Износостойкие инструменты и детали, к прочности которых предъявляются повышенные требования, предполагают использование инструментальных сталей, имеют ряд важных отличий от конструкционных сталей. Лист AISI 904L — https://ileko.com/product/specials/moskva/list-2/list-aisi-904l/
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 доевтектоїдної, ледебуритного или заевтектоідной. Инструментальные стали с различной структурой отличаются наличием вторичных карбидов. В сплавах с доевтектоїдної структурой вторичных карбидов нет. Тем временем, в каждой из таких структур карбиды в обязательном порядке присутствуют: они образуются при эвтектоидных модификациях или являются результатом распада мартенситу.
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 пресс-форм, 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 процессе эксплуатации ударам);
- высокая прочность;
- износостойкость;
- высокий уровень твердости.
Варианты применения инструментальных сталей (на примере углеродистой)
| углеродистая инструментальная | У7 У7А |
Молотки, керны, отвертки, зубила, кузнечный инструмент, косы |
| углеродистая инструментальная | У8 У8А |
Ножницы, ножи рубильные машины, 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, способность 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 отпуске и быть устойчивой к температурным колебаниям. Особым требованиям должны отвечать и марки сталей, используемых для производства режущего инструмента.
Требования к инструментальным сталям
До всех углеродистых инструментальных сталей предъявляются такие требования, как:
- хорошо обрабатывается методом резания металла;
- низкая чувствительность к перегреву;
- низкая восприимчивость к процессов прилипания и приваривания к обрабатываемых деталей;
- хорошая шлифованная;
- восприимчивость к прокаливанию;
- пластичность в горячем состоянии;
- способность противостоять обезуглероживанию;
- стойкость к образованию трещин.
Виды инструментальных сталей
Все марки сталей для производства инструментов разделяют на 5 основных групп.
Теплостойкие и вязкие
Как правило, это за — и доэвтектоидных стали, которые содержат в своем составе молибден, вольфрам и хром. Содержание углерода в таких легированных инструментальных сталях соответствует средним и низким значением.
Высокотвердые и вязкие, нетеплостойкая
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 большое), а также сплавы с ледебуритного структурой, содержащие в своем составе более 3% углерода.
Износостойкие, высокотвердые и средней теплостойкости
Это стали с заевтектоідной и ледебуритного структурой, в состав которых входит 2-3% углерода и от 5 до 12% хрома.
Высокотвердые и нетеплостойкая
Состав таких инструментальных сталей с заевтектоідной структурой или вообще не содержит легированных элементов, или содержит их в незначительных количествах. Уровень жесткости таких сплавов обеспечивается большим количеством углерода в их составе.
Классификация инструментальной стали в виде схемы
Важным параметром инструментальных сталей является уровень их жесткости. 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, какой 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 высокопрочной 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 «В». Она означает, что перед вами углеродистая сталь. Цифры, идущие вслед за такой буквой, говорят о содержании углерода в сплаве, вычислительном в десятых долях процента. Встречается в маркировке углеродистых инструментальных сталей и буква «А», которая указывает 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 идут цифры, по которым можно определить содержание основного легирующего элемента для сталей данной категории — вольфрама.
Содержание других 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 (например, 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 маркировка не ставится вообще. Содержание других элементов (в целых долях) указывают цифры, стоящие за буквами в маркировке, обозначающих соответствующий легирующие элемент.
Закалка и отпуск углеродистых инструментальных сталей
В ГОСТ 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 необходимую жесткость, перед началом производства инструмента эти сплавы подвергают отжигу. При этом для инструментальных сталей с заефтектоідной структурой выполняется отжиг сферодізірующего типа. Проведенная по такой технологии термообработка приводит к появлению цементита зернистой формы. А получить зерна необходимого размера позволяет скорость охлаждения, которую можно легко регулировать.
Производственный процесс закалки стали
После того, как инструмент будет изготовлен, инструментальная сталь подвергается закалке и последующем отпуске. Это дает возможность получить материал необходимой 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 ударных нагрузок, 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 посредством выполнения отпуска при температуре от 150 до 200 градусов Цельсия.
Закалка повышает 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 горячедеформированные. Естественно, что для производства штампов различных типов требуется использование различных марок инструментальной стали.
Так, для штампов холоднодеформированная 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 деформаций пластического характера, способностью противостоять износу в процессе эксплуатации. Для более габаритного инструмента (толщина более 25 мм), испытывающий в процессе эксплуатации значительно большие нагрузки, применяют стали с повышенным содержанием хрома (Х9, Х, Х6ВФ).
Инструментальная штамповая сталь на складе
Изделия, регулярно испытывают в процессе своей эксплуатации ударные нагрузки, должны отличаться высокой вязкостью (например, 4ХС4 и 5ХНМ). Чтобы обеспечить выполнение этого требования, в производстве используются легированные стали, состав которых обогащен специальными элементами, а уровень содержания углерода значительно снижен. Кроме того, необходима специальная термическая обработка 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 стойкость к образованию трещин в условиях постоянного нагрева и охлаждения инструмента;
- высокий уровень теплопроводности и прокаливаемости;
- устойчивость к образованию окалины.