Инструментальные стали

Категория:
Слесарно-инструментальные работы


Инструментальные стали

Инструментальные стали характерны тем, что после соответствующей термической обработки они получают очень высокую-твердость. Такая твердость позволяет изготовленным из стали инструментом обрабатывать другие стали — конструкционные.

Инструментальные стали могут быть разделены на углеродистые, легированные и высоколегированные или быстрорежущие стали. Свойства углеродистых инструментальных сталей как качественных, так и высококачественных (с добавкой индекса А в обозначении марки) зависят также от процентного содержания углерода в их составе. О процентном содержании этого элемента в той или иной стали можно судить по цифрам, входящим в условное обозначение марки стали, соответственно содержанию углерода в десятых долях процента.

С ростом процентного содержания углерода увеличивается твердость стали, но одновременно растет и хрупкость. Поэтому для> ударных инструментов и вырубных штампов применяются только> стали У7 и У8, а для режущих и измерительных инструментов, от. которых требуется высокая твердость и износостойкость,—- стали У10—У12. Однако стали У10—У12’Пригодны для режущих инструментов, работающих только с небольшими скоростями резания и в спокойных условиях (развертки, метчики и т. п.). Точно также и детали приспособлений, подверженные ударам (упоры, установочные планки), изготовляются из сталей У7 — У8, а работающие на истирание,— из сталей У10 — У12.

Свойства, углеродистых сталей могут быть улучшены добавкой-марганца. Такие стали менее хрупки и более износостойки.

Несмотря на многие положительные качества, инструментальные углеродистые стали все же не лишены серьезных недостатков..

1. Они не обладают достаточной теплостойкостью, так как при нагреве приблизительно до 200° начинают терять высокую твердость, а, следовательно и режущие свойства. По этой причине их нельзя использовать для режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях, т. е. в условиях сильного нагрева режущих кромок.

2. Их форма и размеры сильно изменяются при закалке, что не позволяет использовать такие стали для сложных по конструкции и точных по размерам инструментов и некоторых других деталей технологической оснастки.

Стремление повысить теплостойкость и износостойкость, а также прочность инструментальных материалов привело к созданию легированных сталей. Однако теплостойкость этих сталей лишь немного выше, чем ,у углеродистых, зато значительно выше их износостойкость и прокаливаемость и в то же время намного меньше изменяемость размеров при закалке.

Наиболее употребительны следующие марки инструментальных сталей: углеродистые качественные стали (по ГОСТ 1435—54) — У7, У8, У10, У12; углеродистые высококачественные — У7А, У8А, У10А, У12А, У8ГА, У10ГА; легированные (по ГОСТ 5951—51) —X, Х12, Х12Ф, 9ХС, ХГ, ХВГ, ХВ5, 5ХВС, 6ХВС, 5ХНТ, 5ХНВ; быстрорежущие (по ГОСТ 5952—51) — Р9 и Р18. Условные обозначения этих марок почти совпадают с обозначениями легированных конструкционных сталей, с той только разницей, что первое число означает не сотые доли процента, а десятые. В том случае, если процентное со- ! держание углерода в марке составляет 1 % и более, цифра в условном обозначении опускается.

Каковы же свойства и назначение марок легированных инструментальных сталей?

Хромистые инструментальные стали (X, Х12) отличаются большой износостойкостью и малой изменяемостью формы и размеров (деформацией) при закалке. Сталь марки X широко применяется для изготовления разверток, винторезных гребенок, небольших протяжек, калибров и кондукторных втулок, рабочие размеры которых нельзя подвергнуть шлифованию. Сталь марки XI2 и особенно хро—мованадиевая Х12Ф — идут на изготовление накатных плашек, волочильных инструментов, а также гибочных и холодновысадочных штампов.

Хромокремнистая сталь (9ХС) — более теплостойка по сравнению с углеродистой сталью и служит, главным образом, для изготовления режущего инструмента.

Хромомарганцевая сталь (ХГ) — дает наименьшие деформации при закалке и представляет поэтому наилучший материал для резьбовых и иных точных и сложных калибров, закаленных кондукторных планок и втулок малых диаметров, подвергаемых после закалки только доводке.

Хромовольфрамовые стали (ХВГ и ХВ5) также мало деформируются при закалке, обладают большей теплостойкостью, однако весьма склонны к появлению трещин и прижогов при шлифовании.

Хромовольфрамокремнистые (5ХВС и 6ХВС) обладают рядом ценных свойств, способствующих их применению для изготовления штампов холодной штамповки. Стали 5ХНТ и 5XITB служат для изготовления ковочных штампов.

Открытие высоколегированных быстрорежущих сталей, сохраняющих режущие свойства при температуре 550°, т. е. обладающих почти в 3 раза большей теплостойкостью, явилось крупным шагом вперед в получении совершенных материалов для изготовления режущего инструмента. Быстрорежущая сталь — очень дорогой материал. Ее стоимость в 10—15 раз выше углеродистой стали, а поэтому она используется только для изготовления режущего инструмента, работающего на повышенных режимах резания.

ГОСТ 5952—51 установлено две марки быстрорежущей стали: марка Р18, имеющая в своем составе около 18% вольфрама, и марка Р9 с 9% вольфрама. Быстрорежущая сталь Р18, как более дорогостоящая, применяется реже; во всех случаях, когда это возможно, применяют низколегированную сталь Р9. Применение стали Р18 допускается только для изготовления инструмента, работающего в особенно тяжелых условиях, т. е. при обработке материалов высокой прочности и при работе с большими сечениями стружки и скоростями резания. Эта сталь также применяется для сложного фасонного и зубообрабатывающего инструмента. Сталь Р9 при обработке материалов высокой прочности имеет несколько пониженную стойкость и кроме этого отличается худшей шлифуемостью, склонностью к прижогам при шлифовании, а также трудностью ее закалки, в связи с узким интервалом закалочных температур.

Требования к сталям. К инструментальным сталям предъявляются более высокие требования, чем к конструкционным. Это объясняется тем, что рабочие поверхности инструментов, изготовленных из инструментальных сталей, работают при высоких контактных напряжениях, больших удельных давлениях и подвергаются износу и нагреву. Инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств, необходимых для обработки материалов резанием и давлением.

Применение тех или иных материалов определяется требованиями, предъявляемыми к различным инструментам.

Материалы, из которых изготовляют режущие инструменты, должны обладать следующими свойствами: – высокой прочностью, так как в процессе резания инструменты испытывают большие усилия; – высокой твердостью, потому что процесс резания можно осуществить только в том случае, если твердость материала инструмента значительно больше твердости обрабатываемого материала; – высокой износостойкостью, потому что стойкость инструмента зависит от степени истирания режущих кромок; – высокой теплостойкостью, так как в процессе резания выделяется большое количество тепла, часть которого идет на нагрев режущих кромок инструмента, а последний, нагреваясь, теряет первоначальную твердость и быстро выходит из строя.

Стали для измерительных инструментов и деталей высокой точности должны обладать высокой износостойкостью, необходимой для сохранения инструментами размеров и формы в процессе эксплуатации, а также хорошей обрабатываемостью для получения высокого класса шероховатости поверхности измерительных инструментов.

Углеродистые стали. Эти стали обладают высокой твердостью после окончательной термической обработки (HRC 62…64) и низкой твердостью в отожженном состоянии (НВ 187…207), что обеспечивает хорошую обрабатываемость резанием и давлением. Недостаток углеродистых сталей — низкая теплостойкость (200…250°С).

По ГОСТу 1435—74 промышленность выпускает следующие инструментальные углеродистые стали: У7, У8, У8Г, У9, У10, У И, У12, У13, У7А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А и У13А.

К группе некачественных сталей относятся стали марок без буквы А, к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов, — марки с буквой А.

Буквы и цифры в обозначении марок стали обозначают: У — углеродистая, следующие за ней цифры (цифра)—среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г — повышенное содержание марганца.

Увеличение в стали содержания углерода повышает ее твердость, но одновременно увеличивает и хрупкость. Следовательно, для ударных инструментов надо применять стали с меньшим содержанием углерода (У7 и У8), а для режущих и измерительных инструментов, требующих высокой твердости и износоустойчивости,— с большим содержанием углерода (У 10 и У12).

Стали марок У7, У7А, У8, У8А, У8ГА, У9 и .У9А служат для изготовления зубил, ножниц для резки жести, пил по металлу и дереву, резцов по меди.

Из стали марок У10А, У11, У11А, У12 и У12А выполняют сверла малого диаметра, метчики, развертки, плашки, фрезы малого диаметра, пилы по металлу, ножовочные полотна, измерительные инструменты, зубила для насечки напильников.

Стали марок У13 и У13А служат для изготовления инструментов особо высокой точности: напильников, резцов, зубил для насечки напильников, шаберов и т. п. Из стали марок У8А и У10А выполняют пуансоны, матрицы, ножи и другие детали штампов.

Углеродистые стали поставляются в виде горячекатаных, кованых или калиброванных прутков различного сечения или в виде полос.

Легированные стали. В соответствии с ГОСТом 5950—73 инструментальные легированные стали по своему назначению подразделяются на две группы: для режущего и измерительного инструмента и для штам-пового инструмента.

