Инструментальная сталь что это такое?

Марки инструментальных сталей

Вопрос увеличения эффективности обработки конструкционных сталей остается всегда актуальным. Исследования в этом направлении в одно время привели к появлению новых марок стальных сплавов, предназначенных исключительно для изготовления инструмента и оснастки под него. Название они получили соответствующее — инструментальные стали и сплавы. что их отличало от обычных конструкционных? Какими свойствами они обладали?

Общие сведения

Сталь, процент углерода в которой составляет более 0,7%, называют инструментальной. В основе фазовой структуры лежит мартенсит и только в некоторых случаях ледибурит.

Используется главным образом в машиностроении в качестве материала для производства инструмента по обработке черных и цветных сплавов.

Инструментальную сталь отличает ряд особенностей по сравнению с конструкционной. Среди них наиболее важными являются:

• Повышенная твердость, которая составляет 60-65 единиц по шкале Роквелла.
• Дополнительная прочность. Временное сопротивление на разрыв не должно быть ниже 900 МПа.
• Способность сопротивляться воздействию абразивного износа.
• Высокая прокаливаемость — свойство сталей термически упрочняться.
• Красностойкость, которая характеризует металл с точки зрения способности сохранять свои прочностные характеристики при увеличении температурного воздействия на него.

Согласно государственным стандартам предусмотрены следующие разновидности инструментальных марок, исходя из их технологического назначения:

• Инструментальные углеродистые стали ГОСТ 1435-99. Помечаются буквой «У» в начале маркировки. Цифра, следующая далее в обозначении, показывает углеродистую составляющую: У12, У10 и т.д. Размерность берется в сотых долях процента. В конце может ставиться буква «А» (например, У10А), которая показывает, что данная инструментальная сталь имеет уменьшенное количество отрицательных включений. В частности, это относится к сере и фосфору, элементам, ответственным за ухудшение механических свойств стального сплава.
• Легированные инструментальные стали ГОСТ 5950-2000. Цифра, стоящая в начале, показывает сотую долу процента карбидов в стали. В случае ее отсутствия значение данного параметра принимается равным 1%. Далее следует буквенное обозначение легирующих элементов с указанием цифрами их содержания в целых долях процента: Х, 5ХВГ, 9ХС и прочее.
• Быстрорежущие инструментальные стали ГОСТ 19265-73. В технической документации маркируются буквой «Р». Цифрой за ней обозначают ориентировочное содержание вольфрама – базового химического компонента для данной стали. Помимо него быстрорезы могут включать в своем составе кобальт и ванадий. Они также указываются в маркировке соответствующими буквами: К и Ф. Содержание хрома во всех быстрорежущих сталях колеблется в пределах 3-4%. По этой причине его не обозначают в маркировке.
• Штампованные инструментальные стали ГОСТ 1265-74. Маркируется данный вид сталей аналогично легированным. По характеру применения они бывают штампованными сталями холодной и горячей деформации.

Рассмотрим каждый пункт теперь более подробно.

Инструментальная углеродистая сталь

Данный класс в машиностроении используется как материал для производства режущего инструмента с минимальным габаритным размером не более 13 мм. Причина этого ограничения кроется в их ограниченной прокаливаемости. Более крупные габаритные размеры возможны только если большая часть режущей кромки находится на поверхности (короткие свёрла, зенкера и прочее).

Для большинства режущего инструмента — зенковки, ножовки и фрезы — применяются стали У13, У11 и У10. В случае если стальной сплав работает в условиях сильных ударных воздействий, рекомендуется использовать марки типа У8 и У7. Они обладают большим коэффициентом ударной вязкости и, соответственно, способны выдержать большие динамические нагрузки.

Преимуществом инструментальных сталей приведенного класса является низкая цена, приемлемая податливость резанию в отожжённом состоянии и умеренная твердость. Для повышения их механических свойств применяют разного рода термообработку. Прежде всего, это закалка в соляном растворе или воде при 820 ºС плюс низкий отпуск, главное назначение которого — снятие внутренних напряжений.

Главным недостатком углеродистой инструментальной стали — это узкий диапазон температур закаливания, что усиливает внутренние деформации стали при ее термообработке. По этой причине использование данных сплавов ограничивается инструментом, работающим с низкими скоростями резания и температурами нагрева до 220 ºС.

Легированная инструментальная сталь

По сравнению с вышеописанной легированная обладает большей толщиной прокаливаемого слоя и меньшей склонностью к перегреву, что позволяет существенно снизить риск образования трещин во время термообработки инструмента. Благодаря этому минимальный габаритный размер инструмента увеличивается с 12 до 40 мм.

Низколегированные стали марок типа 11Х и 13Х рекомендуются для изготовления метчиков, ножей и напильников толщиной 1-15 мм. Особенно если указанный инструмент при этом имеет большую длину.

Стали 9ХС и ХВГС обладают повышенной красностойкостью с критической температурой 250 ºС. Они используются для сверл, плашек, гребенок и прочего инструмента диаметром до 80 мм. Недостатком их является небольшая хрупкость в отожжённом состоянии и чувствительность к образованию трещин во время шлифовки.

Также легированная инструментальная сталь отлично зарекомендовала себя в изготовлении разного рода измерительного инструмента — штангенциркули, линейки, скобы и прочее — за счет низкого значения коэффициента теплового расширения. Наиболее подходящими из них послужили стали типа Х и ХГ.

