Что такое инструментальная сталь

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:

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

Марка стали	Область применения
Х12МФ	Детали для работы под давлением порядка 1400-1600Мпа. Профилировочные ролики сложной формы, эталонные шестерни, накатные плашки, секции кузнечных штампов, сложные дыропрошивные матрицы и пуансоны вырубных и просечных штампов, пуансоны и матрицы холодного выдавливания для больших давлений. Не применяется для сварных конструкций.
4-9ХС, ХВГ	Ответственные детали с повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, контактном нагружении, а также упругими свойствами. Сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для холодных работ. Не применяется для сварных конструкций.
4Х5МФС	Мелкие молотовые штампы, крупные молотовые и прессовые вставки при горячем деформировании конструкционных сталей и цветных сплавов в условиях крупносерийного и массового производства, пресс-формы литья под давлением алюминиевых, цинковых и магниевых сплавов.
3Х3М3Ф	Инструменты для горячего деформирования на кривошипных прессах и горизонтально-ковочных машинах, подвергающихся в процессе работы интенсивному охлаждению (как правило, для мелкого инструмента), пресс-формы литья под давлением медных сплавов, ножи для горячей резки.
Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р6М5К8, Р18, Р7М2Ф6, Р12МФ5, Р9М4К8, Р10М4К14, Р12М3К5Ф2, Р12М3К8Ф2, Р12М3К10Ф2, Р12М3К10Ф2	Дисковые фрезы, сверла развертки, зенкеры, метчики, протяжки; фрезы червячные, концевые, дисковые; шеверы.

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

Марка стали	Область применения
У7(А)	Инструменты для обработки дерева (топоры, стамески и т.п.); небольшие пневматические инструменты (зубила, обжимки и т.п.); кузнечные штампы; игольная проволока; слесарно-монтажные инструменты: молотки, кувалды, отвертки, плоскогубцы, кусачки и др.
У8(А), У8(Г, ГА), У9(А))	Инструменты, используемые в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки и обрабатывающих дерево: фрезы, топоры, стамески, пилы и т.п. Накатные ролики, плиты и стержни для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов (обжимки для заклепок, кернеры, отвертки, плоскогубцы, кусачки). Для профилей простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаная лента толщиной 0,02-2,5мм.
У10А, У12А)	Сердечники.
У10, У10А)	Игольная проволока.
У10(А), У11(А))	Инструменты, используемые в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки и обрабатывающих дерево: пилы ручные и машинные поперечные и столярные, сверла спиральные. Для штампов холодной штамповки (вытяжные, высадочные, обрезные, вырубные) небольших размеров; для калибров простой формы и пониженных классов точности; для накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и т.п. Напильники, шаберы, х/к лента толщиной 0,02-2,5мм.
У12(А))	Метчики ручные, напильники, шаберы слесарные; штампы для холодной штамповки (обрезные, вырубные) небольших размеров и без переходов по сечению; холодновысадочные пуансоны и штемпели мелких размеров, простой формы и пониженных классов точности.
У13(А))	Инструменты с пониженной износостойкостью (без разогрева режущей кромки): напильники, бритвенные лезвия и ножи, скальпели, шаберы, гравировальные инструменты.

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: 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.

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:

Легированные материалы и их маркировка

Легированные материалы в составе дополнительно содержат следующие элементы:

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:

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.

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.

Инструментальная сталь

Инструментальные стали характерны тем, что после соответствующей термической обработки они получают очень высокую твердость. Такая твердость позволяет изготовленным из стали инструментом обрабатывать другие стали — конструкционные.

Инструментальные стали могут быть разделены на углеродистые, легированные и высоколегированные или быстрорежущие стали. Свойства углеродистых инструментальных сталей как качественных, так и высококачественных (с добавкой индекса А в обозначении марки) зависят также от процентного содержания углерода в их составе. О процентном содержании этого элемента в той или иной стали можно судить по цифрам, входящим в условное обозначение марки стали, соответственно содержанию углерода в десятых долях процента.

С ростом процентного содержания углерода увеличивается твердость стали, но одновременно растет и хрупкость. Поэтому для ударных инструментов и вырубных штампов применяются только стали У7 и У8, а для режущих и измерительных инструментов, от которых требуется высокая твердость и износостойкость,— стали У10—У12. Однако стали У10—У12 пригодны для режущих инструментов, работающих только с небольшими скоростями резания и в спокойных условиях (развертки, метчики и т. п.). Точно также и детали приспособлений, подверженные ударам (упоры, установочные планки), изготовляются из сталей У7 — У8, а работающие на истирание,— из сталей У10 — У12.

Свойства, углеродистых сталей могут быть улучшены добавкой марганца. Такие стали менее хрупки и более износостойки.

Несмотря на многие положительные качества, инструментальные углеродистые стали все же не лишены серьезных недостатков:

1. Они не обладают достаточной теплостойкостью, так как при нагреве приблизительно до 200° начинают терять высокую твердость, а, следовательно, и режущие свойства. По этой причине их нельзя использовать для режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях, т. е. в условиях сильного нагрева режущих кромок.

2. Их форма и размеры сильно изменяются при закалке, что не позволяет использовать такие стали для сложных по конструкции и точных по размерам инструментов и некоторых других деталей технологической оснастки.

Стремление повысить теплостойкость и износостойкость, а также прочность инструментальных материалов привело к созданию легированных сталей. Однако теплостойкость этих сталей лишь немного выше, чем ,у углеродистых, зато значительно выше их износостойкость и прокаливаемость, и в то же время намного меньше изменяемость размеров при закалке.

Наиболее употребительны следующие марки инструментальных сталей: углеродистые качественные стали (по ГОСТ 1435—99) — У7, У8, У10, У12; углеродистые высококачественные — У7А, У8А, У10А, У12А, У8ГА, У10ГА; легированные (по ГОСТ 5950—2000) — Х12МФ, Х12Ф1, 9ХС, ХГ, ХВГ, 5ХВ2ФС, 6ХВ2С, 5ХНМ (56NiCrMoV7), 5ХНВ; быстрорежущие (по ГОСТ 19265-73) — Р6М5 ,Р9К5, Р18 и др. Условные обозначения этих марок почти совпадают с обозначениями легированных конструкционных сталей, с той только разницей, что первое число означает не сотые доли процента, а десятые. В том случае, если процентное содержание углерода в марке составляет 1 % и более, цифра в условном обозначении опускается.

Каковы же свойства и назначение марок легированных инструментальных сталей?

Хромистые инструментальные стали (Х12МФ, Х12Ф1) отличаются большой износостойкостью и малой изменяемостью формы и размеров (деформацией) при закалке. Сталь марки X12МФ широко применяется для изготовления разверток, винторезных гребенок, небольших протяжек, калибров и кондукторных втулок, рабочие размеры которых нельзя подвергнуть шлифованию. Сталь марки XI2МФ и особенно хромованадиевая Х12Ф1 — идут на изготовление накатных плашек, волочильных инструментов, а также гибочных и холодновысадочных штампов.

Хромокремнистая сталь (9ХС) — более теплостойка по сравнению с углеродистой сталью и служит, главным образом, для изготовления режущего инструмента.

Хромовольфрамовые стали (ХВГ) также мало деформируются при закалке, обладают большей теплостойкостью, однако весьма склонны к появлению трещин и прижогов при шлифовании.

Хромовольфрамокремнистые (5ХВ2С и 6ХВ2С) обладают рядом ценных свойств, способствующих их применению для изготовления штампов холодной штамповки. Стали 5ХНМ и 5XНB служат для изготовления ковочных штампов.

Требования к сталям. К инструментальным сталям предъявляются более высокие требования, чем к конструкционным. Это объясняется тем, что рабочие поверхности инструментов, изготовленных из инструментальных сталей, работают при высоких контактных напряжениях, больших удельных давлениях и подвергаются износу и нагреву. Применение тех или иных материалов определяется требованиями, предъявляемыми к различным инструментам.

Материалы, из которых изготовляют режущие инструменты, должны обладать следующими свойствами:

высокой прочностью, так как в процессе резания инструменты испытывают большие усилия; – высокой твердостью, потому что процесс резания можно осуществить только в том случае, если твердость материала инструмента значительно больше твердости обрабатываемого материал

высокой износостойкостью, потому что стойкость инструмента зависит от степени истирания режущих кромок; – высокой теплостойкостью, так как в процессе резания выделяется большое количество тепла, часть которого идет на нагрев режущих кромок инструмента, а последний, нагреваясь, теряет первоначальную твердость и быстро выходит из строя.

В соответствии с ГОСТом 5950—2000 инструментальные легированные стали по своему назначению подразделяются на две группы: для режущего и измерительного инструмента и для штампового инструмента.

Быстрорежущие стали. Быстрорежущей называется сталь, в состав которой помимо углерода входят легирующие элементы — вольфрам, хром, ванадий и молибден, образующие после термической обработки устойчивые карбиды. Кроме карбидообразующих элементов в некоторые марки быстрорежущих сталей входит также кобальт.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73) приобретают после закалки и отпуска высокую твердость, прочность, износостойкость, теплостойкость и сохраняют режущие свойства при нагревании до температуры 600…650° С. Скорости резания инструментами из быстрорежущей стали в 2…4 раза выше, чем инструментами из легированной стали, кроме того, они обладают повышенной стойкостью.

Преимущества быстрорежущей стали проявляются главным образом при обработке прочных (100 кгс/мм2) и твердых сталей (НВ 200..250) и резании с повышенной скоростью. По ГОСТу 19265—73 промышленность выпускает следующие марки быстрорежущей стали: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9КЮ, Р9М4К8 иР10К5Ф5. В обозначениях марок буквы и цифры указывают: Р — быстрорежущая сталь; цифра, стоящая за буквой, — среднее содержание вольфрама в процентах; М — молибден, Ф — ванадий, К — кобальт; цифры, следующие за этими буквами, — соответственно содержание молибдена, ванадия и кобальта.

Вольфрамомолибденовая сталь Р6М5 не только дешевле стали марки Р18, но и отличается хорошей теплопроводностью, мало склонна к трещинообразованию в процессе шлифования. По режущим свойствам при чистовой обработке она несколько уступает сталям Р18 и Р12, однако при черновой обработке режущие свойства ее лучше, чем у стали Р18. Недостаток стали Р6М5 — чувствительность к перегреву.

Инструментальные стали подразделяются:

— по назначению в зависимости от марки стали — на две группы :

• I — для изготовления инструмента, используемого в основном для обработки металлов и других материалов в холодном состоянии;

Легированные инструментальные стали применяются для изготовления инструментов и технологической оснастки. Из сталей марок 8ХФ , 9ХФ , Х12МФ, Х12Ф1 выполняют круглые и ленточные пилы, ножи для холодной резки металлов, зубила, пуансоны, керны и другие инструменты, работающие с ударными нагрузками. Из сталей марок 9ХС, 5ХВ2СФ, 6ХВ2С, 9X1—зубила, пуансоны, ножи для холодной резки металла, кернеры, круглые и ленточные пилы, метчики и другие режущие инструменты диаметром до 30 мм, шаберы, резцы и фрезы для обработки с небольшой скоростью резания, ножовочные полотна и калибры.Из сталей марок ХГС, ХВГ и 9ХВГ изготовляют измерительные инструменты — плитки, калибры и шаблоны, а также измерительные и режущие инструменты, для которых повышенное коробление при закалке недопустимо, — резьбовые калибры, протяжки, длинные метчики и развертки, плашки и лекала сложной формы.