Стали первой группы делятся на стали неглубокой прокаливаемое™ — 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 13Х, ХВ4 и В2Ф и стали глубокой нрокаливаемости — 9X1, X,. 12X1, 9ХС, ХГС, 9ХВГ, ХВГ, ХВСГ, 9Х5ВФ, 8Х6НФТ и 8Х4ВЗМЗФ2.

В обозначениях марок сталей первые цифры указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Цифры могут и не указываться, если содержание углерода близко к единице или больше единицы. Буквы за цифрами обозначают: Г — марганец, С — кремний, X — хром, В — вольфрам, Ф — ванадий, Н — никель, М — молибден. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее содержание соответствующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифр означает, что содержание этого легирующего элемента составляет примерно 1%. В отдельных случаях содержание легирующих элементов не указывается, если оно не превышает 1,8%.

Легированные стали обладают по сравнению с углеродистыми повышенной вязкостью в закаленном состоянии, меньшей склонностью к деформациям и трещинам при закалке. Их режущие свойства примерно такие же, как и углеродистых инструментальных, потому что они имеют низкую теплостойкость (200…250 °С).

Легированные инструментальные стали применяются для изготовления инструментов и технологической оснастки. Из сталей марок 7ХФ, 8ХФ и 9ХФ выполняют круглые и ленточные пилы, ножи для холодной резки металлов, зубила, пуансоны, керны и другие инструменты, работающие с ударными нагрузками. Из сталей марок Д1ХФ, 13Х, ХВ4, В2Ф, 9X1 и X —зубила, пуансоны, ножи для холодной резки металла, кернеры, круглые и ленточные пилы, метчики и другие режущие инструменты диаметром до 30 мм, шаберы, резцы и фрезы для обработки с небольшой скоростью резания, ножовочные полотна и калибры.

Из сталей марок 12X1, ХВГ и 9ХВГ изготовляют измерительные инструменты — плитки, калибры и шаблоны, а также измерительные и режущие инструменты, для которых повышенное коробление при закалке недопустимо, — резьбовые калибры, протяжки, длинные метчики и развертки, плашки и лекала сложной формы. Для деревообрабатывающих инструментов служат стали марок 8Х6НФТ, 9X5ВФ и 8Х4ВЗМЗФ2. Резьбона-катный инструмент, ручные ножовочные полотна и инструменты, предназначенные для холодной пластической деформации, выполняют из стали марки Х6ВФ.

Легированные стали второй группы применяют для изготовления деталей штампов и пресс-форм. Они в настоящей книге не рассматриваются.

Быстрорежущие стали. Быстрорежущей называется сталь, в состав которой помимо углерода входят легирующие элементы — вольфрам, хром, ванадий и молибден, образующие после термической обработки устойчивые карбиды. Кроме карбидообразующих элементов в некоторые марки быстрорежущих сталей входит также кобальт.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73) приобретают после закалки и отпуска высокую твердость, прочность, износостойкость, теплостойкость и сохраняют режущие свойства при нагревании до температуры 600…650° С. Скорости резания инструментами из быстрорежущей стали в 2…4 раза выше, чем инструментами из легированной стали, кроме того, они обладают повышенной стойкостью.

Преимущества быстрорежущей стали проявляются главным образом при обработке прочных (ств= = 100 кгс/мм2) и твердых сталей (НВ 200..250) и резании с повышенной скоростью. По ГОСТу 19265—73 промышленность выпускает следующие марки быстрорежущей стали: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9КЮ, Р9М4К8 и

Р10К5Ф5. В обозначениях марок буквы и цифры указывают: Р — быстрорежущая сталь; цифра, стоящая за буквой, — среднее содержание вольфрама в процентах; М — молибден, Ф — ванадий, К — кобальт; цифры, следующие за этими буквами, — соответственно содержание молибдена, ванадия и кобальта.

Быстрорежущие стали делятся на стали нормальной (Р18, Р12, Р9 и Р6М5) и повышенной (Р18К5Ф2, Р9М4К8, Р6М5К5, Р9К5, Р9КЮ, Р12ФЗ и др.) производительности. Почти все виды режущих инструментов для обработки обычных конструкционных сталей изготовляют из стали марок Р18, Р12, Р9 и Р6М5. Из стали марки Р6М5 с пониженной шлифуемостью производят инструменты простой формы, не требующие большого объема шлифования.

Инструменты для обработки высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов в условиях повышенного разогрева режущей кромки изготовляют из сталей марок Р18К5Ф2, Р9М4К8, Р6М5К5 и Р10К5Ф5. Инструментами из стали последней марки можно также обрабатывать материалы, обладающие абразивными свойствами.

Для обработки сталей и сплавов повышенной твердости и вязкости и для работы с ударом применяют инструменты из стали марки Р9К5, а нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов и сталей повышенной твердости и вязкости — инструменты из стали марки Р9К10. Резцы, зенкеры, развертки и другие инструменты для чистовой обработки вязких аустенитных сталей, а также материалов с абразивными свойствами изготовляют из стали марки Р12ФЗ. Развертки, протяжки и фрезы из стали марки Р6М5ФЗ предназначены для чистовой и получистовой обработки углеродистых и легированных сталей на средних скоростях резания.

Вольфрамомолибденовая сталь Р6М5 не только дешевле стали марки Р18, но и отличается хорошей теплопроводностью, мало склонна к трещинообразованию в процессе шлифования. По режущим свойствам при чистовой обработке она несколько уступает сталям Р18 и Р12, однако при черновой обработке режущие свойства ее лучше, чем у стали Р18. Недостаток стали Р6М5 — чувствительность к перегреву.

Сталь Р6М5К5, обладающая более высокими значениями теплостойкости, прочности и вязкости, чем сталь Р6М5, рекомендуется для черновой обработки.

В последние годы наблюдается тенденция к повышению содержания углерода в быстрорежущих сталях в среднем на 0,25% (до 1,1%) при содержании ванадия не более 2,8%- Стали с повышенным содержанием углерода отличаются более высокой износостойкостью.

В настоящее время быстрорежущую сталь начинают получать методом порошковой металлургии (пульвер-сталь или металлокерамическая сталь), что позволяет резко сократить карбидную неоднородность и повысить режущие свойства инструмента, особенно крупногабаритного. Из металлокерамической стали марки 10Р6М5 (она не стандартизована) изготовляют зуборезные инструменты.

Конструкционные стали. В инструментальном производстве применяют углеродистые качественные конструкционные стали, регламентированные ГОСТом 1050—74. Настоящий стандарт распространяется на сортовую углеродистую качественную конструкционную сталь горячекатаную и кованую марок 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 и 60 диаметром или толщиной до 250 мм, марок 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г и 70Г диаметром или толщиной до 60 мм, а также сталь калиброванную и серебрянку всех марок.

В обозначениях марок стали цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква Г — содержание марганца (около 1%).

Конструкционные углеродистые стали широко используются для производства составного режущего инструмента. Нерабочую часть инструмента — державки, корпуса, хвостовики и др. — изготовляют из этих сталей. Из низкоуглеродистых сталей 20 и 25 с последующей цементацией и закалкой и среднеуглеродистых марок 50 или 55 изготовляют измерительные инструменты— скобы, шаблоны, калибры и др. Из конструкционных сталей выполняют также различные детали приспособлений.

ВК4-В, В Кб, В Кб-А, ВК6-0М, ВК6-В, ВК8, ЁК8-ВК, ВК8-В, вкю, ВК10-М, ВКЮ-ОМ, ВК10-КС, вкп-в, BK11-BK, BK15, BIC20, ВК20-КС, BK20-K и ВК25.

Сплавы этой группы состоят из зерен карбидов вольфрама (WC), сцементированных кобальтом, и обозначаются буквами ВК и цифрой, показывающей процентное содержание кобальта. Буква М указывает на мелкозернистую структуру сплава в изделиях, буква В после цифры обозначает технологический признак и показывает, что изделие из этого сплава спекается в атмосфере водорода, буква К в конце марки указывает на крупнозернистую структуру сплава, получаемую по специальной технологии, а буквы ОМ — на особо мелкозернистую структуру сплава в изделиях. Твердость сплавов группы ВК HRA 83…91, предел прочности при изгибе (Ти— 110…240 кгс/мм1, плотность— 13… г/см3.

К титановольфрамовой группе относят твердые сплавы марок Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5КЮ и Т5К12. Структура сплавов этой группы состоит из зерен твердого раствора карбида и вольфрама в карбиде титана (TiC) и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом, или только из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана, сцементированных кобальтом. Сплавы этой группы обозначаются буквами ТК и цифрами. Так, марка Т30К4 обозначает: Т—титан, цифра 30 — 30% карбида титана, К —кобальт, цифра 4 — 4% кобальта. Карбид вольфрама определяют по разности 100—(30+4) =66%. Твердость сплавов группы ТК HRA 87…92, предел прочности при изгибе (Ги=-95…165 кгс/мм2, плотность—> 9,5… 13,5 г/см3.

В титанотанталовольфрамовую группу входят твердые сплавы марок ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б иТТ20Щ Структура сплавов этой группы состоит из зерен твер^ дого раствора (Ti, Та, W)Co и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированного кобальтом. Обозначаются они буквами ТТК и цифрами: первая буква Т — титан, вторая — тантал, буква К — кобальт. Так, сплав марки ТТ7К12 содержит в среднем 7% карбидов титана и тантала (4+3), 12% кобальта и 81% карбида вольфрама. Твердость сплавов этой группы HRA 87…88, предел прочности при изгибе аи= 150… 165 кгс/мм2, плотность—12,8…13,3 г/см3.

Металлокерамические твердые сплавы обладают высокой красностойкостью и сохраняют режущие свойства при Hsrpese до температур #=900…1000° С; при этом сплавы группы ТК болеё Износоустойчивы и имеют лучшую красностойкость. С повышением содержания кобальта хрупкость сплавов уменьшается, однако одновременно понижается и их твердость. Сплавы группы ВК более вязки, чем сплавы группы ТК.

Твердые сплавы выпускают главным образом в виде стандартных пластинок разнообразной формы и различных размеров. Неперетачиваемые многогранные пластинки механически крепятся в дерновках режущего инструмента. Изготовляются также цельные твердосплавные инструменты — фрезы диаметром от 3 до 60 мм, машинные развертки диаметром от 6 до 12 мм, ручные метчики от М2 до М10 и спиральные сверла диаметром от 1,8 до 5,2 мм.

Для обработки резанием применяют сплавы различных марок. Сплавы ВКЗ, ВК4, ВК6 и ВК8 служат для обработки обычных чугунов на чистовых и получисто-вых операциях точения, растачивания, фрезерования, сверления, развертывания и нарезания резьб, а ВКЗ-М и ВК8 — для чистового и получистового точения и растачивания, нарезания резьбы на твердых чугунах. Сплавы В Кб, ВК8 и ВК6-М предназначены для строгания, чернового точения и растачивания, сверления и долбления, а ВК6-М пригоден для всех видов механической обработки чугунов.

Сплавы группы ТК используются главным образом для обработки сталей: Т30К4 — для чистовой и полу-чистовой обработки цементированных и закаленных углеродистых и легированных сталей, Т14К8 —для черновой, а Т15К6 — для любых видов обработки тех же сталей, Т5КЮ — для чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, фасонном точении, отрезке, строгании, черновом фрезеровании.

Сплавы группы ТТК марки ТТ7К12 применяют при тяжелом черновом точении при неравномерном сечении среза и наличии ударов, а также при работе на изношенном оборудовании, сплав ТТ10К8-Б — для черновой и получистовой обработки труднообрабатываемых материалов, включая жаропрочные стали и сплавы.

Швейцарская фирма Gebruder Sulzer применяет для машиностроительных деталей, подверженных истиранию, например для деталей швейных и текстильных машин, инструментальную сталь GS-85CrVW4, содержащую (%) 0,86 С, 0,45 Si, 0,55 Мп, 1,0 Сг, 0,14 W, 0,3 V.

В ГДР используют инструментальные стали по TGL 14415.

В ЧССР применяют инструментальную сталь для штампов по ON 422870 и быстрорежущую сталь для литого инструмента по CSN 423992.

Для точных отливок, эксплуатирующихся при высоких температурах, применяют специальные сплавы на базе никеля, легированные хромом и кобальтом и небольшим количеством других легирующих элементов (Ti, Al, В, Zr, Та, V).

Большинство специальных – сплавов, используемых в США, имеют фирменные названия. Так называемые сплавы Supper Alloys пригодны для литья в вакууме. Отливки из этих сталей используют под нагрузкой при высоких температурах (см. табл. 58). Для большинства специальных сплавов требуется особый режим термообработки, если необходимо получить оптимальные свойства. Режим термообработки зависит от толщины стенки отливок и обычно состоит из следующих операций: гомогенный отжиг (толщина стенки более 75 мм) при 1150 °С с выдержкой 4 ч; охлаждение на воздухе; отпуск в течение 1 ч при 595 °С; текучести 1600 Н/мм2 при относительном удлинении 8% и относительном сужении 20%. Эти величины прочности можно получить и при больших толщинах.

Отливки из сплава Maraging не имеют поверхностного обезуглероживания. В гомогенизированном состоянии их обрабатываемость приблизительно такая же, как коррозионно-стойких сталей. В отвержденном состоянии обрабатываемость приблизительно на 50% хуже. Свариваемость хорошая, если используются электроды из того же сплава, выплавленного в вакууме, но без бора, циркония и титана. Сварку проводят в атмосфере инертного газа.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум