Область применения инструментальных сталей

Обновлено: 27.04.2024

Характеристики, которыми отличаются углеродистые инструментальные стали, позволяют успешно использовать данный материал не только для изготовления инструмента различного назначения, но и для производства пресс-форм для литья, измерительных приспособлений, а также других изделий, к точности геометрических параметров которых предъявляются повышенные требования.

Свойства углеродистых сталей позволяют применять их при изготовлении пресс-форм для высокоточного литья

Основные особенности

Современная металлургическая промышленность производит сталь в значительных объемах, поскольку это один из основных конструкционных материалов. Доля сталей, состав которых обогащен легированными элементами, составляет в данном объеме только 10%, остальная часть – это конструкции и изделия из обычных углеродистых сплавов. Данный факт свидетельствует о том, что именно углеродистые стали можно назвать основным материалом, используемым в современной промышленности.

Изделия из углеродистых сталей окружают нас повсюду

Широкая распространенность углеродистой стали объясняется:

невысокой стоимостью производства;
хорошей обрабатываемостью различными методами (резанием, давлением, сваркой);
хорошими эксплуатационными данными.

Инструментальные стали, относящиеся к сплавам углеродистой группы, отличает сложный химический состав, основу которого (97–99,5%) составляет железо. Кроме последнего, в них содержатся следующие элементы:

хром, никель и медь (их добавляют специально);
сера, фосфор, азот, кислород, водород (данные элементы присутствуют в инструментальной стали потому, что их невозможно совсем удалить при ее очищении);
марганец и кремний (их появление определяется особенностями производства инструментальных углеродистых сталей).

Содержание основных химических элементов в углеродистой стали

Значительное влияние на характеристики инструментальных сталей оказывает углерод, который намеренно вводится в их состав. От количества данного элемента зависит модификация структуры сплава. Так, у инструментальных сталей, в составе которых менее восьми десятых процента углерода, перлитная и ферритная внутренняя структура, более восьми десятых процента – цементитная и перлитная, ровно восемь десятых процента – полностью перлитная.

Большое количество углерода в составе инструментальных углеродистых сталей определяет следующие их характеристики:

невысокую пластичность и хорошую ударную вязкость;
исключительно высокую прочность;
устойчивость к холодной механической обработке.

Твердость металлопродукции из углеродистых сталей

На характеристики сплавов, которые содержат в своем составе значительное количество углерода, негативное влияние оказывают окислы железа. Чтобы уменьшить это влияние, в состав углеродистых сталей специально вводят следующие элементы:

кремний (часть объема данного элемента преобразуется в форму силикатных включений, остальное его количество полностью растворяется в феррите);
марганец (используется для раскисления железо-углеродистого сплава, но при этом решает и другие важные задачи: удаление из феррита и цементита, составляющих основу сплава, соединений железа с серой, которые крайне негативно влияют на его качество; повышение прочности металлических листов, полученных по горячекатаной технологии).

Допустимые отклонения по химическому составу в прокатных изделиях, предназначенных для дальнейшей переделки

Методы производства

Самым эффективным и экономичным способом производства инструментальных углеродистых сталей, который используется уже на протяжении многих лет, является кислородно-конвертерная технология. Заключается она в продувке жидкого чугуна, залитого в конвертер, кислородом. Продолжительность процесса производства по данной технологии не превышает одного часа. Углеродистые стали также выплавляются в мартеновских и электрических печах, для этого используются конвертеры бессемеровского типа.

Выплавка углеродистой стали

Получение инструментальных углеродистых сталей в конвертерах бессемеровского типа отличается высокой производительностью, но имеет ряд существенных недостатков. При использовании этой технологии из готового сплава не удается удалить все примеси неметаллической природы. В такой стали содержится значительное количество азота и других газообразных включений, которые снижают ее плотность и прочность, приводят к быстрому старению металла. В так называемых бессемеровских сталях, кроме того, содержится много фосфора и серы, удалить которые полностью не представляется возможным.

Удалить фосфор и серу или довести их содержание в металле до допустимого уровня позволяет кислородно-конвертерный метод. Стали, полученные по данной технологии, также отличаются невысоким содержанием азота и других газообразных включений. Выплавка инструментальных углеродистых сталей в мартеновских печах позволяет получить похожие характеристики, но данная технология отличается одним большим недостатком – длительностью реализации. Чтобы выплавить сталь в такой печи, потребуется ориентировочно 11 часов, что негативным образом отражается на экономической целесообразности данного процесса.

