Металл используется в производстве ленточнопильных полотен, фрез, а также медицинских инструментов. Сплавы У10 и У11 часто находят применение при изготовлении деталей для электроинструментов благодаря своей высокой прочности.
Инструментальная сталь: марки, виды, характеристики и сферы применения
Инструментальная сталь применяется для производства высокопрочных и качественных инструментов, предназначенных для резки, строительно-монтажных работ, а также пресс-форм для различных литейных процессов, штамповок, заготовок и контрольно-измерительного оборудования.
Основные компоненты этого материала — углерод и легирующие добавки, причем их процентное соотношение варьируется. Эти добавки не только увеличивают прочность сплава, но и улучшают его электропроводность и коррозионную стойкость.
Данная статья подробно рассматривает, что представляют собой инструментальные сплавы, как происходит их производство и применение в различных сферах.
Назначение материала: состав
Для инструментальной стали характерно содержание углерода не менее 0,7%. Однако процентное содержание углерода (C) может значительно варьироваться.
При низком содержании углерода (C) сталь демонстрирует высокий уровень вязкости, в то время как сплавы с содержанием углерода более 0,7% обладают повышенной твердостью и износостойкостью.
Для улучшения физических характеристик металла в него добавляют такие легирующие компоненты, как хром, молибден, кремний и другие элементы. Это позволяет добиться высокой прочности, что делает возможным изготовление лезвий, пильных полотен и хирургических инструментов.
Структура материала
Углеродные инструментальные стали подразделяются на три типа структур.
Изготовление этой продукции осуществляется в соответствии с ГОСТ 1435-74 и ГОСТ 5950-63, в которых регламентированы параметры маркировки, эксплуатационные свойства и химический состав сплавов.
Рис. 2 Классификация инструментальных материалов
Отличительные особенности продукции
Инструментальные стали обладают множеством уникальных свойств.
- Высокие прочностные характеристики, устойчивость к воздействию ударов и вибраций.
- Отличная износостойкость, что обеспечивает длительный срок службы продукции.
- Значительная твердость, что позволяет сохранять геометрию изделий на протяжении всех этапов эксплуатации.
- Высокая обрабатываемость, что дает возможность производить широкий ассортимент продуктов на основе инструментальных сплавов.
- Устойчивость к нагреванию, что позволяет без проблем эксплуатировать инструменты в сложных температурных условиях.
- Хорошая шлифуемость.
- Минимальная предрасположенность к привариванию или прилипанию при высоких температурах.
- Устойчивость к процессам термической обработки, особенно к прокаливанию.
- Высокие показатели пластичности в нагретом состоянии.
- Прочность к обезуглероживанию.
- Стойкость к структурной деформации и образованию трещин.
Некоторые марки инструментальной стали специально разработаны для эксплуатации в условиях холодной деформации. Продукция из такой стали имеет гладкую поверхность, высокую упругость и предел текучести.
Свойства инструментальных сталей, предназначенных для работы в условиях горячей деформации, включают быстрый отвод тепла, устойчивость к отпуску и возможность сохранения структуры при изменении температурных режимов.
Рис. 3 Металлорежущий инструмент на основе инструментальной стали
Инструментальная углеродистая сталь ГОСТ 1435-99
Углеродистая сталь представляет собой сталь, не содержащую легирующих добавок, но содержащую углерод в различных концентрациях: до 0,25% — низкоуглеродистая сталь, 0,24-0,6% — среднеуглеродистая сталь, более 0,6% — высокоуглеродистая сталь.
ГОСТ 1435-94 устанавливает нормы производства кованых, горячекатаных, калиброванных и стальных полос с особой отделкой поверхности, а также нормы для химического состава слитков, заготовок, листов, лент, проволоки и другой металлопродукции, изготовленной из инструментальной углеродистой (нелегированной) стали.
Классификация углеродистых сталей
- быстрорежущая — Р;
- шарикоподшипниковая — Ш;
- электротехническая — Э.
С точки зрения химического состава:
По назначению, в зависимости от долей хрома, никеля и меди:
- 1 — для изделий всех видов, кроме патентированной проволоки и ленты;
- 2 — для патентированной проволоки и ленты;
- 3 — для продукции всех видов, изготавливаемой с многократными нагревами, что усиливает графитизацию стали, а также для изделий, от которых требуется высокая прокаливаемость (за исключением проката для сердечников, патентированной проволоки и ленты).
