2. Инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435–90) содержат 0,65…,35% C. Они маркируются буквой «У» и одной-двумя цифрами: У7…У13, У7А…У13А. Буква "У" означает, что сталь углеродистая, число показывает содержание углерода в десятых долях процента, буква А означает, что сталь высококачественная, т. е. с пониженным содержанием вредных примесей, серы и фосфора.

Пример расшифровки стали марки У10А: сталь углеродистая, инструментальная, высококачественная, содержит ≈ 1,0% углерода.

Углеродистые инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью, хорошо шлифуются, дешевы и недефицитны. Теплостойкость этих сталей составляет 150…200 °С.

Окончательная термическая обработка включает закалку и отпуск. Структура закаленной стали состоит из мартенсита с мелкими карбидами.

Инструменты из этих сталей могут работать лишь при небольших скоростях резания до 15…18 м/мин. Область применения данных сталей приведена в табл. 1.2.

Таблица 1.2 Область применения

углеродистых инструментальных сталей (ГОСТ 1435-90)

Марка стали	Твердость HRCЭ, не менее	Область применения
У7, У7А, У8, У8А, У8Г, У8ГА	62	Зубила, ножницы, деревообрабатывающий инструмент, штампы.
У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А	62	Метчики, сверла, развертки, ножовки.
У12, У12А, У13, У13А	63	Напильники, граверный инструмент

Легированные инструментальные стали

Легированные инструментальные стали (ГОСТ 5950–2000) обычно содержат 0,9…1,4% углерода (С). Суммарное содержание легирующих элементов (Cr, W, Mn, Si, V и др.) не превышает 5%. Все стали этой группы производят высококачественными.

По своему химическому составу легированные инструментальные стали отличаются от углеродистых повы­шенным содержанием кремния или марганца, или нали­чием одного или нескольких легирующих элементов: хрома (увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость материала, понижает его пластичность); нике­ля (повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, прокаливаемость материала); вольфрама (повышает твердость и теплостойкость материала); ванадия (повышает твердость и прочность материала, способствует образо­ванию мелкозернистой структуры); кобальта (увеличи­вает ударную вязкость и жаропрочность материала); молибдена (повышает упругость, прочность, теплостой­кость материала). Для режущих инструментов исполь­зуются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склон­ностью к короблению, но теплостойкость их практически равна теплостойкости углеродистых сталей 200...260 °С и поэтому они используются для изготовления ручных инструментов (разверток) или инструментов, предназна­ченных для обработки на станках с низкими скоростями резания (мелкие сверла, развертки).

Стали данной группы маркируются цифрами и буквами. В начале марки цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Отсутствие цифры означает, что содержание углерода составляет около 1%. Буквы за цифрами – соответствующий легирующий элемент, цифра за буквой – среднее содержание этого элемента в целых процентах. Отсутствие цифры означает, что данного элемента содержится ≈ 1%.

При маркировке используют следующие буквенные обозначения легирующих элементов: В – вольфрам, Г – марганец, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром.

Пример расшифровки стали марки ХВГ: сталь инструментальная, легированная, высококачественная, содержит С ≈ 1% – углерода, Cr ≈ 1% – хрома, W ≈ 1% – вольфрама, Mn ≈ 1% – марганца.

Окончательная термическая обработка – закалка и отпуск. Структура закаленной стали – легированный мартенсит, карбиды и остаточный аустенит. Теплостойкость этих сталей не превышает 200…260 °С.

Низколегированные стали В2Ф, 13Х и др. применяют для слесарных инструментов (плашек, разверток, метчиков, шаберов, зубил и др.).

Среднелегированные стали ХВСГ, 9ХС, ХВГ и др. служат для изготовления разверток, фасонных резцов, сверл малого диаметра, концевых фрез, протяжек, метчиков и других инструментов, работающих при скоростях резания до 25 м/мин (табл. 1.3).

Таблица 1.3 Область применения

легированных инструментальных сталей (ГОСТ 5950-2000)

Марка стали	Твердость HRCЭ, не менее	Область применения
ХВ4	65	Граверный инструмент, резцы.
Х	60	Зубила, строгальные и долбежные резцы.
9ХС	60	Сверла, развертки, метчики, плашки,
Х12ВМ	60	Холодные штампы, волоки.
4Х5В2ФС	50	Пресс-формы для литья под давлением.
6ХВГ	57	Пуансоны сложной формы.

Быстрорежущие стали

Инструменты из быстрорежущих сталей имеют высокую теплостойкость (550…650 °С), что позволяет им работать со скоростями резания в 3…4 раза большими (до 100 м/мин), чем инструментом, изготовленным из углеродистых и легированных сталей.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265–73) содержат 0,7..1,5% C, до 18% W и др. элементы. В обозначении марок стоит буква "Р" (от англ. слова "Rapid"), что в переводе означает "быстрый": цифры за этой буквой показывают среднее содержание вольфрама. Вольфрам является основным легирующим элементом, так как обеспечивает высокую теплостойкость. Добавление ванадия повышает теплосостойкость инструмента до 650 °С.

Пример расшифровки стали Р9: сталь быстрорежущая, высококачественная, содержит 9% вольфрама.

Таблица 1.4 Область применения

быстрорежущих инструментальных сталей (ГОСТ 19265-73)

Марка стали	Твердость HRCЭ, не менее	Область применения
1	2	3
Р18	63	Легированные конструкционные стали.
Р6М5	64	Легированные конструкционные стали.
Р9К5	64	Чистовая и получистовая обработка углеродистых и легированных конструкционных сталей.
Р6М5Ф3	65	Чистовая и получистовая обработка углеродистых и легированных конструкционных сталей.
1	2	3
Р6М5К5	65	Чистовая и получистовая обработка улучшеных легированных и нержавеющих сталей.
Р12Ф3	64	Чистовая обработка вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными свойствами.

Современные быстрорежущие стали можно разде­лить на четыре группы.

Стали нормальной теплостойкости. К ним относятся воль­фрамовые Р18, Р12, Р9 и вольфрамомолибденовые Р6М5, Р6МЗ, Р8МЗ (табл. 1.5). Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии 63...66 НRС_э, предел прочности при изгибе 2900...3400 МПа, ударную вязкость 2,7... 4,8 Дж/м² и теплостойкость 600...650 °С. Указанные марки сталей получили наиболее широкое распространение при изготовлении режущих инструментов. Они используются при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс. Иногда применяются быстрорежу­щие стали, дополнительно легированные азотом (Р6АМ5, Р18А и др.), которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает режущие свойства инструмента на 20...30 %, твердость – на 1…2 единицы НRС_э.

Таблица 1.5. Некоторые свойства быстрорежущих сталей

нормальной теплостойкости.

Марка стали	ρ, г/см3	Твердость		После закалки		Температура, С		Теплостойкость, оС
		После отжига, НВ	После закалки и отпуска, НRСэ	, МПа	105, Дж/м2	Закалки	Отпуска
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Р18	8,75	265	63	2,9…3,1	3,0	1270	560	620
Р9	8,3	255	63	3,35	2,0	1220	550	620
Р6М5; Р6АМ5	8,15	255	64	3,3…3,4	4,8	1220	550	620
11Р3АМ3Ф2	7,9	255	63	2,9…3,1	4,5	1200	550	620
Р6М5Ф3	8,15	269	64	-	4,0	1220	550	630
Р12Ф3	8,39	269	64	3,0…3,1	2,7	1250	560	630
Р9К5	8,25	269	64	2,5	0,7	1230	570	630
Р6М5К5	8,15	269	65	3,0	2,75	1230	550	630
Р9М4К8	8,3	285	65	2,5	2,6	1230	550	630

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода — 10Р8МЗ, 10Р6М5; ванадия — Р12ФЗ, Р2МЗФ8, Р9Ф5; кобальта — Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9К5, Р9К10, Р9М4К8Ф, 10Р6М5Ф2К8 и др.

Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 66...70 НRС_э, они имеют более высокую теплостойкость (до 620...670 °С). Это дает возможность использовать их для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышен­ной прочности и закаленных. Период стойкости инстру­ментов из таких сталей в 3…5 раз выше, чем из сталей Р18, Р6М5.

Таблица 1.6. Некоторые составы высокованадиевых сталей.

Марка стали	Химический состав, % (масса)
	С	W	Мо	Сr	V
Р12Ф4 Р6М5Ф3 Р6М5Ф4	1,27 1,2 1,3	12 5,8 5,8	до 1 5,0 5,0	4,0 4,2 4,2	4,0 3,0 4,0

Таблица 1.7. Составы наиболее применяемых кобальтовых

быстрорежущих сталей.

Марка стали	Химический состав, % по массе
	C	W	Mo	Cr	V	Co
Р9К5 Р9К10 Р18Ф2К5 Р6М5К5 Р6М5К8 Р2М9К8 Р12Ф4К5	0,9 0,9 0,77 0,88 0,90 0,90 1,35	9,0 9,0 18,0 6,2 6,2 1,8 12,2	до 1,0 до 1,0 до 1,0 5,0 5,0 8,6 до 1,0	4,0 4,0 4,0 4,0 4,1 4,0 4,5	2,3 2,3 1,5 1,9 1,9 2,0 4,0	5,0 10,0 5,0 5,0 8,0 8,2 4,8

Стали высокой теплостойкости характеризуются пони­женным содержанием углерода, но весьма большим коли­чеством легирующих элементов — Bl1M7K23, В14М7К25, ЗВ20К20Х4Ф. Они имеют твердость 69...70 HRC_Э, и тепло­стойкость 700....720 °С. Наиболее рациональная область их использования — резание труднообрабатываемых ма­териалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 30…80 раз выше, чем из стали Р18, и в 8…15 раз выше, чем из твердого сплава ВК8. При резании конструкционных сталей и чугунов период стойкости возрастает менее значительно (в 3…8 раз).

Таблица 1.8. Составы некоторых сталей высокой теплостойкости.

Марка стали	Химический состав, % по массе
	C	W	Mo	Cr	V	Co
В11М7К23 В14М7К25	0,1 0,1	11,0 14,0	7,0 7,0	- -	0,5 0,5	23,0 25,0

Безвольфрамовые стали

В связи с острым дефицитом вольфрама в СССР и за рубежом разрабатываются безвольфрамовые инструмен­тальные материалы, в том числе быстрорежущие стали.

К таким сталям относятся маловольфрамовые Р2М5, РЗМЗФ4К5. Р2МЗФ8, А11РЗМЗФ2 и безвольфрамовая 11М5Ф. Эксплуатационные свойства указанных сталей близки к свойствам традиционных быстрорежущих сталей соответствующих групп.

В последние годы нашли применение безвольфрамовые стали М6Ф1, М6Ф3, М5Ф1С, М5Ф1С4 и др.

Перспективным направлением в повышении качества быстрорежущих сталей является получение их методами порошковой металлургии. Стали Р6М5К5-П (П — по­рошковая), Р9М4К8-П, Р12МЗФЗК10-П и другие имеют очень однородную мелкозернистую структуру, хорошо шлифуются, меньше деформируются при термообработке, отличаются стабильностью эксплуатационных свойств. Период стойкости режущих инструментов из таких ста­лей возрастает до 1,5 раза.

Наряду с порошковыми бы­строрежущими сталями хорошо зарекомендовали себя так называемые карбидостали, содержащие до 20 % TiC, которые по служебным характеристикам занимают про­межуточное место между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.