Инструментальные стали

По химическому составу, степени легированности инструментальные стали разделяются 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.

Нетеплостойкие стали (материалы теплостойкие до температуры 200–240 °С )

К этой группе сталей относятся:

1. Углеродистые инструментальные стали качественные (У7-У13) и высококачественные (У7А-У13А) или стали неглубокой прокаливаемости.

2. Низколегированные стали Х, 9ХС, ХВГ, В1, В2Ф, 6ХС, 6ХВ2С, 7ХФ, ХГ2М

Нетеплостойкие стали
(материалы теплостойкие до температуры 200–240 °С )

Углеродистые сталииз-за малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость (критический диаметр 15 мм), поэтому их применяют для изготовления мелких инструментов с поперечным сечением до 25 мм с незакаленной сердцевиной. При несквозной прокаливаемости наблюдается меньшая деформация инструмента при закалке. Инструмент с незакаленной вязкой сердцевиной обладает большей устойчивостью к ударам и вибрациям.

Нетеплостойкие стали
(материалы теплостойкие до температуры 200–240 °С )

Нетеплостойкие стали
(материалы теплостойкие до температуры 200–240 °С )

Достоинства – дешевизна, невысокая твердость после отжига (166–192 НВ) и хорошая обрабатываемость резанием и давлением в отожженном состоянии.

Недостатки – узкий интервал закалочных температур и необходимость закалки с охлаждением в воде или в водных растворах щелочей (солей), что усиливает деформацию и коробление инструмента и способствует образованию трещин. Поэтому инструменты сложной формы с резкими переходами и большим соотношением длины к диаметру из углеродистых сталей не изготавливают. Термическая обработка для этих сталей - закалка и низкий отпуск (60-63 HRC ).

Углеродистые стали применяют для мелкого инструмента, работающего из-за низкой их теплостойкости с малыми скоростями резания, так как при нагреве выше 190–200 °С твердость инструмента значительно понижается.

Нетеплостойкие стали
(материалы теплостойкие до температуры 200–240 °С )

Нетеплостойкие стали
(материалы теплостойкие до температуры 200–240 °С )

Низколегированные инструментальные стали меньше чувствительны к перегреву, имеют большую прокаливаемость и позволяют проводить охлаждение при закалке в масле, что уменьшает деформацию и коробление инструмента. Поэтому из легированных сталей изготавливают инструменты сложной формы с большим отношением длины к диаметру (например протяжки).

Так, стали 9ХС и ХВСГ характеризуются повышенной закаливаемостью и прокаливаемостью, вследствие чего они получают высокую твердость (HRC 62–63) как при охлаждении в масле, так и при ступенчатой закалке. Кроме того, инструмент из этих сталей сохраняет высокую твердость режущей кромки при нагреве до 225–250 °С. При ступенчатой закалке деформация инструмента незначительна.

Недостатком сталей 9ХС, ХВСГ является склонность к их обезуглераживанию при нагреве и повышенная твердость в отожженном состоянии (HB 1870–2410), что ухудшает обрабатываемость этих сталей резанием.

Нетеплостойкие стали
(материалы теплостойкие до температуры 200–240 °С )

Низколегированные инструментальные стали используют для изготовления круглых плашек, разверток, зенкеров.

Такие легированные инструментальные стали, как 9ХС и ХВСГ, не обладают высокой устойчивостью против отпуска и пригодны только для резания с небольшой скоростью.

Легированные стали закаливают в масле и подвергают отпуску при 150–160 °С для сохранения твердости НRC 61–64

Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У, за которой следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали в десятых долях процента

В инструментальных легированных сталях первая цифра, характеризует массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода в ней до одного процента).

Буквы в обозначении указывают на содержание соответствующих легирующих элементов:

Г- марганец, Х - хром, С - кремний,

В - вольфрам, Ф - ванадий, а цифры обозначают содержание элемента в процентах. Инструментальные легированные стали глубокой прокаливаемости марок

9ХС, ХВСГ, Х, 11Х, ХВГ отличаются малыми деформациями при термической обработке.

Инструментальные углеродистые (ГОСТ 1435-74) и легированные (ГОСТ 5950-73) стали

Эти материалы имеют ограниченные области применения: углеродистые идут, в основном, для изготовления слесарных инструментов, а легированные - для резьбообразующих, деревообрабатывающих и длинномерных инструментов (ХВГ)- протяжек, разверток и т.д.

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали обозначаются в соответствии с ГОСТ 19265 и содержат 0,7-1,5 %С, поставляются высококачественными.

В марках стали буквы и цифры обозначают Р – быстрорежущая (от англ. слова “Rapid” – быстрый, скорый), цифра, следующая за буквой – среднюю массовую долю вольфрама, М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, А – азот; цифры, следующие за буквами, означают соответственно массовую долю молибдена, ванадия, кобальта; Ш – электрошлаковый переплав.

Твердые сплавы

Под твердыми сплавами понимают сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой, как правило, кобальтом. Твердые сплавы являются металлокерамическими.

Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют эту смесь в изделия необходимой формы и подвергают спеканию при 1400–1550 °С в защитной атмосфере (водород) или в вакууме.

При спекании кобальт плавится и растворяет часть карбидов, что позволяет получать плотный материал (пористость не превышает 2 %), состоящий на 80–97 % из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение содержание связки вызывает снижение твердости, но повышение прочности.

Физико-механические свойства одно-, двух- и трехкарбидных твердых сплавов

Такие материалы обладают высокой твердостью HRA 80–92 (HRCэ 73–76), износостойкостью и высокой теплостойкостью (до 800–1000°С).

Их недостатком является высокая хрупкость и сложность изготовления фасонных изделий.

Скорость резания твердосплавным инструментом в 5–10 раз выше скорости резания быстрорежущим.

В металлообработке стандартом ISO выделены три группы применяемости твердосплавного режущего инструмента:

Твердые сплавы, в основном, выпускаются в виде различных по форме и точности изготовления пластин: напайных (наклеиваемых) - по ГОСТ 25393-82 или сменных многогранных - по ГОСТ 19043-80 - 19057-80 и другим стандартам.

Пластины общего назначения

Схема кодирования пластин

Безвольфрамовые твердые сплавы

Общим недостатком рассмотренных сплавов, помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья — основного компонента, определяющего их повышенные физико-механические характеристики. Поэтому перспективно направление использования безвольфрамовых твердых сплавов. Хорошо себя зарекомендовали сплавы, в 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 % Mo соответственно, остальное — карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-30 в качестве связующего металла применяют в основном никель в количестве 16–30 %. Концентрация молибдена составляет 5–9 %, остальное — также карбид титана. Твердость подобных твердых сплавов составляет 87–94 HRA, сплавы имеют высокую износо- и коррозионную стойкость. Их используют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.

Состав физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов