Сообщение на тему инструментальная сталь

Обновлено: 06.07.2024

Инструментальная сталь представляет собой углеродистый или легированный сплав, предназначенный для изготовления штампов холодного или горячего деформирования, режущих инструментов, а также элементов машин, работающих в условиях повышенного износа. Обо всех особенностях такого металла мы расскажем в нашей статье.

Общее описание

К группе инструментальных относится сталь, в которой массовая доля углерода превышает 0,7%. Базу такого сплава составляет мартенсит, в исключительных ситуациях — ледебурит. С учетом того, в какой сфере будет использоваться этот металл, к нему предъявляются вариативные требования. Однако выделяют ряд общих критериев ко всем типам инструментальных сплавов вне зависимости от их марок:

твердость;
повышенная прочность;
стойкость к износу;
сниженная чувствительность к нагреву;
малая степень прилипания и приваривания к обрабатываемым заготовкам;
легкость резки материала;
стойкость к растрескиванию;
высокая пластичность в нагретом состоянии;
подверженность шлифовке;
восприимчивость к прокалке;
противостояние обезуглероживанию.

К тому же инструментальные сплавы должны иметь отличную вязкость.

Особенно это актуально при производстве элементов, которые в процессе использования часто подвергаются механическим воздействиям.

Конечно, это далеко не весь перечень требований. К примеру, марки, которые востребованы при создании деталей, работающих в среде холодной деформации, должны обязательно иметь идеально ровную конфигурацию, проявлять повышенный уровень упругости и хорошую текучесть. Важно, чтобы они удерживали форму и габариты при внешних воздействиях. Те металлы, которые обрабатывают техникой горячей деформации, должны демонстрировать повышенную теплопроводность, стойкость к тепловым колебаниям и не допускать даже малейших отпусков.

В сравнении с классическими конструкционными сплавами инструментальный материал обладает рядом весомых преимуществ. К ним относят:

твёрдость на уровне 60–70 единиц по Роквеллу;
повышенную прочность — уровень сопротивления разрыву держится на отметке от 900 МПА и более;
стойкость к абразивному истиранию;
способность сплава к прокаливаемости.

Для инструментальных сплавов характерна так называемая красностойкость. Это свойство определяет способность металла в полном объёме сохранять свои прочностные качества при повышении температурного воздействия.

Впрочем, не обошлось и без недостатков. Данный материал отличается сниженной стойкостью к износу.

Поэтому для деталей машин и оборудования, которые в ходе эксплуатации подвержены интенсивным нагрузкам, инструментальные составы не применяют.

В зависимости от качественной структуры и технико-механических характеристик материала выделяют несколько разновидностей инструментальной стали. Познакомимся поближе с их классификацией.

Углеродистые стандартного типа

Углеродистый сплав характеризуется повышенной твердостью при комнатной температуре. При этом стойкость к тепловому воздействию невелика, поэтому даже при сравнительно невысоких терморежимах (в пределе от 200 до 250 градусов) твердость многократно уменьшается.

Легированные

Основное отличие таких сплавов от углеродистых заключается в повышенной концентрации легирующих компонентов. Они могут включать:

хром — придает материалу стойкость к коррозии, повышает прочность и плотность с одновременным снижением пластичности;
никель — улучшает параметры прокаливаемости, прочности и пластичности материала, способствует росту ударной вязкости;
вольфрам — обеспечивает теплостойкость расплава и придает ему высокую твёрдость;
ванадий — формирует мелкозернистую структуру, улучшает прочностные и твёрдосплавные характеристики;
кобальт — увеличивает жаростойкость материала и его вязкость;
молибден — способствует росту прочности, упругости и стойкости стали к тепловым воздействиям.

В зависимости от марки в состав может вводиться один или несколько легирующих компонентов в различной концентрации. В результате этого материал получает все необходимые характеристики.

Так, для создания режущих инструментов по традиции используют низколегированные составы: 9ХФ, 11ХФ, 13Х, ХВ4, ХВСГ, а также ХВГ и некоторые другие. Эти сплавы проявляют исключительно высокие физико-технологические характеристики, их отличают лучшая прокаливаемость и закаливаемость, меньшая подверженность короблению. При этом их теплостойкость практически идентична соответствующему показателю для углеродистых сталей и держится на отметке 350–400 градусов.

