Стали для режущих инструментов

Инструментальную сталь выбирают в зависимости от свойств обрабатываемого материала, условий резания, требований к точности размеров и качеству обрабатываемой поверхности, экономических соображений и т. д.

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, обеспечивающей сохранение режущей кромки инструмента, достаточной прочностью и вязкостью (для инструментов ударного действия).

Режущие кромки инструмента могут нагреваться до 500— 900°С В этих случаях основным свойством инструментальных материалов является теплостойкость (красностойкость), т е. способность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве

Этот комплекс свойств обеспечивается выбором стали и оптимальным режимом термической обработки. При этом важное значение имеет прокаливаемость стали В зависимости от сечения инструмента его изготавливают из сталей небольшой, повышенной прокаливаемости или из быстрорежущих сталей.

 

Углеродистые инструментальные стали

Эти стали по ГОСТ 1435—74 содержат 0,65—1,35% С.

Они маркируются У7, У7А... У13, У13А Буква У означает, что сталь углеродистая, число показывает содержание углерода в десятых долях процента (табл П8)

Углеродистые инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью, хорошо шлифуются при изготовлении инструмента, дешевы и недефицитны.

Из сталей У7, У7А, У8, У8А, содержащих 0,7—0,8 % С, изготавливают инструмент для работы по дереву и инструмент ударного действия, когда требуется повышенная вязкость, — пуансоны, керны, зубила, кузнечные штампы и др.

Стали У9—У13 (У9А—У13А), содержащие 0,9—1,3 % С, обладают более высокой твердостью и износостойкостью. Из этих сталей изготавливают сверла, метчики, развертки, фрезы, плашки и др. Из стали У13, имеющей максимальную твердость (НКС 66— 67) и износостойкость, изготавливают напильники, граверный инструмент и др.

Для снижения твердости и создания благоприятной структуры все стали до изготовления инструмента подвергают предварительной термической обработке — отжигу. Поскольку наличие сетки вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инструмента, заэвтектоидные стали подвергают сфероидизирующему отжигу, нагревая стали У9 и У10 до 740—750 ^оС, а У11 и У12 до 750—780 °С. В результате такого отжига пластины Ц_II делятся (на этот процесс положительно влияет наличие субграниц и скоплений дислокаций). Регулируя скорость охлаждения, можно получать глобули Ц_II различного размера.

Окончательная термическая обработка — закалка и отпуск.

Температура закалки доэвтектоидных сталей Ас₃ + 30 °С, заэвтектоидных сталей Ас₁ + (40…50 °С).

Структура закаленной стали — мелкоигольчатый мартенсит или мелкоигольчатый мартенсит с мелкими карбидами. Температуру отпуска выбирают в зависимости от твердости, необходимой для данного вида инструмента.

Для инструментов ударного действия (У7, У8), когда требуется повышенная вязкость, применяют отпуск при 280—300 °С (НRС ≈ 56—58). Для напильников, метчиков, плашек и т. п. (стали У10—У13) проводят низкотемпературный отпуск при 150— 200 °С, что обеспечивает инструменту максимальную твердость (НRС ≈ 62—64).

Основные недостатки углеродистых сталей — их небольшая прокаливаемость, примерно до 5—10 мм, и низкая теплостойкость. При нагреве выше 200 °С их твердость резко снижается. Инструменты из этих сталей могут работать лишь при небольших скоростях резания.

 

Легированные инструментальные стали

Эти стали по ГОСТ 5950—73 обычно содержат 0,9—1,4 % С. Суммарное содержание легирующих элементов (Cr, W, Mn, Si, V и др.) не превышает 5%. Состав и свойства наиболее распространенных сталей указаны в табл. П9.

Высокие твердость и износостойкость определяются содержанием углерода и мало зависят от степени легирования. Легирование используется главным образом для повышения закаливаемости и прокаливаемости Кроме того, легирование позволяет сохранить мелкое зерно и улучшить прочность и вязкость. Легирующие элементы уменьшают критическую скорость закалки, увеличивая устойчивость аустенита. Наличие в структуре остаточного аустенита снижает деформацию инструментов при закалке.

Термическая обработка таких инструментов заключается в закалке с 800—850 °С в масло или ступенчатой закалке, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин (температура закалки определяется составом).

Отпуск проводят низкотемпературный — при 150—200 °С. Твердость после термической обработки составляет НКС 61—66. Иногда для увеличения вязкости повышают температуру отпуска до 300°С, но при этом твердость понижается до НRС 55—60.

Низколегированные стали, содержащие 1—1,5 % легирующих элементов (Х5, 7ХФ, 8ХФ), относятся к сталям небольшой прокаливаемости.

Применяемые для режущего инструмента стали 9ХС, 6ХВГ и др. по сравнению с углеродистыми сталями имеют более высокую прокаливаемость, повышенную твердость и износостойкость.

Повышенное содержание кремния (9ХС) способствует увеличению прокаливаемости (критический диаметр для стали 9ХС равен 40 мм, а для стали ХВСГ 100 мм при закалке в масле) и устойчивости мартенсита при отпуске.

Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Поэтому эти стали часто применяют для изготовления инструмента, имеющего большую длину при относительно небольшом диаметре, например, протяжек. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.

Из сталей этой группы изготавливают различные инструменты — от ударного до режущего. Теплостойкость инструментов, как правило, не превышает 300 °С, поэтому эти стали не используют для обработки с большими скоростями резания.

Так называемая «алмазная» сталь ХВ5 (5 % W) благодаря присутствию вольфрама в термически обработанном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу и твердость НКС 65—67. Из этой стали изготавливают инструмент, сохраняющий длительное время острые кромки и высокую размерную точность (развертки, фасонные резцы, граверный инструмент и т.п.).

К сталям повышенной прокаливаемости относятся и стали с карбидным упрочнением, например, 6Х6В3МФС и 8Х4В2С2МФ. После термической обработки (закалка с 1050—1080 °С, отпуск — старение при 520—540 °С) инструмент из этих сталей за счет выделения дисперсных карбидов Ме ₂₃C₆ и Me₇C₃ приобретает высокую твердость НRС ≈ 61—63, имея повышенную вязкость и прочность. Кроме того, он обладает высоким сопротивлением пластической деформации.

В последние годы для инструментов используются также стали с интерметаллидным упрочнением. Интерметаллиды (Ni₃Тi, NiTi, FеМо₂ и др.) оказывают даже более сильное упрочняющее влияние, чем карбиды. Это объясняется очень высокой дисперсностью образующихся частиц (5—20 нм), которые коагулируют при Т≈650—675 °С. Отсюда — высокая теплостойкость инструмента из таких сталей. Интерметаллидные фазы присутствуют в теплостойких сталях с повышенным содержанием Со и W (при низком содержании углерода), а также в мартенситностареющих сталях, которые также теперь используют для изготовления инструмента, например, сталь Н10Х11М2Т2 (ЭП 853), которая после термической обработки приобретает твердость НRС 55—58, сохраняющуюся до температур 350—400 °С. Мартенситностареющие стали рационально применять для медицинского инструмента небольшого сечения с очень тонкой режущей кромкой. Как правило, эти стали коррозионностойкие, а мелкодисперсные выделения упрочняющей фазы исключают разрушение тонкого (<0,05—0,1мм) лезвия инструмента.

 

Быстрорежущиестали

Быстрорежущие стали получили такое название за свои свойства. Вследствие высокой теплостойкости (550—650 °С) инструменты могут работать со скоростями резания, в три — четыре раза большими, чем инструменты из углеродистых и легированных сталей.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73) содержат 0,7 –1,5 % С, до 18% W, являющегося основным легирующим элементом, до 4,5 % Сr, до 5 % Мо, до 10 % Со. Наиболее распространенные марки быстрорежущих сталей приведены в табл. П7. В обозначении марок стоит буква Р от слова «рапид» — скорость, цифры за этой буквой показывают среднее содержание вольфрама Р18, Р9 и т.д.).

Высокая теплостойкость быстрорежущей стали объясняется следующими ее особенностями. При нагреве углеродистой закаленной стали происходит выделение из мартенсита дисперсных частиц карбидов (Fe_xC), которые уже при 300—400 °С коагулируют. Твердость понижается. Для сохранения твердости при нагреве (теплостойкости) сталь необходимо легировать такими элементами, карбиды которых образуются и коагулируют при более высоких температурах. Такими элементами являются вольфрам, хром и др.

Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650 °С и вторичную твердость до НRС 67—70. Наиболее высокую теплостойкость имеют стали Р12ФЗ, Р10К5Ф5 и Р9М4К8 (до 640 — 650 °С).

По структуре в равновесном состоянии эти стали относятся к ледебуритному классу.

Отливки из быстрорежущей стали подвергают ковке, а затем отжигу при 860 — 900 °С. После отжига структура быстрорежущей стали состоит из сорбита, куда входят очень мелкие эвтектоидные карбиды, мелких вторичных карбидов, выделившихся при охлаждении из аустенита, и более крупных обособленных первичных карбидов, входящих в состав эвтектики. Суммарное количество карбидов достигает 30 – 35 %. После окончательной термической обработки быстрорежущая сталь приобретает теплостойкость. Чем выше температура закалки, тем большее количество легирующих элементов растворяется в аустените, а, следовательно, тем более легированным получается мартенсит, который обладает большей теплостойкостью.

При нагреве до 1250—1280 °С в аустените стали Р18 содержится около 0,3 % С, ~4 % Сr, ~1 % V и 7—8 % W. Инструмент из стали Р18 подвергают закалке с 1280 °С. Нагрев под закалку до более высоких температур приводит к оплавлению режущих кромок инструмента и появлению карбидной эвтектики. Закалку проводят в масле.

Температура закалки инструмента из стали Р9 составляет 1240 °С, причем в этом случае требуется более точное соблюдение режима.

Инструмент под закалку нагревают обычно в соляных ваннах, что улучшает равномерность прогрева и уменьшает возможность обезуглероживания поверхности. Вследствие малой теплопроводности быстрорежущей стали нагрев осуществляется ступенчато: инструмент вначале подогревают в первой ванне до 500—600 °С, а затем переносят в ванну с температурой 800 ^о С и после этого в третьей ванне нагревают до 1280 °С.

Микроструктура закаленной быстрорежущей стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита (до 30 %) и большого числа рассеянных зернышек первичных карбидов. Количество остаточного аустенита и положение точек М_н и М_к также зависят от температуры закалки. Твердость закаленной быстрорежущей стали достигает HRC 60—62.

Остаточный аустенит ухудшает режущие свойства, поэтому закаленный инструмент обязательно подвергают отпуску. Установлено, что при нагреве до температур ниже 560 °С никаких существенных изменений не происходит. Если же нагревать при отпуске до 560 °С, то при последующем охлаждении часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. После трехкратного отпуска при 560 °С с выдержкой каждый раз в течение часа количество остаточного аустенита уменьшается до 2—3 %, твердость увеличивается до HRC 64—65.

При термической обработке быстрорежущей стали широко применяют обработку холодом. Закаленную сталь охлаждают до (—80)÷(—100) °С, т. е. до температур ниже точки М_к этой стали. Затем для снятия внутренних напряжений сталь подвергают однократно отпуску (560 °С, 1 ч). Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 приведены на рис.161,а,б.

Иногда для повышения износостойкости инструмента применяют низкотемпературноецианирование при 520—560 °С в течение 10—15 мин.

На поверхности образуется слой, насыщенный азотом и углеродом, толщиной 0,03—0,06 мм. Для уменьшения прилипания стружки и повышения коррозионной стойкости проводят обработку паром (при температуре отпуска). На поверхности образуется тонкая пленка, предотвращающая прилипание стружки.

Из-за высокой стоимости и дефицитности вольфрама из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента, которую прикрепляют к державке из обычной углеродистой инструментальной стали. На рис. 162 приведена зависимость твердости различных инструментальных материалов от температуры.