Быстрорежущая инструментальная сталь

Быстрорежущих инструментальных сталей от всех выше представленных видов инструментальных стальных сплавов отличает более высокая красностойкость. Данные сплавы не изменяют своих механических характеристик при температурном режиме до 650 ºС. Как результат, скорость резания увеличивается в 5 раза, а долговечность инструментария в 32 раз.

Этого стало возможным благодаря включению в их химический состав вольфрама или его аналога молибдена. Также на теплостойкость положительно влияет добавление в сталь таких металлов как кобальт, ванадий и хром. Наиболее востребованными марками в машино- и станкостроении являются Р18, Р12, Р6М4 и Р10К5Ф5. Из данной группы инструментальных сталей стоит отметить Р12, т.к. она обладает лучшей технологичностью: более податлива обработке давлением.

Термическая обработка данных стальных сплавов включает в себя закалку при 1250 ºС и многократный низкий отпуск при 350 ºС. Превышение указанных температур крайне нежелательно, т.к. это приводит к резкому снижению механических характеристик, в частности образования хрупкости. Иногда для улучшения коррозионностойких свойств быстрорезы дополнительно обрабатываются паром.

Штампованная сталь

Штампованная инструментальная сталь используется в производстве матриц и пуансонов штампов. Как было сказано ранее, она подразделяется на сталь холодного и горячего деформирования.

Инструментальная сталь холодной деформации работают при температуре 250-300 ºС. Сюда относят Х12М и Х12Ф1, в основе которых лежит фазовая структура ледибурит. Их отличие — это высокое значение прокаливаемости, красностойкости и твердости (64 HRC). Из них изготовляют массивные штампы сложной формы, ролики для накатывания резьбы и т.д.

Штампованные стали горячей деформации работают с более горячим металлом, температура которого может доходить до 550 ºС. Поэтому, помимо всего прочего, они должны обладать разгаростойкосью — способностью выдерживать многократные перегревы и не трескаться при этом. Наиболее востребованными марками здесь являются 5ХНМ и ХГМ.

Инструментальные стали в свое время совершили технологический прорыв в области обработки металлов. Их использование позволило повысить скорость резания почти в 5 раз. Но прогресс не стоит на месте. Сейчас они становятся все менее актуальными. Особенно на фоне новостей об усовершенствовании керамических сплавов.

Марки инструментальной стали.

Инструментальная сталь — легированная или углеродистая сталь, предназначенная для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов холодного и горячего деформирования, деталей машин, испытывающих повышенный износ при умеренных динамических нагрузках.

По форме, размерам и предельным отклонениям металлопродукция соответствует требованиям:

• прокат стальной горячекатаный круглый — ГОСТ 2590-88;
• прокат стальной горячекатаный квадратный — ГОСТ 2591-88;
• прокат стальной горячекатаный шестигранный — ГОСТ 2879-88;
• прутки кованые квадратные и круглые — ГОСТ 1113-88;
• полосы — ГОСТ 103-76, ГОСТ 4405;
• прутки, мотки калиброванные — ГОСТ 7417, ГОСТ 8559, ГОСТ 8560 квалитетов h11 и h12;
• прутки со специальной отделкой поверхности — ГОСТ 14955 квалитетов h11 и h12.

Инструментальная легированная сталь ГОСТ 5950-2000

Легированная сталь — сталь, в которую в процессе легирования в определенных количествах вводят специальные элементы, обеспечивающие требуемые свойства. Такие элементы называют легирующими. Они могут повышать прочность и коррозионную стойкость стали и снижать опасность ее хрупкого разрушения.

Легирование стали может проводиться на различных этапах производства металла и заключается во введении легирующих элементов в расплав или шихту. В процессе легирования стали вводимые элементы могут образовывать с основой стали особые химические соединения. Такие интерметаллидные, карбидные и нитридные элементы обладают высокой твердостью и прочностью, химической стойкостью, жаропрочностью и т.п. Равномерное распределение по всему объему твердого раствора и достаточное количество этих элементов в стали придают металлу необходимые свойства при легировании стали.

Для легирования стали используются следующие химические элементы: марганец (Mn) — Г; кремний (Si) — С; хром (Cr) — Х; никель (Ni) — Н; медь (Cu) — Д; азот (N) — А; ванадий (V) — Ф; ниобий (Nb) — Б; вольфрам (W) — В; селен (Se) — Е; кобальт (Co) — К; бериллий (Be) — Л; молибден (Mo) — М; бор (B) — Р; титан (Ti) — Т; алюминий (Al) — Ю.

Чистые металлические элементы при легировании стали обычно не используются. Чаще для легирования стали применяют ферросплавы (сплавы железа) и лигатуры (вспомогательные сплавы). Это экономически выгоднее и позволяет избежать ряда технологических трудностей в процессе легирования стали.

ГОСТ 5950-2000 регулирует нормы изготовления прутков, полос и мотков горячекатаных, кованых, калиброванных и со специальной отделкой поверхности из инструментальной легированной стали, а также нормы химического состава для стали 3Х2МНФ, 4ХМНФС, 9ХФМ, слитков, заготовок, лент, труб, поковки и другой металлопродукции.

