Инструментальные стали

Инструментальные  стали 

1. Общее положение

      Разработка в конце XIX и в начале XX веков быстрорежущих сталей и твёрдых сплавов оказала большое влияние на повышение производительности труда в металлообрабатывающей промышленности, увеличение скорости резания и стойкости инструмента.

      Применение инструментальных сталей новых марок обеспечивает базу для резкого увеличения производительности труда в металлообрабатывающей промышленности.

       Обработка резанием с учётом  всё возрастающим применением  в машиностроении труднообрабатываемых  материалов сопровождается уменьшением  потребления углеродистых и легированных  инструментальных сталей при  одновременном резком увеличении  потребления быстрорежущих сталей  и твёрдых сплавов.

       В 1930 г. В отечественной промышленности  были утверждены первые стандарты  на инструментальную сталь. ОСТ  4957 включал следующие быстрорежущие  стали: РК5, Р, РО, РФ1(Р18), РФ2.

       С 1934 г. в Советском Союзе  были проведены научно – исследовательские  работы по широкому изысканию  быстрорежущей стали; содержащей небольшое количество или совсем не содержащей вольфрама. В результате широких научно – исследовательских работ в 1938 г. были разработаны малолегированные стали быстрорежущие стали: ЭИ184, ЭИ260 (Институт стали); ЭИ276, ЭИ277 (ЦНИИТмаш); ЭИ290 (ЗИЛ) и др. В 1939 г. завод “Электросталь” предложил сталь ЭИ262, представляющую собой несколько изменённый состав стали РФ2.

       Государственные испытания различных  марок малолегированных сталей  закончились в концу 1940 г. Они  позволили выявить наиболее эффективные  стали ЭИ262 (Р9) И ЭИ184. По сути, вплоть до 1960 г. в Советском Союзе две стандартные марки стали быстрорежущих сталей Р9 и Р18.

Развитие отечественного машиностроения в послевоенные годы, характеризующееся значительным увеличением  применения материалов повышенной прочности, жаропрочных и кислотоустойчивых сплавов, поставило перед исследователями

 задачу –  создать быстрорежущие стали  повышенной производительности.

       В период 1960 . . . 1965 гг. были проведены  работы по изучению влияния  молибдена на основные режущие  и технические логические свойства  быстрорежущих сталей. В результате этих исследований была разработана новая группа быстрорежущих вольфрамомолибденовых сталей Р6М3,Р9М4, Р12М3,  отличающихся от вольфрамовых меньшей карбидной неоднородностью, лучшими механическими свойствами и более высокой стойкостью инструмента из них.

       ГОСТ 9737 – 60 на быстрорежущую сталь, помимо сталей Р18, Р18Ф2, Р9, Р12 и Р6М3, содержал ещё шесть марок быстрорежущей стали повышенной производительности, легированных кобальтом и ванадием: Р9Ф5, Р9К5ю Р9К10, Р10К5Ф5, Р14Ф4 и Р18К5Ф2.

       В 1964 . . . 1965 гг. прошли промышленные  испытания стали Р6М3К5 и Р9М4К5, которые имеют лучшие технологические и основные режущие свойства по сравнению с вольфрамокобальтовыми сталями.

       Отличительной особенностью большинства  быстрорежущих сталей, разработанных  в последнее время, является  комплексное легирование при  сравнительно невысоком содержании  отдельных легирующих элементов.  Благодаря такому подходу появилась  возможность создать быстрорежущие  инструментальные стали с высоким  уровнем основных свойств, обеспечивающих  повышение стойкости инструментов  при существенной экономии легирующих  материалов. В результате повышения  стойкости инструментов удалось  уменьшить темпы роста объёма производства инструментальных сталей. Применение этих сталей обеспечило народному хозяйству страны значительную экономию металла.

       Таким образом, отечественная  промышленность имеет в настоящее  время качественные инструментальные  стали, которые позволяют получать  режущий инструмент в соответствии  с техническими требованиями  разных отраслей. 

Углеродистые  и легированные инструментальные стали

       Основным химическим элементом,  определяющим твёрдость и физико – механические свойства углеродистой инструментальной стали является углерод. В соответствии содержанием углерода. Марки углеродистых инструментальных сталей, их химический состав, твёрдость после закалки и отпуска приведены в табл. 1.

