Рубрика: Металлы и сплавы
Инструментальная сталь должна быть твёрже обрабатываемого материала, сохранять режущую кромку при нагреве и не крошиться под ударом. Совместить эти свойства в одной марке невозможно, поэтому инструментальные стали образуют большое семейство с чёткой классификацией: по составу, по теплостойкости и по назначению. Разберёмся, как устроена эта классификация и какие марки применяются для режущего, измерительного и штампового инструмента.
Главное отличие — высокое содержание углерода, как правило от 0,7 до 1,5 %, а у штамповых сталей для горячего деформирования — 0,3–0,6 % при значительном легировании. Углерод обеспечивает высокую твёрдость мартенсита после закалки, а легирующие элементы образуют твёрдые карбиды, повышают прокаливаемость и теплостойкость.
К инструментальной стали предъявляют набор специфических требований:
Высокая твёрдость почти всегда сопровождается снижением вязкости, поэтому выбор марки — это поиск баланса между стойкостью кромки и риском её поломки.
Инструментальные стали принято делить по нескольким признакам. Каждый из них отвечает на свой вопрос: из чего сталь состоит, сколько тепла выдерживает и для чего предназначена.
На практике удобнее всего классификация по назначению, потому что именно с неё начинается выбор материала:
Одна и та же марка может входить в несколько групп. Например, ХВГ используется и для протяжек, и для калибров, и для небольших вырубных штампов.
Стали У7–У13 по ГОСТ 1435 — самые простые и дешёвые инструментальные стали. Цифра в марке показывает содержание углерода в десятых долях процента: У8 содержит около 0,8 % углерода, У10 — около 1,0 %.
После закалки в воде и низкого отпуска углеродистые стали получают твёрдость 60–64 HRC. Их главный недостаток — низкая прокаливаемость: в сечениях свыше 10–15 мм закаливается лишь поверхностный слой. Это иногда используется как достоинство — твёрдая оболочка с вязкой сердцевиной хорошо работает при ударе. Теплостойкость низкая: уже при 200 °C твёрдость начинает падать.
Сегодня углеродистые стали применяют главным образом для ручного инструмента и инструмента, работающего на малых скоростях.
Легированные инструментальные стали по ГОСТ 5950 содержат хром, вольфрам, кремний, марганец, ванадий. Легирование увеличивает прокаливаемость, позволяет закаливать инструмент в масле с меньшими деформациями и немного повышает теплостойкость — до 250–300 °C.
9ХС — хромокремнистая сталь с хорошей прокаливаемостью и равномерным распределением карбидов. Применяется для плашек, метчиков, свёрл, развёрток, гребёнок. Кремний несколько повышает отпускоустойчивость, но вызывает склонность к обезуглероживанию при нагреве, поэтому закалку ведут в защитной среде.
ХВГ — малодеформирующаяся сталь. Её выбирают для длинного и сложного инструмента, где важно сохранить геометрию после закалки: протяжки, длинные метчики, калибры, лекала, мерительные плитки, резьбовые калибры.
ХВСГ — вариант с повышенной прокаливаемостью для более крупного инструмента.
9ХФ, 9Х1 — для деревообрабатывающих фрез и пил, валков холодной прокатки.
В2Ф — вольфрамовая сталь с высокой твёрдостью для мелкоразмерного режущего инструмента.
Опыт производства резьбонарезного инструмента показывает, что для плашек и метчиков 9ХС остаётся одним из наиболее сбалансированных вариантов. Подробнее о таком инструменте — в разделе плашек.
Быстрорежущие стали — главный материал металлорежущего инструмента из стали. Их название отражает суть: они позволяют работать на скоростях резания в 2–4 раза выше, чем углеродистые и легированные стали, благодаря теплостойкости до 600–650 °C.
Буква «Р» в начале марки обозначает быстрорежущую сталь, цифра после неё — содержание вольфрама в процентах. Далее указываются молибден (М), кобальт (К), ванадий (Ф). Хром в количестве около 4 % присутствует во всех марках и в обозначении не указывается. Содержание углерода — 0,8–1,1 %, иногда выше у ванадиевых марок.
Высокая теплостойкость достигается особым режимом: закалка с очень высокой температуры, 1200–1280 °C, чтобы растворить сложные карбиды в аустените, затем многократный отпуск при 550–570 °C. При отпуске выделяются дисперсные карбиды и превращается остаточный аустенит, твёрдость при этом не падает, а растёт — эффект вторичной твёрдости. Итоговая твёрдость — 63–67 HRC.
| Марка | Особенности | Твёрдость, HRC | Применение |
|---|---|---|---|
| Р18 | Классическая вольфрамовая, хорошая шлифуемость, дорогая | 63–65 | Фасонный инструмент, ограниченно |
| Р6М5 | Вольфрамомолибденовая, высокая прочность, универсальна | 63–65 | Свёрла, метчики, фрезы, протяжки |
| Р6М5К5 | С кобальтом, повышенная теплостойкость | 64–66 | Обработка нержавеющих и жаропрочных сталей |
| Р9К5 | Вольфрамокобальтовая | 64–66 | Резцы, фрезы для труднообрабатываемых материалов |
| Р6М5Ф3 | С повышенным ванадием, высокая износостойкость | 64–66 | Чистовой инструмент, развёртки, протяжки |
| Р12Ф3 | Высокованадиевая, трудно шлифуется | 64–66 | Инструмент для абразивных материалов |
Р6М5 стала стандартом для большинства задач: она дешевле Р18 благодаря замене части вольфрама молибденом и при этом прочнее. Кобальтовые марки выбирают для обработки нержавеющих сталей, титана и жаропрочных сплавов, где температура в зоне резания особенно высока.
Инструмент для холодной штамповки — пуансоны, матрицы, вырубные штампы, ролики для накатки — работает при высоких контактных давлениях и интенсивном истирании. Здесь на первый план выходят износостойкость, прочность на сжатие и стабильность размеров.
Х12, Х12МФ, Х12Ф1, Х12ВМ содержат 11–13 % хрома и 1,2–2 % углерода. Большое количество карбидов хрома обеспечивает исключительную износостойкость. Стали закаливаются на воздухе или в масле с очень малыми деформациями. Х12МФ — наиболее распространённая марка для вырубных и формовочных штампов, матриц, пуансонов, накатных роликов, ножей для резки листа.
Недостаток — карбидная неоднородность, особенно в крупных заготовках. Строчки карбидов снижают прочность, поэтому важна правильная ковка заготовок и ориентация волокна относительно рабочей кромки.
Для инструмента, работающего с ударом, — пуансоны для пробивки толстого листа, высадочный инструмент, ножи для резки прутка — применяют 6ХВ2С, 5ХВ2СФ, 6Х6В3МФС, 7ХГ2ВМФ. Они содержат меньше углерода и карбидов, поэтому вязкость выше, а износостойкость ниже, чем у Х12МФ.
Инструмент горячей штамповки, прессования и литья под давлением контактирует с металлом, нагретым до 900–1200 °C, и периодически охлаждается. Это вызывает термическую усталость — сетку разгарных трещин на рабочей поверхности. Поэтому стали этой группы содержат меньше углерода (0,3–0,6 %) и легированы хромом, молибденом, вольфрамом и ванадием.
Рабочая твёрдость таких сталей ниже, чем у инструмента холодного деформирования, — обычно 42–52 HRC. Это сознательный выбор: при более высокой твёрдости инструмент быстро растрескивается от термоударов.
Калибры, шаблоны, концевые меры и мерительные плитки должны сохранять размер годами. Главная опасность — превращение остаточного аустенита и релаксация напряжений, из-за которых размер «уходит». Для них применяют ХВГ, Х, ШХ15, Х12МФ, а термообработка обязательно включает обработку холодом и длительный стабилизирующий отпуск. Для плоских шаблонов и лекал сложной формы иногда используют цементуемые стали 15 и 20, а также 15Х.
Формы литья пластмасс работают при умеренных температурах, но требуют высокого качества поверхности под полировку и иногда коррозионной стойкости. Используют предварительно улучшенные стали типа 40Х, 40ХН2МА, цементуемые 12ХН3А, 18ХГТ, а для агрессивных полимеров — коррозионностойкие 40Х13, 95Х18. Подробнее о проектировании и изготовлении — в разделе пресс-форм.
Выбор марки определяется условиями работы конкретного инструмента. Удобно ориентироваться на следующую последовательность:
Ошибка в выборе почти всегда проявляется одним из двух способов: кромка быстро затупляется (сталь слишком мягкая или не теплостойкая) либо выкрашивается и ломается (сталь слишком хрупкая). По характеру износа отработавшего инструмента опытный технолог обычно может определить, куда смещать выбор.
Классификация инструментальных сталей отражает логику их применения. Углеродистые — для простого ручного и ударного инструмента. Легированные — для мерительного и резьбонарезного инструмента с умеренными скоростями и требованиями к стабильности размеров. Быстрорежущие — для металлорежущего инструмента с высокой теплостойкостью. Штамповые для холодного деформирования — для износостойких матриц и пуансонов, для горячего — для инструмента, работающего в условиях термоциклирования.
Мы изготавливаем режущий, резьбонарезной и штамповый инструмент из перечисленных сталей с полным циклом термообработки и шлифования. Если нужно подобрать марку или изготовить инструмент по чертежу или образцу, оставьте заявку — подробности о номенклатуре есть в разделе инструментов.