Классификация легированных сталей

По количеству легирующих элементов:

• высоколегированная — общая масса легирующих элементов более 10%;
• среднелегированная — общая масса легирующих элементов более 2,5-10%;
• низколегированная — общая масса легирующих элементов до 2,5%.

• I — для изготовления инструмента, используемого для обработки металлов и других материалов в холодном состоянии;
• II — для изготовления инструмента, используемого для обработки металлов давлением при температурах выше 300°С.

По способу дальнейшей обработки:

• а — горячекатаная и кованая металлопродукция для горячей обработки давлением и холодного волочения без контроля структурных характеристик;
• б — горячекатаная и кованая металлопродукция для холодной механической обработки с полным объемом испытаний.

По качеству изготовления:

• обычная;
• высококачественная — А.

По качеству и отделке поверхности:

• горячекатаная и кованая: 2ГП — для подгруппы «а», 3ГП — для подгруппы «б» повышенного качества, 4ГП — для подгруппы «б» обычного качества;
• калиброванная — Б и В;
• со специальной отделкой поверхности — В, Г, Д.

• завод «Электросталь» — ЭИ;
• златоустовский металлургический завод — ЗИ.

Марки инструментальной легированной стали

Марки инструментальной легированной стали I группы: 13Х, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ (ИХ), 9ХФМ, Х, 9Х1, 12Х1 (120Х, ЭП430), 6ХС, 9Г2Ф, 9ХВГ, 6ХВГ, 9ХС, В2Ф, ХГС, 4ХС, ХВСГФ, ХВГ, 6ХВ2С, 5ХВ2СФ, 6ХЗМФС (ЭП788), 7ХГ2ВМФ, 9Х5ВФ, 8Х6НФТ (85Х6НФТ), 6Х4М2ФС (ДИ55), Х6ВФ, 8Х4В2МФС2 (ЭП761), 11Х4В2МФ3° C2 (ДИ37), 6Х6В3МФС (ЭП569, 55Х6В3СМФ), Х12, Х12МФ, Х12Ф1, Х12ВМФ.

Марки инструментальной легированной стали II группы: 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 7Х3, 8Х3, 4ХМФС (40ХСМФ), 4ХМНФС, 3Х2МНФ, 5Х2МНФ (ДИ32), 4Х3ВМФ (3И2), 3Х3М3Ф, 4Х5 МФС, 4Х4ВМФС (ДИ22), 4Х5МФ1С (ЭП572), 4Х5В2ФС (ЭИ958), 4Х2В5МФ (ЭИ959), Х3В3МФС (ДИ23), 05Х12Н6Д2МФСГТ (ДИ80).

Обозначение марки стали: первые цифры — массовая доля углерода в десятых долях процента, затем буквы — вещество, используемое в качестве легирующего элемента, цифры, стоящие после букв, — средняя массовая доля соответствующего легирующего элемента в целых единицах процентов. Начальную цифру опускают, если содержание углерода не менее 1%. Буква «А», в середине марки стали — содержание азота, в конце — сталь высококачественная. Например, сталь 5ХНМ — 0,5 С, 1 Cr, 1 N1, до 0,3 Mo.

Нестандартные легированные стали, выпускаемые, например, заводом «Электросталь» обозначаются соответствующим сочетанием букв (в данном случае «ЭИ»), после которого идет порядковый номер стали. Например, ЭИ959, ЭП761, ДИ80 и др.

Применение инструментальной легированной стали

Инструментальная углеродистая сталь ГОСТ 1435-99

Углеродистая сталь — сталь, не имеющая в своем составе легирующих элементов, но содержащая углерод в различной концентрации: до 0,25% — низкоуглеродистая сталь, 0,24-0,6% среднеуглеродистая сталь, более 0,6 — высокоуглеродистая сталь.

ГОСТ 1435-94 регулирует нормы изготовления прутков и полос кованых, горячекатаных, калиброванных и со специальной отделкой поверхности из инструментальной углеродистой (нелегированной) стали, а также нормы химического состава для слитков, заготовок, листов, лент, проволоки и другой металлопродукции.

Классификация углеродистых сталей

• быстрорежущая — Р;
• шарикоподшипниковая — Ш;
• электротехническая — Э.

По химическому составу:

• качественная;
• высококачественная — А.

По назначению в зависимости от массовой доли хрома, никеля и меди:

• 1 — для продукции всех видов, кроме патентированной проволоки и ленты;
• 2 — для патентированной проволоки и ленты;
• 3 — для продукции всех видов, изготавливающейся с многократными нагревами, усиливающими возможность проявления графитизации стали, а также для продукции, от которой требуется повышенная прокаливаемость (кроме проката для сердечников, патентированной проволоки и ленты).

По способу дальнейшей обработки:

• а — прокат горячекатаный и кованый для горячей обработки давлением (осадки, высадки), холодного волочения;
• б — для холодной механической обработки (обточки, фрезерования и т.п.).

По качеству и отделке поверхности:

• для горячекатаной и кованой стали: 2ГП — для подгруппы «а», 3ГП — для подгруппы «б»;
• для калиброванной стали — Б и В.
• для проката со специальной обработкой поверхности — В, Г, Д.

По состоянию материала:

• сталь без термической обработки;
• термически обработанная сталь — ТО;
• нагартованный прокат — НГ (для прутков калиброванных и со специальной отделкой поверхности).