       Инструменты из углеродистой  стали закаливают в воде или  через воду в масле. Нагрев  инструментов производят в свинцовых  или соляных ваннах или же  в электропечах. Инструменты сложной  формы и больших размеров перед  опусканием в ванну или помещением  в печь предварительно подогревают  до температуры 350 . . . .450 С.

       Продолжительность нагрева инструментов  из углеродистой стали от размера  инструмента и среды. Для получения  сплошного нагрева инструмента  на каждый миллиметр его диаметра  или толщины требуется время: а) в свинцовых ваннах – 6 . . . .8 с; б) в соляных ваннах – 12 . . . 14 с; в) в электропечах – 50 . . . 80 с . Температура закалки 760 . 830 С.

       После закалки инструменты подвергают  отпуску для снятия внутренних, напряжений. Отпуск углеродистых инструментальных  сталей ведут при температуре 160 . . . 180 С с выдержкой 1 . . . 2 ч . В этих условиях снимается до 79%  остаточных напряжений, снижается хрупкость и повышается вязкость стали. Твёрдость опущенных углеродистых инструментов составляет HRC 60 . . . 63. Отпуск на более высокую вязкость стали. Твёрдость опущенных углеродистых инструментов составляет HRC 58 . . . 59 ведётся при температуре 230 . . . 275 С с выдержкой в 1 ч.

       Закалённая углеродистая инструментальная сталь обладает твёрдостью, достаточно высокой, чтобы обрабатывать все основные марки конструкционных сталей и чугунов в отожженном, нормализованном или улучшенном состояниях. Однако в следствии относительно низкой износостойкости и красностойкости углеродистая сталь быстро изнашивается при невысоких скоростях резания и при температуре 200  С. В результате структурных изменений она теряет твёрдость, приобретённую при закалке. Поэтому инструменты из углеродистой стали могут работать только с малыми скоростями резания. Углеродистые инструментальные стали не дают сквозной закалки и твёрдость с HRC 60 . . . 63 на поверхности понижаются до HRC 40 В серединных слоях инструмента. Кроме того, углеродистые стали в процессе термической обработки склонных к поводке и образованию трещин. Поэтому из углеродистых инструментальных сталей изготовляют инструменты малых габаритных размеров для работы по мягким металлам с малой скоростью резания преимущественно для индивидуального и мелкосерийного производства.

       Из углеродистых сталей У7А,  У8А И У9А изготавливают различные  слесарные и кузнечные инструменты,  инструменты для обработки дерева, кожи и другого назначения, подвергающиеся  ударам во время работы и  требующие большой вязкости пи умеренной твёрдости. Из этих же марок углеродистых инструментальных сталей изготовляют державки и корпуса инструментов, оснащенных пластинками твёрдого сплава.

       Из стали У8А изготавливают  шаберы, волочильные и другие  инструменты, не подвергающиеся  ударным нагрузкам, но требующие  большой твёрдости.

       Для изготовления режущих инструментов  используют высокоуглеродистые  стали с содержанием углерода  более 1%. Из углеродистых сталей  У10Аи У12А изготавливают напильники, мелкие свёрла, развертки, метчики,  плашки и другие инструменты,  предназначенные для обработки  мягких металлов с низкими  скоростями резания.

       Углеродистые инструментальные  стали имеют низкую твёрдость  в состоянии поставки, что обеспечивает  их хорошую обрабатываемость  резанием и давлением. Однако они плохо шлифуются. Большие деформации при термической обработке и плохая шлифуемость  углеродистых инструментальных сталей не позволяют использовать их для изготовления фасонных инструментов, шлифуемых по профилю.

      Чтобы улучшить свойства углеродистых инструментальных сталей, разработали низколегированные стали, отличающиеся от высокоуглеродистых присадкой легирующих элементов – вольфрама

(1 . . . 2%), ванадия  (около 0,3%) и хрома (0,5 . . .1,5%). Такое  содержание вольфрама и ванадия  не может существенно изменить  физико-механические свойства и  режимы термической обработки  сталей, оставляя их примерно  такими же, как у углеродистых  сталей с равным содержанием углерода, уменьшая лишь чувствительность сталей этих марок к перегреву во время закалки и несколько повышая вязкость в закаленном состоянии.

