1.3. Инструментальные стали и сплавы

По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего, штампового и измерительного инструмента.

Стали и сплавы для режущего инструмента должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, т.е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения. Основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость, т.е. способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе резания. По теплостойкости различают три группы инструментальных сталей для режущего инструмента: нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.

Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У, а следующая за ней цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Это стали У9, У9А, У10, У10А, У12, У12А, У11, У11А, У13, У13А. После термооб-работки они приобретают твердость HRC 62÷64, что позволяет использовать их в качестве режущей части инструмента при об-работке основных конструкционных сталей, чугуна в отож-женном состоянии (твердостью до HRC 32). Теплостойкость этих сталей низкая, всего лишь до 200÷250°С. Углеродистые стали наиболее целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно закаливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливаемости, а также для инструментов диаметром или наименьшей толщиной 18÷25 мм, в которых режущая часть приходиться только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.

Легированные инструментальные стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ используют для изготовления инструментов крупного сечения: сверл, разверток, протяжек диаметром 60÷80 мм. Красностойкость этих сталей до 300°С. Твердость после термообработки составляет 61÷65 HRC.

Быстрорежущие стали обладают высокой прочностью, ударной вязкостью и трещиностойкостью. Теплостойкость этих сталей (до 600÷620°С) обеспечивается за счет введения вольфрама, молибдена, ванадия и хрома, образующих сложные карбиды, связывающие почти весь углерод стали. Быстрорежущие стали маркируют буквой Р, цифры показывают среднее содержание вольфрама – основного легирующего элемента. Среднее содержание углерода во всех сталях обычно несколько меньше 1 , а хрома – до 4 , поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих в целых процентах указывается как обычно, цифрами, следующими за их буквенным обозначением.

Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обра-ботку резанием. Они представляют собой композиционный ма-териал, состоящий из порошков карбидов титана, вольфрама, тантала, карбонитрида титана и связующей фазы – матрицы, в качестве которой используется кобальт.

Твердые сплавы обладают высокой твердостью (HRC 82÷92) и теплостойкостью.

По составу и области применения твердые сплавы делятся на четыре группы: вольфрамовые (W – Co), титановольфрамовые (WC – TiC – Co), титано-тантало-вольфрамовые (WC – TiC – TaC - Co) и безвольфрамовые (TiC – Ni – Mo, TiCN – Ni – Mo).

Таблица 4.4

Основные стали для режущего инструмента различного назначения ( по данным Ю.А. Геллера)

1	2
Тип инструмента	Рекомендуемая марка стали
Резцы и резцовые головки: фасонные на автоматах, долбежные, строгальные, отрезные	Р18, Р12Ф3 Р6М5, Р12, Р9
Сверла: для обработки металлов, твердостью до 260 НВ для обработки металлов большей твердости для труднообрабатываемых	Р6М5, Р6М3Ф Р12Ф3 Р12Ф3, Р12Ф4К5
Фрезы: резьбовые червячные то же, для резания с повышенной скоростью то же для резания труднообрабатываемых сплавов	Р6М5, Р12, Р8М3, Р18 Р6М5, Р12Ф3, Р12, Р8М3 Р12Ф4К5, Р8М3К6С Р12Ф4К5, Р8М3К6С, Р9М4К8Ф, Р12М3Ф2К8
Долбяки	Р6М5, Р12, Р8М3
Протяжки диаметром: до 80 - 100 мм > 100 мм	Р12, Р6М5, Р12Ф3, Р8М3 ХВГС, Р6М5
Метчики: машинные ручные	Р6М5, Р18 11ХФ, У11А, У12А
Плашки круглые: для нарезания мягких металлов то же, для твердых	ХВСГ Р6М5,Р8М3
Развертки: машинные то же, для труднообрабатываемых сплавов ручные	Р6М5, Р8М3, Р12Ф3, Р12 Р8М3К6С ХВСГ, Р6М5, Р8М3
Зенкеры: для обработки мягких металлов для обработки твердых металлов	Р6М5, Р12, Р8М3, 10Р8М3 Р9М4К8Ф, Р8М3К6С

Продолжение табл. 4.4

1	2
Пилы: сегменты к круглым пилам и ножовочные полотна машинные и ручные для обработки древесины	Р9, Р6М5 Х6ВФ, 9ХФ, У10А
Напильники: для мягких металлов для твердых металлов	13Х, Х, У13А Р6М5, Р8М3
Стамески, долота, топоры для обработки древесины	7ХФ, У7А

Таблица 4.5

Химический состав некоторых быстрорежущих сталей, %

Марка стали	С	Cr	W	V	Мо	Со
Р18	0,73-0,83	3,8-4,4	17,0-18,5	1,0-1,4	До 1,0	До 0,5
Р6М5	0,85-0,95	3,8-4,4	8,5-9,5	1,7-2,1	4,8-5,3	До 0,5
Р6М5Ф		3,8-4,3	5,5-6,5	2,3-2,7	4,8-5,3	До 0,5
Р6М5К5	0,82-0,90 0,95-1,05 0,84-0,92	3,8-4,3	5,7-6,7 5,7-6,7	1,7-2,1	4,8-5,3	4,7-5,2

Вольфрамовые однокарбидные сплавы обозначают буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например, сплавы ВК2 содержит 2  Со и 98  WC. Чем больше содержания кобальта, тем выше прочность, хотя и несколько ниже твердость сплава. Они теплостойки до 800С.

Титановольфрамовые двухкарбидные сплавы маркируют буквами Т, К и цифрами. Цифры после буквы Т указывают содержание карбидов титана в процентах, а цифры после буквы К – содержание кобальта. Например, сплав Т15К6 содержит 15  ТiС, 6  Со, остальное, т.е. 79 , WC. Теплостойкость этих сталей до 900 - 1000С.

Титано-тантало-вольфрамовые трехкарбидные сплавы маркируют буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, указывает суммарное содержание карбидов титана ТiC и тантала ТаС, а цифра, стоящая после буквы К, - содержание кобальта. Например, сплав ТТ7К12 содержит 4  TiC, 3  ТаС, 12  Со и 81  WC. Сплавы этой группы применяют для более тяжелых условий резания.

Безвольфрамовые твердые сплавы получили распространение из-за отсутствия в составе дефицитного вольфрама. Хорошо зарекомендовали сплавы, для которых в качестве основы используется карбид титана, а в качестве связки - никель и молибден. Они маркируются буквами КТС и ТН. Твердые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15÷17  Ni и

7÷9  Мо соответственно, остальное карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25 в качестве связующего металла применяют в основном никель в количестве 16÷30 . Концентрация молибдена составляет 5÷9 , остальное - также карбид титана. Их используют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологи-ческого оборудования.

Стали для измерительного инструмента должны обла-дать высокой твердостью и износостойкостью, сохранять пос-тоянство формы и размеров в течение длительного срока эксплуатации.

Для измерительного инструмента обычно применяют высокоуглеродистые стали У8 - У12 и низколегированные стали марок Х, ХГС, ХВГ, ХС. Их твердость после термообработки должна быть не менее 60÷64 HRC.

После обычной термической обработки в структуре высокоуглеродистых сталей обычно присутствует остаточный аустенит, обусловливающий ее нестабильность. Поэтому после обычной закалки в масле инструменты подвергают обработке холодом при температуре -80С и длительному (до 30 ч.) низкотемпературному отпуску – старению при 120÷170С.

Для измерительных инструментов большого размера и сложной геометрии используют азотируемые стали типа 38Х2МЮА.

Штамповые стали применяют для изготовления штампов холодного и горячего деформирования, пуансонов, матриц, пресс-форм для литья под давлением.

В зависимости от температуры эксплуатации различают стали для деформирования в холодном и горячем состоянии.

Штамповые стали для холодного деформирования должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, высокой прочностью и удовлетворительной вязкостью для работы при ударных нагрузках.

В зависимости от назначения различают три группы штамповых сталей для холодного деформирования.

К первой группе относятся стали для вытяжных и вырубных штампов. Для изготовления штампов этого типа применяют стали марок У10 – У12 и стали Х, ХВГ, ХВСГ. Стали с повышенным содержанием хрома (6÷12 ) (Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12Ф1) имеют более высокую износостойкость и глубокую прокаливаемость.

Вторую группу составляют стали, испытывающие большие удельные давления. Этим требованиям удовлетворяет сталь 6Х4М2ФС.

К третьей группе относятся стали для высадочных и чеканочных штампов, работающих при высоких ударных нагрузках. Обычно для штампов этого назначения используют сталь 7Х3.

Штамповые стали для горячего деформирования работают в более тяжелых условиях. Для штампов горячего деформирования применяют легированные стали, содержащие 0,3÷0,6  С, подвергаемые закалке и отпуску при 550÷680С с целью получения трооститной и трооститно-сорбитной структуры.

Для молотовых штампов применяют сталь 5ХНМ и её аналоги: 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ. При температурах эксплуатации выше 500С стойкость инструмента из стали 5ХНМ резко падает.

Для пресс-форм литья под давлением и прессования цветных металлов и сплавов используют марку 3Х2М2Ф.

Для рабочих температур 700÷800С обычные жаропрочные стали не технологичны, так как плохо обрабатываются резанием. Разработан новый класс штамповых сталей для горячего деформирования – сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации. Примером такой стали служит 4Х2Н5М3К5Ф.

Для увеличения твердости при высоких температурах используют химико-термическую обработку: азотирование, диффузионное хромирование, борирование.