Марки инструментальной углеродистой стали

Марки инструментальной углеродистой стали: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У11А, У12, У13, У13А, У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У12А.

Обозначение марки стали: У — углеродистая, следующая за ней цифра — средняя массовая дол углерода в десятых долях процента, Г — повышенная массовая доля марганца.

Применение инструментальной углеродистой стали

Инструментальная быстрорежущая сталь ГОСТ 19265-73

Прутки и полосы из инструментальной быстрорежущей стали изготавливаются согласно требованиям ГОСТ 19265-73.

Инструментальная быстрорежущая сталь используется для изготовления, чаще всего, режущих инструментов. Быстрорежущая инструментальная сталь сочетает в себе высокую теплоустойчивость (600-6500С в зависимости от состава и обработки) с высокой твердостью, износостойкостью (при повышенных температурах) и повышенным сопротивлением пластической деформации.

Свариваемость быстрорежущей стали: при стыковой электросварке со сталью 45 и 40Х свариваемость инструментальной стали хорошая.

Инструментальная быстрорежущая сталь может изготовляться методом легирования стали или без него. В последнем случае она будет являться одним из видов углеродистой стали. В зависимости от того к какому виду она относится, быстрорежущая инструментальная сталь обладает свойствами и классификацией легированной стали или углеродистой стали.

Марки инструментальной быстрорежущей стали

Марки инструментальной быстрорежущей стали: Р18, Р6М5, Р9К5, Р9К9, Р6М5К5, Р6М4К9, Р6М5Ф3, Р9М4К8 и т.д.

Обозначение марки стали: Р — быстрорежущая сталь, цифра — содержание вольфрама в десятых долях процента, М, К — легированная молибденом или кобальтом соответственно.

Инструментальные стали – зачем они нужны

Для производства износостойких и твердых инструментов используются инструментальные стали, имеющие значительные отличия от конструкционных сталей.

1 Инструментальные стали и сплавы – общие сведения

Под инструментальными подразумевают такие стали, в составе которых содержится не менее 0,7 процента углерода. В большинстве случаев они характеризуются доэвтектоидной, ледебуритной либо заэвтектоидной структурой.

Между собой они отличаются наличием вторичных карбидов (их нет в доэвтектоидных сплавах). При этом во всех структурах обязательно присутствуют карбиды, образующиеся при эвтектоидных модификациях или в процессе распада мартенсита.
Инструментальная сталь может предназначаться для:

• холодного и горячего деформирования (штамповочная);
• изделий высокой точности;
• режущего инструмента;
• измерительных изделий;
• литейных прессформ, используемых под давлением.

В связи с этим любые марки инструментальной стали обязаны иметь достаточную вязкость (если они применяются для ударных изделий), высокую прочность, хорошую износостойкость и твердость. Кроме того, было установлено, что разные виды инструментальных сталей должны характеризоваться и рядом особых свойств, что позволяет изготавливать инструменты различных категорий.

Например, сплавы для холодной деформации должны дополнительно обладать гладкой поверхностью, высокой формо- и размероустойчивостью, а также пределом упругости и текучести при сжатии (так называемая «прочность на сжатие»), сплавы для деформации в горячих условиях – повышенной теплопроводностью, стойкостью к термическим колебаниям и против отпуска, теплостойкостью. Аналогичным требованиям должны соответствовать и инструментальные стали для режущего инструмента.

Также существует и несколько специальных технологически характеристик, коим обязаны соответствовать описываемые нами сплавы:

• хорошая обрабатываемость резкой;
• нечувствительность к перегреву;
• малая восприимчивость к прилипанию и привариванию;
• шлифуемость (шлифование металла важно для качественной эксплуатации инструмента, изготавливаемого из него);
• хорошая прокаливаемость;
• в горячем состоянии – пластичность;
• невосприимчивость к обезуглероживанию;
• малая склонность к образованию трещин на металле.

2 Классификация инструментальных сталей

Все инструментальные сплавы, как понятно из вышеизложенных фактов, имеют собственные характеристики и свойства. Именно по ним они и классифицируются. Выделяют 5 групп сталей для производства инструмента:

• вязкие и теплостойкие: к ним относят за- и доэвтектоидные сплавы, легированные молибденом, вольфрамом, хромом, со средним либо малым содержанием углерода;
• нетеплостойкие, высокотвердые и вязкие: содержание углерода – среднее, малопрокаливаемые, низколегированные;
• теплостойкие, высокотвердые и износостойкие: быстрорежущие высоколегированные, а также ледебуритные сплавы (углерода в них обычно много – более 3%);
• среднетеплостойкие, твердые и износостойкие: от 2 до 3 процентов углерода, хрома – от 5 до 12 процентов, к таковым относят заэвтектоидные и ледебуритные составы;
• нетеплостойкие и твердые: малолегированные, нелегированные, и заэвтектоидные стали с большим количеством углерода.

Если сплав имеет высокую твердость, его нежелательно использовать для инструмента, эксплуатируемого при ударных нагрузках, так как такие составы не считаются вязкими. По уровню твердости можно выделить два вида сталей:

• повышенновязкие (углерода в них 0,4–0,7%);
• износостойкие и высокотвердые (содержание углерода – 0,7–1,5%).

Прокаливаемость также имеет огромное значение для классификации инструментальных сталей. Легированные составы описываются высокой (критический диаметр – 80–100 мм) и повышенной (50–80 мм) прокаливаемостью, углеродистые сплавы с вольфрамом – низкой (10–25 мм).

3 Маркировка инструментальных сталей

Разные виды инструментальных сплавов имеют различную маркировку. Разобраться в ней совсем несложно. Углеродистые стали обозначаются литерой «У», после которой стоит какая-либо цифра (8, 7, 10), определяющая в десятых долях процента содержание в сплаве углерода. Если после цифры стоит литера «А», это означает, что перед нами высококачественная продукция (наиболее распространена в этом плане инструментальная сталь марки У10А).

Маркировка быстрорежущих сплавов начинается с литеры «Р». Затем указывается содержание вольфрама в стали (он является основным легирующим компонентом быстрорежущих композиций) и содержание молибдена, ванадия, кобальта (цифра после букв «М», «Ф» и «К»). В маркировку не включается количество хрома, так как он присутствует в быстрорежущих сплавах в малых объемах (не более 4%).

Цифры в инструментальных легированных сталях типа 9ХС, Х, 6ХГВ, 9Х дают представление о том, сколько в сплаве имеется углерода (при условии, что его не более 1%) в десятых долях процента. Цифры нет вовсе, когда количество углерода примерно составляет 1%. А легирующие добавки обозначаются соответствующей буквой и цифрой, которая показывает их содержание (здесь уже имеются в виду целые проценты) в стали.

4 Углеродистая инструментальная сталь – ГОСТ 1435

Согласно данному Государственному стандарту под такими сталями понимают составы с содержанием углерода от 0,65 до 1,35 процента. Они обычно проходят отжиг до начала производства режущих инструментов, что позволяет сформировать благоприятную структуру составов и добиться оптимального показателя твердости материала. Отжиг сфероидизирующего вида проводится для заэвтектоидных сплавов. Это дает возможность получить зернистую форму вторичного цементита. А конкретной величины зерна несложно добиться, изменяя скорость охлаждения.

Финальным этапом термообработки является закалка инструментальной стали, после чего она подвергается отпуску, температура которого зависит от желаемой твердости инструмента. Так, для ударных изделий (молотки, зубила) температура отпуска равняется примерно 290 °С (в этом случае они имеют твердость от 56 до 58 HRC и необходимый показатель вязкости), для плашек, граверных приспособлений и напильников – не более 200 °С (от 150), что обеспечивает наибольшую твердость изделий на уровне 62–64 HRC.

Закаленные стали могут иметь один из двух вариантов структуры:

• карбиды и мартенсит;
• просто мартенсит.

Отметим отдельно и то, что неполная закалка стали предусмотрена для заэвтектоидных сплавов, а полная – для доэвтектоидных.

5 Сталь инструментальная штамповая

Штампы могут быть холодно- и горячедеформированными. Для холоднодеформированных небольших (не более 25 мм) штампов обычно используют стали марок У11, У10 и У12, которые характеризуются достаточной вязкостью (ударной) и стойкостью против износа, требуемым уровнем сопротивления деформациям пластического характера и HRC от 57 до 59.

Для инструмента с размерами выше 25 мм рекомендуется применять сталь Х9 или Х, реже – Х6ВФ. А вот для ударных изделий подходят сплавы 5ХНМ и 4ХС4. Они описываются очень высокой вязкостью, которая обеспечивается добавкой специальных легирующих компонентов, уменьшением содержания углерода и особым режимом термообработки.

Стали, идущие на горячедеформированные штампы (4ХСМФ, 5ХНМ и др.), должны, кроме того, обладать устойчивостью к трещинообразованию (при неоднократном цикле нагрева и последующего их охлаждения), повышенным уровнем прокаливаемости и теплопроводности, а также стойкости против возникновения окалины.

Инструментальные стали: углеродистые и легированные марки

Инструментальная сталь — это материал, который на более чем на 0,7% состоит из углерода. Ее ключевыми характеристиками является твердость и прочность, их максимальные показатели достигаются при термической обработки стали. Ее преимущественно используют при изготовлении разных инструментов.

• Преимущества и ассортимент
• Основные виды
  • Легированные материалы и их маркировка
  • Быстрорежущие стали
• Классификация
• Сферы использования
• Требования к материалу

Так называется сталь, содержащая более 0,7% углерода. Ее основными характеристиками являются прочность и твердость, которые достигают максимальных показателей после термической обработки. Основное применение такого стального материала — изготовление инструментов.

Преимущества и ассортимент

Инструментальная сталь является одним из наиболее востребованных материалов на рынке. Сплав имеет высокую твердость и невысокую стоимость. Однако имеется и недостаток у материала — его низкая износостойкость, поэтому его не применяют для производства машинных деталей и оборудования, которое подвергается постоянным нагрузкам.

Сортамент данного материала следующий:

• горячекатаные квадраты и круги;
• кованые полосы, круги и квадраты.

Основные виды

Такой вид материалов подразделяется на такие три основные категории:

• инструментальные углеродистые стали;
• легированные инструментальные стали;
• быстрорежущие.

Все они производятся согласно установленному ГОСТу.

Углеродистые виды материала во время нагревания теряют свою прочность, соответственно, их используют для производства инструментов, которые работают на малых скоростях или при простых условиях резания, когда температура нагревания составляет не больше 200 градусов.

Преимущественно их применяют для производства:

• напильников;
• сверл;
• разверток;
• метчиков и не только.

Поскольку углеродистая инструментальная сталь обладает низкими показателями свариваемости, ее не используют при изготовлении сварных конструкций.

В зависимости от процентного соотношения содержания в материале углерода, марганца, кремния, серы и других элементов он подразделяется на такие марки, как:

• У7;
• У8;
• У8Г;
• У10 и прочие.

Легированные материалы и их маркировка

Легированные материалы в составе дополнительно содержат следующие элементы:

• никель;
• медь;
• марганец и т. д.

Все они улучшают характеристики материала. Легирующие элементы должны указываться при маркировке с помощью специальных обозначений буквами. Все это позволяет заранее увидеть, из чего состоит данная инструментальная сталь. Марки материала также могут включать не только буквы, но и цифры. Цифры указывают на то, в каком количестве тот или иной элемент содержится в стали в процентном соотношении. Если при маркировке цифра не ставится, то количество элемента равно около 1 процента.

При маркировке легированной стали на первом месте стоит количество углерода, которое равно десятым долям процента. Например, марка 6ХС содержит углерод в количестве 0,6%, а также по одному проценту кремния и хрома.

Инструментальные легированные стали преимущественно используются для производства штамповых или режущих инструментов, к ним относят:

• плашки;
• метчики;
• развертки;
• сверла;
• фрезы и не только.

Как и углеродистые стали, легированные материалы тоже непригодны для производства сварных конструкций.

Быстрорежущие стали

Маркировка быстрорежущих материалов состоит из буквы «Р», числа, указывающего на массовую долю вольфрама и букв элементов, присутствующих в составе материала. Это могут быть кобальт, молибден и другие. Далее идут цифровые значения их массовых долей. Если маркировка включает буквы «Ш», то это значит «электрошлаковый переплав».

Доля хрома в быстрорежущей стали при маркировке не указывается, также отсутствует указание массовой доли молибдена, если она не превышает отметку в один процент.

Такие виды материалов оптимально подходят для производства режущих инструментов, которые от трения нагреваются до температуры от 600 до 6500 градусов. При этом они не будут деформироваться, и терять свою твердость. Данный вид изделий хорошо поддается свариванию посредством стыковой электросварки со сталью таких марок, как 45 и 40Х.

Классификация

Все марки для производства подразделяются на следующие группы:

• теплостойкие и вязкие — обычно это заэвтектоидные и доэвтектоидные стали, включающие хром, молибден и вольфрам. Углерод в сталях должен соответствовать низким и средним значениям;
• высокотвердые и вязкие, а также нетеплостойкие — в сплавах содержится минимум легированных элементов, а также среднее количество углевода, отличающиеся малой прокаливаемостью;
• Высокотвердые и теплостойкие, а также износостойкие — это быстрорежущие легированные стали с большим содержанием легированных элементов, сплавы с ледебуритной структурой, в которых содержится более 3 процентов углерода;
• износостойкие, высокотвердые со средней теплостойкостью — материалы имеют заэвтектоидную и ледебуритную структуру, в их составе содержится примерно 2−3 процента углерода и 5−12 процентов хрома;
• высококачественная и качественная инструментальная сталь — отличаются друг от друга по процентному соотношению присутствия в них серы и фосфора;
• высокотвердые и нетеплостойкие — эти инструментальные стали с заэвтектоидной структурой вообще не включают в себя легированные элементы, или же они присутствуют в минимальном количестве. Уровень их твердости обеспечивается за счет большого количества углерода в составе.

Уровень твердости — очень важный параметр для рассматриваемого материала. Обычно высокотвердые стали не используют для производства инструментов, которые во время эксплуатации подвергаются ударным сильным нагрузкам. Это происходит за счет того, что эти сплавы имеют невысокую вязкость и большую хрупкость, из-за чего инструмент, которых из них сделан, может сломаться.

По уровню твердости данные стальные материалы бывают с высоким уровнем вязкости, где углерода содержится 0,4 -0,7% или же с большой износостойкостью и твердостью, где количество углевода равно 0,7−1,5%.

Отличаются стали и по степени своей прокаливаемости. По этому критерию они подразделяются на:

• изделия с повышенной прокаливаемостью, где диаметр прокаливания составляет от 80 до 100 мм;
• высокой — диаметр от 50 до 80 мм;
• низкой — от 10 до 25 мм соответственно.

Сферы использования

Данный материал в промышленности имеет довольно широкий спектр применения. Они применяются при изготовлении:

• режущих инструментов;
• измерительных устройств;
• литейных пресс-форм, работающих под давлением;
• рабочих деталей штампов, которые работают по принципу горячего и холодного деформирования;
• высокоточных изделий.

Требования к материалу

Требования к данным материалам предъявляются в зависимости от того, как именно они будут использоваться. Но есть общие требования к ним независимо от марок:

• высокий уровень твердости;
• высокий уровень прочности;
• износостойкость;
• хорошая вязкость, что особенно важно при изготовлении деталей, которые при использовании будут подвергаться ударам;
• низкий уровень чувствительности к перегреву, процессам прилипания и приваривания к деталям, которые подвержены обработке;
• хороший уровень обработки посредством резки металла;
• устойчивость к появлению трещин;
• восприимчивость к прокаливанию;
• пластичность в горячем виде;
• возможность шлифовки;
• возможность противостоять обезуглероживанию.

