Инструментальные стали

В зависимости от назначения инструментальные стали делятся на стали для режущего инструмента, для измерительного инструмента и для штампов.

Сталь для режущего инструмента в термически обработанном виде должна быть твердой, износостойкой и продолжительно сохранять режущие способности лезвия инструмента. Чем тяжелее условия работы инструмента, тем больше тепла выделяется при резании и тем больше нагревается лезвие. Способность стали сохранять режущие свойства в нагретом состоянии называется красностойкостью.

Большая твердость мартенсита (HRC больше 62) достигается при содержании 0,7% С. Однако углеродистые стали не обладают большой красностойкостью и прокаливаемостью. Из углеродистых инструментальных сталей нельзя готовить инструмент большой толщины и нельзя им обрабатывать металл с большими скоростями резания, так как выделяющееся при этом тепло нагревает инструмент выше 180—200° С, т. е. выше температуры устойчивости нелегированного мартенсита.

Чем сложнее геометрия инструмента, тем больше он подвержен деформации (короблению) и склонен к образованию трещин при закалке. Во избежание этого закалку инструментов производят не в воде, а в масле как в материале, имеющем меньшую теплопроводность. Однако закаливать в масле можно только ли с малой критической скоростью закалки, т. е. легированные стали. Для уменьшения-деформируемости при закалке большую роль может играть остаточный аустенит. Дело в том, что по сравнению с исходным перлитом аустенит имеет меньший, а мартенсит больший удельный объем. Поэтому можно подобрать такой состав стали, у которой наряду с мартенситом после закалки будет остаточный аустенит в таких соотношениях, чтобы размеры инструмента остались неизменными, однако следует иметь в виду, что с эксплуатационной точки зрения остаточный аустенит вреден.

Углеродистые стали при нагреве склонны к обезуглероживанию, что недопустимо для ряда инструментов. Легирование специальными примесями, например хромом, уменьшает обезуглероживание.

Таким образом, легированные инструментальные стали по сравнению с нелегированными обладают большей красностойкостью и прокаливаемостью, меньшей обезуглероживаемостью и деформируемостью.

Из наиболее распространенных легированных инструментальных сталей можно назвать сталь X (1,0—1,5% С, 1,3—1,6% Cr) и 9ХС (0,85—0,95% С, 1,2—1,6% Si, 0,95—1,25% Cr). Сталь 9ХС лучше прокаливается, но сталь X меньше обезуглероживается.

Малодеформируемой сталью является марка ХВГ (0,9—1,05% С, 0,80—1,1% Mn, 0,9—1,2% Cr, 1,2—1,6% W), поскольку марганец способствует получению нужного количества остаточного аустенита. Инструментальные стали типа X12 с молибденом или ванадием являются по существу малоуглеродистыми чугунами — при 1,2—1,5% С и 12% Cr в структуре имеется ледебурит. Поэтому слитки предварительно проковывают, чтобы раздробить эвтектические карбиды. При закалке этих сталей от 1050—1075° С и отпуске при 150—180°С структура состоит из легированного мартенсита, незначительного количества остаточного аустенита и карбидов. Сталь очень износостойка, глубоко прокаливается и очень мало или почти не деформируется при закалке. Эта сталь годится для изготовления инструмента сложной конфигурации, в том числе штампов холодной вытяжки, волочильных досок и т. п.

От штампов для горячей штамповки и от молотовых штампов требуется большая вязкость, поэтому такие легированные стали содержат меньше углерода (0,3—0,7%) и термически обрабатываются на тростит. К таким сталям относятся 7X3 и 5ХНВ.

Быстрорежущие стали. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р18 (0,68—0,8% С, 17,5—18,5% W, 1,0—1,4% V, 3,8—4,8% Cr) и Р9 (0,8—0,95% С, 8,1—10,0% W, 2,0—2,6% V, 4,0—4,6% Cr).

Вольфрам, хром и ванадий образуют с углеродом карбиды. Основным преимуществом быстрорежущих сталей является высокая красностойкость при 500—550° С, что позволяет работать с относительно большими скоростями резания.

Литая структура P18 аналогична структуре белого чугуна. Ковка разбивает литую эвтектику на обособленные карбиды, которые располагаются в структуре наряду с вторичными и эвтектоидными карбидами.

При очень высоком нагреве под закалку (1280° С для стали Р18 и 1240° С для стали Р9) растворяются вторичные карбиды, которые сильно легируют сталь. Нерастворившиеся избыточные карбиды препятствуют при высоком нагреве росту зерен. После закалки получается мартенсит и остаточный аустенит и избыточные карбиды. При отпуске (560° С) часть растворенных карбидов выделяется в весьма дисперсном состоянии, а остаточный аустенит превращается в мартенсит. При двух-трехкратном нагреве и охлаждении удается весь остаточный аустенит превратить в мартенсит. Такой легированный мартенсит имеет твердость 62 HRC и красностойкость до 550—600° С.

Инструмент из быстрорежущей стали в настоящее время производят как механической обработкой, так и методами пластической деформации, например, сверла на заводах массового производства изготавливают методами поперечного, секторного и продольно-винтового проката.

Термическую обработку инструмента из быстрорежущей стали производят в жидких средах: нагрев под закалку на 1240—1280° С в хлорбариевой электродной ванне, изотермическая выдержка при 500—550° С в расплавленной селитре и охлаждение на воздухе. После такой закалки быстрорежущая сталь типа Р18 имеет твердость 61—63 HRC и содержит до 30% остаточного аустенита. Отпуск проводят в расплавленной селитре или щелочи при 560° С 2—3 раза по одному часу с охлаждением до комнатной температуры между отпусками. Получают твердость 62—65 HRC, содержание остаточного аустенита 1—3%. Контроль полноты отпуска проводится магнитным методом на специальных приборах — аустенометрах.

В последнее время для обработки труднообрабатываемых материалов применяются быстрорежущие стали повышенной производительности, содержащие кобальт и увеличенное количество ванадия, например сталь Р10К5Ф5 (1,5% С, 10% W, 4% Cr, 5% Va, 5% Co).