       Низколегированные вольфрамовые  и ванадиевые стали применяют  для изготовления свёрл и метчиков  преимущественно малых размеров, развёрток, круглых плашек и  других инструментов, работающих  с малыми скоростями резания,  не требующих несколько повышенной  вязкости и пониженной хрупкости.

       Присадка хрома (У11Х, У13Х) снижает  критическую скорость охлаждения  при закалке, вследствие чего  улучшается прокаливаемость и уменьшается поводка закаливаемых инструментов. Присадка хрома несколько повышает износостойкость твёрдость и чувствительность стали к отпуску. Изменения, вносимые присадкой хрома, облегчают условия термической обработки и улучшают технологические свойства сталей.

        Из низколегированных сталей  изготавливают те же инструменты,  что и из сталей У10А, У11А.

       Режущие инструменты из углеродистой стали конструктивно выполняются цельными в соответствии со стандартами на  определённый вид инструмента.

       Легированные инструментальные стали - отличаются от углеродистых более высокой прокаливаемостью, что позволяет, производить закалку инструментов с охлаждением в горячих средах

с меньшей деформацией.

       В производстве режущих инструментов из инструментальных легированных сталей наибольшее, применение находят хромокреминистая, хромовольфрамомарганцовистая и хромовольфрамовая стали (табл. 3).

       Хромокремнистая сталь 9ЧС отличается  от углеродистой увеличенным содержанием кремния (да 1,4%). Увеличение присадки кремния повышает закаливаемость стали, но одновременно требует повышение температуры нагрева под закалку, что связано с более интенсивными обезуглероживанием поверхностного слоя закаливаемого инструмента.

       Хромокремнистая сталь имеет  повышенные износостойкость и вязкость по сравнению с углеродистой сталью с одинаковым содержанием углерода. Поэтому инструменты из стали 9ХС более стойкие, чем такие же из углеродистой стали.

       У стали 9ХС наблюдается равномерное  распределение карбидов по сечению.  Это позволяет её использовать  для резьбонарезных инструментов  – метчиков, гребенок, плашек.

       Хромовольфрамомарганцовистая сталь ХВГ отличается от углеродистой присадкой хрома (0,9 . . . 1,2%), вольфрама

(1,2 . . . 1,6%) и марганца (0,8 . . .1,1%). Это способствует уменьшению  деформаций в процессе закалки,  что имеет большое практическое  значение при изготовлении длинных  и тонких инструментов сложной  формы. Сталь ХВГ в закалённом  состоянии обладает высокой твёрдостью, большой вязкостью и хорошими  механическими свойствами. Износостойкость  этих сталей не превышает износостойкости  углеродистых сталей У10А и  У12А. У стали ХВГ наблюдается  повышенная карбидная неоднородность, которая усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать её для инструментов, работающих в тяжёлых условиях. Сталь ХВГ применяют для изготовления преимущественно длинного стержневого инструмента: специальных свёрл, развёрток, протяжек, для которых нежелательна деформация при закалке.

       Поскольку стали 9ХС и ХВГ  обладают повышенной склонностью  к обезуглероживанию и значительной  твёрдостью в отожженном состоянии,  что затрудняет их обрабатываемость, их в последнее время стали  заменять сталью 95ХГСВФ. Эта сталь  содержит дополнительно марганец  и вольфрам и поэтому менее  склонна к обезуглероживанию  при нагреве.

       Хромовольфрамовая сталь ХВ5 содержит  увеличенное количество углерода (1,25 . . . 1,5%), а также присадки хрома  (0,4 . . . 0,7%) и вольфрама (4,5 . . . 5,5%). После закалки она имеет высокие твёрдость (до HRC 70) и износостойкость. Высокие твёрдость и износостойкость стали ХВ5 сохраняются до температуры 150 С, что предопределяет возможность изготовления из неё инструментов, которые предназначены для обработки с малой скоростью резания металлов большой твёрдости или же выполнения чистых операций с малыми сечениями срезаемого слоя.