Естественно, это не все требования. Так, марки, которые предназначаются для использования в условиях холодной деформации, дополнительно должны иметь гладкую рабочую поверхность, сохранять свою форму и размер и иметь предел текучести и упругости. А те материалы, которые должны применяться в условиях горячей деформации, должны иметь высокую теплопроводность, не допускать отпуска и быть устойчивыми к колебанию температур.

Итак, вы рассмотрели особенности инструментальной стали, выяснили, на какие виды и категории она подразделяется и для каких целей используется та или иная их марка. Подробнее информацию о них можно прочесть в других статьях, посвященных этому материалу.

Инструментальные

Инструментальные стали и их характеристика

Человек, научившись соединять железо и углерод, получил новый материал, открывший новые возможности и получив до этого неизвестные свойства, присущие твердому материалу. Инструментальный вид стали в этом претерпел в виде существенных изменений, дав человеку возможность применять ее новые характеристики. Так, узлы и детали механизмов, подверженные большим механическим нагрузкам, должны быть повышенно износостойкими, прочными. Это подразумевает использование сталей отличных от конструкционных-инструментальных.

Применение инструментальных сталей

Стали такого вида характеризуются наличием в составе углерода. Его критическое содержание обычно около 0,7%. По структуре они могут быть в следующих видах: доэвтеклоидной, ледеберитной, заэвтектоидной.

В составе есть и вторичные карбиды, оказывающие влияние на внутреннюю структуру. Это не относится к сплавам с доэвтеклоидной структурой. Тем не мене, в других видах она есть в обязательном порядке. Они являются продуктом расщепления мартенсита или возникают при эвтектоидных изменениях.

Обширно используются инструментальные стали в народном хозяйстве. Их применяют при выпуске:

• поверхностей штампов для изменения форм деталей при контрастных температурах;
• приспособлений для резки;
• инструментов для измерения;
• оборудования для литейного производства, работающего под давлением.

Для инструментальных сталей в зависимости от области их использования установлены определенные требования. Каждые из них учитываются при производстве, но есть и такие, которые являются общими. В их перечень входят следующие виды показателей:

• высокий процент вязкости. Это особенно существенно для продукции, которая впоследствии при эксплуатации будет подвергаться значительным механическим воздействиям;
• показатель прочности;
• длительный срок эксплуатации;
• высокий коэффициент твердости.

Каждая из существующих марок стали, используемая при деформации на пониженных температурах, должна иметь следующие отличительные характеристики: гладкой, без шероховатостей основной частью, относящейся к рабочей поверхности, возможностью сохранения стабильной формы, отсутствием деформации. Важными являются и текучесть, упругость, достижение их определенного предела.

Тот сорт стали, который используется в процессе изменения форм при помощи технологии повышения температуры (тепловой деформации), должен иметь следующие свойства: повышенный уровень теплопроводимости, невосприимчивость к отпуску, стойкость к предельным изменениям температур. Требования существуют и для тех марок сталей, которые изготавливают специально для производства приспособлений для резки.

Технические требования

Углеродистые инструментальные стали должны соответствовать следующим условиям:

• Легко поддаваться обработке металлорежущим оборудованием.
• Не реагировать на повышенные температуры.
• Сохранять стабильность в случае присоединения и приклеивания к другим деталям в процессе их обработки.
• Хорошо поддаваться обработке при шлифовании.
• Положительно поддаваться прокалке.
• Сохранять пластичность при нагревании.
• Сохранять углерод в составе и минимизировать его выделение.
• Не образовывать трещин в конечном продукте.

Виды инструментальных сталей

Производители инструментальных сталей, предлагают пять видов такого материала для производственной сферы, связанной с изготовлением инструмента.

Термостойкие и вязкие инструментальные стали

К ним относятся заэвтектоидные и доэвтектоидные стали. В их составе показатель углерода должен быть в пределах между минимальными и средними значениями. Обязательно наличие в таких легированных сталях молибдена, атомов вольфрама и хрома.

Особо твердые, вязкие, не теплостойкие стали

Отличительная черта сортов сталей, инструментального типа — небольшой объем содержания легированных веществ и значительно большее количество углерода. Отсюда устойчивость к прокаливанию.

Особо твердые, теплоустойчивые, износоустойчивые инструментальные стали

К этому виду можно отнести быстро режущиеся стали. В них содержится максимальное количество легирующих элементов, кроме того, есть сплавы с ледебуритным составом (содержание углерода три процента).

Износоустойчивые, особо твердые, со средней степенью теплоустойчивости сплавы

Это стали с заэвтеклоидной и ледебуритной композицией. Составляющие 2 – 3 % углерода. Пределы для хрома от 5 – 12 %.

Особо твердые, не теплостойкие виды инструментальных сталей

В составе таких видов сталей с заэвтеклоидной композицией нет легированных веществ или их сравнительно мало. На степень прочности в таком составе оказывает влияние содержание именно углерода. Чем его атомов больше в кристаллической решетке, тем лучше для свойства твердости и крепости. Такой вид материала не пользуется спросом при изготовлении инструмента подверженного при эксплуатации ударам и другим значительным физическим нагрузкам. Этим сплавам присущи минимальная вязкость, большая хрупкость, что уменьшает длительность эксплуатации инструмента.

