3.4. Леговані конструкційні сталі

Для поліпшення вуглецевих конструкційних сталей їх легують, тобто в розплавлену сталь вносять легуючі елементи (нікель, хром, вольфрам, марганець тощо). Кожний з внесених елементів по своєму впливає на властивості сталі.

Хром поліпшує механічні властивості конструкційних сталей, підвищує її корозостійкість. Його вводять у сталь у кількості до 2%.

Нікель – найбільш цінний легуючий елемент. Його вводять у сталь у кількості від 1 до 5%. Нікель помітно підвищує межу текучості сталі, але робить її чутливою до перегріву. У зв’язку з цим для подрібнення зерна одночасно з нікелем у сталь вводять карбідоутворюючі елементи.

Марганець вводять у сталь до 1,5%. Він розташовується між феритом і цементитом.

Кремній є не карбідоутворюючим елементом і його кількість у сталі обмежують до 2%. Він значно підвищує межу текучості сталі, а при вмісті більше 1% зменшує в'язкість і підвищує поріг холодноломкості.

Молібден і вольфрам є карбідоутворюючими елементами, які в більшості розчиняються в цементиті. Молібден у кількості 0,2 – 0,4% і вольфрам у кількості 0,8 – 1,2% у комплексно легованих сталях сприяють подрібненню зерен, збільшують гартуємість і покращують інші властивості сталі.

Ванадій і титан – дуже карбідоутворюючі елементи, які вводять у невеликій кількості (до 0,3 і 0,1%) у сталі, які мають хром, марганець та нікель, для подрібнення зерна. Перевищення вмісту ванадію, титану, молібдену і вольфраму в конструкційних сталях недопустиме, так як утворюються важкорозчинні карбіди. Надлишкові карбіди розташовуються по межах зерен, що приводить до крихкого руйнування та зниження гартуємості сталі.

Кожний елемент, який вноситься в сталь, у маркуванні вказується буквою: Н – нікель, X – хром, М – молібден, І – марганець, Д – мідь, Р – бор, Б – ніобій, С – кремній, Н – вольфрам, Т – титан, Ф – ванадій, Al – алюміній. Перші цифри в марці показують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Цифри, які йдуть після букви, показують приблизний вміст даного легуючого елемента. Наприклад, сталь ЗОХГС має склад: 0,28 – 0,35 вуглецю, 0,8 – 1,1% хрому, 0,9 – 1,2% марганцю, 0,8 – 1,2% кремнію.

Для нестандартних сталей можуть бути інші позначення.

3.5. Інструментальні сталі

Сталі, які набувають в результаті термообробки високої твердості, міцності, зносостійкості та застосовуються для виготовлення різного інструменту, називаються інструментальними, їх можна розподілити на три групи: сталі для вимірювальних інструментів, сталі для ріжучих інструментів і штампові сталі.

Основними вимогами до вимірювальних інструментів є необхідність збереження своєї форми та розмірів протягом тривалого часу. Тому їх треба виготовляти із сталей, які мають високу твердість, зносостійкість, корозостійкість, не змінюють з часом розміри, мають малий коефіцієнт лінійного розширення. До них можна віднести такі сталі: У8 – У12, X, Х9, ХГ, ХІ2Ф1, цементуємі (сталь 15, сталь 20) і азотуємі (38ХМЮА).

Основною вимогою до сталей, з яких виготовляють ріжучий інструмент є збереження ріжучої кромки протягом тривалого часу роботи. Під час роботи ріжуча кромка інструменту тупиться, зношується. Особливо це характерно при обробці твердих металів із великими швидкостями, подачами та глибинами різання. Механічна енергія різання перетворюється в теплоту. Ріжуча кромка нагрівається до високої температури (більше 1000°С). Для такого інструменту головна вимога – теплостійкість (червоностійкість).

Необхідні властивості сталі, яка призначена для ріжучого інструменту, забезпечуються не тільки кількістю в ній вуглецю, а й інших легуючих компонентів та домішок. Вуглець і легуючі компоненти сприяють пониженню або підвищенню гартуємості сталі. Якщо в сталі присутній вуглець у межах 0,7 – 1,2%, то така сталь має понижену гартуємість. При гартуванні серцевина інструменту залишається незагартованою. При введенні в сталь легуючих елементів (хрому, вольфраму, кремнію) у межах 1 – 3% вона стає підвищеної гартуємості, тобто гартування відбувається по всьому перерізу інструменту.

Інструментальні сталі, з яких виготовляють ріжучий інструмент, розподіляють на три групи:

Вуглецеві інструментальні сталі випускають таких марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У12А і У13. Цифри показують на вміст у десятих долях відсотка вуглецю. Буква У показує, що ця сталь відноситься до вуглецевої. Буква Г після цифри означає, що сталь має підвищену кількість марганцю. Якщо сталь високої якості, то після цифри ставиться буква А. Підвищення якості цієї сталі здійснюється шляхом її вакуумації та обробки синтетичним шлаком.

Недоліком вуглецевих інструментальних сталей є їх низька червоностійкість. При нагріванні в процесі роботи до температури вище 200°С інструмент втрачає ріжучі властивості. Тому вуглецеві інструментальні сталі в основному використовують для виготовлення ручного слюсарного інструменту (табл. 3.3)

Таблиця 3.3. Деякі властивості вуглецевих інструментальних сталей, які використовуються для виготовлення ручного слюсарного інструменту

Сталь	Температура відпуску, ^оС	Твердість робочої частини, HRC	Інструменти
У10 – У12 У10 – У12 У7 У8 – У10 У10	180 – 200 160 – 180 280 – 300 200 – 220 220 – 240	60 – 62 62 – 64 56 – 85 60 – 62 59 – 61	мітчики розвертай зубила матриці для холодної штамповки плашки

Леговані інструментальні сталі теж мають значну кількість вуглецю – 0,8 – 1,5%, але, крім того, в них вводять легуючі елементи для підвищення червоностійкості (вольфрам, молібден, кобальт, хром), гартуємості (марганець), в’язкості (нікель), зносостійкості (вольфрам).

В залежності від сумарної кількості легуючих елементів інструментальні сталі поділяються на низьколеговані та високолеговані.

Низьколеговані сталі містять до 2,5% легуючих елементів. Тому вони мають відносно велику твердість (62 – 69 HRC), значну зносостійкість, але малу теплостійкість (250 – 300°С ). У більшості низьколегованих сталей основним легуючим елементом є хром, який підвищує їх гартуємість. Якщо в сталь додати кремній, то її червоностійкість стає 250 – 260°С . Із такої сталі виготовляють свердла, розвертки, фрези, мітчики, плашки.

Поширеною є сталь ХВГ. Вона легована хромом, вольфрамом і марганцем. Така сталь використовується для виготовлення великих і довгих протяжок, довгих мітчиків та розверток.

Інструментальні сталі з підвищеним вмістом легуючих компонентів (5 – 18%) відрізняються високою твердістю та зносостійкістю, яка забезпечується наявністю хрому та ванадію. Хромисті сталі (12% хрому) при температурі 225°С зберігають твердість HRC 60, хромованадієві – при 270 –300°С мають HRC 58 – 60. Із таких сталей виготовляють фрези по деревині, ножі, накаточний інструмент, вирубні штампи тощо.

Високолеговані інструментальні сталі, основним легуючим елементом яких є вольфрам, називають швидкоріжучими. Велика швидкість різання (у 2 – 4 рази більша, ніж у попередніх) забезпечується її високою червоностійкістю (500 – 600°С ). До складу швидкоріжучих сталей входить 0,7 – 1% вуглецю, 6 – 18% вольфраму, біля 4% хрому, до 1% молібдену, до 0,5% марганцю та кремнію.

Маркується швидкоріжуча сталь буквою Р (рапід-швидкий). Цифра, яка стоїть за буквою показує вміст вольфраму у відсотках. При вмісті в сталі більше 1% молібдену, ванадію та кобальту їх вказують у марці відповідними буквами і цифрами (у відсотках). Наприклад, поширеною є сталь Р6М5. Вона містить 6% вольфраму і 5% молібдену.

Виготовляють із швидкоріжучих сталей свердла, розточні різці, фрези, які працюють у важких умовах.