По методу дальнейшей обработки:
- а — прокаты горячекатаные и кованые для горячей обработки под давлением (осадки, высадки) и холодного волочения;
- б — для холодной механической обработки (обточка, фрезерование и так далее).
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 с особой отделкой поверхности).
Марки инструментальной углеродистой стали
Существуют различные марки инструментальной углеродистой стали: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У11А, У12, У13, У13А, У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У12А.
Обозначение марки стали: символ У обозначает углеродистую сталь, за ним следует цифра, указывающая среднее содержание углерода в десятых долях процента, буква Г сигнализирует о повышенной доле марганца.
Применение инструментальной углеродистой стали
| Марка стали | Область применения |
|---|---|
| У7(А) | Инструменты для обработки дерева (например, топоры, стамески и так далее); небольшие пневматические инструменты (зубила, обжимки и тому подобное); кузнечные штампы; игольная проволока; слесарно-монтажные инструменты, такие как молотки, кувалды, отвертки, плоскогубцы, кусачки и другие. |
| У8(А), У8(Г, ГА), У9(А) | Инструменты, которые используются в условиях, где не нагревается режущая кромка при работе с деревом, такие как фрезы, топоры, стамески, пилы и прочее. Также включают накатные ролики, плиты и стержни для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Подходят для слесарно-монтажных инструментов (например, обжимки для заклепок, кернеры, отвертки, плоскогубцы, кусачки). Для профилей простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаная лента толщиной от 0,02 до 2,5 мм. |
| У10А, У12А | Сердечники. |
| У10, У10А | Игольная проволока. |
| У10(А), У11(А) | Инструменты, которые применяются в условиях с минимальным нагревом режущей кромки, такие как ручные и машинные поперечные и столярные пилы, сверла спиральные. Используются для штампов холодной штамповки (вытяжные, высадочные, обрезные и вырубные) небольших размеров; для калибров простой формы и с пониженными классами точности; для накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и так далее. Также подходят напильники, шаберы, холоднокатаная лента толщиной 0,02-2,5 мм. |
| У12(А) | Метчики ручные, напильники, шаберы слесарные; штампы для холодной штамповки (обрезные, вырубные) небольших размеров и без переходов по сечению; холодновысадочные пуансоны и штемпели маленьких размеров, простой формы и пониженных классов точности. |
| У13(А) | Инструменты с пониженной износостойкостью (не нагревающиеся режущие кромки): напильники, бритвенные лезвия и ножи, скальпели, шаберы, гравировальные инструменты. |
Инструментальная быстрорежущая сталь ГОСТ 19265-73
Прутки и полосы из инструментальной быстрорежущей стали изготавливаются в соответствии с нормами ГОСТ 19265-73.
Инструментальная быстрорежущая сталь широко используется для производства различных режущих инструментов. Быстрорежущая сталь сочетает в себе высокую теплоустойчивость (600–650 °C в зависимости от химического состава и способа обработки) с высокой твердостью и износостойкостью при работе в условиях повышенных температур, а также с высоким сопротивлением пластической деформации.
Что касается сваривания быстрорежущей стали, то она хорошо сваривается при стыковой электросварке со сталью марок 45 и 40Х.
Инструментальная быстрорежущая сталь может быть изготовлена как с легированием, так и без него. В последнем случае она относится к углеродистым сталям. В зависимости от метода производства, быстрорежущая инструментальная сталь может показывать свойства и принадлежность либо к легированным сталям, либо к углеродистым сталям.
Марки инструментальной быстрорежущей стали
Известны следующие марки инструментальной быстрорежущей стали: Р18, Р6М5, Р9К5, Р9К9, Р6М5К5, Р6М4К9, Р6М5Ф3, Р9М4К8 и другие.
Обозначения этих марок следующие: буква Р указывает на быстрорежущую сталь, цифра после буквы обозначает содержание вольфрама в десятых долях процента, а буквы М и К указывают на легирование стали молибденом или кобальтом соответственно.