Быстрорежущие

Основным легирующим компонентом для такой стали считается вольфрам. Кроме него, в структуру быстрорежущих сплавов могут вводиться ванадий и кобальт. На долю хрома в таких составах приходится не больше 3–4% — это настолько мало, что данный элемент даже не указывается в маркировке.

Валковые

Валковые стали относят к категории сложнолегированных сплавов. Они востребованы в производстве опорных и рабочих валков, материал нашел повсеместное применение при выпуске шестерён, обрезных матриц, ножей для резки металлов, пил и многих других изделий, связанных с интенсивной нагрузкой. Инструменты из такой стали отличаются стойкостью к повышенным температурам, механическим повреждениям и истиранию.

Для валковой стали характерна хорошая прокаливаемость, она не подвержена деформации, обладает достаточным уровнем шлифуемости.

Штамповые

Подобные стали, в зависимости от особенностей использования, бывают штампованными методом холодной или горячей деформации. В холодном состоянии сплав проявляет повышенную твердость, благодаря чему обеспечивает стойкость металлов к истиранию. Для горячих штампов характерна сниженная чувствительность. Штамповой стали свойственны повышенная прокаливаемость и слабая деформируемость в процессе закалки.

Маркировка

В состав инструментальной стали обычно вводятся легирующие компоненты, призванные улучшить физико-химические и механические характеристики материала. В соответствии с ГОСТ в маркировке эти добавки указываются буквенными символами, благодаря чему можно установить, какие элементы составляют основу инструментального материала. При этом каждая буква дополнена цифровым обозначением — оно указывает на долю того или иного элемента.

Если цифра отсутствует — следовательно, концентрация примесей не превышает 1%. На первом месте в маркировке любых сталей указано количество углерода. К примеру, расшифровка марки с обозначением 6ХС говорит о том, что сплав содержит 0,6% углерода и менее 1% кремния и хрома.

Марки и категории

Все группы инструментальных металлов условно разделяются на следующие категории.

Теплостойкие и вязкие — это хромистые сплавы, содержащие вольфрам и молибден. Объем углерода в подобных металлах держится на средних и пониженных отметках.

Высокотвёрдые и мягкие, а также теплостойкие материалы — в этих сталях присутствует минимум легирующих компонентов, количество углерода на среднем уровне. Такой материал отличается низкой прокаливаемостью.

Высокотвердые и температуростойкие — обычно это быстрорежущие сплавы с повышенной долей легирующих добавок. Сюда же относятся материалы с ледебуритной микроструктурой, на долю углерода в них приходится свыше 3%.

Высокотвердые, стойкие к износу, с усредненным параметром теплостойкости — особенностью таких сплавов является включение 15% хрома и 23% углерода.

Сплавы и стали обыкновенного качества — данные виды отличаются между собой по наличию в них серы и фосфора. Соответственно, чем выше категория — тем ниже доля вредных добавок.

Высокотвердые и нетеплостойкие — такие инструментальные составы вообще не содержат никаких легирующих компонентов либо их массовая доля минимальна. Твёрдость нелегированных и низколегированных металлов обусловлена высокой концентрацией углерода.

Выделяют множество марок инструментальных сталей. Наибольшее распространение в промышленности получили У7А, У8, а также У8А и У9 — их отличают стойкость к износу, повышенная твёрдость и плотность. При механических ударах они не разрушаются и не деформируются. Марки У10 и больше также проявляют повышенную неплохую пластичность, но при интенсивных термических воздействиях становятся более пластичными, что существенно ограничивает сферу их использования.

Применение

Высококачественная сталь инструментального типа получила повсеместное распространение в промышленности. Главными областями её применения является создание:

режущих инструментов;
приборов для измерений;
пресс-форм, эксплуатирующихся под высоким давлением;
рабочих элементов штампов, работающих по принципу холодного либо горячего деформирования;
металлоизделий высокой точности.

Сталь У7 обладает достойной коррозионной стойкостью и пониженной электропроводностью. Этот металл оптимален для изготовления топоров, стамесок и прочих деревообрабатывающих инструментов. Может использоваться для создания молотков, пассатижей, пил, а также крючков, иголок и зубил.

У10 и У11 — эти сплавы справляются с деформационным воздействием, им не страшен локальный нагрев. Кроме того, они устойчивы к ржавлению. Введение легирующих добавок существенно улучшает физические характеристики марок и придает им эластичность. Такой материал востребован для изготовления напильников, ленточных пил, сверл и роликов.

У8 и У9 — такие марки также обладают хорошей прочностью, но нагрев выдерживают намного хуже. Они нашли своё применение при создании торгового оборудования, пил, роликов, топоров и стамесок. Из них делают запчасти для часов, гвозди, заклёпки, шурупы и болты.

У12 — сталь высокой прочности без каких-либо легирующих компонентов. Актуальна для создания топоров, ручных пил, напильников, резцов или других запчастей высокой прочности, которые не нагреваются до средних и высоких температур.

У13 — металл из категории грубых сплавов, пластичным он становится только при термическом воздействии. Назначением таких материалов является выпуск обрабатывающих инструментов, надфилей, медицинского оборудования и приспособлений для выполнения гравировки.

Закалка и отжиг

Большинство разновидностей инструментальных металлов с целью улучшения их физико-технических характеристик подвергаются закалке и отжигу. Для проведения обработки готовые стальные изделия прогреваются в растворах соли, в результате тепло максимально ровно перераспределяется по металлической поверхности. Для быстрорежущих составов нагрев производится поступательно, со сменой 3 ванн:

температура начального воздействия соответствует 400–500 гр., в этом резервуаре сплав выдерживается около 40–60 минут;
после первого прогрева изделие помещают в следующую стальную ванну, в ней температура уже на 250–350 гр выше;
на заключительном этапе деталь вновь перекладывают — в последней емкости содержится соль, нагретая уже до 1200–1300 гр, здесь производится финишная закалка сплава.

Такая ступенчатая процедура обеспечивает равномерное распределение аустенитов по всей структуре материала. Это самым благоприятным образом сказывается на технических и физических характеристиках металла. Для того чтобы окончательно расплавить аустенитную часть, следует провести отпуск в ванной при температуре 500–550 гр, при этом желательно повторить отпуск трижды. В результате доля аустенитов снижается ниже уровня критической отметки.

Для проведения дополнительной обработки используют метод воздействия низкими температурами.

Для этого первично закаленный материал размещают в резервуаре с жидкими солями при температурном режиме от -100 до – 50 гр. Такую закалку производят в одну стадию, повторная обработка не нужна.

Инструменты, которыми пользуются люди в быту, инженеры и технологи на производствах: измерительные приборы, литейные пресс-формы, шаблоны и заготовки, – все они изготавливаются не из обычного металла, а из специальной стали. Этот материал так и называется – инструментальная сталь. В чем ее особенности и почему некоторые приборы нельзя делать из обычного металла, мы и разберем в этой статье.

Инструменты делают не из обычного металла, а из специальных сталей, которые так и называют – инструментальные

Конструкционные и инструментальные стали: в чем отличия

Сталь – самый востребованный материал для изготовления различных изделий, использующихся в быту и промышленности. Она представляет собой сплав железа или углерода, содержащих добавки.

Различают конструкционную и инструментальную стали: из первой делают сварные конструкции, рельсы, болты и прочее. Вторую используют для изготовления измерительных приборов, режущих инструментов.

В конструкционных сталях в качестве примесей могут содержаться фосфор и сера, высокое содержание которых делает металл хрупким. Чем меньше в сплаве этих добавок, тем лучше.

В инструментальной стали таких примесей не бывает – только легирующие добавки. Кроме того, такой металл – это особый сплав с высоким содержанием углерода (от 0,7%).

Углеродистые и легированные инструментальные стали

Инструментальные стали подразделяются на углеродистые и легированные. Изготавливают их по ГОСТу, причем для каждого сорта металла он свой. Например, для углеродистых – это ГОСТ 1435-74, для легированных – ГОСТ 5950-73 или 5950-2000. Сортамент продукта тоже должен соответствовать ГОСТ.

Любое несоответствие материала заданным параметрам приведет к ухудшению его эксплуатационных качеств.

В чем отличия между этими видами материалов?

Углеродистые стали при нагревании утрачивают часть прочности. Поэтому они годятся только для изготовления инструментов, которые работают на небольших скоростях или при простых условиях резания, чтобы температура нагревания детали не превышала 200 °C. Из таких сталей делают напильники, метчики, сверла. А еще углеродистая сталь имеет низкие показатели свариваемости, поэтому ее не используют для изготовления сварных конструкций.

