1.6.1.Инструментальные стали

Инструментальные стали по своему химическому составу, степени легированности подразделяются на инструментальные углеродистые, инструментальные легированные и быстрорежущие стали.

Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У, за ней следует цифра, характеризующая содержание углерода в стали, умноженное на 10. Так, в стали марки У10 содержание углерода составляет 1%. Буква А в конце соответствует высококачественным сталям с пониженным содержанием примесей.

Углеродистая инструментальная сталь (У7А – У13А) мало используется для изготовления режущего инструмента ввиду ее недостаточной теплостойкости. Из нее изготовляют инструменты небольших размеров (дисковые пилы, сверла небольшого диаметра, развертки, метчики, протяжки, круглые плашки, зенкеры, долбяки, гребенки), работающие при скорости 10-15м/мин. Применяется в едином и мелкосерийном производстве для изготовления инструмента.

Характерной особенностью углеродистой стали, является ее неглубокая прокаливаемость, это свойство ценно для инструментов, работающих на удар. После закалки и отпуска инструменты из этой стали, хорошо шлифуются и доводятся, что обеспечивает высокую остроту режущей кромки, и поэтому они применяются там, где требуется получить высокое качество обработанной поверхности при малых скоростях резания.

Инструментальные легированные стали обозначаются цифрой, которая характеризует содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то углерода приблизительно 1%), за которой следуют буквы, соответствующие легирующим элементам (Г – марганец, Х – хром, С – кремний, В – вольфрам, Ф - ванадий), и цифры, обозначающие содержание элемента в процентах. Инструментальные легированные стали глубокой прокаливаемости марок 9ХС, ХВСГ, Х, 11Х, ХВГ отличаются малыми деформациями при термической обработке. По применению инструментальные легированные стали, подразделяются на две группы.

1) сталь для режущего и измерительного инструмента

2) сталь для штамповочного инструмента.

Наибольшее распространение для изготовления режущего инструмента получает сталь 9ХС, ХВСГ, ХВГ, основное применение которой, это изготовление длинных тонких стержневых инструментов, таких как протяжки, сверла, метчики.

Разупрочнение мартенсита при нагреве во время резания закаленных углеродистых сталей происходит при температуре . В легированных и быстрорежущих сталях разупрочнение мартенсита сдерживается наличием легирующих элементов, которые имеют большее, чем железо, сродство с углеродом и образуют более теплостойкие карбиды, которые легко растворяются в -железе.

В инструментальных легированных сталях массовое содержание этих элементов недостаточно, чтобы связать углерод в карбиды, поэтому теплостойкость сталей этой группы лишь на превышает теплостойкость инструментальных углеродистых сталей.

В быстрорежущей стали повышается теплостойкость до , что достигается за счет соединения большей части углерода в карбиды легирующих элементов (вольфрам, молибден, хром, ванадий), при этом исключается образование карбидов железа.

В обозначение марки быстрорежущей стали, включаются буквы, обозначающие основные карбидообразующие и легирующие элементы: P - вольфрам, M – молибден, Ф - ванадий, A - азот, K - кобальт, T - титан; Ц- циркон. Цифра обозначает среднее содержание элемента в %. Содержание хрома в быстрорежущих сталях составляет примерно 4% (табл. 1.2).

Таблица 1.2.

Примерное содержание легирующих элементов в быстрорежущей стали.

Группа (стандарт ИСО 4957-80)	Марка (ГОСТ 19265-73 (в ред. 1991))	Средний химический состав, %
		C	W	Mo	Cr	V	Co
Базовая	Р6М5 Р18	0.86 0.78	6.0 17.75	5.0 до 1	4.1	1.9 1.2	До 0.5
С увеличенным содержанием углерода и ванадия	Р6М5Ф3	1.0	6.2	5.0	4.1	2.5	До 0.5
Содержащая кобальт	Р6М5К5 Р9М4К8	0.9 1.05	6.2 9.0	5.0 4.0	4.1 3.3	1.9 2.5	5.0 8.0

Углерод - должен находится в определенном соотношении с карбидообразующими элементами. В последние годы наблюдается тенденция повышения содержание углерода - это повышает твердость, красностойкости, но снижает прочность, ухудшает технологические свойства. Вольфрам придает быстрорежущей стали теплостойкость, хром обеспечивает хорошую прокаливаемость и коррозионностойкость; ванадий увеличивает теплостойкость, но при этом ухудшается шлифуемость; молибден повышает теплопроводность стали; кобальт придает повышенную твердость и теплостойкость, но увеличивает хрупкость стали и появляется склонность к обезуглероживанию.

Все это приводит к тому, что разупрочнение быстрорежущих сталей происходит при более высоких температурах (табл. 1.3).

Быстрорежущие стали подразделяют на три группы.

Базовая группа (стали нормальной производительности) предназначены в основном для обработки конструкционных сталей с твердостью до , феррито-перлитных чугунов с твердостью до и цветных сплавов. Основной маркой этой группы является сталь Р6М5, которая предназначена для изготовления большинства режущих инструментов: резцов, фрез, сверл, зенкеров, разверток, протяжек, резьбообрабатывающих инструментов. Режущие свойства инструментов из сталей Р6М5 и Р18 практически равноценны для подавляющего вида инструментов и областей их применения. Сталь Р18 обладает лучшей шлифуемостью и поэтому применяется, когда изготовление инструментов из стали Р6М5 затруднено.

Таблица 1.3.

Показатели прочности, твердости и теплостойкости

Марка (ГОСТ 19265-73 (в ред. 1991))	,		Теплостойкость, , при твердости
Р6М5	3000…4000	63…66	650
Р18	2600…3200	62…65	620
Р6М5Ф3	2000…3200	64…66	630
Р6М5К5	2400…3000	64…66	630
Р9М4К8	2000…2700	64…67	630

Инструменты из быстрорежущих сталей с увеличенным содержанием углерода и ванадия составляют группу повышенной изностойкости. Сталь Р6М5Ф3 обладает износостойкостью на 30…40% больше, чем Р6М5, но уступает ей по шлифуемости. Сталь Р6М5Ф3 применяется с целью повышения стойкости инструментов, таких как резцы, сверла, зенкеры и т.п.

Быстрорежущие стали повышенной производительности, содержащие кобальт, предназначены для обработки конструкционных сталей и перлитных чугунов с твердостью более . Применение стали Р6М5К5 обеспечивает по сравнению с Р6М5 рост скорости резания в среднем на 20%, или увеличение количества периодов стойкости инструментов в 1.5…3 раза. Сталь Р9М4К8 обладает повышенной износостойкостью по сравнению с Р6М5К5, но уступает ей по прочности, шлифуемости и является более дорогой. Она применяется, когда режущие свойства стали Р6М5К5 недостаточны. В отдельных случаях обработка деталей высокой твердости осуществляется с применением быстрорежущей стали Р12М3Ф2К8. Эта сталь превосходит по износостойкости Р9М4К8, но уступает ей по прочности и шлифуемости и значительно дороже. Целесообразность применения стали Р12М3Ф2К8 на конкретных операциях определяется предварительным испытанием.

Основной наиболее применяемой кобальтсодержащей быстрорежущей сталью является сталь Р6М5К5.

Быстрорежущие стали с интерметалидным упрочнением (дисперсионно твердеющие) называют сплавами. С<0,1-0,3%, имеют твердость , теплостойкость , высокую износостойкость, удовлетворяющая прочности МПа.

Прочность увеличивается при нагреве на 40% свыше .

В состав этих сталей входят легирующие элементы: кобальт 16-25%, вольфрам 11-20%, молибден 4-7%.

Эти стали могут быть безуглеродистыми и углеродистыми.

К безуглеродистым сталям относятся В11М7К23, В14М7К25, В18М4К25, В18К25Х4, В7К25.

К углеродистым сталям относятся 25В20К25ХФ, 30В20К16, ВНИИ-1, ВНИИ-2

Инструменты из этих сталей плохо обрабатываются резанием, применяют их для сверления, фрезерования, строгания, труднообрабатываемых материалов, свойства которых влияют на режущие свойства инструментов (титановые сплавы) при их обработке.

Порошковые быстрорежущие стали получают методом прессования порошка, получаемого распылением расплавленной стали в среде инертных газов. Распыленные частицы имеют сферическую форму малого размера.

К этим сталям относятся Р8М3К6С, Р9М4К8, Р6М5Ф2КВ. Они имеют однородную структуру, значительно прочнее и лучше шлифуются по сравнению со сталями того же химического состава, изготовленными по обычной технологии. Это позволяет изменить легирование порошковых быстрорежущих сталей, увеличив в них содержание углерода и ванадия и повысив таким образом, износостойкость инструментов при достаточной прочности и удовлетворительной шлифуемости. Порошковые быстрорежущие стали позволяют повысить стойкость инструментов в 1.3…2 раза по сравнению с аналогами, получаемыми по обычной технологии (например, Р6М5Ф3-МП – Р6М5Ф3; Р5М5К5-МП – Р6М5К5).

Дальнейшее повышение режущих свойств быстрорежущих сталей возможно путем:

• выплавки сталей в вакуумно-дуговых печах с использованием метода электрошлакового переплава;

• использование методов порошковой металлургии с целью получения сталей мелкозернистой структуры повышенной прочности и высокой степени легированности;

• применение термомеханической и химико-термической обработки, а также поверхностного пластического упрочнения;

• нанесение износостойких покрытий из карбидов и нитридов титана, ниобия и других элементов.