Получить самую качественную инструментальную сталь, в которой содержится минимальное количество фосфора, серы и кислорода, позволяет технология, предполагающая использование дуговых или индукционных электрических печей.

Компактные индукционные плавильные печи лего размещаются в небольших производственных помещениях

Данная технология (наиболее дорогая из всех существующих) позволяет получать материалы, которые предназначены также для изготовления ответственных металлических конструкций. Из-за высокой стоимости данного метода многие металлургические предприятия его не используют, отдавая предпочтение более экономичным технологиям.

Классификация

Углеродистые стали, относящиеся к различным категориям, принято разделять по уровню качества на следующие типы:

металл самого высокого качества, в составе которого присутствует не более 0,03% серы и фосфора;
качественные стали, которые характеризуются следующим содержанием вредных примесей: фосфор – не более 0,035%, сера – не более 0,04%;
стали обыкновенного качества, в составе которых содержится не более 0,05% серы и не более 0,04% фосфора.

Стальные сплавы, которые относят к категории инструментальных, могут быть только качественными и высококачественными. Требования к конструкционным сталям несколько ниже, в данной категории могут находиться сплавы обыкновенного качества и качественные.

Количественное содержание углерода в стальном сплаве также оказывает влияние на то, к какой категории его относят. Так, стали с содержанием углерода, не превышающим 0,25%, входят в категорию малоуглеродистых, ровно 0,6% содержат среднеуглеродистые, больше 0,6% – высокоуглеродистые.

Схема микроструктуры углеродистой стали в зависимости от содержания углерода (темное поле — перлит, светлое — феррит)

Тип структуры углеродистых сталей также может отличаться. В зависимости от него такие сплавы подразделяют на следующие категории:

доэвтектоидные;
эвтектоидные;
заэвтектоидные.

Применение и маркировка

К углеродистым сталям инструментального типа относят сплавы, в которых углерод содержится в интервале 0,65–1,35%. Их химический состав, а также характеристики, которым они должны соответствовать, оговариваются положениями ГОСТ 1435-74 (есть редакция от 1999 года).

Ознакомиться со всеми требованиями ГОСТ к инструментальным сталям можно, скачав данный документ в формате pdf по ссылке ниже.

Сферы назначения инструментальных углеродистых сталей

Применение инструментальных углеродистых сталей связано с производством:

резцов, ножовочных полотен, напильников, измерительного инструмента (марки У11-У13А);
инструмента пневматического типа, зубил, кусачек разных типов, пассатижей, молотков (У7 и У7А);
метчиков, плашек, разверток, сверл, матриц для холодной штамповки (У9-У10А);
пунсонов, инструментов для зенкования, фрезерования и обработки древесины, ножей, штампов (У8 и У8А).

По маркировке инструментальных углеродистых сталей можно узнать не только о том, сколько углерода содержится в их составе, но и о категории качества, к которой они относятся. Так, обозначение У8А, например, говорит о том, что в данном сплаве, который отличается повышенным качеством, содержится 0,8% углерода.

Примеры обозначения проката из углеродистой стали

При использовании углеродистых инструментальных сталей следует иметь в виду, что изделия из них подвергают обязательному отжигу, закалке и последующему отпуску. Данные виды термообработки, проводимой при соответствующей температуре, позволяют оптимизировать структуру таких сплавов и, соответственно, значительно улучшить показатели их твердости и прочности.

Быстрорежущие инструментальные стали: марки, характеристики, маркировка

Такой материал, как быстрорежущие стали, отличается уникальными свойствами, что дает возможность использовать его для изготовления инструментов, обладающих повышенной прочностью. Характеристики сталей, относящихся к категории быстрорежущих, позволяют производить из них инструменты самого различного назначения.

Фрезы, метчики, развертки – типичные изделия, производимые из высококачественной быстрорежущей стали

Характеристики быстрорежущих сталей

К категории быстрорежущие стали относят сплавы, химический состав которых дополнен рядом легирующих добавок. Благодаря таким добавкам сталям придаются свойства, позволяющие использовать их для изготовления режущего инструмента, способного эффективно работать на высоких скоростях. Быстрорежущие инструментальные стали от обычных углеродистых сплавов как раз и отличает то, что инструмент, который из них изготовлен, может с успехом применяться для обработки твердых материалов на повышенных скоростях.

