Инструментальные стали и сплавы

Инструментальные стали и сплавы - литые твердые сплавы. Твердые сплавы — материалы с высокой твердостью, прочностью, ре­жущими и другими свойствами, сохраняющимися при нагреве до высоких температур. Различают литые и спеченные {порошковые) твердые сплавы.

Инструментальные стали предназначены для изготовления ре­жущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горя­чего деформирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких сталей изготавливают только рабочую (режущую) часть инст­румента, а крепежные части выполняют из конструкционных сталей.

Основными потребительскими требованиями к инструмен­тальным сталям являются высокие твердость, износостойкость и прочность при хорошей (500...800 °С) теплостойкости. Кроме экс­плуатационных свойств для инструментальных сталей большое зна­чение имеют технологические свойства: прокаливаемость, малые объ­емные изменения при закалке, обрабатываемость давлением, резани­ем, шлифуемость.

Необходимые свойства инструментальным сталям придают карбидные фазы, так как именно их присутствие обусловливает вы­сокие прочностные показатели и твердость.

Для обеспечения необходимых свойств применяют специаль­ное легирование и термическую обработку. Так, обеспечение тепло­стойкости достигается легированием сталей вольфрамом, молибде­ном, ванадием, а легирование хромом и марганцем повышают их прокаливаемость.

Термическая обработка инструментальных сталей, как прави­ло, включает закалку и низкий отпуск. Режимы термической обработки в зависимости от химического состава сталей и требований к их твердости и проч­ности установлены ГОСТ 5950—73 и ГОСТ 19265—73.

Инструментальные стали классифицируются (ГОСТ 1435—90 и ГОСТ 5950—73) по основному потребительскому свойству на стали высокой твердости, стали повышенной вязкости и теплостойкие ста­ли. Стали высокой твердости и повышенной вязкости используются как нетеплостойкие.

Инструментальные стали высокой твердости по химическому со­ставу могут быть высокоуглеродистыми (0,68…1,35 % С) и низколегиро­ванными (Mn, Si, Cr и др.). Структура этих сталей после термообработки — мартенсит и перлит. Температура эксплуатации для изделий из таких сталей до 190...225 °С; при этом их твердость — 60...68 HRC.

Инструментальные стали высокой твердости (У10...У13, У10А...У13А, 13Х, ХВСГ, 9ХФ, 7ХГ2ВМ и др.) классифицируют по прокаливаемости на стали небольшой, повышенной и высокой прокаливаемости. Величина прока­ливаемости определяет размер изделия. Так, инструментальные стали не­большой прокаливаемости используют для изготовления тонкого инстру­мента диаметром менее 12...15 мм, а стали высокой прокаливаемости — для массивного инструмента и инструмента сложной формы.

Стали повышенной вязкости по химическому составу - среднеуглеродистые (0,60...0,74 % С), среднелегированные (Mn, Si, Сг и др.). Для изделий из этих сталей температура эксплуатации, как правило, 200°С, а их твердость — 62 HRC. Стали повышенной вязкости (У7А, 7ХФ, 6ХС) используются для изготовления инструментов для обработки древесины (пилы, ножи и др.).

Инструментальные теплостойкие стали по температуре эксплуатации в свою очередь делят на стали собственно теплостойкие (500...800°С) и полутеплостойкие (до 500 °С). По химическому составу эти стали являются углеродистыми (0,22...1,65 % С), высоколегированными (Mn, Si, Cr, W, Мо и др.).

Теплостойкие стали высокой твердости объединяют в группу так называемых быстрорежущих сталей, маркируемых по ГОСТ 19265—73, буквой Р (режущие). После буквы Р в марке следует циф­ра, указывающая среднее содержание в процентах вольфрама – главного легирующего элемента этих сталей (буква В — его условное обозначение — пропускается); затем указываются принятыми в обозначении, как и в остальных сталях, буквами другие легирующие эле­менты с цифрами, указывающими их содержание в процентах, если это содержание больше 1...2 %. В состав всех быстрорежущих сталей непременно входят углерод (0,8...1,25 %), хром (около 4 %) и ванадий (1…2%), содержание которых в марке не указывается.

Фазовый состав быстрорежущих сталей в отожженном состоянии представлен легированным ферритом и карбидами М₆С, М₂₃С₆, МС, М₃С. Основным карбидом является М₆С. Количество карбидной фазыв стали Р18 достигает 25...30 %, а в стали Р6М5 — 22 %.

Обработка быстрорежущих сталей включает горячую ковку литых заготовок, отжиг, закалку и многократный (чаще трехкрат­ный) отпуск. Структура после закалки - мартенсит + карбиды + ос­таточный аустенит. Отпуск вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение. Это сопровождается увеличением до HRC 64 твердости (вторичная твердость) за счет вы­деления частиц цементита. Для улучшения режущих свойств и повы­шения износостойкости некоторые виды инструментов подвергают низкотемпературному (540...570 °С) цианированию, в результате ко­торого на поверхности стали образуется тонкий слой высокой твер­дости (1000... 1100 HV).

Полутеплостойкие (Х12М, 5ХНМ) и теплостойкие (Р12, Р6М5, Р18; Р12ФЗ, Р13Ф4К5, Р9М4К8; В11М7К23, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 45ХЗВЗМФС, 2Х8В8М2К8) стали используются для изготовления режущих инструментов (например, фрезы, сверла) и штампов, пуансонов. Для инст­рументальных сталей при температуре эксплуатации до 650°С твердость должна быть 60...62 HRC, а для штамповых —45...52 HRC до 700°С.

Инструментальные стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно используют стали У8...У12, X, ХВГ, Х12Ф1. Необходимые требования обеспечивают применением обработки холодом до -60 °С (нередко многократной) и отпуска при 120... 130°С непосредственно после закалки.

Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостой­костью инструменты подвергают цементации и закалке.