10.2. Инструментальные стали
По химическому составу, степени легированности инструментальные стали разделяют на инструментальные углеродистые, инструментальные легированные и быстрорежущие стали. Физико-механические свойства этих сталей при нормальной температуре достаточно близки, различаются они теплостойкостью и прокаливаемостью при закалке, что определяет области их применения.
В группу углеродистых инструментальных сталей входят стали с содержанием углерода от 0,6 до 1,4%. В результате закалки (при температуре 760-820ºС) и последующего отпуска достигается твердость HRC 61-63. Структура стали после термообработки состоит из мартенсита, карбидов (цементит) и некоторого количества остаточного аустенита.
Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У, за ней следует цифра, характеризующая процентное содержание углерода в стали, деленное на 10 (например, сталь У10 содержит 1% углерода). Марка высококачественной стали с пониженным содержанием примесей содержит в своем обозначении букву А (например, сталь У10А).
Углеродистые стали отличаются высокой механической прочностью на изгиб (200-220 кгс/мм2), достаточно хорошей обрабатываемостью резанием и шлифованием, а также сравнительно низкой стоимостью. Эти стали приобретают высокую твердость после термической обработки (HRC 60-62), однако эта твердость при сравнительно невысокой температуре в зоне резания (200-250ºС) резко падает.
Из инструментальных углеродистых сталей изготовляют ручной инструмент для слесарных работ (зубила, отвертки, стамески, напильники), а также инструмент малых габаритов для работы по мягким металлам с малой скоростью резания, преимущественно для индивидуального производства.
Инструментальные легированные стали обозначаются цифрой, характеризующей содержание углерода в десятых долях (если цифра отсутствует, содержание углерода 1%), за которой следуют буквы, соответствующие легированным элементам (Х – хром, С – кремний, Г – марганец, В – вольфрам, Ф – ванадий), и цифры, обозначающие содержание элемента в процентах.
Легированные инструментальные стали отличаются от углеродистых присадкой легирующих элементов: вольфрама, ванадия, хрома, кремния, марганца и др. Легирующие элементы снижают критическую скорость закалки, поэтому для получения мартенсита эти стали закаливают в масле, что позволяет снизить термические напряжения и деформации, улучшить прокаливаемость и получить более однородную структуру по сравнению с углеродистыми сталями, закаливаемыми в воде.
Кроме того, карбиды большинства легирующих элементов более устойчивы, чем карбид железа (цементит), поэтому легированные инструментальные стали обладают несколько большей теплостойкостью, чем углеродистые. Твердость легированных сталей после термообработки в зависимости от химсостава колеблется в пределах HRC 63-67, теплостойкость 250-260ºС.
Из инструментальных легированных сталей чаще применяют марки 9ХС, Х, 11Х, ХВГ, отличающиеся малыми деформациями при термической обработке. Из этих сталей изготовляют метчики, плашки, развертки и другие режущие инструменты, работающие с невысокими скоростями резания. Легированные инструментальные стали используются для изготовления длинномерного инструмента сложной формы.
В настоящее время во всех странах происходит уменьшение удельного веса углеродистых и легированных сталей в производстве инструмента и переход на быстрорежущие стали для тех же целей.
Быстрорежущие стали (БРС) обозначаются буквами, соответствующими карбидообразующим и легирующим элементам (Р – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, А – азот, К – кобальт, Т – титан, Ц – цирконий). За буквой следует цифра, обозначающая среднее содержание элемента в процентах (содержание хрома до 4% в обозначении марок не указывается). Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь марки А11Р3М3Ф2 содержит 1,1%С, 3%W, 3%Мо, 2%V.
Согласно международному стандарту ISO (ИСО) в специальной технической литературе широко используется условное обозначение быстрорежущих сталей в виде набора цифр, расположенных в строго определенном порядке и показывающих среднее содержание основных легирующих элементов: W – Мо – V – Co. Например, сталь Р6М5К5 обозначается 6-5-2-5. Для сталей с повышенным содержанием углерода впереди ставится буква С.
В быстрорежущих сталях разупрочнение мартенсита при температуре 200ºС сдерживается легирующими элементами, которые имеют большее, чем железо, сродство с углеродом и образуют более теплостойкие карбиды, исключив при этом возможность образования карбидов железа. За счет этого разупрочнение быстрорежущих сталей происходит при более высоких температурах, и критическая температура составляет 620-650ºС.
Применяемые в настоящее время быстрорежущие стали делятся на три группы: нормальной, повышенной и высокой производительности.
Базовая группа БРС (стали нормальной производительности) предназначена в основном для обработки конструкционных сталей с твердостью до 280 НВ, ферритно-перлитных чугунов с твердостью до 220 НВ и цветных сплавов. Основной маркой БРС этой группы является сталь Р6М5, которая предназначена для изготовления большинства режущих инструментов: резцов, фрез, сверл, зенкеров, разверток, протяжек, метчиков, резьбовых плашек, а также значительной части зуборезных инструментов.
Инструменты из БРС с увеличенным содержанием углерода и ванадия составляют группу сталей повышенной износостойкости. Сталь Р6М5Ф3 обладает износостойкостью на 30-40% больше, чем Р6М5, но уступает этой стали по шлифуемости. Сталь Р6М5Ф3 применяется с целью повышения стойкости таких инструментов, как резцы, сверла, зенкеры и т.п.
Содержащие кобальт БРС – это стали повышенной производительности. Они предназначены для обработки конструкционных сталей и перлитных чугунов с твердостью более 280 НВ. Применение стали Р6М5К5 обеспечивает по сравнению с Р6М5 рост скорости резания в среднем на 20%, или увеличение количества периодов стойкости инструментов в 1,5-3 раза. Сталь Р6М5К5 является основной наиболее применяемой кобальтовой БРС.
Сталь Р9М4К8 обладает повышенной износостойкостью по сравнению с Р6М5К5, но уступает ей по прочности, шлифуемости и является более дорогой. Она применяется, когда режущие свойства стали Р6М5К5 недостаточны.
В отдельных случаях обработка деталей высокой твердости осуществляется с применением БРС Р12М3Ф2К8. Эта сталь превосходит по износостойкости Р9М4К8, но уступает ей по прочности и шлифуемости и значительно дороже. Целесообразность применения стали Р12М3Ф2К8 на конкретных операциях определяется предварительным испытанием.
При обработке конструкционных сталей и перлитных чугунов с твердостью до 280 НВ применение кобальтовых БРС на режимах резания, характерных для стали Р6М5, не рекомендуется, так как не обеспечивает повышения стойкости инструментов. Кобальтовые БРС оказываются эффективными при повышенных значениях режимов резания.
Одним из основных направлений совершенствования инструментов из БРС является изготовление инструментов и режущих пластин методами порошковой металлургии. Существуют следующие марки порошковых БРС: Р6М6Ф3-МП, Р7М2Ф6-МП, Р12МФ5-МП, Р6М5К5-МП, Р9М4К8-МП, Р12М3К5Ф2-МП.
Порошковые БРС имеют однородную мелкозернистую структуру, сравнительно легко обрабатываются и претерпевают незначительные термические деформации в результате термообработки. БРС, полученные методом порошковой металлургии, позволяют повысить стойкость инструмента в 2 раза, а также увеличить производительность обработки, особенно труднообрабатываемых материалов. Однако в ряде случаев порошковые БРС могут обладать пониженной обрабатываемостью резанием и шлифованием по сравнению с обычными БРС, кроме того, они значительно дороже.
Быстрорежущие стали в целом продолжают занимать важное место в инструментальном обеспечении производства, в том числе и автоматизированного. Это обусловлено высокой прочностью и надежностью, а также более высокой технологичностью БРС и меньшей их стоимостью по сравнению с другими инструментальными материалами. Объем инструментов из БРС на рынке составляет 30-40% от общего объема режущих инструментов. Из БРС изготовляют зуборезные инструменты, протяжки, сверла, метчики и т.п.