Согласно характеристике твердости, все виды инструментальных сталей можно разделить на следующие виды:

• содержащие углерод в количестве 0,4 – 0,7 % (повышенное состояние вязкости);
• с наличием углерода 0,7 – 1,5 % (повышенное состояние износоустойчивости и твердости).

Различают сорта стали по видам уровня прокаливания. Поэтому принципу легированные стали делят на три вида:

• увеличенная прокаливаемость (применяемый диаметр для прокаливания от 8 см до 10 см);
• нормальная (диаметр 5 – 8 см);
• уменьшенная (значение находится в пределах 1 см и до 2,5 см).

Маркировка инструментальных сталей

Понятие маркировки необходимо для установления сорта инструментальной стали. В ее названии значение имеет каждая буква, цифра.

Система простая. Ключевым символом в знаках является буква «У». Это знак углеродистого содержания.

Его может быть незначительные, десятые части процента. Цифры, которые пишутся после буквенного обозначения говорят от его количестве. Может быть и буква «А». Наличие ее говорит об обозначении высокого уровня качества. Написание буквы «Р» обязательно для быстрорежущих сплавов. Вольфрам является лидирующим веществом. О его содержании и количестве говорят цифры после буквы «Р». Количество других составляющих веществ в быстрорежущих сталях (молибдена, ванадия, кобальта) обозначается значениями, стоящими за их первоначальными буквами в маркировке. Кроме этого, в составе есть и хром. Его количество значительно ниже, но обязательно (не более 4 %).

На наличие в составе углерода указывает цифра, которая почти всегда находится в маркировке перед буквами Х, ХС. Так пишут, если углерода мало, не больше процента, если значение меньше, может не быть обозначения и вовсе. В маркировке после букв, называющих легирующий элемент стоят цифры, указывающие на наличие других элементов, обозначенными целыми долями.

Закаливание, отпуск сплавов для инструментальных сталей

Процентное содержание веществ в инструментальных сталях, основные параметры прописаны в ГОСТе 1435. Соответственно марке инструментальной стали процентное содержание углерода находится в рамках 0,65 — 1,35%

Для изготовления инструмента нужно улучшить свойства инструментальной стали (повысить показатель прочности ). Это достигается процессом отжига. Отжиг сферодизирующего вида используют только для сплавов с заэвтектоидной конституцией. Такой вид термического процесса способствует возникновению цементита зернистой структуры.

Нужный объем зерен достигается технологией охлаждения. Достигается это быстро и процесс поддается корректировке.

Выполняя процесс при 290 градусах, можно достичь лучшую степень твердости (56 — 58 HRC). Также показатели твердости нужны для инструментальной стали в производстве инструментов. Изготовленный из такого материала, он может поддаваться значительным нагрузкам и выдерживать их, эксплуатируясь, длительное время. При изготовлении таких видов инструмента как плашки, инструменты для гравирования, напильники показатели завышены около 63 по требованиям шкалы HRC.

В процессе отпуска, температурные пределы выдерживается в рамках 150 до 200 градусов по Цельсию. Процессом закалки повышается прочность углеродистых сталей. Кроме этого, возникает возможность достичь наилучшего соединения железа с углеродом. Виды такого соединения могут быть следующими:

• карбиды с мартенситом;
• мартенсит.

Инструментальная штамповочная сталь

Обработка металлической продукции, изготавливаемой методом физического изменения формы (деформации) происходит в нагретом или холодном виде. Поэтому штампы для таких производственных процессов классифицируют на холодно и горяче деформированные. Понятно, что при изготовлении штампов различных типов используются инструментальные сплавы различных марок.

Углеродистые стали У 10, У 11, У 12 используют для тонких штампов (ширина до 25 мм) холоднодеформированного вида. Твердость сталей этих типов лежит в рамках от 57 до 59 единиц по HRC, критерий вязкости на высоком уровне, сопротивляемость физическим нагрузкам пластического характера достаточно высокая. Степень прочности позволяет выдерживать возможные силовые воздействия, препятствуя повреждениям при эксплуатации.

Для более объемных приспособлений (объем более 25 мм), подверженных максимальным нагрузкам при применении, используют сплавы с высоким составом хрома (Х9, Х, XGBФ).

Сплавы, применяемые для изготовления конструктивных частей, самих инструментов, узлов, которые в процессе работы подвержены значительным механическим воздействиям, обязаны быть особо вязкими (4ХС4 и 5ХНМ).

Для выполнения таких задач необходимо обеспечить:

• низкое содержание количества углерода в сплаве;
• добавление специальных веществ.

Обязательным условием является обработка высокими температурами всех видов инструментальных сталей.

Поверхности штампов, работающих в условиях высоких температур и с большими механическими усилиями, поддаются серьезным испытаниям. Это предъявляет ряд серьезных требований при выборе сплавов для производства этих штампов:

• стойкость к образованию мелких механических повреждений при перепаде температур (холод и нагрев);
• повышенная степень прогревания и проводимости тепла;
• сопротивление появлению окалины.

Различные требования, соблюдение предписываемых требований обеспечивает получение только качественного материала и его дальнейшее длительное использование.