Классификация инструментальных материалов

Инструментальными называют углеродистые и легированные инструментальные стали, а также твердые сплавы, обладающие высокой прочностью, износостойкостью, теплостойкостью.

Они предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования.

Для режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы и др.) применяются заэвтектоидные стали, структура которых после термообработки (закалка и низкий отпуск) мартенсит и избыточные карбиды.

Для инструментов, требующих повышенной вязкости (штампы горячего деформирования), применяют доэвтектоидные стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры троостита.

Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов), кроме высокой твердости, износостойкости, должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Измерительный инструмент подвергают закалке в масле с целью получения минимального количества остаточного аустенита.

 

Материалы для режущих инструментов

Условия работы инструментов зависят от режимов резания (скорости, подачи и глубины снимаемой стружки) и свойств обрабатываемого материала – от твердости и вязкости.

Эти стали по теплостойкости подразделяются на три группы:

- Не обладающие теплостойкостью (способность сохранять твердость при длительном нагреве) углеродистые и низколегированные стали (рабочие температуры до 200⁰);

- Полутеплостойкие (400⁰–500⁰), содержащие свыше 0,6–0,7 % С и 4–18 % хрома;

- Теплостойкие (до 550⁰–650⁰) высоколегированные стали, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт (650⁰–800⁰).

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали - У7А, У8А…У13А.

Эти стали используют в качестве режущего инструмента для резания материалов с малой скоростью, так как их твердость падает при нагреве 190⁰–200⁰С.

 

Маркировка

Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой «У» (углеродистая), следующая за ней цифра У9, У10…У13 показывает среднее содержание цементита в десятых долях процента. Буква «А» в конце У10А указывает, что сталь высококачественная (содержание примесей серы < 0,04 % S и фосфора < 0,035 % P).

Например, У12А.

У – углеродистая инструментальная 12–1,2 % С, А – высококачественная.

 

Применение

Стали У7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вязкость (по сравнению со сталями У10, У11, У 12), применяют для инструментов, подвергающихся ударам: зубила, долото, стамески. Твердость таких материалов после закалки и последующего отпуска при Т_н=280…325^о HRC 48–58 и имеет структуру отпущенный троосто-мартенсит (в первом случае), или троостит (во втором случае).

Режущие инструменты (мелкие метчики, сверла, напильники, развертки) изготавливают из заэвтектоидных сталей У10, У11, У12 и У13.

Такие инструменты обладают повышенной износостойкостью и твердостью (HRC 60–64 на рабочих гранях). Но твердость падает при нагреве свыше 200⁰. В связи с этим инструменты из этих сталей пригодны для небольших скоростей резания.

 

Низколегированные стали

Эти стали, содержат до 5 % легирующих элементов, таблице 1, которые вводят для увеличения закаливаемости, уменьшения деформаций.

Таблица 1

Химический состав наиболее применяемых низколегированных

инструментальных сталей (ГОСТ 5950 – 73, ГОСТ 1263 – 73)

Марка стали	Содержание элементов, %
С	Si	Cr	W	M0	V	Прочие
ХВ4	1,25–1,45	-	0,4–0,7	3,5–4,3	-	0,15–0,30	-
9ХС	0,85–0,95	1,2–1,6	0,95–1,25	-	-	-	-
ХВГ	0,9–1,05	-	0,9–1,2	1,2–1,6	-	-	0,8–1,1Мn
ХВСТ	0,9–1,05	0,65-1	0,6–1,1	0,5–0,8	-	0,05–0,13	0,6–0,9 Мn

 

Структура низколегированных инструментальных сталей (мартенсит и избыточный карбид) обеспечивает высокую твердость (62–69 HRC) и износостойкость. Но из-за низкой теплостойкости имеет практически одинаковые с углеродистыми сталями эксплутационные свойства. В отличие от углеродистых эти стали менее склонны к перегреву и позволяют изготавливать инструменты больших размеров и сложной формы.

 

Маркировка

Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543 – 71 принято обозначать хром – Х, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам – В, титан – Т, ванадий – Ф, алюминий – Ю, медь – Д, бор – Р, кобальт – К. Цифра, стоящая после буквы, указывает на среднее содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента меньше или около одного процента. Цифра в начале марки стали, показывает содержание цементита в десятых долях процента.

Например, 9ХС – цементита (в среднем) 0,9 %, Х – хром – 1 %, С – кремний – 1 %

Применение

Сталь ХВ4 отличается высокой твердостью и износостойкостью (67– 69 HRC) и применяется для чистовой обработки твердых материалов. Эту сталь называют алмазной.

Сталь 9ХС имеет более высокую устойчивость к разупрочнению (по сравнению со сталью Х) при нагреве до 260^о. Ее применяют для изготовления фрез, сверл, резьбонарезных инструментов (HRC – 62…65).

Стали ХВГ, ХВТ (имеет малую деформацию при закалке) применяют для длинных стержневых инструментов: сверла, развертки, протяжки (HRC – 62…65).

Сложнолегированная сталь ХВСГ отличается высокой твердостью, износостойкостью, из нее изготавливают инструменты большего поперечного сечения (до 100 мм): фрезы, сверла и др (HRC – 63…64).

