Стали для режущего инструмента

Лекция № 18.

Инструментальные стали

Инструментальные стали – это стали, применяемые для обработки материалов резанием и давлением и обладающие определенным комплексом свойств: твердостью, теплостойкостью, износостойкостью и д.т. в условиях эксплуатации.

 

Основные свойства и классификация

Основные свойства:

- твердость;

- вязкость;

- износостойкость;

- теплостойкость (красностойкость);

- прокаливаемость.

 

Кроме того, для некоторых видов инструмента большое значение имеют такие свойства как теплопроводность, разгаростойкость (сопротивление термической усталости, определяемое сопротивлением стали образованию поверхностных трещин под нагрузкой при многократном нагреве и охлаждении), окалиностойкость, устойчивость против схватывания и налипания, некоторые механические свойства и т.д.

Твердость – главный показатель качества инструмента. В зависимости от назначения инструмента устанавливают значения его твердости. Возможность получения той или иной твердости определяется химическим составом стали (прежде всего содержанием углерода) и применяемой термической обработкой. Также во многом твердость зависит и от получаемой структуры: избыточная карбидная фаза и мартенсит увеличивают ее, а остаточный аустенит уменьшает.

Вязкость инструментальной стали определяется такими показателями, как KCU, KCV, K_IC и характеризует эксплуатационную надежность инструмента. У инструментальных сталей вязкость зависит от структуры, количества примесей, неметаллических включений, карбидной неоднородности, но прежде всего от твердости. Твердость и вязкость – противоположные свойства инструментальных сталей. Чаще всего повышение твердости вызывает понижение вязкости, и наоборот.

По твердости и вязкости инструментальные стали классифицируются на:

- стали высокой твердости (HRC = 58-65), но пониженной вязкости;

- стали повышенной вязкости, но пониженной твердости (HRC = 40-55).

Износостойкость – способность стали сопротивляться различным видам изнашивания поверхности. Является характеристикой долговечности работы инструмента. Определяется составом, структурой и свойствами стали, а также свойствами обрабатываемого изделия, условиями эксплуатации инструмента и т.п. Последние определяют вид и характер износа: абразивный, эрозионный, адгезионный, диффузионный и др. Сталь одной и той же марки может обладать разной износостойкостью в зависимости от технологии ее обработки и условий эксплуатации.

Теплостойкость или красностойкость инструментальных сталей характеризуется температурой, до которой сохраняется заданная высокая твердость, прочность и износостойкость стали, т.е. обеспечиваются свойства инструмента, необходимые для резания или деформирования. Следовательно, теплостойкость характеризует способность инструмента сопротивляться изменению структуры и свойств рабочей кромки инструмента при разогреве в процессе эксплуатации. Теплостойкость также определяет стойкость стали против отпуска.

По теплостойкости стали подразделяют на:

- нетеплостойкие – сохраняют высокую твердость и другие свойства до температуры нагрева 200 – 300 ^оС;

- полутеплостойкие – до 400 – 500 ^оС;

- теплостойкие – выше 550 – 600 ^оС.

Увеличение температуры теплостойкости существенно повышает срок службы инструмента.

Прокаливаемость характеризует твердость инструмента по сечению; она определяется устойчивостью переохлажденного аустенита. От прокаливаемости стали во многом зависит ее закаливаемость, т.е. твердость на поверхности инструмента после закалки.

По прокаливаемости инструментальные стали делят на:

- стали неглубокой прокаливаемости (углеродистые и низколегированные);

- стали глубокой прокаливаемости (легированные и высоколегированные).

Кроме перечисленной классификации по свойствам, инструментальные стали классифицируют также по составу, структуре и назначению.

По составу инструментальные стали подразделяют на:

- углеродистые;

- низколегированные;

- легированные;

- высоколегированные.

По структуре в равновесном состоянии, определяемой составом сталей, на:

- доэвтектоидные;

- заэвтектоидные;

- ледебуритные.

Большинство инструментальных сталей являются заэвтектоидными и ледебуритными. Такие стали имеют высокую твердость и низкую вязкость. Доэвтектоидные инструментальные стали обладают повышенной твердостью и повышенной вязкостью.

По назначению инструментальные стали делят на:

- стали для режущих инструментов;

- штамповые стали для холодного деформирования;

- штамповые стали для горячего деформирования;

- стали для измерительного инструмента.

Классификация по назначению принята в качестве основной.

 

Стали для режущего инструмента

Стали для режущего инструмента применяются для изготовления резцов, сверл, фрез, протяжек, метчиков, пил и т.д. Стали данной группы должны обладать высокой твердостью режущей кромки – HRC = 63 – 66; высокой прочностью и сопротивлением малой пластической деформации, теплостойкостью.

Углеродистые и легированные стали при правильном применении могут удовлетворять первым двум требованиям, но не являются теплостойкими (отдельные марки легированных сталей являются полутеплостойкими).

 

Углеродистые стали

Применяются для изготовления малоответственного режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания, не подвергаемого разогреву в процессе эксплуатации. Углеродистые стали регламентируют по ГОСТ 1435-99.

Термическая обработка заключается в закалке от 760-820 ^оС с охлаждением в воде или масле и последующем низком отпуске.

Углеродистые стали У7 и У7А (0,65 – 0,74 % С) после закалки в воду с 800 – 820 ^оС имеют твердостьHRC = 63-65. Критический диаметр d_кр = 15 – 20 мм после закалки в воду и 4 – 6 мм после закалки в масло.

Низким отпуском при 150 – 160 ^оС можно понизить твердость до HRC = 61 – 63.

Стали У8, У8А (0,75 – 0,84 %С) и У9, У9А (0,85-0,94 %С) после закалки с 780 – 800 ^оС в воду имеют твердость HRC = 63 – 65; d_кр = 15 – 20 мм после закалки в воду и 4 – 6 мм после закалки в масло. Низким отпуском при 200 – 220 ^оС можно понизить твердость до HRC = 57-59.

Стали У10, У10А (0,95-1,04 %С), У11, У11А (1,05-1,14 %С), У12, У12А (1,15-1,24 %С) и У13, У13А (1,25-1,35 %С) закаливают с 760 – 780 ^оС в воду, при этом получают твердость HRC = 64-66. Критический диаметр d_кр = 10-20 мм после закалки в воду и 4-6 мм после закалки в масло. Низким отпуском при 150- 160 ^оС можно получить твердость сталей У10, У10А HRC = 62-63, стали У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А отпускают при 200 – 220 ^оС, при этом получают HRC = 58-59.

Углеродистые стали обладают неглубокой прокаливаемостью, что обуславливается малой устойчивостью переохлажденного аустенита, также эти стали нетеплостойки.

Низкая устойчивость переохлажденного аустенита определяет основные достоинства и недостатки таких сталей.

Достоинствами углеродистых сталей является то, что в малых сечениях (15-20 мм) после закалки достигается высокая твердость в поверхностном слое и сердцевина же инструмента остается мягкой и вязкой.

В отожженном состоянии углеродистые стали имеют низкую твердость (НВ = 150-180), в них легко при отжиге получается структура зернистого цементита, что обусловливает их хорошую обрабатываемость при изготовлении инструмента. Заэвтектоидные стали закаливают от температур Ас1 + (30-50) ^оС, а доэвтектоидные от Ас3 + (30-40) ^оС, т.е. углеродистые стали имеют низкую температуру закалки. Такая температура вызывает малое окисление и обезуглероживание инструмента. Охлаждение после закалки осуществляется в воде. После закалки углеродистые стали содержат малое количество остаточного аустенита – до 5-8 %, что не уменьшает их твердости и исключает необходимость проведения обработки для распада остаточного аустенита.

Недостатками углеродистых сталей является малая прокаливаемость и закаливаемость, что не позволяет применять эти стали для изделий сечением более 20-25 мм. Помимо этого, стали нетеплостойки, высокая твердость их сохраняется лишь до температур 250-200 ^оС, чувствительны к перегреву, также может наблюдаться неоднородное распределение твердости на поверхности инструмента.

 

Легированные стали

Легирование позволяет уменьшить недостатки углеродистых сталей, т.е. прежде всего повысить прокаливаемость, а также добиться новых существенных качеств инструмента. Свойства и состав легированных сталей для режущего инструмента регламентируются ГОСТ 5950-2000.

Термическая обработка сталей данной группы заключается в закалке с охлаждением на воздухе или в масле и низком отпуске.

Для стали 9Х5ВФ температура закалки составляет 950 – 1000 ^оС с охлаждением в масле и отпуске при температуре 400 – 420 ^оС; а для стали 8Х4В2М2Ф2 температура закалки составляет 1150-1170 ^оС, охлаждение – масло; температура отпуска – 550-560 ^оС. Отпуск – трехкратный.

Легированные стали для режущего инструмента подразделяют на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.

В группу сталей неглубокой прокаливаемости входят низколегированные стали, содержащие небольшое количество хрома (0,4-0,7 %), ванадия (0,15-0,30%) – 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, а также стали с вольфрамом – ХВ4, В2Ф. Легирование хромом повышает устойчивость переохлажденного аустенита и прокаливаемость. Ванадий обеспечивает меньшую чувствительность стали к перегреву и регламентированную глубину прокаливаемости. Так, применяя разную температуру закалки, можно регулировать толщину закаленного слоя, не опасаясь перегрева сталей. По этой причине для сталей 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ рекомендуют два температурных интервала нагрева под закалку. Более высокая температура закалки позволяет растворить лишь часть карбида ванадия в аустените и повысить его устойчивость, а нерастворенная часть карбида ванадия оказывает барьерное действие на рост зерна. При принятом содержании ванадия в этих сталях (0,15-0,30%) граница образования структуры перегрева повышается до 900 -950 ^оС.

Стали с вольфрамом ХВ4, В2Ф имеют повышенное содержание углерода, что обеспечивает получение карбида Ме₆С и мартенсита с высоким содержанием углерода, благодаря чему эти стали после закалки имеют наиболее высокую твердость (HRC= 65-67) и износостойкость.

В группу сталей глубокой прокаливаемости входят хромистые стали с более высоким содержанием хрома (1,4 – 1,7%) и стали комплексно легированные несколькими элементами: хромом, марганцем, кремнием, вольфрамом.

Хромистые стали 9Х, Х по составу подобны подшипниковой стали ШХ15. Комплексно легированные стали 9ХС, ХГС, ХВГ обладают высокой прокаливаемостью, особенно если их состав включает в себя марганец. Легирование кремнием позволяет повысить устойчивость стали против отпуска.

Недостатком легированных сталей является их низкая теплостойкость, что исключает возможность применения для режущего инструмента, эксплуатируемого в тяжелых условиях, связанных с разогревом режущей кромки.

 

Быстрорежущие стали

Применение быстрорежущих сталей позволяет повысить скорость резания в несколько раз, а стойкость инструмента – в десятки раз. Главной отличительной особенностью быстрорежущих сталей является их высокая теплостойкость или красностойкость (до 600 – 700 ^оС) при наличии высокой твердости (HRC = 63-70) и износостойкости инструмента. Уникальные свойства быстрорежущих сталей достигаются посредством специального легирования и сложной термической обработки, обеспечивающих определенный фазовый состав.