Инструментальная сталь
Автор: Волков Семён
Дата публикации: 15 Августа 2024
Содержание:
- Категории инструментальных сталей
- Инструментальная углеродистая сталь
- Легированные стали для инструментов
- Быстрорежущая инструментальная сталь
- Инструментальная валковая сталь
- Инструментальная сталь для штампов
Легкий и удобный метод приобретения металлопроката. В нашем интернет-каталоге представлен обширный ассортимент продукции.
Выберите и закажите нужные материалы прямо сейчас!
Возможна оплата наличными и безналичным расчётом. Доставка осуществляется по всей Беларуси.
Инструментальная сталь представляет собой специализированный тип стали, который характеризуется высокой твёрдостью, прочностью и устойчивостью к износу. Она применима в производстве инструментов, используемых в обработке металлов, древесины, пластмасс и других материалов.
Существует множество марок инструментальной стали, каждая из которых отражает её состав и особенности. Например, сталь марки D2 содержит повышенные уровни хрома и молибдена, что делает её идеальной для изготовления качественных ножей и штампов.
Инструментальную сталь часто подвергают специальной термической обработке для достижения необходимой твердости и прочности. Её можно закалить и отпускать, чтобы придать желаемые характеристики, а также проводить поверхностное упрочнение методом нитроцементации или вакуумной закалки.
Из инструментальной стали изготавливают разнообразные инструменты, такие как ножи, резцы, сверла, фрезы, плашки, пуансоны, матрицы и др. Эта сталь также применяется для производства деталей машин, например, шестерён и зубчатых колёс, а также пружин, которые должны быть прочными и устойчивыми к износу.
Инструментальная сталь — это легированная или углеродистая сталь, отличающаяся высокими показателями твердости, прочности и износостойкости, предназначенная для изготовления:
- резцов для металообработки — быстрорежущих инструментов;
- измерительные приборы — из углеродистой и низколегированной стали;
- штампы для холодного и горячего формования;
- машинные детали, подвергаемые интенсивному износу при умеренных нагрузках.
Категории инструментальных сталей
В зависимости от формы выпуска, размеров и допускаемых отклонений инструментальные стали соответствуют требованиям следующих ГОСТов:
- стальной прокат круглого горячекатаного сечения — ГОСТ 2590-88;
- стальной прокат квадратного горячекатаного сечения — ГОСТ 2591-88;
- стальной прокат шестигранного горячекатаного сечения — ГОСТ 2879-88;
- кованные квадратные и круглые прутки — ГОСТ 1113-88;
- полосовой прокат — ГОСТ 103-76, ГОСТ 4405;
- калиброванные прутки и мотки — ГОСТ 7417, ГОСТ 8559, ГОСТ 8560;
- прутки со специализированной отделкой поверхности — ГОСТ 14955.
Металлобаза «Аксвил» предлагает на складе в Минске и под заказ широкий ассортимент, доступный оптом и в розницу:
Металлопрокат из инструментальных сталей
Главный поставщик металла. Конкурентоспособные оптовые и розничные цены. Помощь в выборе. Оформление заказа возможно как на сайте, так и в офисе. Нарезка по нужным размерам. Доставка по всей Беларуси, включая выходные дни.
Инструментальная углеродистая сталь
Стали с содержанием углерода используют для создания режущих инструментов, предназначенных для работы в условиях, при которых рабочая кромка не нагревается выше 150-200 °С. Кроме того, эти стали находят применение в производстве штамповых и измерительных инструментов.
Ключевые преимущества углеродистых сталей заключаются в возможности достижения высокой твердости верхнего слоя при сохранении пластичности внутренней части. Этот параметр важен в ряде случаев для минимизации деформации инструмента и улучшения его механических характеристик. Также углеродистые стали отличаются низкой твердостью в отожженном состоянии, НВ 1800-2000 МПа, что даёт возможность применять высокоэффективные методы изготовления (катка, нарезка); они закаливаются при сравнительно низких температурах (770-820 °C); после закалки образуется небольшое количество остаточного аустенита, что придает стали дополнительную устойчивость к пластической деформации; закалка в воде способствует сохранению чистоты поверхности, упрощая очистку инструмента; материал имеет низкую стоимость.
Однако недостатки углеродистых сталей значимо ограничивают их использование: низкая термостойкость, то есть способность сохранять твёрдость лишь при нагреве до температур, не превышающих 170-200 °C. Меньшая прочность по сравнению с быстрорежущими сталями связана с приобретением крупнозернистой структуры (8-9 баллов) при оптимальных температурах закалки. Склонность к зерновому росту при небольших перегревах во время закалки приводит к ухудшению механических свойств. Ограниченная закаливаемость требует применения высоких скоростей охлаждения в промежутке перлита, что ведёт к неравномерной твёрдости, особенно у инструментов с малой толщиной, а также к большой деформации и термическим трещинам. Эти стали непригодны для изготовления относительно крупных инструментов (диаметром или толщиной более 30 мм), если они предназначены для работы при высоких давлениях. Стали склонные к отпуску поверхностных слоев при нагреве во время шлифования и заточки.
Углеродистые стали применяются для создания инструментов, которые в процессе работы не нагреваются до температур выше 150-200 °С и не требуют значительного шлифования при изготовлении. К таким инструментам относятся напильники, метчики, развертки, ножовки, топоры, колуны, стамески, слесарно-монтажные и хирургические инструменты, а также определенные виды штамповых и измерительных приборов.
Высокая твердость углеродистых сталей (HRC 62-63) достигается уже при содержании 0,6 % углерода в инструменте диаметром (или толщиной) 1-5 мм.
Для инструментов с большей толщиной такую твердость на поверхности можно добиться при содержании углерода 0,8-0,9 %. При увеличении содержания углерода свыше 0,9-1,0 % твердость возрастает до HRC 65.
Сортамент углеродистых инструментальных сталей соответствует следующим стандартам ГОСТ: 1133-71 (кованая круглая и квадратная сталь); 2879-88 (горячекатаная шестигранная сталь); 4405-74 и 103-2006 (кованые и горячекатаные полосы); 7417-75, 8559-75 и 8560-78 (калиброванная сталь); 14955-77 (со специальной отделкой).
Применение углеродистых инструментальных сталей
| Марка стали | Назначение |
| У7, У7А | Инструменты для обработки дерева, такие как топоры, колуны, стамески и долота. Пневматические инструменты небольших размеров, например, зубила, обжимки и бойки. Слесарно-монтажные инструменты, включая кусачки, плоскогубцы, острогубцы, молотки, кувалды, отвертки и бородки. |
| У8, У8А | Инструменты для деревообработки, такие как фрезы, зенковки, цековки, топоры, стамески, долота, продольные и дисковые пилы. Накатные ролики. Плиты и стержни для форм литья оловянно-свинцовых сплавов под давлением. Обжимки, кернеры, бородки, отвертки, плоскогубцы, острогубцы и боковые кусачки. |
| У9, У9А | Инструменты для обработки дерева, слесарно-монтажные инструменты, калибры простой формы и пониженного класса точности. |
| У10, У10А | Столярные пилы (ручные и машинные), ручные ножовки, спиральные сверла, слесарные шаберы, напильники и накатные ролики. Штампы для холодной штамповки деталей небольшой и простой формы. Калибры простой формы и пониженного класса точности. |
| У11, У11А | То же, а также ручные метчики, холодновысадочные пуансоны и штампы малого размера, калибры простой формы и пониженного класса точности. |
| У12, У12А | То же, а также небольшие пресс-формы для пластмасс. |
| У13, У13А | Инструменты с повышенной износостойкостью, работающие под умеренным и значительным давлением без разогрева режущей кромки (напильники, бритвенные ножи, лезвия, острые хирургические инструменты, шаберы и гравировальные инструменты). |
Химический состав углеродистых сталей для инструментов регламентируется согласно ГОСТ 1435-99.
Критические температуры и режимы отжига углеродистых инструментальных сталей (t °С)
| Марка стали | Ас1 | Ас3 (Асм) | Аr3 (Arm) | Аr1 | Mн | Mк | Температура отжига * |
| У7, У7А | 723 | 765 | - | 700 | 280 | - | 730-750 |
| У8, У8А | 720 | 740 | - | 700 | 245 | - | 730-750 |
| У9, У9А | 740 | 760 | - | 700 | 190 | - | 740-750 |
| У10, У10А | 730 | 800 | - | 700 | 210 | - | 740-750 |
| У11, У11А | 730 | 810 | - | 700 | 200 | - | 750-780 |
| У12, У12А | 730 | 820 | - | 700 | 200 | -20 | 750-780 |
| У13, У13А | 730 | 830 | - | 700 | 190 | - | 750-780 |
| * После выдержки при 730-780 °С охлаждение со скоростью 50 °С/ч до 620-660 °С, затем на воздухе. | |||||||
Наилучшее содержание углерода определяется характером эксплуатации инструмента, его конструкцией и методами производства. Если инструмент в основном подвергается ударным нагрузкам (инструменты для обработки дерева, зубила, определенные штампы), целесообразно использовать доэвтектоидные стали с содержанием углерода между 0,6-0,7 % и структурой троостита. Для остальных режущих инструментов предпочтительнее использовать мартенситную структуру с избыточными карбидами, которая формируется в заэвтектоидных сталях с содержанием углерода от 0,9 до 1,3 %. Эти стали характеризуются высокой твердостью и повышенной износостойкостью при удовлетворительных механических характеристиках. Сталь эвтектоидного состава (0,8 % С) более предрасположена к росту зерна (перегреву), обладает меньшей стабильностью свойств, из-за чего ее применение ограничено.
Предварительная термическая переработка углеродистых инструментальных сталей включает неполный отжиг (нагревание до 690-710 °С) с непрерывным охлаждением и сфероидизацию. Рекомендуется выполнять данный процесс в шахтных или камерных печах для сталей, таких как У7, У7А, У8, У8А. Продолжительность выдержки после прогрева всей садки до нужной температуры отжига составляет 3-4 часа.
Изотермический отжиг целесообразно использовать в печах непрерывного действия, таких как конвейерные и толкательные. Время выдержки после достижения нужной температуры отжига составляет 1-2 часа, затем изотермическая выдержка при охлаждении также занимает 1-2 часа. Отжиг с полной перекристаллизацией выполняется для тех же сталей (У7, У7А, У8, У8А) в случаях, когда требуется одновременное измельчение структуры. Сфероидизация (маятниковый отжиг) применяется для формирования структуры зернистого перлита.
Высокотемпературный отпуск (650-700 °С) рекомендуется применять для устранения наклепа, образовавшегося в результате холодной пластической деформации (это называют рекристаллизационным отжигом), а также для устранения внутренних напряжений после обработки резанием, предшествующей закалке. Также этот процесс используется для повторной закалки изделий с пониженной твёрдостью после термообработки. Время выдержки при высоком отпуске составляет 2-3 часа после полного прогрева всей садки.
Нормализация используется для измельчения зерна в перегретой стали и для достижения минимальной шероховатости поверхности при обработке резанием, особенно когда сталь в отожженном состоянии имеет твердость менее НВ 1830 МПа. Продолжительность выдержки при нагреве в печах составляет 20-30 минут после полного прогрева загрузки, а при нагреве в соляных ваннах выдержка соответствует расчетной для нагрева под закалку. Режимы отжига, а также механические и физические свойства углеродистых инструментальных сталей можно найти в таблицах ниже.
Нагрев под закалку углеродистых инструментальных сталей может быть произведен как в воздушных печах, так и в соляных ваннах. Время выдержки в соляных ваннах составляет 20-25 секунд, а в воздушных печах — 60-80 секунд на 1 мм толщины.
Условия охлаждения при закалке зависят от сечения инструмента.
Поскольку быстрое охлаждение в воде или водных растворах солей и щелочей является нежелательным, инструменты с небольшим сечением часто охлаждают в масле или расплавленных солях при температуре 160-200 °С. Чтобы снизить вероятность появления трещин и деформаций во время закалки, в некоторых случаях рекомендуется начинать охлаждение в воде, а затем переносить инструмент в масло.
Механические параметры углеродистых инструментальных сталей после предварительной обработки (отжига)
| Сталь | HB, МПа, не более | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ψ, % | Феррит, % | Карбиды, % * |
| У7, У7А | 1870 | 630 | 390 | 21 | 38 | 88-90 | 10-12 |
| У8, У8А | 1870 | 600 | - | - | - | 87-89 | 11-13 |
| У9, У9А | 1920 | 600 | - | - | - | - | - |
| У10, У10А | 1970 | 600 | - | 23 | 60 | 84-86 | 14-16 |
| У11, У11А | 1970 | - | - | - | - | 83-84 | 16-17 |
| У12, У12А | 2070 | 600-700 | 350-450 | 28 | 45-55 | 83-83,5 | 16,5-17 |
| У13, У13А | 2170 | - | - | - | - | 80-81,5 | 18,5-20 |
| * Карбиды в структуре стали представляют собой цементит Fe3C. | |||||||
Физические характеристики углеродистых инструментальных сталей после отжига
| Тип стали | Нс×10-2, А/м | μmax×10-5, Гн/м | 4πJs, Тл | Р1×10-6, Ом·м | Плотность, т/м3 |
| У7, У7А | 3-10 | 94 | 2 | 0,13 | 7,83 |
| У8, У8А | 4-10 | 91 | 2 | 0,14 | 7,83 |
| У9, У9А | - | - | - | - | - |
| У10, У10А | 5-13 | 88 | 1,95 | - | 7,81 |
| У11, У11А | - | - | 1,8 | - | 7,81 |
| У12, У12А | 6-8 | 85 | 1,9 | - | 7,81 |
| У13, У13А | - | - | - | - | 7,80 |
Режимы термообработки углеродистых сталей на зернистый перлит
| Марка стали | Температура нагрева, °С | Температура изотермической выдержки при охлаждении, °С |
| У7, У7А У8, У8А У9, У9А У10, У10А У11, У11А У12, У12А У13, У13А |
730-750 730-750 740-750 740-750 750-780 750-780 750-780 |
600-650 600-650 600-650 600-650 620-660 620-660 620-660 |
Для достижения высокой твердости и оптимальной прочности и вязкости, отпуск рекомендуется проводить при температуре 150-160 °С для инструментов толщиной свыше 5 мм и при 170-180 °С для инструментов меньшей толщины. Этот режим отпуска позволяет сохранить твердость выше HRC 62 без разложения остаточного аустенита. Для инструментов, используемых в деревообработке, требуется более высокая температура отпуска: 275-290 °С для HRC 55-58 (стамески) и 400-450 °С для HRC 44-48 (пилы).
Отпуск проводят в воздушных печах или жидкостных ваннах продолжительностью 1 час с последующим охлаждением на воздухе. Чтобы избежать возникновения трещин, отпуск следует производить непосредственно после закалки. После шлифовки и заточки для снятия напряжений полезен отпуск при температуре 140-160 °С в течение 30-45 минут.
Механические свойства и прокаливаемость углеродистых инструментальных сталей после закалки и отпуска
| Марка стали | Температура закалки, °С | Температура отпуска, °С | Содержание Fe3C, % | Твердость HRC | Предел прочности, МПа | Прокаливаемость (критический диаметр d, мм) |
| У7, У7А | 800-820 | 150-160 200-220 | 0 | 61-63 57-59 | 2000 | 15-20 |
| У8, У8А | 780-800 | 150-160 200-220 | - | 63-65 57-59 | 1950 | 15-20 |
| У9, У9А | 760-780 | 150-160 200-220 | - | 62-63 58-59 | - | 15-20 |
| У10, У10А | 760-780 | 150-160 200-250 | 2-4 | 62-63 58-59 | 2400 | 15-20 |
| У11, У11А | 760-780 | 150-160 200-250 | 4-6 | 62-63 58-59 | 2900 | 15-20 |
| У12, У12А | 760-780 | 150-160 200-250 | 5-7 | 62-63 58-59 | 3500 | 10-20 |
| У13, У13А | 760-780 | 150-160 200-250 | 6.5-8 | 62-63 58-59 | 2150 | 10-20 |
Легированные стали для инструментов
Сталевые сплавы для ножевых и измерительных инструментов. В зависимости от состава легирующих элементов, свойств и сфер применения, стали можно подразделить на две категории:
- с низкой прокаливаемостью (7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 13Х, ХВ4, ХВ5);
- с высокой прокаливаемостью (9Х, Х, 9ХС, ХГС, 12Х1, 9ХВГ, ХВГ, ХВСГ).
Использование легированных инструментальных сталей
| Сталь | Применение |
| 7ХФ | Инструменты для обработки дерева: топоры, долота, зубила; пилы круглые и ленточные с разведёнными зубьями; инструменты для чеканки |
| 8ХФ | Ножи для холодной резки металла; обрезные штампы и пуансоны; кернеры, штемпели |
| 9ХФ | Рамные, ленточные, круговые пилы; строгальные ножи; обрезные штампы и пуансоны для удаления заусенцев при холодной обработке; кернеры и штемпели |
| 11ХФ | Метчики и прочие режущие инструменты до 30 мм диаметром, закаливаемые в горячих средах; хирургические инструменты; штампы для холодной обработки металла; пуансоны, калибры |
| 13Х | Применяется вместо стали У13, У13А для мелких инструментов диаметром 1-15 мм для закалки в масле; для инструментов диаметром до 30-35 мм при закалке в воде; аналогичное назначение |
| ХВ4 | Инструменты для чистовой обработки твёрдых материалов на небольшой скорости: отбеленный чугун, закаленные валки; граверные инструменты; пуансоны для пробивки |
| В2Ф | Ленточные пилы по металлу; ножовочные полотна |
| 9X1 | Инструменты для обработки дерева; валки для холодной прокатки; клейма; пробойники; штампы и пуансоны для холодного прессования |
| X | Токарные, строгальные, долбёжные резцы для низких скоростей резания; зубила; цилиндрические калибры и калиберные кольца |
| 9ХС | Сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы; машинные штемпели; клейма; инструменты для обработки дерева |
| 12X1 | Измерительные инструменты: плитки, калибры, шаблоны |
| 9ХВГ | Резьбовые калибры сложной формы; штампы для холодной деформации сложных форм, не подвергающиеся значительным изменениям размеров и короблению при закалке |
| ХВГ | Режущие и измерительные инструменты, включая крупные сечения, где недопустимо значительное коробление при закалке: протяжки, длинные метчики, развертки, плашки, резьбовые калибры; инструменты для обработки дерева; ножи для бумажной промышленности; штампы и пуансоны для холодного прессования |
| хвсг | Ручные инструменты: плашки, сверла, развертки, гребенки, штемпели, клейма; штампы и пуансоны для холодного прессования; инструменты для обработки дерева; ножи для бумажной промышленности |
| Х6ВФ | Фрезерные инструменты для обработки дерева; ручные ножовочные полотна; резьбонакатные инструменты; штампы и пуансоны для холодного деформирования |
Химический состав легированных инструментальных сталей указан в ГОСТ 5950-2000.
Стали, входящие в первую категорию, немного превосходят углеродистые стали У7-У13 по устойчивости переохлажденного аустенита, однако благодаря легированию хромом (0,2-0,7 %), ванадием (0,15-0,3%) и вольфрамом (до 4 %) обладают повышенной стойкостью к перегревам, износостойкостью и теплостойкостью.
Аналогично углеродистым сталям У7-У13, эти стали после термической обработки содержат минимальное количество остаточного аустенита, что обеспечивает высокий предел текучести. Большинство из этих сталей с успехом применяется для изготовления инструментов, которые подвергаются поверхностной (локальной) закалке. Некоторые из сталей с невысокой прокаливаемостью имеют специальное назначение: сталь 13Х в основном предназначена для бритвенных ножей, лезвий, хирургического и гравировального инструмента; сталь ХВ4 рекомендуется для резцов и фрез, которые используются для обработки резанием с низкими скоростями материалов высокой твердости; сталь В2Ф используется для производства ленточных пил и полотен ножовок для резки конструкционных сталей средней твердости.
Стали второй группы содержат больше хрома (0,8-1,7%), а также, в ряде марок – марганец, кремний и вольфрам.
Комплексное легирование даже относительно небольшими объемами элементов значительно увеличивает прокаливаемость, повышает дисперсность и однородность распределения карбидов (за исключением сталей типа ХВГ), снижает чувствительность к перегреву и способствует сохранению мелкого зерна при закалке. Стали с повышенной прокаливаемостью используются для производства инструментов крупных сечений, охлаждаемых при закалке в масле или горячих средах. Указанные особенности сталей второй группы (9ХС, ХГС, ХВГ, ХВСГ) делают возможным их применение для изготовления режущего (метчики, плашки, развертки, фрезы, протяжки) и штамповочного инструмента более ответственного назначения, чем углеродистые и малопрокаливаемые стали. Отличительная особенность сталей с высоким содержанием марганца (ХВГ, ХВСГ, 9ХВГ) — их низкая деформируемость при термической обработке, обусловленная повышенным содержанием остаточного аустенита. Это позволяет рекомендовать их для изготовления инструментов, к которым предъявляются строгие требования по стабильности размеров при термической обработке. Недостатком указанных сталей является повышенная склонность к образованию карбидной сетки по границам зерен в результаты выделения карбидов в процессе замедленного охлаждения после горячей пластической деформации или высокотемпературного нагрева. Стали ХВГ и ХВ4 также характеризуются неблагоприятным распределением карбидов в деформированном металле сечением более 30-40 мм. Карбидная неоднородность также наблюдается и в стали Х, которая, кроме того, обладает повышенной чувствительностью к перегреву и значительным колебанием прокаливаемости в различных плавках. Важным аспектом термической обработки низколегированных инструментальных сталей является необходимость применения резких охлаждающих сред (водных растворов солей и щелочей) для сталей с небольшой прокаливаемостью, закаливаемых на максимальную твердость (7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 13Х).
Стали повышенной прокаливаемости (9ХС, ХВГ, 9ХВГ, ХВСГ) рекомендуется подвергать неполной изотермической закалке (выдержка при температуре 180-250 ℃ на протяжении 30-60 минут) или ступенчатой закалке (охлаждение в горячих средах с температурой 150-220 ℃ с последующим перемещением на воздух) для снижения термических напряжений и уменьшения деформации инструментов сложной формы.
Продолжительность выдержки при аустенитизации низколегированных сталей определяют из расчета 50-70 секунд на миллиметр при нагревании в воздушной печи и 35-40 секунд на миллиметр при нагревании в соляной ванне.
Время отпуска обычно составляет 1-2 часа плюс 1-1,5 минуты на каждый миллиметр толщины крупногабаритного инструмента.
Ассортимент поставляемых легированных инструментальных сталей включает: кованые круг и квадрат (ГОСТ 1133-71), калиброванные изделия (ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75 и ГОСТ 8560-78); прокат горячекатаный круглый (ГОСТ 2590-88), горячекатаный квадратный прокат; полосы горячекатаные и кованые (ГОСТ 4405-74).
Допустимая глубина обезуглероженного слоя определяется ГОСТ 5950-2000.
Критические температурные точки, режимы ковки и отжига, а также финальные режимы термической обработки и назначение легированных инструментальных сталей приведены в нижеприведенных таблицах:
Критические температуры (℃) легированных инструментальных сталей
| Сталь | Ас1 | Асм | Аrм | Аr1 | Мн | Мк |
| Стали низкой прокаливаемости | ||||||
| 7ХФ *1 | 770 | 780 | 740 | 710 | - | - |
| 8ХФ *1 | 740 | 750 | - | 700 | 215 | - |
| 9ХФ | 700 | — | - | - | 215 | - |
| 11ХФ | — | — | - | - | 195 | - |
| 13Х | 760 | 780 | 740 | 710 | - | - |
| В2Ф | 750 | 800 | 690 | 650 | - | - |
| Стали высокой прокаливаемости | ||||||
| 9Х | 730 | 860 | - | 700 | 270 | |
| X | 745 | 900 | - | 700 | 240 | - |
| 9ХС | 770 | 870 | - | 730 | 160 | -30 |
| 12X1 | 750 | 890 | - | - | 245 | -40 |
| 9ХВГ | 750 | 900 | - | - | 205 | - |
| ХВГ | 750 | 940 | - | 710 | 210 | -50 |
| ХВСГ | 770 | 785 | 730 | 720 | 200 | 20 |
| Х6ВФ | 815 | 845 | 775 | 625 | 150 | -100 |
| Для сталей 7ХФ и 8ХФ Ас3 и Аr3 | ||||||
Особенности режимов ковки и отжига легированных инструментальных сталей
| Марка стали | Диапазон температур ковки, °С | Условия отжига | Твердость после отжига, МПа, не более |
| 7ХФ | 1160—850 | Нагрев до 780—800 °С, охлаждение по 50 °С/ч до 640—680 °С, выдержка 2—3 ч, далее охлаждение по 50 °С/ч до 550 °С, затем на воздухе | 2290 |
| 8ХФ | 1150—850 | Аналогичный режиму для стали 7ХФ | 2550 |
| 9ХФ | 1180—800 | Нагрев до 760—790 °С, далее аналогичный режиму для стали 7ХФ | 2550 |
| 11ХФ | 1100—800 | Нагрев до 750—790 °С, охлаждение по 50 °С/ч до 670—700 °С, выдержка 2—3 ч, далее охлаждение по 50 °С/ч до 550 °С, затем на воздухе | 2290 |
| 13Х | 1100-800 | Аналогичный режиму для стали 11ХФ | 2410 |
| ХВ4 | 1125-850 | Нагрев до 800-820 °С, охлаждение по 50 °С/ч до 600 °С, выдержка 2-3 ч, далее охлаждение по 50 °С/ч до 550 °С, затем на воздухе | 2850 |
| В2Ф | 1200-900 | Нагрев до 780-800 °С, охлаждение по 50 °С до 710-730 °С, выдержка 2-3 ч, далее охлаждение по 50 °С/ч до 550 °С, затем на воздухе | 2850 |
| 9X1 | 1150-850 | Нагрев до 800-820 °С, охлаждение по 50 °С/ч до 670-680 °С, выдержка 2-3 ч, далее охлаждение по 50 °С/ч до 550 °С, затем на воздухе | 2290 |
| X | 1150-850 | Нагрев до 780-800 °С, охлаждение по 50 °С/ч до 670-720 °С, выдержка 2-3 ч, далее охлаждение по 50 °С/ч до 550 °С, затем на воздухе | 2290 |
| 9ХС | 1140-800 | Нагрев до 790-810 °С, охлаждение по 50 °С/ч до 670-720 °С, выдержка 2-3 ч, далее охлаждение по 50 °С/ч до 550 °С, затем на воздухе | 2410 |
| 12X1 | 1120-850 | Режим аналогичный стали X | 2410 |
| 9ХВГ | 1120-850 | Режим аналогичный стали X | 2410 |
| ХВГ | 1150-850 | Режим аналогичный стали X | 2550 |
| ХВСГ | 1140-850 | Режим аналогичный стали 9ХС | 2410 |
| Х6ВФ | 1100-850 | Нагрев до 830-850 °С, охлаждение со скоростью 40 °С/ч до 700-720 °С, выдержка 2-3 ч, далее охлаждение по 50 °С/ч до 550 °С | 2410 |
Финальные термообработочные режимы для легированных инструментальных сталей
| Марка стали | Закалка | Отпуск | ||||
| Температурный режим, °С | Среда охлаждения | Твердость HRC | Температура отпуска, °С | Твердость HRC | ||
| Подогрев | Аустенизация | |||||
| 7ХФ | 600-650 | 820-840, 800-820 | Масло, вода | 62-64 | 200-220 | 58-60 |
| 8ХФ | 600-650 | 810-820, 830-860 | Вода | 58-59, 63-65 | 200-220 | 57-58, 60-62 |
| 9ХФ | 600-650 | 850-880, 820-840 | Масло, вода | 61-64 | 200-250 | 58-60 |
| 11ХФ | 600-650 | 810-830, 840-860 | Вода, масло | 62-65, 62-64 | 150-170 | 62-65 |
| 13Х | 600-650 | 780-820, 810-830 | Вода, масло | 63-65, 62-64 | 150-170 | 62-65 |
| ХВ4 | 600-650 | 830-850, 820-840 | Масло, вода | 63-65, 65-67 | 140-170 | 62-67 |
| В2Ф | 600-650 | 780-840 | Масло, вода | 66-67 | 100-180 | 62-65 |
| 9X1 | 600-650 | 820-850 | Масло | 61-63 | 160-180 | 59-61 |
| X | 650 | 840-860 | Масло | 62-63 | 130-150, 170-210 | 62-65, 58-60 |
| 9ХС | 650-700 | 840-860 | Масло | 62-63 | 180-250 | 58-62 |
| 12X1 | 650-700 | 850-870 | Масло | 63-65 | 120-130 | 62-65 |
| 9ХВГ | 650 | 820-840 | Масло | 64-66 | 160-180, 170-230, 230-275 | 64, 60-62, 56-60 |
| ХВГ | 650-700 | 830-850 | Масло | 62-63 | 150-200, 200-300 | 62-63, 58-62 |
| ХВСГ | 650-700 | 840-860 | Масло | 62-63 | 140-160 | 60-62 |
| Х6ВФ | 650-700 | 980-1000 | Горячие среды | 63-65 | 150-170, 280-300 | 62-63, 56-58 |
Быстрорежущая инструментальная сталь
Быстрорежущие стали являются типичными материалами для создания режущих инструментов. Они обладают высокой теплостойкостью (600-650 °С в зависимости от состава и обработки), значительной твердостью (до HRC 68-70), устойчивостью к износу при высоких температурах и повышенной сопротивляемостью пластической деформации. Применение быстрорежущих сталей позволяет увеличить скорость резания в 2-4 раза по сравнению с темпами, возможными при использовании инструментов из углеродистых и легированных сталей.
Использование быстрорежущих инструментальных сталей
Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р6М5К8, Р18, Р7М2Ф6, Р12МФ5, Р9М4К8, Р10М4К14, Р12М3К5Ф2, Р12М3К8Ф2, Р12М3К10Ф2, Р12М3К10Ф2
Дисковые фрезы, сверла, развертки, зенкеры, метчики, протяжки; червячные, концевые, дисковые фрезы; шеверы.
Быстрорежущие стали находят обширное применение в производстве режущего инструмента, который используется в условиях значительного нагружения и нагрева рабочих кромок. Инструменты из этих сталей демонстрируют высокую стабильность свойств, что особенно важно в гибких автоматизированных производственных средах.
Эффективность работы инструментов простой конструкции с массивной режущей кромкой при постоянном точении ограничивается вторичной твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Для более сложных инструментов, с тонкими лезвиями, а также инструментов, использующихся при прерывистом точении, на первый план выходят прочность и вязкость быстрорежущей стали. Улучшение тех или иных свойств, достигаемое путем коррекции химического состава стали или изменения режимов закалки и отпуска, зачастую сопровождается ухудшением других характеристик. Например, увеличение вторичной твердости и теплостойкости обычно приводит к снижению прочности и вязкости стали.
Высокие режущие качества быстрорежущих сталей достигаются благодаря легированию интенсивными карбидообразующими элементами (такими как вольфрам, молибден, ванадий), а также элементами, способствующими увеличению температуры (a -> y) — превращения (например, кобальт, алюминий), и применению специализированной термической обработки. Этот процесс включает закалку при высоких температурах (1200-1300 °С) и отпуск, который вызывает дисперсионное твердение.
Основу быстрорежущих сталей составляет карбид M6C.
Для достижения высокой теплостойкости и твердости необходимо обеспечить достаточное количество карбида в твердом растворе (аустените, мартенсите) во время закалки. Это насыщает структуру углеродом, вольфрамом, молибденом, ванадием, хромом.
При последующем отпуске при температурах 550-560 °С происходит повышение твердости до максимальных значений благодаря выделению дисперсных карбидов и разложению остаточного аустенита.
В зависимости от химического состава, а значит, и уровня ключевых характеристик, быстрорежущие стали делятся на стали с нормальной и повышенной теплостойкостью (производительностью). Если содержание ванадия в их составе составляет не более 2%, такие стали относят к быстрорежущим сталям с нормальной теплостойкостью (производительностью). Примерами таких сталей являются Р18, Р9, Р6М5.
Быстрорежущие стали с более высоким процентом ванадия, а также дополнительно легированные кобальтом относятся к сталям повышенной теплостойкости (Р12ФЗ, Р6М5ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8 и другие).
В сравнении со сталями с нормальной производительностью, быстрорежущие стали с высоким содержанием ванадия обладают в основном повышенной износостойкостью благодаря присутствию высокотвердого карбида типа МС, а легированные кобальтом стали — более высокой вторичной твердостью, теплостойкостью и теплопроводностью.
К категории быстрорежущих сталей с увеличенной производительностью относятся также быстрорежущие сплавы, упрочнённые дисперсионно и использующие интерметаллиды. Их выдающиеся теплостойкость и режущие параметры объясняются высокими температурными показателями преобразования а->y, а также упрочнением благодаря выделению интерметаллидов при отпуске. Эти интерметаллиды обладают более высокой устойчивостью к коагуляции при нагреве по сравнению с карбидами. Наибольшее распространение получил сплав В11М7К23 (ЭП831).
Таблица ниже демонстрирует основные свойства быстрорежущих сталей в соответствии с их состоянием поставки. Также в таблице указаны режимы окончательной термической обработки и характеристики сталей обычной и повышенной производительности.
В настоящий момент активно развивается группа низколегированных быстрорежущих сталей, в которых общая доля вольфрама и молибдена не превышает 5-6 %.
Орудования из быстрорежущих сталей данной категории предназначены в основном для обработки неупрочнённых сталей и чугунов, а также цветных металлов и их сплавов. Износостойкость инструментов из этих сталей при работе с указанными группами материалов сопоставима с износостойкостью изделий из стали Р6М5.
Высшим качеством в этой группе сталей обладают марки Р2М5 и 11М5Ф, которые значительно превосходят стали 11Р3АМ3Ф2 и 9Х4М3Ф2АГСТ как по основным характеристикам, так и по возможностям шлифовки.
Особенно перспективным является использование малоуглеродистой безвольфрамовой стали 11М5Ф. Сталь 11М5ФЮС с 1% Al обладает более высокой жаростойкостью и режущими свойствами по сравнению с быстрорежущей сталью Р6М5.
Карбидная неоднородность. Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. Избыточные карбиды этих сталей входят в состав эвтектики, которая формируется по границам зерен аустенита или б-феррита.
Из-за наличия эвтектики литая сталь обладает высокой хрупкостью и малой прочностью. Значительное улучшение микроструктуры и механических свойств можно достичь после горячей пластической деформации с уменьшением толщины более чем на 90 %.
Однако при большинстве применяемых условий деформации полностью равномерного распределения карбидов не удается достичь. Карбидная неоднородность способствует значительной анизотропии свойств в крупных заготовках.
Карбидная неоднородность выражена более ярко в сталях с высоким содержанием вольфрама, ванадия и кобальта. В сталях с добавлением молибдена размер карбидных частиц и их кластеров меньше, что положительно сказывается на их свойствах.
Форма, расположение и распределение эвтектических карбидов оцениваются по баллу карбидной неоднородности. Для быстрорежущих сталей на основе вольфрама и вольфрамо-молибдена существуют две восьмибальные шкалы (шкала 1 и шкала 2, согласно ГОСТ 19265-73), которые определяют карбидную неоднородность.
Ключевые свойства быстрорежущих сталей в состоянии поставки
| Сталь | р, т/м2 | Ас1 | Аr1 | Температура, °С, ковки | Температура, °С, отжига | HB, МПа, не более | Доля карбидной фазы, % |
| Р18 | 8,7 | 820 | 760 | 1200-900 | 840-860 | 2550 | 28 |
| Р9 | 8,3 | 820 | 740 | 1180-850 | 840-860 | 2550 | 17 |
| Р6М5 | 8,1 | 815 | 730 | 1160-850 | 840-860 | 2550 | 22 |
| 11РЗАМЗФ2 | 7,9 | - | - | 1140-850 | 830-850 | 2550 | - |
| Р6М5ФЗ | 8,1 | 815 | - | 1180-850 | 840-860 | 2690 | - |
| Р12ФЗ | 8,5 | 825 | - | 1160-850 | 860-880 | 2690 | 25 |
| Р18К5Ф2 | 8,2 | 830 | 750 | 1200-900 | 840-860 | 2850 | 25 |
| РЭК5 | 8,3 | 815 | 725 | 1150-900 | 840-860 | 2690 | 17 |
| Р6М5К5 | 8,2 | 840 | 765 | 1160-850 | 840-860 | 2690 | 23 |
| Р9М4К8 | 8,3 | 800 | 750 | 1140-850 | 840-860 | 2850 | - |
| Р2АМ9К5 | - | - | - | 1150-900 | 850-860 | 2690 | - |
| Р18Ф2К8М | 8,7 | 830 | 750 | 1160-950 | 840-860 | 2930 | - |
| Р12Ф4К5 | 8,3 | 820 | 745 | 1160-850 | 850-870 | 2850 | - |
| Р12МЗФ2К8 | 8,4 | 820 | 750 | 1160-900 | 840-860 | 690 | - |
| Р8МЗК6С | 8,2 | 820 | 750 | 1160-900 | 860-880 | 2850 | - |
| В11М7К23 | 8,6 | 915 | - | 1200-950 | 860-880 | 3500 | - |
| Примечание. После ковки охлаждение происходит в колодцах при температуре 750-800 °С. Затем выдержка при 840-880 °С, с последующим охлаждением со скоростью 30-40 °С/ч до 720-740 °С, выдержка не менее 4 часов, затем охлаждение со скоростью 50 °С/ч до 600 °С, дальнейшее охлаждение на воздухе. | |||||||
Процедуры конечной термической обработки и характеристики быстрорежущих сталей с обычной и высокой термостойкостью (производительностью)
| Марка стали | Температура закалки, °С | Температура отпуска, °С | Твердость (HRC) | Предел прочности (σи), МПа | Термостойкость (HRC 58), °С |
| Р18 | 1270-1290 | 560-570 | 63-64 | 2600-3000 | 620 |
| Р9 | 1220-1240 | 550-570 | 62-64 | 2800-3200 | 620 |
| Р6М5 | 1200-1230 | 540-560 | 63-65 | 3200-3600 | 620 |
| Р6М5ФЗ | 1200-1230 | 540-560 | 64-66 | 2700-3100 | 625 |
| Р12ФЗ | 1230-1260 | 550-570 | 64-66 | 2400-2600 | 630 |
| Р18К5Ф2 | 1270-1290 | 560-580 | 65-67 | 1800-2200 | 640 |
| Р9К5 | 1220-1240 | 560-580 | 64-66 | 2300-2700 | 630 |
| Р6М5К5 | 1210-1240 | 540-560 | 64-66 | 2600-3000 | 630 |
| Р9М4К8 | 1210-1240 | 550-570 | 65-68 | 2200-2600 | 630 |
| Р2АМ9К5 | 1190-1210 | 540-550 | 64-66 | 2600-3000 | 630 |
| Р18Ф2К8М (ЭП379) | 1250-1270 | 560-580 | 66-68 | 1600-1800 | 640 |
| Р12Ф4К5 (ЭП600) | 1230-1260 | 560-580 | 66-67 | 1800-2200 | 640 |
| Р12МЗФ2К8 (ЭП657) | 1220-1250 | 550-580 | 66-68 | 1800-2200 | 635 |
| Р8МЗК6С (ЭП722) | 1190-1220 | 540-560 | 66-69 | 1600-1900 | 635 |
| В11М7К23 (ЭП831) | 1250-1270 | 570-590 | 66-68 | 2200-2400 | 700 |
Стали марок Р18Ф2К8М, Р12Ф4К5, Р12МЗФ2К8, Р8МЗК6С, В11М7К23 доступны по техусловиям.
Режимы финишной термообработки и характеристики низколегированных быстрорежущих сталей
| Сталь | Температура, °С | Твердость (S) | Теплостойкость, °С (KRC 58) | σи, МПа | |
| Закалка | Отпуск | ||||
| 11РЗАМЗФ2 Р2М5 (ЭП894) 9Х4МЗФ2АГСТ (ЭК42) т1м5ф (ЭП980) |
1180-1210 1140-1160 1200-1210 1140-1180 |
540-560 (2, 3 раза по 1 ч) 530-550 (2, 3 раза по 1 ч) 550-560 (2, 3 раза по 1 ч) 560-570 (3 раза по 1 ч) | 63-64 64-65 61-63 64-66 |
620 620 610 620 |
3400-3600 3400-3600 2600-3000 3400-3600 |
Относительная шлифуемость быстрорежущих сталей
| Шлифуемость | Коэффициент относительной шлифуемости Кш *1 | Сталь | |
| по ГОСТ 19266-73 | по техническим условиям | ||
| Высокая | 0,9-1 | Р18 1 1 | Р2М5 (ЭП894), В11М7К23 (ЭП831), В14М7К28 (ЭГТ723), 3В20К18Ф (ЭП634) |
| Умеренная | 0,7-0,9 | Р6М5, Р6М5К5, Р12 | 11М5Ф (ЭП980), Р6М5-МП*2 Р6М5ФЗК8-МП *2 Р6М5К5-.ЧП |
| Средняя | 0,55-0,7 | Р9М4К8 | Р9МЗК6С (ЭП722) |
| Ниже средней | 0,35-0,55 | Р6М5ФЗ, Р9, Р9К5, Р12ФЗ, Р18Ф2К5 | Р6М5Ф6-МП *2 Р9МЗК6С (ЭП722) Р12МЗФ2К8 (ЭП657) |
| Низкая | До 0,35 | 11РЗДМЗФ2 | 9Х4МЗФЗЛГСТ (ЭК41) 9Х4МЗФ2АГСТ (ЭК42) Р12Ф4К5 (ЭП600) Р12М2ФЗК10 (ЭП682) |
*1 Коэффициент относительной шлифуемости представляет собой отношение удельной производительности шлифования исследуемой стали к удельной производительности шлифования стали марки Р18.
*2 Стали, полученные при помощи метода порошковой металлургии.
Карбидная неоднородность значительно сказывается на прочностных характеристиках деформированной стали после закалки и отпуска. С ростом карбидной неоднородности прочностные характеристики ухудшаются, что в конечном итоге приводит к снижению долговечности инструмента вследствие выкрашивания режущей кромки или его поломки.
Существует три основных метода снижения карбидной неоднородности:
- ускорение процесса кристаллизации жидкой стали; это направление является наиболее перспективным, так как позволяет значительно снизить толщину эвтектической сетки (например, при электрошлаковом переплаве) или полностью предотвратить ее образование, как в случае сталей, изготовленных методом прессования порошков (гранул) из распыленного расплавленного металла;
- увеличение степени деформации и изменение механизма деформирования (например, при прессовании литой стали);
- использование высокотемпературного гомогенизационного отжига; данный метод обработки позволяет почти полностью устранить эвтектическую сетку у быстрорежущих сталей, однако при этом увеличиваются размеры избыточных карбидов.
Размеры наиболее значительных (избыточных карбидов) быстрорежущих сталей варьируются в зависимости от их состава и метода изготовления (от 1 до 25 мкм и более). Более крупные карбиды менее эффективно препятствуют росту зерна, имеют более слабую связь с матрицей и быстрее выкрашиваются из рабочей кромки инструмента при его использовании. При увеличении размеров карбидов с 8-10 до 15-20 мкм наблюдается снижение долговечности инструмента до два раза, в тех случаях, когда радиус закругления режущей кромки сопоставим с размерами крупных карбидов и инструмент работает с малыми толщинами среза.
Наиболее действенный метод уменьшения размеров карбидов — производство сталей посредством прессования порошков, сформированных распылением расплавленного металла. При таком подходе размеры карбидов не превышают 1-3 мкм. Стали, изготовленные таким образом, демонстрируют улучшенные механические свойства, высокую стойкость и отличную шлифуемость.
Быстрорежущие стали, произведенные с помощью порошковой металлургии, лучше всего применять для инструментов, работающих в условиях автоматизированного гибкого производства, так как этот инструмент характеризуется повышенной стабильностью свойств.
Нагрев для закалки быстрорежущих сталей осуществляется при температурах и временах выдержки, которые способствуют растворению специализированных карбидов и легированию аустенита, чтобы обеспечить оптимальную теплостойкость при условии, что зерно не превышает 10-й размер, необходимый для достижения наивысших механических характеристик.
㋛
Взаимосвязь между распределением карбидов и прочностью быстрорежущей стали Р18
| Степень карбидной неоднородности | Описание распределения карбидов по шкале | Диаметр прутка | σи*1 МПа, в направлении | |
| Продольном | Поперечном | |||
| 1 2 |
Тонкая полосчатая структура Полосчатость с большим числом полос |
10-15 15-25 |
3300-3400 3000-3200 |
_ |
| 3А | Более выраженная полосчатость | 25-40 | 2800-3000 | - |
| 3Б | Остатки разорванной карбидной сетки | 25-40 | 2400-2700 | - |
| 4А | Резко выраженная полосчатость | 40-60 | 2400-2700 | - |
| 4Б | Слабо выраженная, разорванная сетка | 40-60 | 2400-2700 | - |
| 5А 5Б |
Грубая полосчатость Явно выраженная, разорванная сетка |
60-75 60-75 |
2300-2500 2300-2500 |
1800-2000 1800-2500 |
| 6А | Грубая, резко выраженная полосчатость и скопления карбидов | 70-90 | 1800-1900 | 1500-1600 |
| 6Б | Явно выраженная, разорванная сетка и крупные скопления карбидов | 70-90 | 1800-1900 | 1500-1600 |
| 7 | Разорванная сетка на отдельных участках и скопления карбидов | 80-100 | 1600-1700 | - |
| 8 | Малодеформированная, разорванная сетка и скопления карбидов | 90-110 | 1200-1400 | - |
| Закалка при зерне уровня 10 и отпуск при 560 °С, 3 раза. | ||||
Класс зернистости для разнообразных видов быстрорежущих сталей
| Класс зерна | Типы сталей |
| 9 | Стали низколегированные, молибденовые и вольфрамо-молибденовые с нормальной производительностью, используемые для создания крупного инструмента относительно простых форм |
| 10 | Стали быстрорежущие с нормальной производительностью, низколегированные быстрорежущие стали, а также быстрорежущие стали повышенной производительности, из которых производят инструмент относительно простой формы |
| 11 | Стали быстрорежущие с повышенной производительностью (кобальтовые, ванадиевые), а также быстрорежущие стали обычной производительности, применяемые для крупного инструмента сложной формы, и порошковые быстрорежущие стали |
При термообработке тонколезвийных инструментов малых размеров (менее 3-5 мм) температуру закалки уменьшают на 10-20 °С (крупность зерна 11 — 12), а для крупногабаритных инструментов (например, свёрла более 20 мм в диаметре или резцы) температуру закалки можно увеличить на 10 °С (крупность зерна 9-10).
Для предупреждения возникновения трещин и снижения термических напряжений подогрев перед закалкой осуществляют в один или два этапа. Первый этап подогрева проводится при температуре 400-500 °С, а второй — при 800-850 °С. Длительность выдержки при финальном нагреве рассчитывается как 10-15 секунд на каждый миллиметр диаметра (толщины) для инструментов диаметром 5-30 мм.
Для инструментов меньшего диаметра время выдержки увеличивается (общее время выдержки составляет не менее 30 секунд).
Время выдержки при подогреве обычно удваивают по сравнению с временем выдержки при финальном нагреве.
Подогрев и финальная закалка быстрорежущих сталей обычно осуществляются в электродных соляных ваннах. В качестве нагревательной среды при предварительном подогреве используется смесь, состоящая из 78% ВаCl2 и 22% NaCl (температура плавления — 640 °С), а при окончательном нагреве — расплав ВаCl (температура плавления — 962 °С). Чтобы защитить инструмент от окисления и обезуглероживания, ванну раскисляют фтористым магнием.
Эти методики особенно важны для быстрорежущих сталей, содержащих молибден и кобальт, так как они обладают высокой склонностью к обезуглероживанию.
Переохлажденный аустенит в быстрорежущих сталях устойчив, что позволяет охлаждать их в любой среде — воздухе, масле, либо горячих средах при температуре 500-560 °С.
Однако, при медленном охлаждении в диапазоне температур от 1000 до 500 °С возможно образование карбидов по границам зерен, что делает инструмент, охлажденный таким методом, менее вязким и теплостойким. Поэтому охлаждение крупногабаритных инструментов на воздухе является нежелательным.
Отпуск быстрорежущих сталей проводится при температурах 550-570 °С, выполняя этот процесс 2-3 раза по 1 часу каждый раз.
Двукратный отпуск подходит для сталей с малой устойчивостью остаточного аустенита. Быстрорежущие стали, обладающие высокой устойчивостью остаточного аустенита, нуждаются в трехкратном или даже четырехкратном отпуске.
В процессе отпуска происходит выделение усиливающих карбидов и разложение остаточного аустенита. В результате быстрорежущая сталь приобретает высокую твердость, прочность и теплостойкость.
Шлифуемость является значимым технологическим параметром, который влияет на качество конечного инструмента. Затраты на шлифовку могут достигать 50-60% от общей стоимости производства инструмента. Чем сложнее шлифуемость стали, тем более трудозатратным является процесс создания инструмента из этого материала. По этой причине многие быстрорежущие стали имеют ограниченное использование.
Существует два метода определения шлифуемости стали. Механический метод состоит в измерении отношения объема металла, удаленного за единицу времени, к объему изношенного абразивного материала в тот же период.
Структурный метод определяет шлифуемость по количеству остаточного аустенита в шлифуемом слое. Чем хуже шлифуемость, тем выше температура нагрева и тем больше содержание аустенита в слое стали.
Некорректно выполненная шлифовка, при которой в обрабатываемом слое вследствие высоких температур образовалось большое количество аустенита, ведет к значительному снижению долговечности инструмента.
Шлифуемость стали в основном определяется количеством карбидов ванадия VC в структуре. Наиболее низкую шлифуемость имеют быстрорежущие стали с повышенным содержанием ванадия. Шлифуемость таких сталей можно существенно повысить, если применять методы порошковой металлургии.
Методы улучшения поверхностного слоя. Качество инструмента во многом зависит от свойств поверхностного слоя. В процессе термической обработки или в результате шлифовки при нарушении технологических режимов свойства поверхностного слоя могут значительно ухудшаться, например, в результате обезуглероживания или чрезмерного нагрева при шлифовке.
Повышение свойств поверхностного слоя осуществляется наиболее действенно через химико-термическую обработку, так как этот процесс приводит к увеличению твердости, теплостойкости, стойкости к коррозии, и в некоторых случаях снижает коэффициент трения.
Химико-термическая обработка особенно применима к инструментам, которые сохраняют улучшенные слои после заточки полностью (резьбовые и червячные фрезы, долбяки, протяжки, фасонные резцы, метчики и другие) или частично (сверла, зенкеры).
Выбор метода химико-термической обработки зависит не только от требований к поверхностному слою, но и от температуры данной обработки, а также от теплостойкости используемой стали. Наиболее универсальными и результативными техниками упрочнения поверхностных слоев инструментов из быстрорежущих сталей считаются жидкое цианирование, карбонитрация, ионное азотирование и вакуумное плазменное нанесение износостойких покрытий.
Если инструмент после шлифовки не подвергается химико-термической обработке, рекомендуется проводить дополнительный отпуск. Эта процедура снимает напряжения, способствует превращению аустенита, образованного в поверхностном слое при шлифовании, и тем самым увеличивает стойкость инструмента. Температура отпуска составляет 350-400 °C, с выдержкой 30-60 минут.
Инструментальная валковая сталь
Валковая сталь представляет собой сложнолегированный материал, используемый для изготовления рабочих и опорных валков, а также различных инструментов и деталей, таких как поковки, ножи для резки металла, пуансоны, пилы, обрезные матрицы, шестерни и другие компоненты, подвергающиеся высоким нагрузкам — износу, воздействию высоких температур и ударным нагрузкам и прочим аналогичным условиям. Такая сталь также применяется в процессах горячей и холодной прокатки металлов, вагоностроении и в производстве деталей общего машиностроения.
Валковые стали обладают высокой прокаливаемостью, увеличенной износостойкостью, минимальной склонностью к деформациям, легкостью обработки на шлифовальных станках и значительной твердостью.
Инструментальные валковые стали делятся на материалы для валков, используемых в процессах горячей и холодной прокатки. Принципы легирования и упрочнения этих сталей аналогичны тем, что применяются для штамповых сталей.
Валки для холодной прокатки характеризуются значительной твердостью и стойкостью к износу, но обладают невысокой вязкостью и малой конструктивной прочностью при изгибе. Поэтому их применяют вместе с поддерживающими валками, для которых требования по твердости значительно ниже, но вязкость должна быть значительно выше по сравнению с рабочими валками.
Использование валковых инструментальных сталей
| Материал | Применение, альтернативное обозначение (если имеется) |
| 45ХНМ | Валы составных опорных валков листопродольных станов для горячей прокатки металлов, шестеренные валы и другие. |
| 55Х | Валы составных опорных валков для холодной прокатки металлов; рабочие валки блюмингов, слябингов, рельсобалочных, крупносортных и среднесортных станов, а также листовых станов для горячего проката металлов. Редукторные валы, шестерни и другие настоятельно загружаемые детали, подверженные истиранию, но не испытывающие значительных ударных нагрузок. |
| 60Х2СМФ | Рабочие валки двух- и четырехвалковых клетей листовых станов для холодной прокатки металлов. |
| 60ХГ | Рабочие валки штрипсовых и мелкосортных станов для горячей прокатки металлов. |
| 60ХН | Рабочие валки блюмингов, слябингов, заготовочных, рельсобалочных и крупносортных станов, рабочие опорные валки листовых станов для горячей прокатки металлов. |
| 60ХСМФ | Рабочие валки двух- и четырехвалковых клетей листовых станов для холодной прокатки металлов. |
| 75ХМ | Рабочие и опорные валки листовых станов для горячей прокатки черных металлов; опорные валки двух- и четырехвалковых клетей листовых станов для холодной прокатки металлов. |
| 75ХМФ | Рабочие и опорные кованые валки листовых станов для горячей прокатки черных металлов. |
| 75ХСМФ | Рабочие валки листовых станов для холодной прокатки металлов. |
| 7Х2СМФ | Рабочие валки кованые для холодной прокатки металлов. |
| 90ХМФ | Опорные валки всех размеров и бандажи составных опорных валков листовых станов для горячей прокатки металлов. |
| 90ХФ | Рамные, ленточные, круглые пилы, ножи для холодной резки металлов, обрезные матрицы и пуансоны для холодной обрезки заусенцев, накернеры. Рабочие и опорные валки для холодной прокатки металлов. Рабочие валки рельсобалочных, крупносортных и проволочных обжимных и сортовых станов для горячей прокатки, подверженные значительному износу и работающие в условиях умеренных ударных нагрузок. Рабочие валки, опорные валки и бандажи составных опорных валков листовых, обжимных и сортовых станов для горячей прокатки металлов. |
| 9Х2 | Рабочие и опорные валки двух- и четырехвалковых клетей листовых станов для холодной прокатки металлов. Рабочие и опорные кованые валки листовых станов для горячей прокатки металлов. |
| 9Х2МФ | Рабочие валки для холодной прокатки металлов в особо тяжелых условиях эксплуатации, рабочие валки проволочных обжимных и сортовых станов. |
Инструментальная сталь для штампов
Инструментальная сталь, используемая для штамповки, применяется при производстве пуансонов, пресс-форм, валиков, роликов и других обрабатывающих устройств.
Изделия из инструментальной стали классифицируются на два типа:
- для создания инструмента, применяемого при холодной деформации металлических заготовок с повышенными требованиями к их твердости;
- для производства инструмента, предназначенного для горячей деформации металлических заготовок с повышенными требованиями к их жаропрочности.
Стали для штампов также бывают следующих видов:
- средней термостойкости с высоким коэффициентом ударной вязкости (с низким содержанием углерода);
- повышенной термостойкости с высокой ударной вязкостью;
- высокой термостойкости.