Высоколегированные инструментальные стали

(быстрорежущие стали)

К этой группе относятся быстрорежущие стали, предназначенные для изготовления инструментов высокой производительности. Основное свойство этих сталей – высокая теплостойкость (обеспечивается введением большого количества вольфрама, молибдена, хрома, ванадия).

Инструменты из этой стали, сохраняют высокую твердость до 600^о и допускают в 2–4 раза более производительные режимы резания. По сравнению с углеродистыми и низколегированными по уровню допустимых скоростей обработки резанием быстрорежущие стали, делятся на две группы: нормальной и повышенной производительности.

К группе сталей нормальной производительности относятся вольфрамовые (Р18, Р12, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6М3, Р6М5). Теплостойкость до 600^о.

К группе сталей повышенной производительности относятся стали, содержащие кобальт и повышенное количество ванадия (Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5). Они превосходят стали первой группы по теплостойкости (630⁰–640⁰), но уступают им по прочности и пластичности.

Механические свойства некоторых быстрорежущих сталей приведен в таблице 2.

Таблица 2

Марка стали	температура нагрева при закалке, °С	Твёрдость по­сле закалки, HRC
Быстрорежущие
Р18	1270+1290	62…65
Р12	1240+1260	62…65
Р6АМ5 (Р6М5)	1200+1300	62…65
Р14Ф4 Р9К5, Р9К10 Р9М4К8	1240+1260	63…66
1210+1235 1215+1235	63…66 63+66
Р8МЗК6С Р9М5К5	1200+1220 1200+1230	63…66 63…66

 

Маркировка

Быстрорежущие стали обозначают буквой «Р», после которой стоит число, указывающее содержание (основного легирующего элемента) вольфрама в процентах. Содержание ванадия до 2 % и хрома до 4 % (во всех сталях) в марке не указывается. Стали, легированные дополнительно молибденом, кобальтом или имеющие повышенное количество ванадия, содержат в марке буквы М, К, Ф и числа, показывающие их содержание в %.

Например, Р10К5Ф5 – углерод в среднем 0,9–1,2 %, вольфрам 10 %, кобальт 5 %, ванадий 5 %.

Для устранения неоднородности структуры быстрорежущей стали применяют технологию порошковой металлургии. Эти стали (Р6М5Ф3 – МП; Р12МФ5 – МП и др.) имеют повышенное содержание углерода (1,2–1,75%) и ванадия (2,3–3,7%). Буквы МП указывают, что инструмент изготовлен методом порошковой металлургии (что обеспечивает повышение его теплостойкости в 1,5 раза).

 

Применение

Быстрорежущие стали применяют для изготовления фасонных токарных резцов, сверл, фрез, протяжек, метчиков и др.

Тип инструмента и рекомендуемые стали представлены в табл. 3.

 

Таблица 3

Стали, рекомендуемые для режущих инструментов

Тип инструмента	Сталь
Резцы токарные, долбежные, строгальные	Р18, Р12Ф3, Р6М5, Р9
Сверла: для обработки сплавов с твердостью 260–280 НВ для сплавов с твердостью 50–60 НRC	Р6М5 Р12Ф3, Р6М5К6
Фрезы: резьбовые, червячные то же, для обработки с большей скоростью то же, для труднообрабатываемых сплавов	Р6М5, Р9, Р18 Р6М5К5 Р6М5Ф3, Р6М5К5 - МП
Плашки резьбонарезные: для нарезания мягких материалов для нарезания твердых материалов	ХВСГ Р6М5, Р12Ф3К5
Пилы: сегменты к круглым пилам, ножовочные полотна машинные и ручные для обработки древесины	Р9, Р6М5 9ХФ
Стамески, долото, топоры для обработки древесины	7ХФ, 6ХС
Напильники: для мягких материалов для твердых материалов	13Х, Х Р6М5, Р8М3

Твердые сплавы

К твердым сплавам относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой. Они предназначены для изготовления режущих инструментов.

Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с кобальтом, выполняющим роль связки, прессуют и спекают при 1400⁰–1550⁰С.

Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащают режущие части инструмента. Такие инструменты сочетают высокую твердость (74–76 НRC) с высокой теплостойкостью (800⁰–1000⁰С). По своим эксплуатационным свойствам они превосходят инструменты из быстрорежущих сталей и применяются для резания с высокими скоростями.

В зависимости от состава карбидной основы порошковые сплавы выпускают трех групп, таблица 4.

Первую группу (однокарбидную-вольфрамовую) составляют сплавы системы карбид–вольфрама–кобальт (WC–Co), теплостойкость до 800⁰С.

Вторую (двухкарбидную–титановольфрамовую) группу образуют системы ТС–WC–Cо. Сплавы отличаются более высокой, чем у сплавов первой группы, теплостойкостью (900⁰–1000⁰С).

Третью группу (трехкарбидную – титанотанталовольфрамовую) группу образуют системы Tic–TaC–WC–Co. От сплавов предыдущих групп они отличаются большей прочностью и сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию.

 

Таблица 4