Инструментальные стали

Инструментальные стали – это сплавы, применяемые для обработки материалов резанием, холодной штамповкой и горячим деформированием, а также для изготовления измерительных инструментов. Они должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, обеспечивающей сохранение режущей кромки инструмента, достаточной прочностью и вязкостью, а также теплостойкостью, т. е. способностью сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве.

Углеродистые инструментальные стали хорошо шлифуются при изготовлении инструмента, дешевы и недефицитны. Основные недостатки данных сплавов – их небольшая прокаливаемость, примерно до 5 – 10 мм, и низкая теплостойкость. При нагреве выше 200 °С их твердость резко снижается.

Легированные инструментальные сталиобычно содержат 0,9 – 1,4 % С. Суммарная концентрация легирующих элементов (Cr, W, Mn, Si, V и др.) не превышает 5 %. Они увеличивают прокаливаемость сплавов. Малолегированные стали, содержащие 1,0 – 1,5 % легирующих элементов, относятся к низкопрокаливаемым сплавам. Повышенная концентрация кремния способствует увеличению данного параметра.

Высокая концентрация марганца в стали (ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки. Применяемые для режущего инструмента сплавы марок 9ХС, ХВСГ, ХВГ и другие по сравнению с углеродистыми сталями имеют более высокую прокаливаемость, повышенную твердость и износоустойчивость.

Так называемая «алмазная» сталь ХВ5 (5 % W) благодаря присутствию вольфрама имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу, высокую твердость, повышенную вязкость и прочность. Кроме того, она обладает высоким сопротивлением пластической деформации. К сплавам повышенной прокаливаемости относятся и стали с карбидным упрочнением. В последние годы для инструментов используются также стали с интерметаллидным упрочнением. Интерметаллиды (NiTi, FeMo и др.) оказывают даже более сильное упрочняющее влияние, чем карбиды. Интерметаллидные фазы присутствуют в теплостойких сталях с повышенным содержанием Со и W (при низком содержании углерода), а также в мартенситностареющих сталях. Эти стали, как правило, коррозионностойки.

Для сохранения твердости при нагреве (теплостойкости) сталь легируют вольфрамом и хромом. Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт увеличивает теплостойкость до 650 °С и вторичную твердость. Суммарное количество карбидов достигает 30 – 35 %. По структуре в равновесном состоянии эти стали относятся к ледебуритному классу.

К сталям с особыми свойствами относятся: жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие, нержавеющие и кислотоупорные, а также с магнитными свойствами.

В зависимости от прочности при различных температурах сплавы делят на теплопрочные и жаропрочные, работающие до 350 – 500 °С и выше 500 °С соответственно.

К теплопрочным причисляют легированные стали перлитного и ферритного классов. Это низколегированные малоуглеродистые сплавы. Они широко применяются в энергетическом машиностроении для изготовления котлов, пароперегревателей, паропроводов, сосудов и др. Для работы в условиях температурного интервала 450 – 600 °С используют высоколегированные хромистые стали мартенситного (5 – 10 % Cr), мартенситно-ферритного (10 – 13 % Cr) и ферритного (более 13 % Cr) типов. Они характеризуются повышенной жаропрочностью в атмосфере пара и топочных газов. К жаропрочным относят аустенитные стали. Основными легирующими компонентами в них являются хром и никель. Они также представляют собой низкоуглеродистые сплавы. Такие стали применяются преимущественно в энергомашиностроении для изготовления труб пароперегревателей и паропроводов и др. Для повышения жаропрочности их легируют ферритообразующими элементами, как титан, ниобий, молибден, вольфрам и алюминий. При 700 – 900 °С применяют сплавы на основе никеля. Они характеризуются высокой жаропрочностью. Их употребляют в газовых турбинах энергетических установок, для изготовления двигателей самолетов, кораблей, деталей ракетно-космической техники и нефтехимического оборудования. Тугоплавкие сплавы на основе таких металлов как молибден, вольфрам и др. используют для еще более высоких эксплуатационных температур (до 2500 °С).

Молибденовые сплавы применяют более часто по сравнению с другими тугоплавкими материалами. В качестве легирующих добавок для повышения температур рекристаллизации в них вводят хром, титан, цирконий, ниобий, алюминий и др. Обладая высокой жаропрочностью, молибден и его сплавы заметно окисляются уже начиная с 450 °С. Поэтому необходима их защита от окисления. Основной способ защиты – силицированне. На поверхности сплавов образуется слой MoSi₂ толщиной 0,03 – 0,04 мм. Он полностью защищает сплав от окисления при 1100 – 1200 °С. При 1700 °С складированные детали могут работать до 30 ч.