Легированные инструментальные стали благодаря дополнительным компонентам можно использовать для изготовления инструментов. Свойства материала зависят от того, какие добавки входят в состав сплава:

Вольфрам обеспечивает теплостойкость, придает высокую твердость материалу.
Хром повышает коррозионную устойчивость, плотность, снижает пластичность.
Кобальт усиливает жаропрочность и вязкость стали.
Никель повышает прочность и пластичность.
Молибден также повышает прочность, упругость, стойкость к повышенным температурам.
Ванадий повышает прочность, твердость, износостойкость.

В сплав может входить не один, а несколько дополнительных компонентов. Поэтому можно получить материал, который будет соответствовать нужным характеристикам:

хорошая обрабатываемость резкой;
свариваемость;
устойчивость к нагреванию;
пластичность;
устойчивость к появлению трещин.

Из легированных инструментальных сталей делают плашки, сверла, фрезы, метчики.

В его состав стали могут входить различные легирующие добавки — марганец, свинец, хром, никель, фосфор и другие. Главной функцией легирующих добавок является улучшение свойства материала — повышение прочности, снижение коррозийного потенциала, улучшение электропроводности. Особое положение занимают так называемые инструментальные стали, из которых делают различные детали и инструменты (топоры, иголки, зубила, кувалды, молотки и так далее). Но какими физико-химическими особенностями обладают инструментальные стали? Как их производят? И какие существует основные марки таких сталей?

Основные особенности

Инструментальная сталь — это такая сталь, в состав которой входит не менее 0,7% углерода. В ее состав могут входить и некоторые другие легирующие компоненты (свинец, хром, алюминий, никель, фосфор). Однако их содержание в большинстве случаев невелико — менее 0,1%. Так как инструментальные стали содержат повышенное количество углерода, их очень часто называют углеродистыми. Подобное терминологическое словоупотребление не совсем корректно с точки зрения ГОСТ, однако обыкновенные люди часто используют такое название на бытовом уровне.

Качественные сплавы. Главный критерий — низкое содержание серы (до 0,03%) и фосфора (до 0,035%). Низкая концентрация легирующих веществ делает сплав твердым и прочным. Детали из этого сплава не ломаются, не деформируются, сохраняют форму при ударе и нагреве. Качественные сплавы не имеют специальной маркировки в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения стали.
Высококачественные сплавы. Главный критерий — сверхнизкое содержание серы (до 0,02%) и фосфора (до 0,03%). По физико-химическим свойствами высококачественные сплавы повторяют просто качественные. Но за счет более низкого содержания легирующих добавок высококачественные сплавы обладают более высокой прочностью, не ржавеют, не гнутся при нагреве и так далее. Высококачественные сплавы имеют специальную маркировку в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения марки стали.

Сплав инструментальных сталей высокопрочный. Поэтому из него часто делают различные инструменты. Это молотки, отвертки, пилы, оборудование для механических или электронных устройств. За счет прочности сплава инструменты сохраняют свою форму даже при длительной эксплуатации. Чистые инструментальные сплавы обладают пониженными антикоррозийными свойствами, поэтому в состав многих сплавов добавляют легирующие добавки, снижающие коррозийную активность материала. В качестве легирующих добавок применяют хром, вольфрам, алюминий и другие вещества.

