Инструментальные стали

Стали появились в производстве раньше других инструментальных материалов и в следующем хронологическом порядке:

– углеродистые;

– легированные;

– быстрорежущие.

4.1. Химический состав углеродистых инструментальных сталей
Марка стали	Содержание элемента, %
углерод	кремний	марганец	сера	фосфор	хром, медь, никель
У8	0,76...0,83	0,17...0,33	0,17...0,33	до 0,028	до 0,030	до 0,2 каждого
У8Г	0,33...0,58
У8ГА	до 0,018	до 0,025
У10	0,96...1,03	0,17...0,33	до 0,028	до 0,030
У12А	1,16...1,23	до 0,018	до 0,025

Маркировка углеродистых инструментальных сталей содержит два обязательных элемента: букву У и число, показывающее среднее содержание углерода в десятых долях процента. Маркировка может содержать и два дополнительных элемента: букву А, которая указывает на пониженное содержание серы и фосфора (элементов, увеличивающих хрупкость стали), и букву Г, которая указывает на повышенное содержание марганца (элемента, улучшающего прокаливаемость стали и повышающего ее ударную вязкость).

Химический составнекоторых марокуглеродистых инструментальных сталей приведен в табл. 4.1.

Инструменту из углеродистых сталей при закалке можно придать достаточно высокую твердость (HRC_э 62...64).

Прочность углеродистых сталей средняя (s _-в ≈ s_и = 2,8...3,0 ГПа). С увеличением содержания углерода возрастает хрупкость материала.

Углеродистые стали имеют низкую красностойкость (200...250°С) и высокую технологичность (хорошо обрабатываются шлифованием). Из-за низкой красностойкости эти стали используют для изготовления инструмента, который работает в условиях, не вызывающих сильного разогрева режущих кромок: ручных метчиков, напильников, ножовочных полотен. Такой инструмент является очень низкопроизводительным, поэтому, как следует из (4.2), имеет высокую относительную стоимость.

Маркировка легированных инструментальных сталей начинается с цифры, указывающей количество углерода в десятых долях процента. Если эта цифра отсутствует, массовая доля углерода в стали около 1%. Далее маркировка содержит буквенно-цифровые пары, которые указывают легирующие элементы и их содержание в процентах. Если массовая доля легирующего элемента не превышает 1%, цифра в маркировке не ставится. Например, сталь 9Г2Ф содержит 0,9% углерода, 2% марганца и около 1% ванадия.

Химический составнекоторых мароклегированных инструментальных сталей приведен в табл. 4.2.

4.2. Химический состав легированных инструментальных сталей
Марка стали	Содержание элемента, %
углерод	кремний	марганец	хром	вольфрам	ванадий
9ХС	0,85...0,95	1,2...1,6	0,3...0,6	0,9...1,2	–	–
ХВГ	0,90...1,05	0,1...0,4	0,8...1,1	0,9...1,2	1,2...1,6	–
11ХФ	1,05...1,15	0,4...0,7	0,4...0,7	–	0,1...0,3
В2Ф	1,05...1,22	0,1...0,4	–	1,6...2,0
ХВ4Ф	1,25...1,45	0,4...0,7	3,5...4,3

Хром упрочняет сталь в результате его растворения в железной основе и образования карбидов. Вольфрам повышает твердость за счет образования сложных карбидов, увеличивает износостойкость и термостойкость стали. Ванадий уменьшает рост зерна при нагреве, улучшает свариваемость, но ухудшает шлифуемость материала. Молибден уменьшает склонность стали к отпускной хрупкости, повышает прокаливаемость, придает повышенную прочность, пластичность и вязкость. Кремний улучшает прокаливаемость стали, снижает ее чувствительность к перегреву.

Легированные и углеродистые инструментальные стали имеют близкие массовые доли углерода, поэтому их твердости в закаленном состоянии соизмеримы. Легирующие элементы, однако, улучшают закалочную структуру (в частности, делают ее мелкозернистой), что обеспечивает более высокую прочность легированной стали (s _-в ≈ s_и = 3,0...3,2 ГПа).

Технологичность легированных сталей высокая. Они хорошо шлифуются и имеют малые деформации при термообработке.

Легированные инструментальные стали обладают средней термостойкостью (350...400°С) и используются для изготовления инструмента, работающего с низкими скоростями резания: ленточных пил, мелкоразмерных сверл, зенкеров, протяжек и метчиков.

Относительная стоимость инструмента из легированной стали – средняя.

В современном машиностроении около 60% инструмента изготавливается из быстрорежущих сталей, легированных вольфрамом, молибденом, кобальтом и ванадием в больших количествах (до 25%).

Принцип маркировки быстрорежущих сталей такой же, как у легированных инструментальных, за исключением двух отличий: 1) следом за массовой долей углерода ставится буква Р (от лат. rapid – быстрый); 2) после буквы Р указывается процентное содержание вольфрама. Например, быстрорежущая сталь Р9М4К8 содержит около 1% углерода, 9% вольфрама, 4% молибдена и 8% кобальта.

Химический составнекоторых марокбыстрорежущих сталей приведен в табл. 4.3.

4.3. Химический состав быстрорежущих сталей
Марка стали	Содержание элемента, %
углерод	вольфрам	ванадий	кобальт	молибден	хром
Р18	0,73...0,83	17,0...18,5	1,0...1,4	до 0,5	до 1,0	3,8...4,4
Р12Ф3	0,95...1,05	12,0...13,0	2,5...3,0
Р10Ф5К5	1,45...1,55	10,0...11,5	4,3...5,1	5,0...6,0	4,0...4,6
Р9К10	0,90...1,00	9,0...10,5	2,0...2,6	9,0...10,5	3,8...4,4
Р6М5	0,82...0,90	5,5...6,5	1,7...2,1	до 0,5	4,8...5,3

Введение пяти и более процентов кобальта в состав стали значительно повышает ее твердость (до HRC_э 66...68) и термостойкость (до 640...650°С). Стали, не содержащие такого количества кобальта, обладают твердостью HRC_э 64...66 и термостойкостью 600...620°С.

Прочность закаленных быстрорежущих сталей несколько выше, чем других инструментальных сталей (s _-в ≈ s_и = 3,2...3,5 ГПа).

Из быстрорежущих сталей наилучшей шлифуемостью обладает Р18. Шлифуемость остальных сталей тем выше, чем больше в них массовая доля вольфрама и меньше массовая доля ванадия. Например, шлифуемость стали Р12Ф3 в 2...3 раза, а стали Р10Ф5К5 – в 4...5 раз ниже шлифуемости Р18.

Из быстрорежущих сталей изготавливают практически всю номенклатуру сложнопрофильного инструмента (фасонные резцы, протяжки, червячные фрезы, долбяки и т.д.) и инструмент общего назначения (сверла, развертки, метчики, цилиндрические фрезы и т.д.), работающий со скоростями резания до 100 м/мин.

Относительная стоимость инструмента из быстрорежущих сталей средняя – из-за высокой стоимости вольфрамосодержащих материалов.

В последние годы для обработки труднообрабатываемых материалов стали применять инструмент из быстрорежущих сплавов на основе железа с пониженным содержанием углерода (0,1...0,3%) и весьма высоким (до 45%) суммарным содержанием вольфрама, молибдена и кобальта. Такие сплавы – В11М7К23, В14М7К25 и др. – имеют твердость HRC_э 68...70 и термостойкость 700…720°С. При обработке титановых сплавов период стойкости инструмента из быстрорежущих сплавов в 50...60 раз выше, чем инструмента из стали Р18.

Основными недостатками быстрорежущих сплавов является их низкая прочность при изгибе (s_и £ 2,4 ГПа) и плохая обрабатываемость резанием (из-за высокой твердости в исходном состоянии HRC_э 38...40).

Дата добавления: 2014-01-20