4-3 Инструментальные стали

Инструментальной сталью (ИС) принято называть сплав, обладающий высокими показателями прочности, износостойкости, твердости и пониженной теплостойкостью, в составе которого более 0,7% углерода (за исключением сталей штамповых для горячего деформирования, в которых углерод составляет 0,3-0,6%).

Сфера применения

Инструментальная сталь используется для производства разнообразных инструментов, штампов горячего и холодного деформирования, отдельных деталей машин, подвергающихся повышенному износу даже при умеренных нагрузках динамического характера (колеса зубчатые, подшипники роликовые и шариковые, винты ходовые и т. п.).

В целях повышения эксплуатационных свойств ИС ее подвергают специальным видам термической обработки (отпуск, закалка). Это позволяет повысить твердость ИС до 60-66 HRC, а прочность на изгиб довести до 2,5-3,5 Гн/кв. м.

Увеличение показателя твердости автоматически повышает износостойкость материала. Поэтому инструментальная сталь сохраняет изначальную форму своей рабочей поверхности и первоначальные размеры, даже испытывая трение под высоким давлением.

Классификация инструментальной стали

ИС принято классифицировать по ряду параметров. Например:

• По химическому составу:
• Углеродистая.
• Легированная (пониженной и повышенной прокаливаемости).
• Инструментальная валковая.
• Инструментальная штамповая.
• Высоколегированная (быстрорежущая).
• По устойчивости к нагреву:
• С небольшой устойчивостью.
• С повышенной устойчивостью.
• Устойчивые (штамповые стали).

Сортамент инструментальной стали

Потребителю инструментальная сталь поставляется в следующем сортаменте:

• Квадрат и круг горячекатаный.
• Полоса, квадрат, круг кованый.

Все это может быть изготовлено из легированной, углеродистой или быстрорежущей стали. Квадрат и круг, изготовленные из ИСУ, имеют повышенную обрабатываемость и применяются для изготовления различного инструмента.

Высокопрочные стали после термообработки идут на:

• изготовление инструмента режущего (сверл, резцов, пил и т. п.);
• производство оборудования для последующей обработки металлов, осуществляемой как в горячем, так и в холодном состоянии;
• создание пресс-форм, валков, пуансонов и высадочных матриц, ножовок по металлу и ленточных пил, резьбовых калибров и т. п.;
• переработку в продукцию, которая производится методом холодного волочения.

Стали менее твердые используются для последующей холодной механообработки (фрезерование, обточка и т. п.). Инструментальная полоса преимущественно применяется для изготовления штампов, позволяющих обрабатывать металл давлением.

В зависимости от марки стали, из которой она изготовлена, полоса подразделяется на пару групп:

• первая используется для производства инструментов, которые предназначены для холодной обработки металлов и иных материалов;
• вторая идет на производство инструмента, позволяющего обрабатывать металлы давлением при высоких температурах (порядка 300 градусов).

Марки стали, маркировка инструментальных сталей

В настоящее время единой системы маркировки как таковой не существует. В России, ТС и странах СНГ используется система маркировки, действовавшая в СССР (буквенно-цифровая). Цифры указывают на процентное содержание в стали тех или иных химических элементов, а буквы — наименование этих элементов. Наиболее часто встречаются обозначения, представленные в таблице ниже.

В ЕС маркировка осуществляется согласно положениям стандарта EN 100 27, состоящего из двух частей. Согласно первой, сталям присваивается наименование. Согласно второй, им присваиваются порядковые номера.

Наименование имеющегося химического элемента	Буквенное обозначение
Хром	Х
Титан	Т
Вольфрам	В
Никель	Н
Медь	Д
Марганец	Г
Кобальт	К
Кремний	С

Японская маркировка — буквенно-цифровая. Причем буквами обозначается группа, к которой указанный материал относится, а цифрами — свойства стали и ее номер по порядку.

В США действует сразу несколько систем обозначения (у каждой организации по стандартизации они свои), что крайне неудобно.

Сталь инструментальная углеродистая (ИСУ)

ИСУ подразделяется по ряду показателей. Например, по:

• химическому составу на:
• качественную (процентное содержание фосфора/серы составляет 0,035/0,03%);
• высококачественную (процентное содержание фосфора/серы составляет 0,03/0,02%).
• Назначению:
• быстрорежущая (обозначается буквой «Р»);
• электротехническая («Э»);
• шарикоподшипниковая («Ш»).
• По способу дальнейшей обработки и т. п.

Наиболее широко применяется ИСУ, которая представляет сталь, процентное содержание углерода в которой ограничено рамками 0,65-1,35. После того как завершается ее термообработка (закалка инструментальной стали), показатели прочности и твердости данного материала значительно возрастают.

В настоящее время торговля предлагает 16 марок ИСУ, каждая из которых имеет собственное буквенно-цифровое обозначение. Буквы, входящие в маркировку ИСУ, обозначают:

• У — углеродистая сталь;
• А — обозначает принадлежность сплава к группе высококачественных (проставляется всегда в конце маркировки);
• Г — сплав имеет повышенное содержание такого элемента, как марганец;
• цифра, проставленная после «У», показывает процентное (в десятых долях) содержание в ИСУ углерода.

Ограничения, налагаемые на использование отдельных марок ИСУ

Из 16 выпускаемых промышленностью в настоящее время марок ИСУ почти половина имеет ограничения на использование. Например.

• Инструментальная сталь марки У9А и У9. В процессе их закалки размеры зерна увеличиваются, что приводит к повышению вероятности коробления металла и изменению его геометрических размеров. Данные марки обладают меньшими показателями пластичности и прочности, чем идущие за ними марки У10А и У10.
• Марки стали У11 и У11А используются крайне редко из-за своих специфических свойств.
• ИСУ У13, У12, У12А, У13А имеют максимальное содержание углерода, что приводит к значительному повышению хрупкости стали указанных марок после ее закалки. Поэтому использовать их для изготовления пресс-форм или штампов не рекомендуется.

Указанные марки стали производятся согласно положениям стандарта 1435-99. Данный ГОСТ сталь инструментальная получила сначала в качестве межгосударственного стандарта 28.05.99, и лишь затем в качестве национального российского (с 01.09.01).

ИСУ используют для производства инструмента, которым осуществляется резание на малых скоростях. Основными достоинствами ИСУ можно считать ее невысокую стоимость и сравнительно высокую твердость. Основные недостатки: низкая теплостойкость материала и его малая износостойкость.

Инструментальная легированная (ИСЛ)

Инструментальные легированные стали, помимо примесей традиционных, содержат специальные добавки, наличие которых позволяет получить у конечного продукта заданные физические или механические параметры. Эти добавки именуются легирующими. Их наличие повышает прочность металла и его коррозийную стойкость при одновременном снижении хрупкости. Чаще всего легирующими элементами являются:

• ванадий,
• хром;
• медь;
• никель;
• азот.

Сталь указанных марок принято классифицировать:

• по ее назначению;
• по содержанию легирующих элементов (в %):
• низколегированная;
• среднелегированная;
• высоколегированная;
• по качеству изготовления и отделке поверхности:
• высококачественная;
• обычная;
• по способу последующей обработки.

Инструментальная сталь легированная, включая штамповую, производится согласно положениям стандарта 5950-2000. Действующая редакция указанного ГОСТ датируется 24.07.12.

Сталь инструментальная легированная маркируется и обозначается аналогично сталям конструкционным легированным.

Инструментальная быстрорежущая (ИСБ)

Основное отличие сталей данных марок заключается в их сильном легировании. В первую очередь вольфрамом, ванадием и молибденом.

ИСБ сохраняют высокую износостойкость, твердость и сопротивление появлению пластической деформации до температур порядка 500-600 градусов. Это позволяет осуществлять резание инструментами, изготовленными из стали данных марок, с более высокими скоростями (почти в 4 раза), а также обрабатывать марки стали повышенной твердости.

Быстрорежущие марки инструментальной стали производятся согласно положениям стандарта 19265-73. Указанный ГОСТ действует с 01.01.75.

Все ИСБ в качестве первой содержат в маркировке букву «Р», за которой следует цифра, характеризующая среднюю величину вольфрама, выраженную в десятых долях процента. Далее (в порядке убывания) — буквенно-цифровые обозначения иных элементов, имеющихся в стали. Наличие и массовая доля хрома в ИСБ не указывается, так как по умолчанию подразумевается его обязательное наличие в количестве, примерно равном 4%. Также не указывается присутствие углерода, которое всегда пропорционально имеющемуся в ИСБ содержанию ванадия.

Изготавливать инструмент полностью из ИСБ чрезвычайно дорого. Поэтому в подавляющем большинстве случаев на державку резца просто напаивают либо приваривают пластину из стали быстрорежущей.

Инструментальные штамповые (ИСШ)

Штампы, особенно для выполнения горячей штамповки, эксплуатируются в тяжелых условиях. Это многократно повторяющиеся при высоких температурах ударные нагрузки, имеющие в разных его частях различные значения.

Именно поэтому к ИСШ предъявляются повышенные требования. Она должна обладать достаточной прочностью, высокой ударной вязкостью, стойкостью к температурному воздействию, низкой истираемостью, и должна хорошо обрабатываться.

Особенно ценными ИСШ считаются марки, имеющие в своем составе молибден. Производители металла поставляют конечным потребителям штамповые заготовки цилиндрической или прямоугольной формы, геометрические размеры которых заданы действующими стандартами. В процессе изготовления ИСШ проходит отжиг и приобретает твердость, показатель которой должен укладываться в диапазон значений НВ от 187 до 255.

Заготовки для будущих штампов изготавливают двумя способами: под прессом или так называемой свободной ковкой. При этом обязательно достигается осадка обрабатываемого слитка на величину в 50 и более процентов его первоначальной высоты.

Для того чтобы рабочая поверхность инструмента сохраняла заданные свойства длительное время, необходимо использование специальных сплавов и сталей для изготовления таких элементов. На сегодняшний день детали режущего инструмента производятся из твердых сплавов, инструментальных марок стали. Для фрез, резцов, зубил используется в основном быстрорежущая сталь.

Основные требования к сплавам для режущего инструмента

Детали такого типа длительное время работают в условиях трения и повышенных температур. Однако рабочая поверхность должна сохранять свои свойства, обладать высокой износостойкостью и твердостью. При больших скоростях, которые набирает инструмент в процессе резанья, нагревается и его кромка, и сама деталь, и стружка. Поэтому основная характеристика, которой должна обладать быстрорежущая сталь — теплостойкость. Для труднообрабатываемых материалов используют порошковые быстрорежущие стали. Они имеют более высокие режущие свойства. Недостатком таких сплавов является затруднительная обработка заготовок. Все необходимые характеристики достигаются путем введения определенных легирующих элементов и специальной термической обработкой.

Маркировка стали

Быстрорежущая сталь маркируется буквой Р, которая ставится впереди. Основными легирующими элементами являются вольфрам, хром. Также дополнительно вводят такие элементы, как ванадий, молибден. Цифра после буквы Р указывает процентное содержание вольфрама в стали. Как правило, в состав быстрорежущей стали входит около 4% хрома. Данный элемент в маркировке не указывается. Если цифры стоят перед буквой Р, то они указывают на процентное содержание углерода (например, сталь 11Р3АМ3Ф2 содержит 1,1% углерода). В основном стали данной группы являются высоколегированными.

Влияние легированных элементов на свойства стали

Высокую теплостойкость быстрорежущих марок стали обеспечивают вольфрам, молибден. На их основе образовываются карбиды, которые частично переходят в твердый раствор. После термообработки обеспечивается структура мартенсита. Вольфрам, молибден, а также ванадий замедляют его распад. Именно это обеспечивает необходимую красностойкость. Продолжительное время использовалась быстрорежущая сталь, легированная только вольфрамом. Однако из-за дефицитности данного металла его начали частично заменять молибденом. Этот элемент также положительно влияет на склонность вольфрамовых марок стали к карбидной неоднородности. Наиболее твердый карбид образовывает ванадий. Однако при этом содержание углерода должно быть достаточным для большего насыщения твердого раствора. Чем больше вводится ванадия, тем больше должно быть углерода в составе сплава. Основная задача хрома — придание стали высокой прокаливаемости. Красностойкость также повышает и кобальт.

Быстрорежущая сталь (твердость при легировании данным элементом повышается до 70 HRC) в данном случае будет иметь пониженную прочность. Стоит отметить, что введение хрома широко не применяется из-за большой стоимости элемента.

Термообработка быстрорежущей стали

Данные марки стали поступают в состоянии ковки (температура около 1200 °С). Производится нагрев до 860 °С, затем металл выдерживается при температуре около 760 °C. Термическая обработка инструмента включает закалку и отпуск. Стоит отметить, что такая обработка имеет свои особенности. Во-первых, необходим медленный, постепенный нагрев. Так как сталь высоколегированная, ее теплопроводность довольно низкая, стремительное нагревание может привести к образованию трещин. При этом очень важно нагревать заготовку равномерно. Используются электрические печи, соляные ванны. Процесс обработки быстрорежущей стали довольно трудоемкий, он требует четкого соблюдения всех этапов технологического процесса.

Закалка стали для режущего инструмента

Главная задача закалки — растворение карбидов в аустените. Как правило, карбиды на основе вольфрама и хрома растворяются при 1200 °С, ванадий требует более высоких температур. После данного этапа структура имеет избыточные (те, что не растворились) карбиды. Они сдерживают рост зерна. Высокие температуры обеспечивают мелкозернистый аустенит. Охлаждение происходит в масле или расплаве солей. Температура по сечению детали выравнивается. Такая обработка быстрорежущей стали позволяет избежать появления трещин. После закалки сталь имеет следующую структуру: мартенсит, остаточный аустенит, карбиды.

Отпуск быстрорежущей стали

Отпуск стали способствует превращению мартенсита закалки в мартенсит отпуска, аустенита в мартенсит (так как первый не обладает достаточной твердостью), снятию остаточных напряжений. Как правило, термическая обработка быстрорежущей стали включает многократный отпуск. Начинается данный процесс при температуре 150 °С. Далее при 550 °С происходит дисперсионное твердение (выделяются карбиды из твердого раствора). В результате возрастает твердость сплава. Более высокие температуры отпуска нежелательны, так как будет происходить процесс распада мартенсита, и, соответственно, снижение твердости. Вольфрамовые стали после единичного отпуска имеют в составе остаточный аустенит. Полностью он превращается в мартенсит при втором отпуске. Остаточные напряжения снимаются в процессе третьего отпуска. Стали с содержанием кобальта могут подвергаться отпуску и в четвертый раз.

Нарушение технологии термообработки

Снижение количества углерода на поверхности заготовки может быть следствием плохой расскисленности соляной ванны, а также перегрева при аустенизации. Превышение температуры ведет к оплавлению границ зерна. Также обработанная деталь может иметь трещины. Такое явление возникает из-за быстрого нагрева металла. Еще одна причина — ускоренное охлаждение. Низкое значение твердости может быть следствием недостаточного легирования структуры мартенсита, нарушением температурного режима при отпуске, при котором остается остаточный аустенит. Еще один возможный дефект заготовки — нафталинистый излом.

Наиболее распространенные марки быстрорежущей стали

Быстрорежущая сталь (ГОСТ 19265-73) делится на сплавы нормальной и повышенной теплостойкости. Первая группа включает такие марки, как Р18, Р6М5. Твердость их достигает 63 HRC. Основное их предназначение — обработка чугунов, медных, алюминиевых сплавов. Более высокой теплостойкостью обладают вольфрамовые стали. Их применяют для изготовления сверл, фрез, резцов. Сталь Р6М5, которая содержит молибден, немного уступает в режущих свойствах, однако она существенно дешевле. К тому же пластичность ее несколько выше, а склонность к образованию трещин не столь высока. Более теплостойкие стали имеют в составе ванадий и кобальт (10Р6М5, Р9Ф5). Их твердость досягает 66 HRC. Используются они для обработки более прочных конструкционных сталей, жаропрочных сплавов, при изготовлении чистового инструмента. Характерно, что данные марки имеют более высокую износостойкость (благодаря наличию в составе ванадия). В последнее время все чаще применяется метод порошковой металлургии. Такие инструменты имеют более высокие режущие свойства.