Стали общего назначения

Эти стали используются для изготовления режущего, штампового и мерительного инструмента, работающего при малых скоростях или с низкой производительностью. Например, рассмотрим работу слесарного молотка и напильника или ножовочного полотна ручной пилы. Молоток предназначен для забивания гвоздей в дерево или плющения мягкого металла, ножовочное полотно и напильник – для резки металла, то есть для разрушения металлической заготовки. Молоток – штамповый инструмент, а напильник – режущий.

Твердость и прочность бойка молотка должна быть намного выше, чем деформируемого металла или гвоздя, иначе боек молотка будет деформироваться. Но если боек будет хрупким, то он может разрушиться в результате скола и ранить слесаря. Значит, молоток должен иметь некоторый запас вязкости даже в ущерб прочности.

Напильник или ножовочное полотно выходят из строя по другой причине – в результате смятия или износа режущей кромки зуба. Значит, зубья полотна должны иметь максимально высокую твердость (прочность при сжатии). Снижение твердости режущей кромки может произойти в результате ее разогрева в процессе резания (снятия стружки), то есть в результате отпуска закаленной стали, из которой изготовлено полотно. Значит, полотно должно обладать не только начальной твердостью при комнатной температуре, но и свойством не понижать свою твердость при нагреве до максимальной рабочей температуры. Это свойство называется теплостойкостью.

Не трудно понять, что теплостойкость определяется ни только свойствами самой стали (процессами, протекающими в мартенсите при отпуске), но и технологией термической обработки, то есть температурой отпуска, так как изделие будет сохраняться свою твердость до тех пор, пока оно ни нагреется до температуры предшествующего отпуска. Для ножовочного полотна ручной пилы теплостойкость должна составлять ~ 300 ^оС, а для механической пилы – гораздо больше. Ещё меньшие требования по теплостойкости предъявляются к деревообрабатывающему инструменту. Поэтому такие полотна должны изготавливаться из разных марок сталей: полотно слесарное из стали широкого применения (низкой теплостойкости и высокой износостойкости), а полотно для механической пилы – из специальной стали (высокой теплостойкости).

Основными свойствами сталей общего назначения являются их твердость в упрочненном состоянии, теплостойкость и прокаливаемость. Для инструментов высокой точности так же требуется хорошая обрабатываемость на отделочных операциях, например, грубые карбидные включения не позволяют получить гладкую поверхность (малые Rz) после шлифовки. Это зачастую ограничивает применение некоторых легирующих элементов в больших количествах при легировании, ввиду огрубления карбидной фазы.

Группа инструментальных сталей общего назначения имеют повышенное содержание углерода (у легированных более 0,7% С), который обеспечивает необходимую твердость стали 62 – 65 HRC (вплоть до 67– 68 HRС) после закалки. Закалку стали проводят из двухфазной области аустенит + карбиды, чтобы в закаленном состоянии получить мартенситно-карбидную структуру и тем самым повысить износостойкость. Необходимая твердость у углеродистых низколегированных сталей 60 – 62 HRC сохраняется после нагрева не выше 175 – 250 ^оС. Поэтому температура отпуска этих сталей находится в пределех 180 – 220 ºС.

Карбидная фаза таких сталей представляет собой цементит или твердые растворы на основе цементита типа (Fe, Me)₃C, упрочняю­щий эффект которого незначителен.

При нагреве в процессе закалки эти стали получают более крупное зер­но (на 1–1,5 балла больще), чем высоколегированные теплостойкие стали.

В структуре закаленной стали присутствует до 15 – 25 % оста­точного аустенита, бóльшая часть которого остается после отпуска при температурах, сохраняющих высокую твердость.

При твердости 61– 63 HRС (после отпуска) предел прочности при изгибе не превышает 2000 – 2700 МПа, а предел прочности при сжатии 3800 – 4000 МПа. В таком состоянии стали чувствительны к снижению твердости при незначительном нагреве, например при шлифовании. Если в сталях, главным образом легированных мар­ганцем, сохраняется повышенное количество аустенита, то они чувствительны и к образованию шлифовачных трещин. Поэтому режимы шлифования инструментов, изготовленных должны быть умеренными с обильным охлаждением зоны механической обработки СОЖ (охлаждающей жидкостью).

