Инструментальные стали

Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных ста­лей У10А, У11А, У12А, обладают доста­точной твердостью, прочностью и износо­стойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200 — 250° их твер­дость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназна­ченных для обработки мягких метал­лов с низкими скоростями резания, таких как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Угле­родистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабаты­ваемость резанием и давлением. Однако они плохо закаливаются и требуют при­менения при закалке резких закалоч­ных сред, что усиливает коробление ин­струментов и опасность образования трещин.

Инструменты из углеродистых инстру­ментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и по­тери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости угле­родистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасон­ных инструментов, подлежащих шлифо­ванию по профилю.

С целью улучшения свойств углеро­дистых инструментальных сталей были разработаны низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувст­вительностью к перегреву, чем углеро­дистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает брак из-за деформации и тре­щин по сравнению с получаемым при термической обработке углеродистых сталей. Примером низколегированных сталей может служить сталь У11X, ко­торая представляет собой углеродис­тую сталь с небольшими добавками хрома.

Низколегированные стали не превос­ходят углеродистые стали по режущим свойствам, так как введение в сталь небольшого количества легирующих эле­ментов не повышает теплостойкость ста­ли. Поэтому область применения для низколегированных сталей рекоменду­ется та же, что и для углеродистых ста­лей.

Легированные инструментальные ста­ли отличаются от углеродистых более высокой прокаливаемостью и закалива­емостью, что позволяет производить за­калку инструментов с охлаждением в горячих средах и получать меньшую деформацию. В производстве режущих инструмен­тов из инструментальных легирован­ных сталей наибольшее применение на­ходят хромокремнистая сталь 9ХС и хромовольфрамомарганцовистая сталь ХВГ.

У стали 9ХС наблюдается равномер­ное распределение карбидов по сечению. Это позволяет использовать ее для резь­бонарезных инструментов с мелким ша­гом резьбы, особенно для круглых плашек.

Вместе с тем сталь 9ХС имеет повы­шенную твердость в отожженном состоя­нии, пониженную обрабатываемость, вы­сокую чувствительность к обезуглерожи­ванию при нагреве.

Сталь ХВГ имеет повышенную карбид­ную неоднородность, что усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать ее для инстру­ментов, работающих в тяжелых усло­виях. Применяется она для изготовле­ния таких инструментов, как длинные развертки, метчики, протяжки, для ко­торых крайне нежелательна деформа­ция при закалке.

Вместо сталей 9ХС и ХВГ можно при­менять сталь ХГСВФ. Она имеет меньшую твердость после отжига и обезуглерожи­вается значительно меньше, чем сталь 9ХС.

По теплостойкости легированные ин­струментальные стали незначительно пре­восходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200—260° С. Поэтому эти стали непригодны для резания с повышенной скорос­тью, а также для обработки твердых материалов.

В настоящее время для изготовления металлорежущих инструментов приме­няются быстрорежущие стали. В зависи­мости от назначения их можно разде­лить на две группы: 1) стали нормальной производительности; 2) стали повышен­ной производительности.

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, Р9М4; к сталям второй группы – Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2. В обозначении марок буква Р указы­вает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содер­жание ванадия в стали в процентах обо­значается цифрой, проставляемой за бук­вой Ф, кобальта — цифрой, следующей за буквой К.

Быстрорежущая сталь Р18, содержа­щая 18% вольфрама, долгое время бы­ла наиболее распространенной. Инстру­менты, изготовленные из этой стали, после термической обработки имеют твер­дость HRC 62—65, красностойкость 600° С и достаточно высокую прочность. Сталь Р18 сравнительно хорошо шлифует­ся. Существенным недостатком этой ста­ли является большая карбидная неодно­родность, особенно значительная в прут­ках большого сечения.

При увеличении карбидной неоднород­ности прочность стали снижается и при работе наблюдается выкрашивание ре­жущих кромок инструмента и снижение его стойкости.

Большое количество избыточной кар­бидной фазы делает сталь Р18 более мелкозернистой, менее чувствительной к перегреву при закалке, более износостой­кой. Из стали Р18 могут изготовляться всевозможные инструменты, в том чис­ле такие сложные как шеверы, долбяки, протяжки и др.

Сталь Р9 по красностойкости и режу­щим свойствам почти не уступает стали Р18.