• II — для изготовления инструмента, используемого в дальнейшем у потребителя для обработки металлов давлением при температурах выше 300 °С.

Легированные инструментальные стали второй группы применяют для изготовления деталей штампов и пресс-форм. Это прежде всего : 5ХНМ (56NiCrMoV7), 5ХНВ, 7Х3, 3Х3М3Ф, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС(ЭИ-958), 4Х4ВМФС(ДИ-22) и др.

По форме, размерам и предельным отклонениям металлопродукция должна соответствовать требованиям:

кованая круглого и квадратного сечений — ГОСТ 1133;

горячекатаная круглого сечения — ГОСТ 2590;

горячекатаная квадратного сечения — ГОСТ 2591 и другим нормативным документам;

полосовая — ГОСТ 4405;

калиброванная — ГОСТ 7417, ГОСТ 8559, ГОСТ 8560 квалитетов h11 и h12;

со специальной отделкой поверхности — ГОСТ 14955 квалитетов h11 и h12.

Примеры условных обозначений

Пруток горячекатаный круглый, обычной точности прокатки (В), I класса по кривизне, немерной длины (НД), диаметром 80 мм по ГОСТ 2590-88, из стали марки 9ХС, подгруппы а, группы качества поверхности 2ГП:

Круг В-I-НД-80 ГОСТ 2590-88/9ХС-а-2ГП ГОСТ 5950-2000.

Характеристики и марки инструментальных сталей

Износостойкие инструменты и детали, к прочности которых предъявляются повышенные требования, предполагают использование инструментальных сталей, имеющих ряд важных отличий от конструкционных сталей.

Круглые заготовки инструментальной стали

Сферы применения инструментальных сталей

Инструментальная сталь представляет собой сплав, содержание углерода в котором составляет не менее 0,7%. Ее структура при этом может быть доэвтектоидной, ледебуритной или заэвтектоидной. Инструментальные стали с различной структурой отличаются наличием вторичных карбидов. В сплавах с доэвтектоидной структурой вторичных карбидов нет. Между тем, в каждой из таких структур карбиды в обязательном порядке присутствуют: они образуются при эвтектоидных модификациях либо являются результатом распада мартенсита.

Схема-классификация инструментальных материалов

В современной промышленности инструментальные стали нашли широкое применение. Их используют для производства:

• рабочих деталей штампов, работающих по принципу холодного и горячего деформирования;
• высокоточных изделий;
• режущего инструмента;
• измерительных приборов;
• литейных прессформ, которые работают под давлением.

В зависимости от области применения инструментальных сталей к ним предъявляются определенные требования. Однако существуют общие для всех марок критерии соответствия:

• достаточный уровень вязкости (особенно актуальна эта характеристика для деталей, подвергающихся в ходе эксплуатации ударам);
• высокая прочность;
• износостойкость;
• высокий уровень твердости.

Варианты применения инструментальных сталей (на примере углеродистой)

Наименование	Марка стали	Применение
Углеродистая инструментальная	У7 У7А	Молотки, керны, отвертки, зубила, кузнечный инструмент, косы
Углеродистая инструментальная	У8 У8А	Ножницы, ножи рубильных машин, ручной столярный инструмент, рамные пилы
Углеродистая инструментальная, высокой твердости	У10 У10А	Сверла, фрезы малого диаметра, ленточные пилы, развертки
Углеродистая инструментальная, повышенной твердости	У12 У13	Токарные резцы по дереву, ножовочные полотна по металлу, надфили, напильники, граверный инструмент

Марки сплавов, предназначенных для применения в условиях холодной деформации, должны ко всему прочему обладать гладкой рабочей частью, способностью сохранять размеры и форму, а также отличаться пределом текучести и упругости. А инструментальная сталь, пригодная для работы в условиях горячей деформации, должна обладать высокой теплопроводностью, противостоять отпуску и быть устойчивой к температурным колебаниям. Особым требованиям должны соответствовать и марки сталей, используемых для производства режущего инструмента.

Требования к инструментальным сталям

Ко всем углеродистым инструментальным сталям предъявляются такие требования, как:

• хорошая обрабатываемость методом резки металла;
• низкая чувствительность к перегреву;
• низкая восприимчивость к процессам прилипания и приваривания к обрабатываемым деталям;
• хорошая шлифуемость;
• восприимчивость к прокаливанию;
• пластичность в горячем состоянии;
• способность противостоять обезуглероживанию;
• устойчивость к образованию трещин.

Виды инструментальных сталей

Все марки сталей для производства инструментов подразделяют на 5 основных групп.

Теплостойкие и вязкие

Как правило, это за- и доэвтектоидные стали, которые содержат в своем составе молибден, вольфрам и хром. Содержание углерода в таких легированных инструментальных сталях соответствует средним и низким значениям.

Высокотвердые и вязкие, нетеплостойкие

Такие сплавы отличает низкое содержание легированных элементов и среднее — углерода. Они также характеризуются невысокой прокаливаемостью.

Высокотвердые, теплостойкие и износостойкие

К таким маркам относятся быстрорежущие легированные стали (содержание легирующих элементов в них очень велико), а также сплавы с ледебуритной структурой, содержащие в своем составе более 3% углерода.

Износостойкие, высокотвердые и средней теплостойкости

Это стали с заэвтектоидной и ледебуритной структурой, в состав которых входит 2-3% углерода и от 5 до 12% хрома.

Высокотвердые и нетеплостойкие

Состав таких инструментальных сталей с заэвтектоидной структурой либо вообще не содержит легированных элементов, либо содержит их в незначительных количествах. Уровень твердости таких сплавов обеспечивается большим количеством углерода в их составе.

Важным параметром инструментальных сталей является уровень их твердости. Как правило, высокотвердые стали нежелательно применять для производства инструмента, который в процессе эксплуатации подвергается ударным нагрузкам. Объясняется это тем, что такие сплавы обладают невысокой вязкостью и значительной хрупкостью, что может привести к поломке инструмента, который из них изготовлен.

По уровню твердости можно выделить две категории инструментальных сталей:

• с высоким уровнем вязкости (содержание углерода в пределах 0,4-0,7%);
• с высокой износостойкостью и твердостью (углерода в них содержится больше: 0,7-1,5%).

Деталь гидромолота из высокотвердой стали

Классифицируют марки сталей и по степени их прокаливаемости. По данному критерию различают легированные стали с повышенной (возможный диаметр прокаливания 80-100 мм), высокой (50-80 мм) и низкой (10-25 мм) прокаливаемостью.

О маркировке инструментальных сталей

Для определения вида инструментальной стали требуется знание маркировки, которая включает в себя как буквенные, так и цифровые обозначения. Разобраться в этом несложно. Очень часто в маркировке сплавов встречается буква «У». Она означает, что перед вами углеродистая сталь. Цифры, идущие следом за такой буквой, говорят о содержании углерода в сплаве, исчисляемом в десятых долях процента. Встречается в маркировке углеродистых инструментальных сталей и буква «А», указывающая на то, что сплав относится к высококачественным.

Маркировка инструментальной стали (на примере углеродистой) с указанием содержания дополнительных элементов

Большую категорию инструментальных сталей составляют быстрорежущие сплавы, которые обозначаются буквой «Р». После этой буквы следуют цифры, по которым можно определить содержание основного легирующего элемента для сталей данной категории — вольфрама.

Содержание остальных элементов в составе быстрорежущих легированных сталей (молибдена, ванадия и кобальта) определяется по цифрам, следующим за соответствующими буквами в их маркировке — «М», «Ф» и «К». В состав быстрорежущих сплавов в обязательном порядке входит и хром, но его количество определяют по умолчанию — не более 4%.

Очень часто маркировка инструментальных сталей начинается с цифры (к примеру, 9ХС, 9Х, 6ХГВ), которая указывает на содержание (в десятых долях) в их составе углерода, если оно не превышает 1%. В том случае, если углерода в составе сплава содержится около 1%, то цифра в начале их маркировки не ставится вообще. На содержание остальных элементов (в целых долях) указывают цифры, которые стоят в маркировке за буквами, обозначающими соответствующий легирующий элемент.

Закалка и отпуск углеродистых инструментальных сталей

В ГОСТе 1435 оговаривается как состав углеродистых сталей, так и их основные характеристики. Содержание углерода в таких сплавах (что можно определить по их марке) составляет от 0,65 до 1,35%. Для того чтобы получить оптимальную структуру и требуемую твердость, перед началом производства инструмента эти сплавы подвергают отжигу. При этом для инструментальных сталей с заэфтектоидной структурой выполняется отжиг сферодизирующего типа. Проводимая по такой технологии термообработка приводит к появлению цементита зернистой формы. А получить зерна требуемого размера позволяет скорость охлаждения, которую можно легко регулировать.

Производственный процесс закалки стали

После того, как инструмент будет изготовлен, инструментальная сталь подвергается закалке и последующему отпуску. Это дает возможность получить материал требуемой твердости. Регулировать твердость готового инструмента также достаточно легко, это достигается путем выбора определенной температуры для проведения операции отпуска.

Так, для инструментов, подвергающихся в процессе эксплуатации систематическим ударным нагрузкам, оптимальной является твердость от 56 до 58 HRC, которую получают, проводя отпуск при температуре 290 градусов Цельсия. Самые строгие требования предъявляют к твердости плашек, граверных приспособлений, напильников (62-64 единицы по шкале HRC). Достигается она при помощи выполнения отпуска при температуре от 150 до 200 градусов Цельсия.

Закалка увеличивает твердость углеродистых сталей по той причине, что именно с ее помощью удается получить оптимальную структуру сплава железа и углерода. Варианты такой структуры:

• карбиды с мартенситом;
• только мартенсит.

Инструментальная штамповая сталь

Изделия из металла, получаемые методом деформирования, могут обрабатываться в нагретом и холодном состоянии. Соответственно, и штампы, с помощью которых обрабатываются такие детали, бывают холодно- и горячедеформированными. Естественно, что для производства штампов разных типов требуется использование различных марок инструментальной стали.

Так, для штампов холоднодеформированного типа и небольшой толщины (до 25 мм) применяют углеродистые стали У10, У11 и У12. Твердость сплавов данных марок находится в пределах от 57 до 59 единиц по HRC, они отличаются достаточной вязкостью, хорошим уровнем сопротивления деформациям пластического характера, способностью противостоять износу в процессе эксплуатации. Для более габаритного инструмента (толщина больше 25 мм), испытывающего в процессе эксплуатации более значительные нагрузки, применяют стали с повышенным содержанием хрома (Х9, Х, Х6ВФ).

Инструментальная штамповая сталь на складе

Изделия, регулярно испытывающие в процессе своей эксплуатации ударные нагрузки, должны отличаться высокой вязкостью (например, 4ХС4 и 5ХНМ). Чтобы обеспечить выполнение этого требования, в производстве используют легированные стали, состав которых обогащен специальными элементами, а уровень содержания углерода значительно снижен. Кроме того, необходима специальная термообработка таких инструментальных сталей.

Горячедеформированные штампы в процессе своей эксплуатации подвергаются не только значительным механическим, но и термическим нагрузкам. Естественно, что к инструментальным сталям для производства этих штампов (например, 5ХНМ и 4ХСМФ) предъявляются особые требования, такие как:

• повышенная устойчивость к трещинообразованию в условиях постоянного нагрева и охлаждения инструмента;
• высокий уровень теплопроводности и прокаливаемости;
• устойчивость к образованию окалины.