Однако стали общего назначения обладают другими преимуществами по сравнению с высоколегированными инструментальными сталями:

1. Имеют более однородную структуру с мелкими и равномерно распределенными карбидами. Это позволяет изготавливать из этих сталей инструмент с острой кромкой.

2. Лучше обрабатываются после отжига резанием и давлением в холодном состоянии. Они обрабатываются также резанием в за­каленном и низкоотпущенном состояниях при твердости до 55 – 58 HRC.

3. Подвергаются более простой термической обработке; тем­пературы закалки не превышают 850 – 900 ^оС.

4. Пригодны для закалки наиболее производительным спосо­бом – с помощью индукционного нагрева.

Рассматриваемые стали используют, когда необходима высокая износостойкость при умеренных и значительных, но не максималь­ных удельных давлениях, но без повышенного нагрева, а именно для штампов холодного деформирования, инструментов для обработки дерева и ряда других синтетически материалов, измерительных и слесарно-монтажных инструментов, а так же неко­торых деталей машин. Для резания металлов эти стали используют ограниченно, Так как они нагреваясь выше 200 – 220 ºС теряют свои эксплуатационные свойства.

По химическому составу стали делят на углеро­дистые и легированные.

Главное влияние легирующих элементов заключается в повы­шении устойчивости переохлажденного аустенита при охлаждении, и, следова­тельно, в увеличении прокаливаемости и закаливаемости.

На прокаливаемость большое влияние оказывают легирующие элементы. Если они в отожженном и закален­ном состояниях стали присутствуют в феррите и аустените (кремний, марганец и хром) или же, находясь в карбидной фазе после от­жига (марганец, хром, молибден), то полностью или частично пере­ходят в твердый раствор при сравнительно низких температурах нагрева не вызывая значительного роста зерна. Более сильные карбидообразующие влияние оказывают вольфрам и ванадий. Они повышают прокаливаемость, если сталь содержит достаточное количество марганца и хрома. Молибден повышает прокаливаемость при меньших содержаниях марганца и хрома (рис. 104).

Марки сталей и типовые режимы термической обработки приведены в табл. 25.

Сталь У7 доэвтектоидная углеродистая. В закаленном состоянии имеет структуру мартенсита. Применяется для изготовления мелких неответственных штампов, клейм, ударного и режущего инструментов, работающих в холодном состоянии в основном при ручной обработке.

Рис. 104. Влияние легирующих элементов на прокаливаемость инструментальной стали: 1 – 1,4% Cr; 2 – 1,1%Cr, 1,3% Si; 3 – 2% Mn, 1,5% V; 4 – 1% Cr, 1% Mn, 1,4% V; 5 – 0,8% Cr, 0,8% Mn, 0,8% Si; 6 – 0,8% Cr, 0,8% Mn, 0,8% Si, 0,8%W, 0,8% V

Стали У10 и У12 используют для изготовления как штампового, так и режущего инструмента, работающего при небольших скоростях резания, например, для метчиков и плашек диаметром до 10 мм для ручной работы. Стали обладают низкой теплостойкостью. Поэтому при обработке на станках требуют интенсивного охлаждения СОЖ.

Для повышения прокаливаемости и износостойкости в инструментальные стали добавляют легирующие элементы. Хром и марганец слабо влияют на повышение износостойкости, но совместно интенсивно повышают прокаливаемость. Вольфрам и ванадий, образуя мелкодисперсные карбиды повышают износостойкость и слабо влияют на прокаливаемость. Поэтому сочетание (Сr, Mn) и (W, V) дают оптимальный комплекс свойств для инструментальных сталей, не требующих высокой теплостойкости. Кремний слабо влияет на твёрдость и износостойкость инструментальных сталей. Но он сдвигает интервал температур отпускной первого рода хрупкости в область бóльших значений и тем самым расширяет диапазон температур отпуска.

