Инструментальные стали

К инструментальным сталям относятся легированные стали повышен­ной прокаливаемости и специальные легированные стали - штамповые и быстрорежущие.

Легированные инструментальные стали в соответствии с особен­ностями их химического состава условно можно отнести к трем груп­пам. Первую группу образуют стали X, 9ХС и ХВСГФ. Присадки хрома в количестве 1_1,5 % обеспечивают повышение прокаливаемоести сталей. Кремний (до 1,6 %) дополнительно улучшает прокаливае-мость и повышает отпускоустойчивость. В большей степени условиям рационального легирования отвечает сталь ХВСГФ, дополнительно легированная вольфрамом, ванадием и марганцем. Она обладает наилучшим комплексом свойств среди легированных инструмен­тальных сталей (ав = 2500...2700 МПа, сохраняет твердость 60 HRC3 до 250...260 °q.

Ко второй группе относятся стали 9Г2Ф, 9ХВГ и ХВГ, отличающиеся повышенным содержанием марганца при нормальном (на уровне при­меси) содержании кремния^ Марганец, вызывая при закалке резкое снижение температурного интервала мартенситного превращения в стали, способствует сохранению повышенного количества остаточ­ного аустенита в ее структуре. Как следствие, уменьшается уровень термических напряжений и деформаций при закалке инструмента. По этой причине стали получили название малодеформирующихся.

В третью группу входят стали В2Ф и ХВ4Ф, легированные вольфра­мом и отличающиеся повышенной твердостью. У стали ХВ4Ф благо­даря образованию в структуре наряду с цементитом карбидов М6С твердость после термической обработки достигает 68...70 HRC3. Тер­мическая обработка инструмента, изготовленного из легированных сталей, заключается в отжиге, закалке и низком отпуске. Для вольф-рамосодержащих сталей вместо отжига проводят высокий отпуск.

Из легированных сталей изготавливают крупногабаритный ин­струмент, температура которого в процессе работы не превышает 150...200 °С. Номенклатура инструмента - круглые плашки, крупные протяжки и зенкеры, обрабатывающие мягкие материалы, крупные вытяжные штампы, прошивные пуансоны и т. п. Сталь X используют главным образом для измерительного инструмента.

Штамповые стали подразделяются на две группы - стали для штампов холодного и горячего деформирования.

Инструмент для деформации металла в холодном состоянии должен иметь высокую твердость (> 58 HRC3). Для такого инструмента обычно используют стали со структурой низкоотпущенного мартенсита, со­держащие около 1 % углерода. Штампы небольших размеров и про­стой конфигурации с относительно легкими условиями работы из­готавливают из углеродистых инструментальных сталей (штампы диаметром до 30 мм для высадки и вытяжки, деформирующие с не­большой скоростью, чеканочные с глубокой гравюрой для обработки мягких цветных металлов и т. п.). Для аналогичных штампов, отли­чающихся более сложной конфигурацией и более тяжелыми условия­ми работы, применяют легированные инструментальные стали.

Для штампов холодного деформирования, работающих в условиях высоких динамических нагрузок, используются специальные инстру­ментальные стали повышенной ударной вязкости (6ХЗМФС, 6ХС, 6ХВ2С и 7X3). Отличительный признак химического состава этих сталей - пониженное содержание углерода, что и является залогом их повышенной вязкости.

Особую группу холодноштамповых сталей образуют стали леде-буритного класса, отличающиеся повышенным содержанием хрома (Х12, Х12Ф1, Х12МФ, Х12ВМФ). Высокохромистые стали обладают повышенной прокаливаемостью (до 250 мм) и износостойкостью (за счет присутствия в структуре стали большого количества особо твер­дых карбидов Сг2С3). Они используются для тяжелонагруженного хо-лодноштампового инструмента, работающего с повышенной скоро­стью. После закалки с температур 950...1010 °С инструмент отпуска­ют на твердость 60...63 HRC3npn 150...160 °С, ана57...58 HRQ,-при 26О...275°С.

Стали для штампов горячего деформирования, или, как их еще на­зывают, молотовые, должны обладать повышенной ударной вязко­стью в крупных сечениях (более 0,4 МДж/м2 на образцах с надрезом). Для выполнения этого важнейшего условия содержание карбидооб-разующих элементов в стали ограничивается в ущерб таким свойст­вам, как износостойкость и теплостойкость (стали сохраняют твер-дость451ШСэдо350...450 °С). Высокая прокаливаемость достигается за счет легирования хромом, никелем, марганцем. Представителями молотовых горячештамповых сталей являются 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС 4ХМФС.