Фрезеровка детали на профессиональном гравировальном станке

К наиболее примечательным характеристикам, которыми отличаются быстрорежущие стали различных марок, нужно отнести следующие.

Твердость, сохраняемая в горячем состоянии (горячая твердость). Как известно, любой инструмент, используемый для выполнения обработки резанием, в процессе такой обработки интенсивно нагревается. В результате нагрева обычные инструментальные стали подвергаются отпуску, что в итоге приводит к снижению твердости инструмента. Такого не происходит, если для изготовления была использована быстрорежущая сталь, которая способна сохранять свою твердость даже при нагреве инструмента до 6000. Что характерно, стали быстрорежущих марок, которые часто называют быстрорезы, обладают даже меньшей твердостью по сравнению с обычными углеродистыми, если температура резания находится в нормальных пределах: до 2000.
Повышенная красностойкость. Данный параметр любого металла характеризует период времени, в течение которого инструмент, изготовленный из него, способен выдерживать высокую температуру, не теряя своих первоначальных характеристик. Быстрорежущие стали в качестве материала для изготовления режущего инструмента не имеют себе равных по данному параметру.
Сопротивление разрушению. Режущий инструмент, кроме способности переносить воздействие повышенных температур, должен отличаться и улучшенными механическими характеристиками, что в полной мере демонстрируют стали быстрорежущих марок. Инструмент, изготовленный из таких сталей, обладающий высокой прочностью, может успешно работать на большой глубине резания (сверла) и на высоких скоростях подач (резцы, сверла и др.).

Характеристики и назначение быстрорежущих сталей

Расшифровка обозначения марок сталей

Изначально быстрорежущая сталь как материал для изготовления режущих инструментов была изобретена британскими специалистами. С учетом того, что инструмент из такой стали может использоваться для высокоскоростной обработки металлов, этот материал назвали «rapidsteel» (слово «рапид» здесь как раз и означает высокую скорость). Такое свойство данных сталей и придуманное им в свое время английское название послужили причиной того, что обозначения всех марок данного материала начинаются с буквы «Р».

Правила маркировки сталей, относящихся к категории быстрорежущих, строго регламентированы соответствующим ГОСТ, что значительно упрощает процесс их расшифровки.

Первая цифра, стоящая после буквы Р в обозначении стали, указывает на процентное содержание в ней такого элемента как вольфрам, который во многом и определяет основные свойства данного материала. Кроме вольфрама быстрорежущая сталь содержит в своем составе ванадий, молибден и кобальт, которые в маркировке обозначаются, соответственно буквами Ф, М и К. После каждой из такой буквы в маркировке стоит цифра, указывающая на процентное содержание соответствующего элемента в химическом составе стали.

Пример расшифровки марки быстрорежущей стали

В зависимости от содержания в составе стали тех или иных элементов, а также от их количества, все подобные сплавы делятся на три основных категории. Определить, к какой из категорий относится сталь, достаточно легко, расшифровав ее маркировку.

Итак, стали быстрорежущих марок принято разделять на следующие категории:

сплавы, в которых кобальта содержится до 10%, а вольфрама до 22%; к таким сталям относятся сплавы марок Р6М5Ф2К8, Р10М4Ф3К10 и др.;
стали с содержанием не более 5% кобальта и до 18% вольфрама; такими сталями являются сплавы марок Р9К5, Р18Ф2К5, Р10Ф5К5 и др.;
сплавы, в которых как кобальта, так и вольфрама содержится не более 16%; к таким сплавам относится сталь Р9, Р18, Р12, Р6М5 и др.

Определение разновидности стали по искре

Как уже говорилось выше, характеристики сталей, относящихся к категории быстрорежущих, преимущественно определяются содержанием в них такого элемента как вольфрам. Следует иметь в виду, что если в быстрорежущем сплаве содержится слишком большое количество вольфрама, кобальта и ванадия, то по причине формирования карбидной неоднородности такой стали режущая кромка инструмента, который из нее изготовлен, может выкрашиваться под воздействием механических нагрузок. Таких недостатков лишены инструменты, изготовленные из сталей, содержащих в своем составе молибден. Режущая кромка подобных инструментов не только не выкрашивается, но и отличается тем, что имеет одинаковые показатели твердости по всей своей длине.

Маркой стали для изготовления инструментов, к которым предъявляются повышенные требования по их технологическим характеристикам, является Р18. Обладая мелкозернистой внутренней структурой, такая сталь демонстрирует отличную износостойкость. Преимуществом использования стали данной марки является еще и то, что при выполнении закалки изделий из нее они не перегреваются, чего не скажешь о быстрорежущих сплавах других марок. По причине достаточно высокой стоимости инструментов, изготовленных из стали этой марки, ее часто заменяют на более дешевый сплав Р9.

Технические характеристики стали марки Р18

Достаточно невысокая стоимость стали марки Р9, как и ее разновидности — Р9К5, которая по своим характеристикам во многом схожа с быстрорежущим сплавом Р18, объясняется рядом недостатков данного материала. Наиболее значимым из них является то, что в отожженном состоянии такой металл легко поддается пластической деформации. Между тем сталь марки Р18 также не лишена недостатков. Так, из данной стали не изготавливают высокоточный инструмент, что объясняется тем, что изделия из нее плохо поддаются шлифовке. Хорошие показатели прочности и пластичности, в том числе и в нагретом состоянии, демонстрируют инструменты, изготовленные из стали марки Р12, которая по своим характеристикам также схожа со сталью Р18.

Свойства стали марки Р9К5

Методы производства и обработки

Для производства инструментов, изготавливаемых из быстрорежущих сплавов, используются две основные технологии:

классический метод, который предполагает разливку расплавленного металла в слитки, в дальнейшем подвергающиеся проковке;
метод порошковой металлургии, при котором расплавленный металл распыляется при помощи струи азота.

Классическая технология, предполагающая проковку изделия из быстрорежущего сплава, которое предварительно было отлито в специальную форму, позволяет наделить такое изделие более высокими качественными характеристиками.

Подобная технология помогает избежать формирования карбидных ликваций в готовом изделии, а также дает возможность подвергнуть его предварительному отжигу и дальнейшей закалке. Кроме того, данная технология изготовления позволяет избежать такого явления, как «нафталиновый излом», которое приводит к значительному повышению хрупкости готового изделия, изготовленного из быстрорежущего сплава.

Закалка готовых инструментов, выполненных из быстрорежущего сплава, осуществляется при температурах, которые способствуют лучшему растворению в них легирующих добавок, но в то же время не приводят к росту зерна их внутренней структуры. После выполнения закалки быстрорежущие сплавы имеют в своей структуре до 30% аустенита, что не самым лучшим образом сказывается на теплопроводности материала и его твердости. Для того чтобы уменьшить количество аустенита в структуре сплава до минимальных значений, используются две технологии:

проводят несколько циклов нагрева изделия, выдержки при определенной температуре и охлаждение: многократный отпуск;
перед выполнением отпуска, изделие подвергается охлаждению до достаточно низкой температуры: до –800.

Улучшение характеристики изделий

Чтобы инструменты, изготовленные из быстрорежущих сплавов, обладали высокой твердостью, износостойкостью и коррозионной устойчивостью, их поверхность необходимо подвергнуть обработке, к методам выполнения которой относятся следующие.

Насыщение поверхностного слоя изделия азотом — азотирование. Проводиться такая обработка может в газовой среде, состоящей из азота (80%) и аммиака (20%), либо полностью в аммиачной среде. Время выполнения подобной технологической операции — 10–40 минут, температура, при которой она осуществляется — 550–6600. Использование газовой среды, содержащей азот и аммиак, позволяет сформировать менее хрупкий поверхностный слой.
Насыщение поверхностного слоя изделия углеродом и азотом — цианирование, которое осуществляется в расплаве цианида натрия или других солей с этим же анионом. В зависимости от назначения детали цианирование может быть высоко-, средне- и низкотемпературным. Чем выше температура и время выдержки детали в расплаве, тем больше толщина получаемого слоя.
Сульфидирование, которое выполняется в жидких расплавах сульфидов, куда добавляются соединения серы. Проводится такая процедура на протяжении 45–180 минут, при этом температура расплава должна составлять 450–5600.

Инструменты, изготовленные из быстрорежущих сплавов, также подвергают обработке паром, что позволяет улучшить характеристики их поверхностного слоя. Следует иметь в виду, что все вышеперечисленные операции выполняются с инструментом, режущая часть которого уже заточена, отшлифована и подвергнута термической обработке.

Характеристики и марки инструментальных сталей

Износостойкие инструменты и детали, к прочности которых предъявляются повышенные требования, предполагают использование инструментальных сталей, имеющих ряд важных отличий от конструкционных сталей.

