Углеродистые и низколегированные стали для режущего инструмента

Углеродистые стали делятся на качественные и высококачественные (буква А в конце марки).

К положительным качествам углеродистой инструментальной стали следует отнести её невысокую стоимость, низкую твердость в отожженном состоянии (HB 150–180); высокую твердость, получаемую в результате окончательной термической обработки (закалка и низкий отпуск); малое содержание остаточного аустенита; отсутствие высокого нагрева под закалку; возможность получения хорошего сочетания высокой твердости поверхностных слоёв и вязкой сердцевины, вследствие неполной прокаливаемости по всему сечению. Примером углеродистых сталей могут служить стали У8, У10А, У11А, У12А, У13А.

С целью улучшения свойств углеродистых 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. По теплостойкости низколегированные стали незначительно превосходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200–260ºС и поэтому непригодны для резания с повышенной скоростью, а также для обработки твердых материалов.

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

Принципы легирования инструментальных сталей. Высокие твердость и износостойкость определяется содержанием углерода и мало зависит от степени легирования. Но при содержании > 1.0–1.1 %C возрастают не только количество, но и размеры карбидных частиц и ухудшаются условия их распределения, что снижает прочность и вязкость и усиливает отрицательное влияние масштабного эффекта. Поэтому стали с повышенным содержанием углерода используют в небольших сечениях.

Основным легирующим элементом сталей этих групп является хром, причём содержание его не превышает 2 %. При таком содержании хром собственных карбидов не образует и растворяется в карбиде железа и твёрдом растворе. В отожженном состоянии примерно 70 % хрома находится в цементите. Хром повышает прокаливаемость, способствует получению мелкозернистой структуры (в малой степени), повышению износостойкости и пластичности стали.

Марганец значительно способствует повышению прокаливаемости, уменьшению деформации инструмента при термообработке, связывает серу (MnS), повышает количество остаточного аустенита (но не ухудшает распределения карбидов).

Кремнийв основном влияет на устойчивость закалённой стали против отпуска и в незначительной степени увеличивает прокаливаемость. К отрицательным сторонам легирование кремнием относятся повышение склонности стали к обезуглероживанию и небольшое понижение пластичности.

Вольфрамспособствует увеличению устойчивости стали против отпуска, повышению её износостойкости, ванадий– снижению склонности стали к росту зерна, повышению прочности, уменьшению чувствительности к перегреву.

Карбидообразующие элементы увеличивают долю карбидной фазы: Mo и W – образуют специальные карбиды, V, Ti, Nb – самостоятельные карбиды (МеС), повышающие износостойкость сталей.

Легирование никелем,используемое для повышения вязкости конструкционных сталей, непригодно для сталей с высоким содержанием углерода. Никель сильно увеличивает количество остаточного аустенита и ускоряет снижение твёрдости при отпуске.

Термическая обработка инструментальных сталей.

Предварительная обработка: отжиг на зернистый перлит. Для получения высоких эксплуатационных свойств стали подвергаются закалке (обычно с охлаждением в воде или через воду в масло) и низкому отпуску (180–200°С). Для сталей доэвтектоидных (У7) и эвтектоидной (У8) применяется полная закалка, для заэвтектоидных (У10 – У13) – неполная. Обычно температура нагрева под закалку для углеродистых сталей – 800ºС и для легированных – 840ºС. Максимальная твердость после закалки HRCэ 62–63. При больших размерах сечения закаливаемого инструмента для получения такой же твердости необходимо повышенное содержание углерода.

В результате закалки доэвтектоидных (и эвтектоидных) углеродистых сталей структура стали – мартенсит с небольшим содержанием остаточного аустенита (2–3 %). В заэтектоидной стали повышается содержание остаточного аустенита (до 8 %) и в связи с неполной закалкой появляется карбидная фаза (4–5 % Fe₃C). После низкотемпературного отпуска в доэвтектоидных (и эвтектоидной) сталях за счет распада мартенсита содержание карбидной фазы увеличивается на 1–2 %, в заэвтектоидных на 5–6 %. Количество остаточного аустенита не изменяется. Содержание углерода, растворенного в мартенсите, уменьшается.

Указанные стали применяются для изготовления инструмента с небольшими размерами сечений, не испытывающего ударных нагрузок, работающего при умеренных режимах резания, обрабатывающего материалы с невысокой твердостью. К таким видам инструмента относят метчики ручные, фрезы, напильники, развертки, сверла, плашки, зенкеры, пилы и др.