Прессовый инструмент, штампы горизонтально-ковочных машин, а также матрицы пресс-форм литья под давлением изготавливают из более легированных сталей, теплостойкость которых для твердости 45 HRC3 составляет 590...630 °С. Наиболее широко используются ста­ли ЗХЗМЗФ, 4Х5МФС, 5ХЗВЗМФС. Горячештамповый инструмент после закалки подвергают высокому отпуску на твердость 38...46 HRC3 (молотовые штампы) и 45...50 HRC3 (прессовый инструмент).

Быстрорежущие стали являются основным материалом для боль­шинства режущих инструментов. Важнейшим свойством быстрорежу­щих сталей является теплостойкость, которая сочетается с высокой твердостью (до 70 RC3), износостойкостью и повышенным сопротив­лением пластической деформации. Под теплостойкостью понимают способность стали при нагреве рабочей части инструмента в процессе эксплуатации сохранять структуру и свойства, необходимые для де­формирования или резания обрабатываемого материала. Теплостой­кость создается специальной системой легировация стали и закалкой с очень высоких температур (для высоковольфрамовой стали до 1300 °С). Основными легирующими элементами являются вольфрам и его химический аналог молибден, который может замещать вольф­рам в соотношении W: Мо =1: 1,4...1,5 (если содержание молибдена в стали не превышает 5 %). Для большинства современных рацио­нально легированных быстрорежущих сталей суммарное содержание вольфрама и молибдена принято в пределах 12 % [W + (1,4...1,5)Мо = = 12]. Быстрорежущие стали легируют также хромом, ванадием, ко­бальтом и некоторыми другими элементами. Ранее говорилось, что быстрорежущие стали маркируют буквой Р (от слова «рапид» - быст­рый). Цифры после буквы Р указывают на содержание вольфрама в процентах. Другие легирующие элементы обозначаются соответст­вующими буквами, а их содержание в процентах - цифрами. Исклю­чение представляет хром, который в количестве около 4 % находится практически во всех быстрорежущих сталях, однако в обозначении марки стали не указывается.

Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса. В их структуре помимо вторичных карбидов присутствуют первичные карбиды эвтектического происхождения М6С, МС, М23С6.

Помимо теплостойкости другим важнейшим свойством быстроре­жущей стали является вторичная твердость, получаемая при отпуске. Отпуск на вторичную твердость сопровождается эффектом дисперси­онного твердения, т. е. выделением при отпуске мелкодисперсных фаз-упрочнителей с карбидной природой. В результате твердость ста­ли после отпуска возрастает. Для получения при закалке высоколеги­рованного твердого раствора за счет более полного растворения туго­плавких карбидов быстрорежущей стали температура аустенизации должна быть высокой - до 1300 °С для сталей с высоким содержани­ем вольфрама. После закалки сталь сразу же подвергают многократ­ному (обычно трехкратному) отпуску при 560 °С по 1 ч. Многократ­ным отпуск делают для более полного и эффективного превращения остаточного аустенита в мартенсит.

Структура быстрорежущей стали после полной термической обра­ботки представлена мартенситом отпуска, первичными и вторичны­ми карбидами. Рабочая твердость быстрорежущих сталей находится в пределах 62...68 HRC3 в зависимости от их системы легирования.

По главному показателю - теплостойкости - быстрорежущие стали делят на три группы: умеренной, повышенной и пониженной теплостойкости. •

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р6М5, Р8МЗ, которые сохраняют твердость 60 HRC3flo 615...620 °С. Эти стали предназначе­ны для изготовления большинства режущих инструментов, обраба­тывающих стали и чугуны с твердостью 250...280 НВ.

Стали второй группы отличаются повышенным содержанием уг­лерода или ванадия, а также дополнительно легированы кобальтом (10Р6М5, 10Р8МЗ, Р12ФЗ, Р6М5К5, Р9М4К8Ф) и обладают тепло­стойкостью 640...650 °С. Они используются для обработки сталей аустенитного класса либо обычных конструкционных материалов, но с повышенными скоростями резания.

Третью группу образуют экономнолегированные и безвольфрамо­вые быстрорежущие стали: РЗМЗФ2, Р2М8, Р0М8. Главной особенно­стью этих сталей является малое количество и специфический состав карбидной фазы, что делает сталь малочувствительной к масштабному фактору (т. е. прочностью вязкость меняются незначительно при уве­личении диаметра проката до 80... 100 мм) и допускает использование сравнительно низких температур закалки (11ОО...115О°С). Поэтому эти стали рекомендуются для изготовления крупногабаритного инструмента, работающего с невысокими-скоростями и подвергающегося при эксплуатации значительным динамическим нагрузкам.

Быстрорежущие стали, отличающиеся повышенным содержанием углерода, ванадия, кобальта (например, Р7М2ФЗ-МП, Р9М4К8-МП), используют для обработки труднообрабатываемых материалов.