Недостатком стали Р9 является по­ниженная шлифуемость, вызываемая сравнительно высоким содержанием ва­надия и присутствием в структуре очень твердых карбидов. Вместе с тем сталь Р9, по сравнению со сталью Р18, имеет бо­лее равномерное распределение карбидов, несколько большую прочность и плас­тичность, что облегчает ее деформируе­мость в горячем состоянии и имеет важное значение для инструментов, полу­чаемых различными методами пластиче­ской деформации. Из-за пониженной шли- фуемости сталь Р9 применяется в огра­ниченных пределах. Сталь Р12 равноценна по режущим свойствам стали Р18. По сравнению со сталью Р18 сталь Р12 имеет меньшую кар­бидную неоднородность, повышенную пластичность и пригодна для инструмен­тов, изготовляемых методом пластиче­ской деформации.

По сравнению со сталью Р9 сталь Р12 лучше шлифуется, что объясняется более удачным сочетанием легирующих эле­ментов.

Стали марок Р18М и Р9М отличаются от сталей Р18 и Р9 тем, что они в своем составе вместо вольфрама содержат до 0,6—1% молибдена (из расчета, что 1% молибдена заменяет 2% вольфрама). Эти стали имеют равномерно распределен­ные карбиды, но более склонны к обез­углероживанию. Поэтому закалку ин­струментов из этих сталей необходимо проводить в защитной атмосфере. По своим основным свойствам стали Р18М и Р9М не отличаются от сталей Р18 и Р9 и имеют ту же область примене­ния.

Вольфрамомолибденовые стали типа Р6МЗ, Р6М5 являются новыми сталями, значительно повышающими как проч­ность, так и стойкость инструмента. Мо­либден обусловливает меньшую карбид­ную неоднородность, чем вольфрам, вследствие чего замена 6—10% вольфра­ма соответствующим количеством молиб­дена снижает карбидную неоднородность быстрорежущих сталей примерно на 2 балла и соответственно повышает плас­тичность. Недостаток молибденовых ста­лей заключается в том, что они имеют повышенную чувствительность к обез­углероживанию.

Вольфрамомолибденовые стали реко­мендуется применять в промышленности наряду с вольфрамовыми для изготовле­ния инструмента, работающего в тяже­лых условиях, когда необходима повы­шенная износостойкость, пониженная карбидная неоднородность и высокая прочность. Сталь Р18, особенно в крупных сече­ниях (диаметром более 50 мм), с боль­шой карбидной неоднородностью целе­сообразно заменять на стали Р6МЗ и Р12. Сталь Р12 пригодна для протяжек, сверл, особенно в сечениях диаметром менее 60—70 мм. Сталь Р6МЗ целесооб­разно использовать для инструментов, изготовляемых способом пластической деформации, для инструментов, работа­ющих с динамическими нагрузками, и для инструментов больших сечений с ма­лыми углами заострения на режущей части.

Быстрорежущие стали повышенной производительности Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 используются в основном при обработке жаропрочных сплавов, высо­копрочных и нержавеющих сталей, дру­гих труднообрабатываемых материалов, а также конструкционных сталей с по­вышенными режимами резания. В на­стоящее время применяются кобальто­вые и ванадиевые быстрорежущие стали. Легирование быстрорежущих сталей ко­бальтом и ванадием понижает проч­ность, но повышает красностойкость до 630—670°С. При этом возрастают их ре­жущие свойства, т. е. повышается стой­кость инструмента в 1,5—3,0 раза по сравнению со стойкостью инструментов из стали Р18.

Вместе с тем быстрорежущие стали повышенной производительности, со­держащие кобальт, имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию. Быстрорежущие стали повышенной про­изводительности шлифуются хуже ста­ли Р18 и требуют более точного соблюде­ния температур нагрева при термической обработке. В порядке ухудшения шлифуемости рассматриваемые стали распо­лагаются в такой последовательности: Р18Ф2, Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р9Ф5, Р10К5Ф5. Ухудшение шлифуемости выражается в повышении износа абразивных кругов и увеличении толщи­ны поверхностного слоя стали, повреж­даемого при излишне жестком режиме шлифования. Быстрорежущие стали повышенной производительности из-за технологических недостатков не являются сталями универсального назначения. Они имеют относительно узкие границы примене­ния, более пригодны для инструментов, подвергаемых незначительному про­фильному шлифованию.