Таблица 25

Марки сталей и типовые режимы термической обработки

Марка стали	закалка		Критический диаметр		Отпуск
	Т, оС, среда	HRC	Вода	Масло	Т, оС	HRC
У7	800 – 820	60 –62	До 10	6	180 – 220	58 – 62
У10	780 – 800	62 – 64	До 12	6	180 – 220	60 – 63
У12	770 – 790	62 – 64	До 12	6	180 – 220	60 – 64
7ХФ	850 – 880, м	62 – 64	20 – 25	8 – 15	200 – 220	58 – 60
9ХФ	850 – 880, м 820 – 840, в	61 – 64 61 – 64	15 – 20	5 – 8	200 – 250	58 – 60 55 – 58
11ХФ	840 – 860, м 810 – 830, в	62 – 64 62 – 65	15 – 25	7 – 10	150 – 170	62 – 65 –
13Х	780 – 810,в	62 – 64	20 – 25	10 – 15	150 – 170	62 – 65
ХВ4	800 – 820, в	63 – 65	–	–	150 – 170	62 – 67
В2Ф	800 – 850, в	66 – 67	–	–	140 – 170	53 – 65
9Х	820 – 850, м	61 – 63	20 – 40	6 – 30	100 – 180	59 – 61
9ХС	840 _ 860, м	62 – 63	42 – 70	13 – 35	180 – 250	58 – 62
ХГС	820 – 860, м	62 – 64	72 – 100	46 – 67	150 – 160	61 – 63
ХВГ	830 – 850, м	62 – 64	–	–	150 – 200	62 – 63
9Х5ВФ	950 – 100, м	59	–	–	280 – 300	57 – 58

Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая прокаливаемость, что требует их охлаждения в воде при закалке. При таком охлаждении возникает опасность разрушения деталей и коробление.

Стали 7ХФ, 9ХФ, 11ХФ и 13Х применяются в основном, как режущие стали для лезвийного инструмента при обработке дерева (7ХФ), ножовочных полотен (11ХФ) и штампов холодного деформирования (9ХФ), например, для валков холодной прокатки диаметром до 300 мм. Ванадий, добавленный в сталь, обеспечивает мелкое зерно и, образуя карбиды ванадия, повышает износостойкость режущей кромки. Хром повышает прокаливаемость, что позволяет калить мелкий инструмент в масло с минимальным короблением. Но эти стали имеют низкую теплостойкость, которая определяется температурой отпуска.

Стали 9Х и 9ХС типичные штамповые стали для холодной деформации. Из них изготавливают валки холодной прокатки листа, штампы сложной конфигурации (например, штемпели для чеканки монет, значков и ювелирных изделий), а так же иногда применяют для изготовления легко нагруженного режущего инструмента: метчиков и резьбовых плашек, разверток, работающих по отожженному металлу, скарпелей и др. эти стали имеют удовлетворительную прокаливаемость при охлаждении в масле.

Стали ХГС и ХВГ – универсальные, которые применяют как для режущего, так и для штампового инструмента. Характерной их особенностью является повышенная износостойкость и высокая твердость. Прокаливаемость этих сталей составляет  70 мм. Они приобретают мартенситную структуру даже при охлаждении на воздухе. Это позволяет производить правку деталей в процессе ступенчатой закалки при окончательном охлаждении на воздухе. Поэтому их широко используют для изготовления длинномерного инструмента, например, протяжек.

Сталь ХГС дешевле, но применение ее ограничено ввиду плохой обрабатываемости шлифованием.

Сталь ХВ4 относится к группе ”алмазных“ сталей (типа В5), но с высокой прокаливаемостью, которую обеспечивает хром. Эти стали используют для изготовления зубил, скарпелей и долот, работающих по твердым горным породам.

Сталь марки 9Х5ВФ относится к сталям повышенной теплостойкости и применяется для изготовления штампов при интенсивной их работе.

Список инструментальных сталей широкого назначения не исчерпывается марками, представленными в табл. 25.