Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Инструментальные стали в широком ассортименте - лист хвг по привлекательной цене

10.2. Инструментальные стали

В группе инструментальных сталей можно выделить углеродистые, легированные и быстрорежущие инструментальные стали.

Углеродистые стали используются для изготовления инструментов всех видов – режущих, штамповых и измерительных. Эти стали относятся к высокоуглеродистым и содержат углерода 1,0 … 1,3%.

Углеродистые инструментальные стали производят качественными марок У7,У8, У9, … , У13 и высококачественными У7А, У8А, У9А, …, У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У9 содержит углерода 0,9%.

Высококачественные стали более чисты по содержанию серы, фосфора и примесей других элементов, они лучше сопротивляются ударным нагрузкам, чем качественные стали.

В термически обработанном состоянии эти стали обладают высокой поверхностной твердостью и износостойкостью, достаточной прочностью и пластичностью.

Основными преимуществами инструментальной углеродистой стали по сравнению с легированной и быстрорежущей является:

1) возможность проведения закалки с низких температур (770…8200С);
2) получение высокой твердости и износостойкости в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины в инструментах сечением 15…25 мм, работающих на износ с динамическими нагрузками (ручные метчики, штампы для высадки и др.);
3) невысокая твердость в исходном (отожженном) состоянии, хорошая обрабатываемость резанием и давлением, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструментов;
4) низкая себестоимость.

Вместе с тем углеродистым сталям присущи существенные недостатки, ограничивающие область их применения:

1) отсутствие высокой теплостойкости, так как твердость и износостойкость этих сталей резко снижаются при нагреве выше 150…2000С, поэтому инструменты из углеродистой стали применяются для обработки сравнительно мягких материалов (некоторые цветные металлы и сплавы, пластмассы, древесные материалы) и при небольших скоростях резания;
2) небольшая прокаливаемость (10…15 мм), что ограничивает размеры инструментов;
3) чувствительность к перегреву, что требует точного соблюдения режимов термообработки.

Углеродистые стали используются для инструментов, не подвергающихся в процессе работы нагреву до температур выше 150…2000С и не требующих при изготовлении значительного шлифования.

Из-за низкой прокаливаемости эти стали пригодны для мелких инструментов или инструментов с поперечным сечением до 25 мм с незакаленной сердцевиной, в которой режущая часть приходится на поверхностный слой. Это главным образом инструменты для ручной работы – напильники, метчики, развертки, ножовки, стамески, топоры, а также слесарно-монтажный и штамповый инструмент для деформирования в холодном состоянии. Несквозная закалка уменьшает деформацию инструментов и повышает благодаря вязкой сердцевине их устойчивость к ударам и вибрациям.

Инструмент с поперечным сечением 15…25 мм охлаждают в воде или водных растворах солей и щелочей. Инструменты с незакаленной сердцевиной меньшего сечения для уменьшения деформаций и опасности растрескивания охлаждают в масле или расплавах солей при 160…2000С.

Режущие инструменты – мелкие метчики, сверла, пилы по металлу, ножовочные полотна, фрезы малого диаметра, напильники и некоторые другие инструменты изготавливают из заэвтектоидных сталей У10, У11, У12 и У13. Их подвергают закалке и низкому отпуску при температуре 150…1800С. Такие инструменты обладают повышенной износостойкостью и высокой твердостью на рабочих гранях до температур не выше 2000С.

Заэвтектоидные стали используют также для изготовления некоторых измерительных инструментов, например, калибров простой формы и небольших штампов холодной высадки, работающих при невысоких нагрузках.

Стали марок У7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вязкость, целесообразно использовать для изготовления инструментов, подвергающихся ударным нагрузкам. К таким инструментам можно отнести, например, деревообрабатывающий инструмент, зубила, некоторые штампы, ножницы для резки жести, молотки, стамески, кернеры, кувалды и др. После закалки эти стали отпускают на структуру троостита при температуре 270…3500С.

Легированные инструментальные стали содержат до 5% легирующих элементов. Они вводятся в сталь для улучшения закаливаемости, уменьшения деформаций и растрескивания инструментов после термообработки. Постоянным элементом низколегированных сталей является хром. Для улучшения свойств сталей в них дополнительно вводят марганец, кремний, вольфрам.

По назначению инструментальные легированные стали делят на две группы:

I группа – сталь для режущих и измерительных инструментов;

II группа – сталь для штампового инструмента.

Рассмотрим стали первой группы.

Режущие свойства легированных сталей примерно такие же, как и углеродистых инструментальных. Их теплостойкость примерно также одинакова – 200…2500С. Однако благодаря легированию хромом эти стали получают лучшую закаливаемость и прокаливаемость. Дополнительное легирование ванадием уменьшает также чувствительность сталей к перегреву и способствует получению более мелкого зерна при закалке. Это в свою очередь позволяет использовать эти стали для изготовления инструментов больших размеров и более сложной формы.

Из стали марки 7ХФ изготавливают инструмент, работающий с ударными нагрузками, – зубила, стамески, долота и пр. Для чистовой обработки металлов используют инструмент из стали ХВ4. Эта сталь отличается особо высокой твердостью и износостойкостью. Эти свойства придают ей карбиды вольфрама, которые практически не растворяются при температуре закалки. Из-за высокой твердости сталь ХВ4 называют алмазной сталью. Ее применяют для гравировальных резцов, резцов для чистовой обработки твердых материалов, пил по металлу, фрез и др.

Стали марок 9ХС, ХВГ относятся к сталям глубокой прокаливаемости и закаливаются в масле. Сталь 9ХС имеет повышенные эксплутационные свойства и применяется для изготовления фрез, сверл, резьбонарезных и других инструментов с поперечным сечением до35 мм. Сталь ХВГ характеризуется малой деформацией при закалке и применяется для длинных стержневых инструментов (сверла, развертки, протяжки и т.п.) с поперечным сечением до 45 мм.

Стали для измерительных инструментов (плиток, шаблонов, калибров) должны иметь не только высокую твердость и износостойкость, а также обладать способностью приобретать при доводке очень чистую поверхность. Для изготовления измерительных инструментов высокой точности используются высокоуглеродистые хромистые стали марок Х и 12Х. В закаленной стали в течение длительного времени при комнатной температуре самопроизвольно протекает процесс старения, обусловленный частичным распадом мартенсита. Этот процесс вызывает размерные изменения, что недопустимо для инструментов высокой точности.

Для предупреждения старения инструменты продолжительное время (несколько десятков часов) подвергают низкому отпуску. Отпуск уменьшает содержание углерода в мартенсите и снижает внутренние напряжение. Это стабилизирует форму и размеры инструмента.

Рассмотрим стали для штампового инструмента.

Штамповыми называют стали, применяемые для изготовления инструмента, изменяющего форму материала деформированием без снятия стружки. По условиям работы эти стали делятся на стали для деформирования материала в холодном и в горячем состоянии.

Штамповые стали для холодного деформирования должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающимися с достаточной вязкостью. При больших скоростях деформирования, вызывающих разогрев инструмента до 400…5000С, от сталей требуется достаточная теплостойкость. Для изготовления крупных штампов необходима также высокая прокаливаемость стали и ее минимальные объемные изменения при закалке.

В связи с различными условиями работы инструментов состав и режимы термической обработки штамповых сталей могут существенно отличаться друг от друга.

В качестве штамповых сталей для деформирования в холодном состоянии используются нетеплостойкие стали высокой твердости, например, стали марок Х6ВФ, 4ХС, 6ХС и др.

Стали для штампов горячей обработки давлением работают в тяжелых условиях ударных нагрузок, периодичного нагрева и охлаждения поверхности. От этих сталей требуется сложный комплекс эксплутационных и технологических свойств. Кроме высоких механических свойств эти стали должны обладать теплостойкостью и окалиностойкостью.

Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют легированные стали с содержанием 0,4…0,6% углерода. Для повышения вязкости отпуск этих сталей ведут при более высоких температурах – 550…6000С. Наилучшими в этой группе являются стали марок 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ и др. Эти стали сохраняют достаточно высокие механические свойства до температуры около 5000С.

Быстрорежущие инструментальные стали относятся к высоколегированным сталям, сохраняющим свои прочностные свойства при температурах до 550…6500С. преимущества этих сталей проявляются главным образом при обработке сравнительно твердых сталей с повышенными скоростями резания. Применение быстрорежущих сталей в качестве материала для режущих инструментов позволяет увеличить скорость резания в 2…4 раза. Стойкость инструмента при этом увеличивается в 10…40 раз по сравнению с инструментами из углеродистых и низколегированных сталей.

Все марки быстрорежущей стали обозначают буквой Р (от фр. rapide – быстрый, скорый), цифра после которой указывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама (в процентах). Содержание ванадия (до 2%) и хрома, количество которого примерно 4% во всех сталях, в марке не указывается. Стали, содержащие дополнительно молибден, кобальт или повышенное количество ванадия, имеют в марке соответственно буквы М, К, Ф и цифры, показывающие их массовую долю в процентах. Например, сталь марки Р6М5 содержит примерно 6% вольфрама и 5% молибдена. Все быстрорежущие стали содержат около 0,8…1,1% углерода.

Наиболее широкое применение в промышленности получили вольфрамовые стали Р9 и Р18 (содержат соответственно 9 и 18% вольфрама). С целью снижения расхода дефицитного вольфрама часть его заменяется молибденом. Такие стали значительно дешевле вольфрамовых. В настоящее время самой распространенной быстрорежущей сталью, содержащей молибден, является сталь марки Р6М5. Эту сталь используют для изготовления всех видов режущего инструмента при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей.

Быстрорежущие стали подвергают термической обработке специальных видов. Требуемую теплостойкость эти стали приобретают после закалки и многократного отпуска. Отличительной особенностью закалки быстрорежущих сталей является медленный нагрев и прогревание при 480 и 8500С в средах, предотвращающих их окисление и обезуглероживание.

Для повышения износостойкости инструмент из быстрорежущих сталей подвергают низкотемпературному цианированию при 520…5600С в течение 10…15 мин. В результате на поверхности образуется слой толщиной 0,03…0,06 мм, насыщенный азотом и углеродам. Для уменьшения прилипания стружки и повышения коррозионной стойкости инструмент обрабатывают перегретым паром при температуре 550..5700С. При этом на поверхности образуется пленка Fe3O4, которая повышает коррозионную стойкость и работоспособность стали.

По режущим свойствам различают стали нормальной и повышенной производительности. К первым относят стали марок Р18, Р12, Р9, Р9Ф5, Р6М5. Инструмент из таких сталей сохраняет работоспособность примерно до 6000С. Стали марок Р18Ф2, Р14Ф4 с повышенным содержанием ванадия имеют более высокую теплостойкость (до 630…6500С), но уступают сталям первой группы по прочности и пластичности.

Стоимость быстрорежущих сталей примерно в 5…6 раз превышает стоимость легированных инструментальных сталей. Поэтому для экономии быстрорежущих сталей режущей инструмент изготавливают сборным. Из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента, которая в виде пластинок крепится к державке из обычной углеродистой стали.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008

Экспертиза

на главную