Виды углеродистой стали

Инструментальные углеродистые стали стандартного типа. Отличаются средним или высоким содержанием углерода (более 0,7%) и низким содержанием легирующих добавок (суммарно менее 1%). Обладают неплохими физическими свойствами — высокая прочность, устойчивость при ударе или деформации, химическая инертность, низкий коррозийный потенциал. Применяются для изготовления ручных, механических и электронных инструментов.
Легированные. По составу похожи на предыдущую марку, однако содержат повышенное количество легирующих добавок. Содержание легирующих веществ от 1 до 20%. В качестве дополнительных компонентов чаще всего выступают хром или вольфрам. Эти добавки улучшают антикоррозийные свойства материала, что хорошо сказывается на сроке годности деталей. Также в металл могут вноситься и другие добавки — алюминий, марганец, кремний, медь, азот, кобальт, бор, никель. Их назначение — увеличение пластичности, повышение прочности, снижение электрического потенциала, снижение магнитных свойств.
Быстрорежущие. Представляет собой особую разновидность легированного сплава, который прошел специальную финальную обработку. Основные легирующие добавки — углерод (0,7-1,5%), хром (3-4%), вольфрам (0-18%), молибден (0,5-6%), кобальт (0-9%). Материал обладает высокой прочностью и прекрасно сохраняет форму при физической деформации, ударе или высокотемпературном нагреве. Поэтому из него делают различное режущие оборудование — дисковые пилы, ножи, лезвия, хирургические инструменты. Материал проходит многократную закалку, отпуск, что усложняет его производство, увеличивает себестоимость.
Валковые. Материал содержит ряд легирующих добавок (алюминий, кремний, ванадий), улучшающих прочность и пластичность металла. Валковую сталь обычно выплавляют в виде длинных пластин или листов, которые потом нарезаются на нужные детали. Сфера применения — изготовление опорных, прокатных, листовых валков. Также из валковых материалов делают небольшие плоские инструменты для резки металла — обрезные матрицы, пуансоны, ножи, рамные пилы. На финальном этапе обработки материал может проходить отпуск или закалку в цехах для улучшения физических свойств металла.
Штамповые. Материал содержит среднее количество углерода (от 0,7 до 1,5%) и небольшое количество легирующих добавок (алюминий, хром, никель, марганец). Главное отличие материала заключается в том, что на финальном этапе выплавки материал проходит штамповку. Это обуславливает ряд физических свойств материала — повышенная устойчивость, минимальный риск образования трещин, высокая теплопроводность, устойчивость к образованию окалины. На этапе выплавки материал отличается высокой вязкостью, однако после застывания он становится прочным и однородным. Высокая вязкость при нагреве позволяет упростить процедуру штамповки, а также улучшает теплопроводность металла после остывания.

Марки и категории

Различают множество категорий инструментальных сталей — У7, У7А, У8, У8ГА, У9 и другие. Самые используемые материалы марок У7А, У8, У8А и У9, поскольку они отличаются высокой прочностью, устойчивостью к нагреву, не деформируются при ударе. Марки У10 и выше также отличаются хорошей прочностью, однако они становятся пластичными при длительном контакте с высокими температурами, что снижает их универсальность. Основные марки инструментальных сталей:

Категория	Марки	Физические особенности
Углеродистая, стандартная	У7, У7А	Марки отличаются хорошей прочностью, низкой электропроводностью, низким риском коррозии. Подходят для производства деревообрабатывающих инструментов — топоры, стамески, долота. Также могут применяться для изготовления зубил, иголок, плоскогубцев, кусачек, молотков, ручных пил, крючков.
Углеродистая, повышенной прочности	У8, У9 + подвиды	Марки обладают повышенной прочностью, но хуже переносят локальный или общий нагрев. Поэтому их используют для производства деревообрабатывающего оборудования — топоры, стамески, станковое оборудование, пилы, ролики. Также могут применяться для производства мелких деталей, которые не будут подвергаться нагреву — запчасти для часов, иголки, крючки, заклепки, гвозди, болты, шурупы.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, с легирующими добавками или без них	У10, У11 + подвиды	Марки хорошо выдерживают деформацию и локальный нагрев до невысоких температур, отличаются пониженным риском коррозии. Легирующие добавки могут улучшать физические свойства марок (устойчивость к нагреву, пониженный риск коррозии, повышенная пластичность). Основные запчасти — сверла, ленточные пилы, фрезы, ролики, шаберы, напильники. Некоторые марки применяются для изготовления медицинского оборудования, деталей для электронных инструментов.
Углеродистая, повышенной или стандартной прочности, без легирующих добавок	У12, У12А	Марки относятся к категории грубых сталей, отличающихся пониженным классом точности. Сфера применения — производство прочных запчастей или деталей, которые не будут нагреваться до средних, высоких температур. Примеры запчастей — резцы, молотки, топоры, ручные пилы, напильники.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, без легирующих добавок	У13, У13А	Марки относят к группе грубых сталей, которые становятся пластичными при нагреве. Обладают пониженным классом точности, поэтому эти марки используют для производства ручных обрабатывающих инструментов. Примеры — напильники, лезвия, надфили, инструменты для гравировки, хирургическое оборудование.

Особенности закалки, отжига

В первой ванне температура находится в пределах от 400 до 550 градусов. Металл сперва помещаются в эту ванну на срок не более 1 часа.
После равномерного обогрева запчасти деталь переносят в другую соляную ванну, где температура будет на 200-300 градусов выше.
После нагрева деталь вновь переносят в третью ванну, где температура составляет 1250-1300 градусов. В этой ванне проходит финальная закалка металла.

Ступенчатая закалка позволяет равномерно распределить мартенсит, аустенит по всему материалу, что благоприятно сказывается на его физических свойствах. Чтобы расплавить часть аустенита, нужно выполнить финальный отпуск в ванне, температура которой составляет не более 550 градусов. Отпуск рекомендуется повторять хотя бы 3 раза, чтобы снизить количество аустенита ниже критического уровня. Для дополнительной закалки можно также применять технологию обработки холодом. Для этого закаленный металл следует поместить в емкость с жидким материалом, температура которого составляет от -100 до -50 градусов. Низкотемпературная закалка выполняется в один этап, повторная закалка не требуется, что связано с особенностью расплава аустенита при низких температурах.

Несколько слов о маркировке

Все инструментальные стали имеют специальное буквенно-числовое обозначение. По ГОСТ этот код должен наноситься на все упаковки со стальными деталями, а в ряде случаев обозначение должно наноситься и на саму деталь. В случае транспортировки детали на территорию другого государства маркировка наносится в обязательном порядке. Также должны быть учтены государственные стандарты принимающей сторон. Скажем, государство может потребовать, чтобы помимо отечественной маркировки на нее наносился дополнительный код, соответствующий национальному законодательству.

Код ГОСТ имеет следующую структуру: X1 X2 Y Z. Расшифровка будет такой:

X1 — этот показатель отражает высокое содержание углерода в сплаве. Переменная X1 может принимать только одно значение — символ У. Так как инструментальные сплавы содержат повышенное количество углерода, то этот символ указывается всегда. Поэтому по факту у всех инструментальных сплавов код начинает с символа У.
X2 — этот показатель отражает концентрацию углерода в десятых долях процента. Минимальное значение, которое может принимать инструментальная сталь, равно 7 (что ясно из определения этой стальной марки). Формально значение X2 не ограничено, однако по факту содержание углерода в инструментальных сплавах редко составляет более 1,2%. Поэтому обычно переменная X2 находится в пределах от 7 до 12.
Y — этот показатель указывает на наличие легирующих добавок. Основная легирующая добавка — это марганец, из-за которой переменная может принимать значение Г. В качестве легирующих веществ могут также использоваться хром (символ X), вольфрам (символ В) и другие. Обратите внимание, что при отсутствии легирующих добавок переменная Y будет отсутствовать.
Z — этот показатель указывает на категорию сплава (качественная или высококачественная). Если сплав является высококачественным, то ставится буква А. Если сплав является просто качественным, то какие-либо символы не ставятся.

Скажем, у нас имеется деталь марки У8ГА. Символы У и 8 означают, что в состав материала входит повышенное содержание углерода, а точная концентрация углерода составляет 0,8%. Буква Г указывается на то, что в сплаве содержится марганец. Буква отражает тот факт, что сталь является высококачественной.
Теперь рассмотрим другой пример. У нас имеется сплав с маркировкой У12. Символы У и 12 указывают на то, что в составе сплава содержит углерод в концентрации 1,2%. Переменная Y отсутствует — это значит, что материал не содержит легирующие добавки в значительных количествах. Также у сплава нет буквы А в конце кода — это значит, что материал относится к категории качественных (но не высококачественных).

Заключение

Углеродистые инструментальные стали — стальной сплав, который содержит не менее 0,7% углерода. Материал обладает хорошими физическими свойствами — высокая прочность, хорошая пластичность, низкий риск коррозии, сохранение формы при ударе. Сплав обладает простой выплавкой, что хорошо сказывается на себестоимости материала. Чтобы улучшить свойства металла, в него добавляют различные легирующие добавки — хром, вольфрам, кобальт, алюминий и другие.

Сера и фосфор ухудшают физические свойства материала, поэтому их содержание должно составлять менее 0,03% для серы и менее 0,035% для фосфор. Если металл содержит до 0,02% серы и до 0,03% фосфора, то его называют высококачественным. Из инструментальных углеродистых сплавов делают различные инструменты — молотки, пилы, ролики, отвертки, кусачки и так далее. В зависимости от состава и способов обработки различают несколько категорий стали. Основные типы — стандартная сталь, легированная, быстрорежущая, валковая, штамповая. Популярные марки — У7А, У8, У8А, У9. По ГОСТ инструментальные сплавы должны иметь специальную маркировку в виде буквенно-числового кода.

1. История развития обработки металлов.
2. Инструментальные стали.
3. Инструментальные низколегированные стали.
4. Быстрорежущие стали.
5. Перспективные способы получения быстрорежущих сталей.
6. Список литературы.

Работа содержит 1 файл

Документ Microsoft Word (2).doc

1. История развития обработки металлов.

2. Инструментальные стали.

3. Инструментальные низколегированные стали.

4. Быстрорежущие стали.

5. Перспективные способы получения быстрорежущих сталей.

6. Список литературы.

История развития обработки металлов.

История развития обработки металлов показывает, что одним из эффективных путей повышения производительности труда в машиностроении является применение новых инструментальных материалов. Например, применение быстрорежущей стали вместо углеродистой инструментальной, позволило увеличить скорость резания в 2. 3 раза. Это потребовало существенно усовершенствовать конструкцию металлорежущих станков, прежде всего увеличить их быстроходность и мощность. Аналогичное явление наблюдалось также при использовании в качестве инструментального материала твердых сплавов.

Инструментальный материал должен иметь высокую твердость, чтобы в течение длительного времени срезать стружку. Значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания. Способность материала инструмента сохранять свою твердость при высокой температуре нагрева определяет его красностойкость (теплостойкость). Режущая часть инструмента должна обладать большой износостойкостью в условиях высоких давлений и температур.

Важным требованием является также достаточно высокая прочность инструментального материала, так как при недостаточной прочности происходит выкрашивание режущих кромок либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.

Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента и его переточек, а также быть сравнительно дешевыми.

В настоящее время для изготовления режущих элементов инструментов применяются инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие), твердые сплавы, минералокерамические материалы, алмазы и другие сверхтвердые и абразивные материалы.

Инструментальные стали.

Инструментальная углеродистая сталь — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно.

Инструментальные стали относятся к качественным сталям и в свою очередь разделяются на подкатегории в зависимости от свойств и характеристик им присущих.

Инструментальная сталь марки У7 и У7А. Данный вид стали имеет конкретное предназначение. Из этой стали изготавливают инструменты для обработки древесины, слесарные инструменты, также плоскогубцы, разного рода молотки и кувалды, отвертки и тому подобное.

2.Плоскогубцы

Инструментальная сталь марки У8, У8а, У9 используется для клапанов, небольших деталей, включая элементы часов, для инструмента, при работе которого не происходит нагревания, и опять же для обработки дерева.

Инструментальная сталь марки У10А, У12А предназначается в основном для изготовления сердечников. У10А находит свое применение в игольной проволоке, также инструментальная сталь этой марки используется для инструментов, где режущая кромка не подвергается термическому воздействию. Различного вида пил и напильников.

Инструментальная сталь марки У13, У13А для производства, медицинских хирургических скальпелей, лезвий для бритв.

Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных сталей У10А, У11А, У12А, У13А, обладают достаточной твердостью, прочностью и износостойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200-250 "С их твердость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназначенных для обработки мягких металлов с низкими скоростями резания, таких, как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Углеродистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабатываемость резанием и давлением. Однако они требуют применения при закалке резких закалочных сред, что усиливает коробление инструментов и опасность образования трещин.

Инструменты из углеродистых инструментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и потери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости углеродистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасонных инструментов, подлежащих шлифованию по профилю.

Инструментальные низколегированные стали.

С целью улучшения свойств углеродистых инструментальных сталей были разработаны низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувствительностью к перегреву, чем углеродистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает количество бракованных инструментов.

Инструментальные стали меняют свойства при легировании различными химическими элементами, например инструментальная сталь 5хнв - используется только для молотовых штампов, где масса падающих частей не превышает отметки в 3000 килограммов, а буквы 5хнв в свою очередь обозначают - легирование хромом и легирование вольфрамом. Изготавливают из стали 5хнв круги, трубы, листы и другие изделия.

Штампы молотовые для объемной штамповки Штампы вырубные, молотовые

По теплостойкости легированные инструментальные стали незначительно превосходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200-260°С и поэтому непригодны для резания с повышенной скоростью, а также для обработки твердых материалов.

Низколегированные инструментальные стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости. Для изготовления режущих инструментов используются стали 11ХФ, 13Х, ХВ4, В2Ф неглубокой прокаливаемости и стали X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ глубокой прокаливаемости.

Стали неглубокой прокаливаемости, легированные хромом (0,2-0,7%), ванадием (0,15-0,3%) и вольфрамом (0,5-0,8%) используются при изготовлении инструментов типа ленточных пил и ножовочных полотен. Некоторые из них имеют более специализированное применение. Например, сталь ХВ4 рекомендуется для изготовления инструментов, предназначенных для обработки материалов, имеющих высокую поверхностную твердость, при относительно небольших скоростях резания.