Применение инструментальной быстрорежущей стали
| Марка стали | Область применения |
|---|---|
| Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р6М5К8, Р18, Р7М2Ф6, Р12МФ5, Р9М4К8, Р10М4К14, Р12М3К5Ф2, Р12М3К8Ф2, Р12М3К10Ф2 | Инструменты, такие как дисковые фрезы, сверла развертки, зенкеры, метчики, протяжки; фрезы червячные, концевые, дисковые; шеверы и другие инструменты. |
Инструментальные углеродистые стали
После соответствующей термической обработки углеродистые стали могут достигать твердости HRC 58-64. Однако такой инструмент способен выдерживать нагрев до 200-250 °C при режущем процессе. При превышении этой температуры значительно снижается твердость инструмента (согласно кривой 8 на представленном графике), что приводит к его быстрому разрушению.
Режущую способность инструментальной углеродистой стали можно улучшить, добавляя легирующие элементы (присадки), такие как:
- хром;
- молибден;
- вольфрам;
- ванадий и другие.
Стали с такими добавками называют легированными.
После термической обработки легированные стали могут выдерживать нагрев при резании до 250-300 °C. Инструменты, изготовленные из легированных сталей, способны работать на скоростях, которые примерно в 1,2-1,4 раза превышают допустимые скорости при использовании инструментов из углеродистых сталей.
Химический состав инструментальных легированных сталей, их марки и группы определяет ГОСТ 5950-73 (который замены на ГОСТ 5950-2000). Для производства режущих инструментов часто применяют легированные стали таких марок как: хромовольфрамовая ХВ5, хромокремнистая 9ХС, хромовольфрамомарганцовистая ХВГ.
Изменения твердости как инструментальных, так и обрабатываемых материалов в зависимости от температуры представлены на следующем графике.
Обозначения: 1 — ЦМ-332; 2 — ВК2; 3 — Т30К4; 4 — Т15К6; 5 — ВК8; 6 — Т5К10; 7 – Р18; 8 — У10; 9 — Р9; 10 — 10ХНМА; 11 — 18ХГТ.
Инструментальные быстрорежущие и конструкционные стали
Инструменты, изготовленные из сталей, содержащих 6-19% вольфрама и 3-4,6% хрома, могут выдерживать нагрев до температуры 600 °C в процессе резания, сохраняя свои режущие свойства. Поэтому такие стали и называются быстрорежущими.
После термической обработки инструмент из быстрорежущей стали достигает твердости НRС 62-63 и может быть использован на скоростях резания, в 2-3 раза превышающих допустимые скорости при работе с инструментами из углеродистой стали.
Наиболее эффективные способы повышения теплостойкости, твердости и износостойкости быстрорежущих сталей:
- Увеличение содержания ванадия;
- Дополнительное легирование кобальтом.
Химический состав быстрорежущих сталей регламентируется ГОСТ 19265-73.
Марка стали
Углерод
Хром
Вольфрам
Ванадий
Кобальт
Молибден
Р18
Р12
Р9
Р6МЗ
Р6М5
Р18Ф2
Р14Ф4
Р18К5Ф2
Р10К5Ф5
Р9К5
Р9К10
Р6М5К5
Р9М6К8
- Р — сталь относится к группе быстрорежущих;
- цифра после Р — среднее содержание вольфрама в процентах;
- цифра после К — среднее содержание кобальта;
- цифра после Ф — среднее содержание ванадия;
- цифра после М — среднее содержание молибдена.
Допускается содержание молибдена до 1% во всех марках стали; при этом содержание вольфрама должно находиться в пределах, указанных выше. Сталь, содержащая более 1% молибдена, дополнительно обозначается буквой М.
Сталь Р18 является одной из старейших марок быстрорежущей стали, к которой принято сравнивать все другие марки. Сталь Р9 относится к низковольфрамовым сталям. Количество вольфрама в этой стали вдвое ниже, чем в стали Р18, а содержание ванадия увеличено, что позволяет ей иметь сопоставимые режущие свойства при обработке конструкционных углеродистых сталей. Однако заготовки из стали Р9 имеют низкую шлифуемость, поэтому не рекомендуется использовать их для производства инструментов, требующих сложной шлифовки (например, протяжек или шеверов).
Стали Р6М5 (молибденовая) и Р12 (вольфрамовая) по своим резательным свойствам близки к стали Р18. Однако они являются более экономичными и технологичными по сравнению с ней. Эти марки обладают повышенной пластичностью в нагретом состоянии, что делает их особенно эффективными при производстве инструмента методом пластической деформации, как, например, Сверл.
Ванадиевая сталь Р18Ф2 за счет большего содержания ванадия демонстрирует повышенную износостойкость по сравнению с Р18.
Стали Р9, Р18, Р12, Р6М5, Р6МЗ и Р18Ф2 относятся к сталям нормальной производительности. Остальные стали из таблицы классифицируются как материалы повышенной производительности. Кобальтовые стали Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2 и Р10К5Ф5 обладают более высокой твердостью, износостойкостью и красностойкостью по сравнению со сталью Р18 (в два-три раза). Эти стали в основном используются для производства сверл, резцов, фрез и других инструментов, которые работают на повышенных скоростях резания.
Конструкционные стали
Конструкционная легированная и углеродистая сталь применяются в машиностроении, строительстве, для создания различных конструкций, крепежных изделий, профильного и листового проката, трубопроводной арматуры и деталей трубопроводов и т.д.
В конструкционных углеродистых сталях содержание углерода составляет до 0,6% (в некоторых случаях это значение может достигать до 0,85%). Углеродистые стали подразделяются на стали обыкновенного качества по ГОСТ 380-05 и качественные стали по ГОСТ 1050-88. Качественная сталь применяется для изготовления изделий, которые требуют от материала высокой пластичности, работы при повышенном давлении, устойчивости к ударам и прочим механическим воздействиям. Эти стали отличаются между собой большей прочностью, пластичностью и устойчивостью к ударным нагрузкам.
- Сталь обыкновенного качества. В маркировке могут присутствовать обозначения по степени раскисленности, такие как кипящая (кп), полуспокойная (пс) и спокойная (сп). Цифровое обозначение варьируется от ст Ст0 до Ст6, где цифры обозначают содержание углерода.
Например: сталь Ст4, сталь Ст2. - Качественная сталь. Здесь цифры указаны в десятых долях процента, отражая содержание углерода.
Например: Сталь 20, Сталь 45.
Конструкционные легированные стали регулируются ГОСТ 4543-16. Свойства таких сталей указываются в их маркировке. Сначала указывается количественное содержание углерода в сплаве, затем следуют буквы, обозначающие легирующие элементы, и далее числа, соответствующие процентам этих легирующих добавок. Если буквы отсутствуют, это может означать, что содержание легирующих компонентов составляет от 1,0 до 1,5%. Буква А в конце маркировки указывает на высокое качество стали, например: 13ХФА, 30ХМА, 40Х.
Конструкционные стали делятся на строительные (низкоуглеродистые, низколегированные) и машиностроительные (средне- и высокоуглеродистые). Малоуглеродистые стали отличаются хорошей свариваемостью и часто используются для сварки строительных конструкций. В машиностроительных сталях сочетание прочности, ударной вязкости, пластичности и износостойкости очень важно. Это объясняет, почему такие стали применяются для различных машинных деталей.
Инструментальные стали
Инструментальные стали можно подразделить на две основные группы в зависимости от их назначения: на те, что предназначены для изготовления режущего инструмента (используются в металлорезке, при производстве измерительных приборов, хирургических инструментов и так далее), и на те, что используются для создания штампового инструмента (например, для горячей и холодной штамповки, прессов, прокатных валов и др.). После термической обработки (закалки и последующего отпуска) эти стали обладают высокой твердостью и прочностью. Из них изготавливаются инструменты, такие как штангенциркули, зубила, сверла, нутромеры и множество других.
Легирующие добавки в инструментальных легированных сталях требуют особого внимания, поскольку часто это дефицитные элементы, включая кобальт, вольфрам, титан. В маркировке таких сталей не обязательно указывать индекс А, поскольку сплав по умолчанию признается высококачественным. Если в маркировке отсутствует численное обозначение, это свидетельствует о том, что содержание углерода в стали примерно составляет 1%. Следом идут буквы и цифры, указывающие на содержание легирующих компонентов в целых процентах.