Жаростойкие – это в основном стали, легированные хромом. Они имеют различную природу – ферритные, мартенситные и аустенитные. Вторыми легирующими металлами здесь являются алюминий, кремний, молибден и никель. Их применяют в производстве теплообменников, термопар, поддонов, труб пиролизных установок, деталей котельных установок, клапанов двигателей внутреннего сгорания и т. д.

Радиационно-стойкие сплавы.Самыми годными для работы в условиях радиационного облучения являются материалы на основе сплавов бериллия, магния, циркония и аустенитных коррозионно-стойких сталей. Вторые служат конструкционным материалом корпусов и систем трубопроводов ядерных реакторов, контейнеров для радиоизотопов и радиоактивных отходов и других аппаратов ядерной техники.

Бериллий имеет высокие значения отношения прочности к плотности и хорошую коррозионную стойкость. Он один из всех 85 металлов ПС обладает наименьшей величиной сечения поглощения тепловых нейтронов и является превосходным их замедлителем и отражателем. Вследствие этого сплавы на основе бериллия применяют в различных конструкциях реакторов и космической технике. Магниевые сплавы располагают хорошими ядерными характеристиками: по величине сечения сорбции тепловых нейтронов они занимают промежуточное положение между Be и Al. В качестве конструкционных материалов обладают полной совместимостью с урановым топливом и углекислым газом – теплоносителем. Поэтому их употребляют как материал для оболочек ядерных реакторов. Наибольший недостаток – низкая теплопроводность. Третьим из металлов, пригодным для работы в условиях радиации по ядерным характеристикам, является цирконий. Как конструкционный материал в ядерных реакторах он применяется из-за своих высоких механических свойств при повышенных температурах, хорошей коррозионной стойкости во влажной атмосфере (вода и пар), приемлемой стоимости и технологичности.

Коррозионно-стойкие стали – это большая группа высоколегированных сплавов. По своей внутренней структуре они условно поделены на шесть классов: ферритные, аустенитные, аустенитно-ферритные, мартенситные, аустенитно-мартенситные и мартенситно-ферритные. К первым относятся стали марок 08Х13, 08Х18Т1, 12Х17Т, 15Х25Т. Они обладают невысокой твердостью и повышенной пластичностью. Их используют для изготовления изделий, подвергающихся действию слабоагрессивных сред (атмосферные осадки, слабые растворы кислот) при комнатных температурах, а также деталей, работающих без ударных нагрузок в средах окислительного характера (теплообменники). Во вторую группу входят сплавы 08Х18Н1ОТ, 08Х17Н13М2Т, 1OX14Г14Н4Т, которые имеют высокие прочность, пластичность, коррозионную стойкость и хорошую технологичность в обработке. Они находят применение в сварной аппаратуре, работающей в окислительных средах типа азотной, фосфорной, серной и 10 %-ной уксусной кислотах, а также слабоагрессивных и при температурах до –253 °С. Третий класс составляют стали марок 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т с высоким пределом текучести, малой склонностью к росту зерна и к межкристаллитной коррозии, хорошей свариваемостью и малой концентрацией никеля. Их употребляют в производстве сварной аппаратуры для химической, пищевой и других отраслей промышленности. Первый сплав является заменителем стали 08Х18Н1ОТ при температуре до 300 °С, а второй 08Х17Н13М2Т. Стали марок 40Х13, 30Х13 это четвертая группа. Материалы из них обладают хорошей стойкостью в атмосферных условиях и слабых растворах солей и кислот и используются в качестве режущих, измерительных и хирургических инструментов, а также упругих элементов (нержавеющие и кислотоупорные стали). К пятому типу относятся сплавы марок 07Х16Н6 и 08Х17Н5МЗ, которые имеют повышенную прочность и технологичность. Свойства сталей определяются соотношением аустенита и мартенсита в структуре. Они соответственно находят применение в высокопрочных штампосварных конструкциях и для изготовления деталей, работающие в слабоагрессивных средах, а также в виде нагруженных изделий, функционирующих в атмосферных условиях и слабоагрессивных средах восстановительного характера. И в последний класс входят стали 12Х13, 20Х13 и 14Х17Н2 с хорошей стойкостью в атмосферных условиях и слабых растворах солей и кислот. Из них производят изделия, функционирующие в слабоокислительных условиях, предметы домашнего обихода и нагруженные детали, работающие в слабоагрессивных средах окислительного характера, и для авиационной и химической промышленности (нержавеющие и кислотоупорные).