркування сталі за ДСТУ 3833: 

У стандартах ДСТУ 3953 та ГОСТ 5950, відповідно до яких виробляється легована інструментальна сталь, марки мають інший принцип позначення. Спочатку вказується цифра, що характеризує вміст вуглецю в десятих частках відсотка (якщо вуглець становить 1% і більше – цифра може не вказуватися). Потім наводяться літери легуючих елементів та цифри, які показують їхній вміст у відсотках. Відсутність цифри після літери показує, що легування елементом виконується на рівні 1% (в окремих випадках – якщо воно не перевищує 1,8%). Для хімічних елементів прийняті такі позначення: С – кремній, Г – марганець, Ф – ванадій, М – молібден, Н – нікель, В – вольфрам, Т – титан, Д – мідь, Х – хром. Приклади маркування за ДСТУ 3953/ ГОСТ 5950: 5ХНМ, Х12МФ, 9Х5ВФ, ХВГ, 6ХВ2С. 

Приклад розшифрування маркування сталі за ДСТУ 3953: 

Окремий сегмент представляють швидкорізальні інструментальні сталі, маркування яких обумовлюється стандартом ГОСТ 19265. У цьому випадку позначення матеріалу починається з літери «Р» (показує приналежність сталі до групи швидкорізальних), після якої вказується цифра середньої масової частки вольфраму, а потім – літери та цифри, що позначають легуючі елементи та їхній вміст. До вищевказаних найменувань компонентів-модифікаторів в легованих сталях додано ще кілька (К - кобальт, А - азот), а також букву «Ш», що означає застосування технології електрошлакового переплаву. Приклади маркування: Р6М5, Р18, Р6М5К5, Р12Ф3, Р18К5Ф2. 

У маркуванні швидкорізальних сталей не вказують: 

• Вміст хрому (незалежно від його частки); 
• Вміст молібдену при масовій частці до 1% включно; 
• Масову частку ванадію в сталях Р6М5, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р2АМ9К5 та Р18; 
• Вміст азоту в сталях Р2АМ9К5 та 11Р3АМ3Ф2. 

Приклад розшифрування маркування сталі за ГОСТ 19265: 

Хімічний склад, механічні властивості та використання інструментальної сталі 

Конкретна марка інструментальної сталі вибирається залежно від умов, у яких експлуатуватиметься готовий інструмент. Окремо варто відзначити, що різні режими термічної обробки, яким можуть піддаватися інструментальні сталі, їх властивості здатні змінювати в досить широких діапазонах. Неправильно підібрані технологічні параметри гартування або відпуску можуть призвести до абсолютної непридатності виробу, незважаючи на коректно обраний хімічний склад. Нижче в таблиці представлено орієнтовний вміст основних хімічних елементів, властивості та галузі застосування деяких марок інструментальних сталей. 

Інструментальні сталі – хімічний склад, властивості, приклади застосування 

Універсального режиму термічної обробки інструментальної сталі не існує. Температури нагрівання під гартування, середовища та умови охолодження, параметри наступного відпуску призначаються у прив'язці до хімічного складу, розмірів та необхідного комплексу властивостей кінцевого інструменту.  

Наприклад, для ріжучих елементів зі сталі У7 цілком підходить такий варіант зміцнення: нагрівання під гартування до 820°С, витримка за цієї температури з наступним охолодженням у воді та низьким відпуском за температур 150-200°С.  

У той же час, якщо застосувати ці режими до швидкорізальної сталі Р6М5, нічого з цього не вийде - швидше за все, виріб розтріскається ще на етапі гартування. Сталі такого типу гріють до більш високих температур (понад 1200 градусів за Цельсієм) для розчинення вторинних карбідів та отримання легованого аустеніту. Після цього застосовується гартування в олії або ступінчасте гартування в розплавлених солях, а потім - багаторазовий відпуск (найчастіше використовують три цикли) при 550-570°С. Для «швидкорізів» також є ефективною обробка холодом – охолодження в зони мінусових температур, аж до -196°С з метою повнішого розпаду аустеніту. 

Леговані та нелеговані інструментальні сталі та вироби з них міцно укорінилися у всіх сферах промисловості та побуту. Без них не можуть функціонувати деревообробна галузь та енергетика, будівництво та машинобудування, чорна та кольорова металургія. Різноманітність напрямів використання зумовило створення широкого марочного сортаменту (у цій статті описаний лише невеликий кластер матеріалів для виготовлення інструменту). Тому до вибору інструментальної сталі та параметрів її термічної обробки слід підходити дуже виважено, починаючи від оцінки робочих умов та закінчуючи аналізом доступних ринкових альтернатив та надійних постачальників.