Легированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-2000)

Относятся к сталям повышенной прокаливаемости (критический диаметр после закалки в масле –40-90мм), в меньшей степени, чем углеродистые, подвержены деформации и короблению и поэтому предназначены для изготовления инструмента сложной формы (резьбонарезной инструмент, фрезы, протяжки, сверла и т.д.).

Как правило, легированные инструментальные стали содержат 1-3% легирующих элементов (9ХС, Х, ХВСГ и т.д.). Хром в эти стали, как впрочем и кремний, вводят для увеличения прокаливаемости, а марганец увеличивает количество остаточного аустенита при закалке и минимизирует деформации.

Стали этой группы закаливают в масле или горячих средах с температур 850-875⁰С на структуру мартенсит, вторичный легированный цементит и остаточный аустенит (8-10%). Окончательные механические свойства легированных сталей обеспечиваются низкотемпературным отпуском (150-160⁰С) в течение 1-1,5 часа, который сохраняет твердость на уровне НRС61-64.

К недостаткам легированных инструментальных сталей относится склонность к обезуглероживанию, повышенная твердость в отожженном состоянии, что понижает обрабатываемость резанием, и их невысокая устойчивость против отпуска, т.е. стали могут использоваться при резании с небольшой скоростью и малыми подачами.

Для пил по металлу, граверного инструмента используют стали с повышенным содержанием вольфрама (В2Ф или ХВ5), которые после закалки и низкого отпуска имеют твердость на уровне НRС67.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73).

Эти стали предназначены для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Отличительной особенностью быстрорежущих сталей является их высокая теплостойкость (красностойкость), т.е. способность сохранять мартенситную структуру, и соответственно высокие твердость, прочность, износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке (до 600-620⁰С).

Основными легирующими элементами являются вольфрам и его химический аналог молибден. Быстрорежущие стали вольфрамовые (Р18, Р12, Р9) и вольфрамомолибденовые (Р6М5, Р6М3) относятся к сталям нормальной производительности. Их применяют для инструмента чистовой обработки конструкционных и инструментальных углеродистых и легированных сталей (сверла, фрезы, протяжки, развертки, фасонные резцы и т.д.).

Для обработки изделий из высокопрочных, жаропрочных, коррозионно-стойких, нержавеющих сталей, титановых сплавов, пластмасс и других трудно обрабатываемых материалов в состав быстрорежущих сталей вводят кобальт и ванадий (до 3%): Р6М5К5, Р9М4К8, Р3М3Ф3 и т.д. Эти стали относятся к сталям повышенной производительности и из них изготавливают инструмент для черновой и получистовой обработки: долбяки, фрезы, сверла, резцы.

Быстрорежущие стали, относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Их фазовый состав в отожженном состоянии представляет собой легированный феррит и карбиды M₆C, M₂₃C₆, MС, M₃C.

В феррите растворена большая часть хрома, которого в быстрорежущих сталях около 4%. Почти весь вольфрам, молибден и ванадий находятся в карбидной фазе, основной из которой является M₆С.

Для придания стали теплостойкости быстрорежущие стали подвергают закалке с температуры больше 1200⁰С (в зависимости от химического состава Т_зак. стали Р6М5 равна 1210-1230⁰С, Р18-1270-1290⁰С) и многократному отпуску. Высокая температура нагрева при закалке необходима для растворения вторичных карбидов и получения высоколегированного аустенита, который в результате закалки превращается в высоколегированный мартенсит, обладающий высокой устойчивостью против отпуска, т.е. теплостойкостью.

Однако даже при таком высокотемпературном нагреве растворяется более 60% карбидов, оставшиеся избыточные (эвтектические и вторичные) карбиды способствуют получению мелкого зерна (балл 10-11). Кроме того, после закалки наряду с мартенситом и карбидами в структуре обязательно присутствует остаточный аустенит (30 и более %), который понижает режущие свойства стали. Поэтому после закалки проводят многократный (трехкратный) отпуск, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит, что приводит к повышению твердости (вторичная твердость). Отпуск проводится при температуре 550-570⁰С. В процессе выдержки при этой температуре из аустенита выделяются карбиды типа MC, что снижает общую насыщенность γ-твердого раствора и способствует его превращению в мартенсит при охлаждении. Для полного устранения А_ост отпуск повторяют 2-3 раза (чаще 3), с продолжительностью каждого 45-60 мин.

Твердость сталей после такой обработки – НRС63-65, причем она сохраняется при последующих нагревах до 600-620⁰С, обеспечивая теплостойкость стали. В ряде случаев многократный отпуск заменяют на обработку холодом и однократный отпуск при 560⁰С.

Стали для измерительных инструментов.

Стали для измерительных инструментов должны иметь высокую твердость, износостойкость, сохранять свои размеры при эксплуатации. Для этой цели применяют сталь Х (0,95-1,10% С; 1,3-1,65%Cr) или сталь 12Х1 с 1,15-1,25%С.

Термическая обработка этого класса сталей базируется на том, что в закаленной высокоуглеродистой стали при комнатной температуре в течение продолжительного времени протекает старение, в процессе которого происходит частичный распад мартенсита и превращение некоторого количества А_ост в мартенсит.

Старение вызывает небольшое изменение объема и линейных размеров, что недопустимо для измерительного инструмента высоких классов точности.

Для предупреждения старения измерительный инструмент после закалки, как правило, обрабатывают холодом (при –65- -70⁰С) для более полного превращения аустенита, а затем длительно (12-24 час) отпускают при 120-130⁰С. Твердость после такой обработки - НRC62-64.

Измерительные скобы, шаблоны, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготавливают из листовой стали 15, 15Х, а для получения высокой твердости на поверхности инструмент подвергают цементации и закалке.