Плашки, метчики, фрезы, сверла

Вместе с тем сталь 9ХС имеет повышенную твердость в отожженном состоянии, высокую чувствительность к обезуглероживанию при нагреве.

Содержащие марганец стали ХВГ, ХВСГ мало деформируются при термической обработке. Это позволяет рекомендовать сталь для изготовления инструмента типа протяжек, длинных метчиков, к которым предъявляются жесткие требования относительно стабильности размеров при термической обработке. Сталь ХВГ имеет повышенную карбидную неоднородность, особенно при сечениях, больших 30. 40 мм, что усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать ее для инструментов, работающих в тяжелых условиях.

Быстрорежущие стали.

В настоящее время для изготовления металлорежущих инструментов применяются, быстрорежущие стали. В зависимости от назначения их можно разделить на две группы:

1) стали нормальной производительности;

2) стали повышенной производительности.

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, к сталям второй группы – Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р18Ф2К5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9К10, Р9МЧК8, Р6М5К5 и др.

В обозначении марок буква Р указывает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание ванадия в стали в процентах обозначается цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта -цифрой, следующей за буквой К.

Высокие режущие свойства быстрорежущей стали обеспечиваются за счет легирования сильными карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием и некарбидообразующим кобальтом. Содержание хрома во всех быстрорежущих сталях составляет 3,0-4,5 % и в обозначении марок не указывается. Практически во всех марках быстрорежущих сталей допускается содержание серы и фосфора не более 0,3%, никеля не более 0,4%. Существенным недостатком этих сталей является значительная карбидная неоднородность, особенно в прутках большого сечения.

С увеличением карбидной неоднородности прочность стали, снижается, при работе выкрашиваются режущие кромки инструмента, и снижается его стойкость.

Карбидная неоднородность выражена сильнее в сталях с повышенным содержанием вольфрама, ванадия, кобальта. В сталях с молибденом карбидная неоднородность проявляется в меньшей степени.

Быстрорежущая сталь Р18, содержащая 18% вольфрама, долгое время была наиболее распространенной. Инструменты, изготовленные из этой стали, после термической обработки имеют твердость 63-66 HRС_Э, красностойкость 600 °С и достаточно высокую прочность. Сталь Р18 сравнительно хорошо шлифуется.

Большое количество избыточной карбидной фазы делает сталь Р18 более мелкозернистой, менее чувствительной к перегреву при закалке, более износостойкой.

Ввиду высокого содержания вольфрама сталь Р18 целесообразно использовать только для изготовления инструментов высокой точности, когда стали других марок нецелесообразно применять из- за прижогов режущей части при шлифовании и заточке.

Инструмент для токарных работ высокой точности

Сталь Р9 по красностойкости и режущим свойствам почти не уступает стали Р18. Недостатком стали Р9 является пониженная шлифуемость, вызываемая сравнительно высоким содержанием ванадия и присутствием в структуре очень твердых карбидов. Вместе с тем сталь Р9, по сравнению со сталью Р18, имеет более равномерное распределение карбидов, несколько большую прочность и пластичность, что облегчает ее деформируемость в горячем состоянии. Она пригодна для инструментов, получаемых различными методами пластической деформации. Из-за пониженной шлифуемости сталь Р9 применяют в ограниченных пределах.

Сталь Р12 равноценна, по режущим свойствам стали Р18. По сравнению со сталью Р18 сталь Р12 имеет меньшую карбидную неоднородность, повышенную пластичность и пригодна для инструментов, изготовляемых методом пластической деформации. По сравнению со сталью Р9 сталь Р12 лучше шлифуется, что объясняется более удачным сочетанием легирующих элементов.

Стали марок Р18М, Р9М отличаются от сталей Р18 и Р9 тем, что они в своем составе вместо вольфрама содержат до 0,6-1,0 %'молибдена (из расчета, что 1 % молибдена заменяет 2 % вольфрама). Эти стали имеют равномерно распределенные карбиды, но более склонны к обезуглероживанию. Поэтому закалку инструментов из сталей необходимо проводить в защитной атмосфере. Однако по основным свойствам стали Р18М и Р9М. не отличаются от сталей Р18 и Р9 и имеют ту же область применения.

Читайте также: