Инструментальная сталь
21.09.2017
Инструментальные стали характерны тем, что после соответствующей термической обработки они получают очень высокую твердость. Такая твердость позволяет изготовленным из стали инструментом обрабатывать другие стали — конструкционные.
Инструментальные стали могут быть разделены на углеродистые, легированные и высоколегированные или быстрорежущие стали. Свойства углеродистых инструментальных сталей как качественных, так и высококачественных (с добавкой индекса А в обозначении марки) зависят также от процентного содержания углерода в их составе. О процентном содержании этого элемента в той или иной стали можно судить по цифрам, входящим в условное обозначение марки стали, соответственно содержанию углерода в десятых долях процента.
С ростом процентного содержания углерода увеличивается твердость стали, но одновременно растет и хрупкость. Поэтому для ударных инструментов и вырубных штампов применяются только стали У7 и У8, а для режущих и измерительных инструментов, от которых требуется высокая твердость и износостойкость,— стали У10—У12. Однако стали У10—У12 пригодны для режущих инструментов, работающих только с небольшими скоростями резания и в спокойных условиях (развертки, метчики и т. п.). Точно также и детали приспособлений, подверженные ударам (упоры, установочные планки), изготовляются из сталей У7 — У8, а работающие на истирание,— из сталей У10 — У12.
Свойства, углеродистых сталей могут быть улучшены добавкой марганца. Такие стали менее хрупки и более износостойки.
Несмотря на многие положительные качества, инструментальные углеродистые стали все же не лишены серьезных недостатков:
1. Они не обладают достаточной теплостойкостью, так как при нагреве приблизительно до 200° начинают терять высокую твердость, а, следовательно, и режущие свойства. По этой причине их нельзя использовать для режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях, т. е. в условиях сильного нагрева режущих кромок.
2. Их форма и размеры сильно изменяются при закалке, что не позволяет использовать такие стали для сложных по конструкции и точных по размерам инструментов и некоторых других деталей технологической оснастки.
Стремление повысить теплостойкость и износостойкость, а также прочность инструментальных материалов привело к созданию легированных сталей. Однако теплостойкость этих сталей лишь немного выше, чем ,у углеродистых, зато значительно выше их износостойкость и прокаливаемость, и в то же время намного меньше изменяемость размеров при закалке.
Наиболее употребительны следующие марки инструментальных сталей: углеродистые качественные стали (по ГОСТ 1435—99) — У7, У8, У10, У12; углеродистые высококачественные — У7А, У8А, У10А, У12А, У8ГА, У10ГА; легированные (по ГОСТ 5950—2000) — Х12МФ, Х12Ф1, 9ХС, ХГ, ХВГ, 5ХВ2ФС, 6ХВ2С, 5ХНМ (56NiCrMoV7), 5ХНВ; быстрорежущие (по ГОСТ 19265-73) — Р6М5 ,Р9К5, Р18 и др. Условные обозначения этих марок почти совпадают с обозначениями легированных конструкционных сталей, с той только разницей, что первое число означает не сотые доли процента, а десятые. В том случае, если процентное содержание углерода в марке составляет 1 % и более, цифра в условном обозначении опускается.
Каковы же свойства и назначение марок легированных инструментальных сталей?
Хромистые инструментальные стали (Х12МФ, Х12Ф1) отличаются большой износостойкостью и малой изменяемостью формы и размеров (деформацией) при закалке. Сталь марки X12МФ широко применяется для изготовления разверток, винторезных гребенок, небольших протяжек, калибров и кондукторных втулок, рабочие размеры которых нельзя подвергнуть шлифованию. Сталь марки XI2МФ и особенно хромованадиевая Х12Ф1 — идут на изготовление накатных плашек, волочильных инструментов, а также гибочных и холодновысадочных штампов.
Хромокремнистая сталь (9ХС) — более теплостойка по сравнению с углеродистой сталью и служит, главным образом, для изготовления режущего инструмента.
Хромовольфрамовые стали (ХВГ) также мало деформируются при закалке, обладают большей теплостойкостью, однако весьма склонны к появлению трещин и прижогов при шлифовании.
Хромовольфрамокремнистые (5ХВ2С и 6ХВ2С) обладают рядом ценных свойств, способствующих их применению для изготовления штампов холодной штамповки. Стали 5ХНМ и 5XНB служат для изготовления ковочных штампов.
Требования к сталям. К инструментальным сталям предъявляются более высокие требования, чем к конструкционным. Это объясняется тем, что рабочие поверхности инструментов, изготовленных из инструментальных сталей, работают при высоких контактных напряжениях, больших удельных давлениях и подвергаются износу и нагреву. Применение тех или иных материалов определяется требованиями, предъявляемыми к различным инструментам.
Материалы, из которых изготовляют режущие инструменты, должны обладать следующими свойствами:
-
высокой прочностью, так как в процессе резания инструменты испытывают большие усилия; – высокой твердостью, потому что процесс резания можно осуществить только в том случае, если твердость материала инструмента значительно больше твердости обрабатываемого материал
-
высокой износостойкостью, потому что стойкость инструмента зависит от степени истирания режущих кромок; – высокой теплостойкостью, так как в процессе резания выделяется большое количество тепла, часть которого идет на нагрев режущих кромок инструмента, а последний, нагреваясь, теряет первоначальную твердость и быстро выходит из строя.
В соответствии с ГОСТом 5950—2000 инструментальные легированные стали по своему назначению подразделяются на две группы: для режущего и измерительного инструмента и для штампового инструмента.
Быстрорежущие стали. Быстрорежущей называется сталь, в состав которой помимо углерода входят легирующие элементы — вольфрам, хром, ванадий и молибден, образующие после термической обработки устойчивые карбиды. Кроме карбидообразующих элементов в некоторые марки быстрорежущих сталей входит также кобальт.
Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73) приобретают после закалки и отпуска высокую твердость, прочность, износостойкость, теплостойкость и сохраняют режущие свойства при нагревании до температуры 600…650° С. Скорости резания инструментами из быстрорежущей стали в 2…4 раза выше, чем инструментами из легированной стали, кроме того, они обладают повышенной стойкостью.
Преимущества быстрорежущей стали проявляются главным образом при обработке прочных (100 кгс/мм2) и твердых сталей (НВ 200..250) и резании с повышенной скоростью. По ГОСТу 19265—73 промышленность выпускает следующие марки быстрорежущей стали: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9КЮ, Р9М4К8 иР10К5Ф5. В обозначениях марок буквы и цифры указывают: Р — быстрорежущая сталь; цифра, стоящая за буквой, — среднее содержание вольфрама в процентах; М — молибден, Ф — ванадий, К — кобальт; цифры, следующие за этими буквами, — соответственно содержание молибдена, ванадия и кобальта.
Вольфрамомолибденовая сталь Р6М5 не только дешевле стали марки Р18, но и отличается хорошей теплопроводностью, мало склонна к трещинообразованию в процессе шлифования. По режущим свойствам при чистовой обработке она несколько уступает сталям Р18 и Р12, однако при черновой обработке режущие свойства ее лучше, чем у стали Р18. Недостаток стали Р6М5 — чувствительность к перегреву.
Инструментальные стали подразделяются:
- по назначению в зависимости от марки стали - на две группы :
- I - для изготовления инструмента, используемого в основном для обработки металлов и других материалов в холодном состоянии;
Легированные инструментальные стали применяются для изготовления инструментов и технологической оснастки. Из сталей марок 8ХФ , 9ХФ , Х12МФ, Х12Ф1 выполняют круглые и ленточные пилы, ножи для холодной резки металлов, зубила, пуансоны, керны и другие инструменты, работающие с ударными нагрузками. Из сталей марок 9ХС, 5ХВ2СФ, 6ХВ2С, 9X1—зубила, пуансоны, ножи для холодной резки металла, кернеры, круглые и ленточные пилы, метчики и другие режущие инструменты диаметром до 30 мм, шаберы, резцы и фрезы для обработки с небольшой скоростью резания, ножовочные полотна и калибры.Из сталей марок ХГС, ХВГ и 9ХВГ изготовляют измерительные инструменты — плитки, калибры и шаблоны, а также измерительные и режущие инструменты, для которых повышенное коробление при закалке недопустимо, — резьбовые калибры, протяжки, длинные метчики и развертки, плашки и лекала сложной формы.
- II - для изготовления инструмента, используемого в дальнейшем у потребителя для обработки металлов давлением при температурах выше 300 °С.
По форме, размерам и предельным отклонениям металлопродукция должна соответствовать требованиям:
-
кованая круглого и квадратного сечений - ГОСТ 1133;
-
горячекатаная круглого сечения - ГОСТ 2590;
-
горячекатаная квадратного сечения - ГОСТ 2591 и другим нормативным документам;
-
полосовая - ГОСТ 4405;
-
калиброванная - ГОСТ 7417, ГОСТ 8559, ГОСТ 8560 квалитетов h11 и h12;
-
со специальной отделкой поверхности - ГОСТ 14955 квалитетов h11 и h12.
Примеры условных обозначений
Пруток горячекатаный круглый, обычной точности прокатки (В), I класса по кривизне, немерной длины (НД), диаметром 80 мм по ГОСТ 2590-88, из стали марки 9ХС, подгруппы а, группы качества поверхности 2ГП:
Круг В-I-НД-80 ГОСТ 2590-88/9ХС-а-2ГП ГОСТ 5950-2000.