Круглые заготовки инструментальной стали

Сферы применения инструментальных сталей

Инструментальная сталь представляет собой сплав, содержание углерода в котором составляет не менее 0,7%. Ее структура при этом может быть доэвтектоидной, ледебуритной или заэвтектоидной. Инструментальные стали с различной структурой отличаются наличием вторичных карбидов. В сплавах с доэвтектоидной структурой вторичных карбидов нет. Между тем, в каждой из таких структур карбиды в обязательном порядке присутствуют: они образуются при эвтектоидных модификациях либо являются результатом распада мартенсита.

Схема-классификация инструментальных материалов

В современной промышленности инструментальные стали нашли широкое применение. Их используют для производства:

рабочих деталей штампов, работающих по принципу холодного и горячего деформирования;
высокоточных изделий;
режущего инструмента;
измерительных приборов;
литейных прессформ, которые работают под давлением.

В зависимости от области применения инструментальных сталей к ним предъявляются определенные требования. Однако существуют общие для всех марок критерии соответствия:

достаточный уровень вязкости (особенно актуальна эта характеристика для деталей, подвергающихся в ходе эксплуатации ударам);
высокая прочность;
износостойкость;
высокий уровень твердости.

Марки сплавов, предназначенных для применения в условиях холодной деформации, должны ко всему прочему обладать гладкой рабочей частью, способностью сохранять размеры и форму, а также отличаться пределом текучести и упругости. А инструментальная сталь, пригодная для работы в условиях горячей деформации, должна обладать высокой теплопроводностью, противостоять отпуску и быть устойчивой к температурным колебаниям. Особым требованиям должны соответствовать и марки сталей, используемых для производства режущего инструмента.

Требования к инструментальным сталям

Ко всем углеродистым инструментальным сталям предъявляются такие требования, как:

хорошая обрабатываемость методом резки металла;
низкая чувствительность к перегреву;
низкая восприимчивость к процессам прилипания и приваривания к обрабатываемым деталям;
хорошая шлифуемость;
восприимчивость к прокаливанию;
пластичность в горячем состоянии;
способность противостоять обезуглероживанию;
устойчивость к образованию трещин.

Виды инструментальных сталей

Все марки сталей для производства инструментов подразделяют на 5 основных групп.

Теплостойкие и вязкие

Как правило, это за- и доэвтектоидные стали, которые содержат в своем составе молибден, вольфрам и хром. Содержание углерода в таких легированных инструментальных сталях соответствует средним и низким значениям.

Высокотвердые и вязкие, нетеплостойкие

Такие сплавы отличает низкое содержание легированных элементов и среднее — углерода. Они также характеризуются невысокой прокаливаемостью.

Высокотвердые, теплостойкие и износостойкие

К таким маркам относятся быстрорежущие легированные стали (содержание легирующих элементов в них очень велико), а также сплавы с ледебуритной структурой, содержащие в своем составе более 3% углерода.

Износостойкие, высокотвердые и средней теплостойкости

Это стали с заэвтектоидной и ледебуритной структурой, в состав которых входит 2-3% углерода и от 5 до 12% хрома.

Высокотвердые и нетеплостойкие

Состав таких инструментальных сталей с заэвтектоидной структурой либо вообще не содержит легированных элементов, либо содержит их в незначительных количествах. Уровень твердости таких сплавов обеспечивается большим количеством углерода в их составе.

Классификация инструментальной стали в виде схемы

Важным параметром инструментальных сталей является уровень их твердости. Как правило, высокотвердые стали нежелательно применять для производства инструмента, который в процессе эксплуатации подвергается ударным нагрузкам. Объясняется это тем, что такие сплавы обладают невысокой вязкостью и значительной хрупкостью, что может привести к поломке инструмента, который из них изготовлен.

По уровню твердости можно выделить две категории инструментальных сталей:

с высоким уровнем вязкости (содержание углерода в пределах 0,4-0,7%);
с высокой износостойкостью и твердостью (углерода в них содержится больше: 0,7-1,5%).

Деталь гидромолота из высокотвердой стали

Классифицируют марки сталей и по степени их прокаливаемости. По данному критерию различают легированные стали с повышенной (возможный диаметр прокаливания 80-100 мм), высокой (50-80 мм) и низкой (10-25 мм) прокаливаемостью.

О маркировке инструментальных сталей

Для определения вида инструментальной стали требуется знание маркировки, которая включает в себя как буквенные, так и цифровые обозначения. Разобраться в этом несложно. Очень часто в маркировке сплавов встречается буква «У». Она означает, что перед вами углеродистая сталь. Цифры, идущие следом за такой буквой, говорят о содержании углерода в сплаве, исчисляемом в десятых долях процента. Встречается в маркировке углеродистых инструментальных сталей и буква «А», указывающая на то, что сплав относится к высококачественным.

Маркировка инструментальной стали (на примере углеродистой) с указанием содержания дополнительных элементов

Большую категорию инструментальных сталей составляют быстрорежущие сплавы, которые обозначаются буквой «Р». После этой буквы следуют цифры, по которым можно определить содержание основного легирующего элемента для сталей данной категории — вольфрама.

Содержание остальных элементов в составе быстрорежущих легированных сталей (молибдена, ванадия и кобальта) определяется по цифрам, следующим за соответствующими буквами в их маркировке — «М», «Ф» и «К». В состав быстрорежущих сплавов в обязательном порядке входит и хром, но его количество определяют по умолчанию — не более 4%.

Очень часто маркировка инструментальных сталей начинается с цифры (к примеру, 9ХС, 9Х, 6ХГВ), которая указывает на содержание (в десятых долях) в их составе углерода, если оно не превышает 1%. В том случае, если углерода в составе сплава содержится около 1%, то цифра в начале их маркировки не ставится вообще. На содержание остальных элементов (в целых долях) указывают цифры, которые стоят в маркировке за буквами, обозначающими соответствующий легирующий элемент.

Закалка и отпуск углеродистых инструментальных сталей

В ГОСТе 1435 оговаривается как состав углеродистых сталей, так и их основные характеристики. Содержание углерода в таких сплавах (что можно определить по их марке) составляет от 0,65 до 1,35%. Для того чтобы получить оптимальную структуру и требуемую твердость, перед началом производства инструмента эти сплавы подвергают отжигу. При этом для инструментальных сталей с заэфтектоидной структурой выполняется отжиг сферодизирующего типа. Проводимая по такой технологии термообработка приводит к появлению цементита зернистой формы. А получить зерна требуемого размера позволяет скорость охлаждения, которую можно легко регулировать.

Производственный процесс закалки стали

После того, как инструмент будет изготовлен, инструментальная сталь подвергается закалке и последующему отпуску. Это дает возможность получить материал требуемой твердости. Регулировать твердость готового инструмента также достаточно легко, это достигается путем выбора определенной температуры для проведения операции отпуска.

Так, для инструментов, подвергающихся в процессе эксплуатации систематическим ударным нагрузкам, оптимальной является твердость от 56 до 58 HRC, которую получают, проводя отпуск при температуре 290 градусов Цельсия. Самые строгие требования предъявляют к твердости плашек, граверных приспособлений, напильников (62-64 единицы по шкале HRC). Достигается она при помощи выполнения отпуска при температуре от 150 до 200 градусов Цельсия.

Закалка увеличивает твердость углеродистых сталей по той причине, что именно с ее помощью удается получить оптимальную структуру сплава железа и углерода. Варианты такой структуры:

карбиды с мартенситом;
только мартенсит.

Инструментальная штамповая сталь

Изделия из металла, получаемые методом деформирования, могут обрабатываться в нагретом и холодном состоянии. Соответственно, и штампы, с помощью которых обрабатываются такие детали, бывают холодно- и горячедеформированными. Естественно, что для производства штампов разных типов требуется использование различных марок инструментальной стали.

Так, для штампов холоднодеформированного типа и небольшой толщины (до 25 мм) применяют углеродистые стали У10, У11 и У12. Твердость сплавов данных марок находится в пределах от 57 до 59 единиц по HRC, они отличаются достаточной вязкостью, хорошим уровнем сопротивления деформациям пластического характера, способностью противостоять износу в процессе эксплуатации. Для более габаритного инструмента (толщина больше 25 мм), испытывающего в процессе эксплуатации более значительные нагрузки, применяют стали с повышенным содержанием хрома (Х9, Х, Х6ВФ).

Инструментальная штамповая сталь на складе

Изделия, регулярно испытывающие в процессе своей эксплуатации ударные нагрузки, должны отличаться высокой вязкостью (например, 4ХС4 и 5ХНМ). Чтобы обеспечить выполнение этого требования, в производстве используют легированные стали, состав которых обогащен специальными элементами, а уровень содержания углерода значительно снижен. Кроме того, необходима специальная термообработка таких инструментальных сталей.

Горячедеформированные штампы в процессе своей эксплуатации подвергаются не только значительным механическим, но и термическим нагрузкам. Естественно, что к инструментальным сталям для производства этих штампов (например, 5ХНМ и 4ХСМФ) предъявляются особые требования, такие как:

Инструментальные стали

Инструментальные стали используются в производственной, медицинской сферах для изготовления точных, высокопрочных инструментов с твердой режущей кромкой и высокими показателями износоустойчивости. Это наиболее сложные по составу и обработке сплавы.

Существует много видов инструментальной стали. Классифицируются они в зависимости от процентного содержания углерода и легирующих добавок. О том, где применяются такие сплавы, как маркируются, какими свойствами обладают, вы узнаете из нашего материала.

Назначение инструментальных сталей

Какая сталь инструментальная? Это металл, который содержит в составе углерод от 0,7 % и выше. Между собой инструментальные стали отличаются по содержанию вторичного карбида и по структуре делятся на доэвтектоидные, ледебуритные, заэвтектоидные. В доэвтектоидном сплаве нет вторичного карбида. В остальных структурах карбиды содержатся и формируются при эвтектоидных разновидностях или образуются при распаде мартенсита.

В современном производстве инструментальные стали в основном применяются для производства следующей продукции:

штамповочные детали, которые изготавливают горячим или холодным деформированием;
высокоточные изделия;
металлорежущие инструменты;
устройства для измерения;
формы, для литья под давлением.

Марка инструментальной стали

Область применения

Изделия для работы под давлением 1 400–1 600 МПа. Износостойкие ролики профилировочного станка, эталонные зубчатые колеса, плашки резьбонакатные, кузнечные штампы, матрицы дыропрошивные сложные, пресс-штемпели вырубные и просечные, матрицы и пресс-штемпели холодного воздействия под давлением. Сталь этой марки не используют для сварных металлоконструкций

Ответственные детали с улучшенной износоустойчивостью, усталостной прочностью, находящиеся в напряженном состоянии в зоне контакта. К ним можно отнести сверла, развертки, метчики, лерки, гребенки, инструменты для фрезерования, штемпели машинные, клейма для холодных работ. Сталь этой марки не используют для сварных металлоконструкций

Молотовые штампы мелкие, крупные молотовые или прессовые вставки при горячей деформации конструкционной стали и цветных сплавов в крупном производстве, формующая оснастка для литья под давлением различных сплавов

Приспособления для горячей деформации на кривошипных штамповочных прессах, которые подвергаются в ходе работы высокоинтенсивному охлаждению (в основном для небольшого инструмента), формующая оснастка для литья под давлением медного сплава, ножи для горячей резки металла

Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р6М5К8, Р18, Р7М2Ф6, Р12МФ5, Р9М4К8, Р10М4К14, Р12М3К5Ф2, Р12М3К8Ф2, Р12М3К10Ф2, Р12М3К10Ф2

Сверла, развертки, метчики, фрезы дисковые, червячные и концевые, инструменты для зенкерования и протягивания, шеверы

Общие характеристики инструментальной стали

Существуют общие критерии для всех марок стали. Но к отдельным видам инструментальной стали (в зависимости от способов использования) предъявляются еще и характерные требования.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Отличия инструментальной стали от конструкционной:

Твердость инструментальной стали 60–65 единиц по шкале Роквелла.
Добавочная прочность, когда непостоянное сопротивление на разрыв выше 900 МПа.
Сопротивляемость абразивному износу.
Увеличенная прокаливаемость – способность инструментальной стали при закалке приобретать мартенситную структуру.
Красностойкость – способность стали сохранять при красном калении повышенную прочность и износостойкость.

Сплавы, которые используются в условиях холодного деформирования, различаются границей текучести и упругости, иметь гладкий рабочий слой и не изменяться в размерах и формах. А сплавы, которые применяются в условиях горячего деформирования, имеют повышенную теплопроводность, стойкость к термической обработке после закалки и устойчивость к изменениям температуры. Стали, которые используют при производстве режущих инструментов, должны отвечать особым требованиям.

Типы инструментальных сталей по ГОСТу

Согласно ГОСТам, предусмотрена следующая классификация инструментальных сталей:

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-99) с маркировкой У10, У12 и т. д. Цифрой указывается количество углерода в сплаве. Размерность берут в сотых долях процента. Если сталь имеет меньшее число отрицательных включений, а именно серы или фосфора, которые ухудшают механические свойства стали, то такой сплав принято обозначать добавлением литеры «А» (У12А и т. п.).
Легированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-2000). Обозначаются Х, 5ХВГ, 9ХС и т. п. Первая цифра в маркировке обозначает сотую долю процента карбидов в сплаве. Если цифры нет, то процент карбида составляет 1 %. Литеры указывают на наличие в сплаве легирующих веществ.

Быстрорежущие инструментальные стали (ГОСТ 19265-73) обозначают буквой «Р». Цифра в маркировке показывает примерное количество вольфрама. Если в сплаве присутствуют кобальт или ванадий, то в маркировке пишут литеры «К» и «Ф». Хром в данной стали содержится в количестве 3-4 %, поэтому в маркировке его не показывают.
Штампованные инструментальные стали (ГОСТ 1265-74) обозначают так же, как и легированные. Бывают холодного и горячего деформирования.

Характеристики высоколегированной инструментальной стали

Для получения высоколегированной инструментальной стали берут за основу высокоуглеродистую быстрорежущую сталь с наличием углерода 0,7–1,4 % с большим содержанием карбидов хрома, вольфрама, молибдена и ванадия.

Это существенно увеличивает термостойкость сплава (до +670 °С), износостойкость и прочность изделий. Также эти свойства повышают практически в четыре раза скорость шлифования данного соединения по сравнению с другими сплавами из этой же группы (УС или НЛИС).

Основные свойства быстрорежущей инструментальной высококачественной стали:

Горячая твердость. Инструменты для резания изготавливают из быстрорежущей стали, которая способна сохранять твердость даже при температуре +600 °С. Это обусловлено тем, что в рабочем состоянии режущий инструмент интенсивно отдает тепло, часть (бывает до 80 %) которого идет на его разогрев. Это провоцирует отпуск материала и значительное снижение его твердости. Но стоит обратить внимание, что при температуре резания менее +200 °С твердость углеродистой стали будет выше, тем твердость быстрорежущей инструментальной стали при аналогичной обработке.
Красностойкость. Все марки инструментальной режущей стали имеют повышенный показатель красностойкости – коэффициент, определяющий промежуток времени, за который сталь способна выдержать большую температуру и сохранить при этом свои рабочие свойства.
Сопротивление разрушению. Быстрорежущая сталь более прочная, что позволяет сделать инструмент с большой глубиной и подачей резки.

Впервые быстрорежущая сталь («rapid steel», где «rapid» – это скорость) была создана в Британии.

Именно поэтому маркировка этой стали начинается с буквы «Р», а далее уже указывается цифра – процент содержания в ней вольфрама.

После указывают литеры «Ф», «М» и «К», показывающие долю в сплаве ванадия, молибдена и кобальта.

Быстрорежущую сталь принято делить на три группы в зависимости от наличия в ней отдельных элементов. Маркировка данного сплава указывает, к какому типу можно его отнести:

сталь марок Р6М5Ф2К8, Р10М4Ф3К10 и др. – содержание кобальта до 10 %, вольфрама до 22 %;
сталь марок Р9К5, Р10Ф5К5, Р18Ф2К5 – содержание кобальта до 5 %, вольфрама до 18 %;
сталь марок Р65М, Р12, Р18, Р9 – содержание вольфрама до 16 %, кобальта не содержит.

Наличие вольфрама в сплаве влияет на режущие показатели быстрорежущей стали.

Важно понимать, что повышенное содержание вольфрама, кобальта и ванадия приводят к карбидной неоднородности сплава, что способствует раскрашиванию краев режущего инструмента при эксплуатации. Если сталь содержит молибден, то весь срез будет иметь стабильные значения твердости.

Марки высоколегированной инструментальной стали

В обобщенный перечень высоколегированных инструментальных сталей и сплавов, которые последовательно появлялись в промышленности, входят Р9 и Р18 – самые первые марки легированной инструментальной стали. В состав сплава Р9 входит 0,8 % углерода, 4 % хрома, 9 % вольфрама, 2 % ванадия. Сплав Р18 содержит 0,8 % углерода, 4 % хрома, 18 % вольфрама, 1 % ванадия. Имеют повышенную теплоустойчивость.

Сталь Р18 отличается от Р9 увеличенной в два раза износостойкостью, т. к. содержит ориентировочно в 3 раза больше свободных карбидов. Также Р18 качественнее обрабатывается и меньше «прижигается». На основании этого сталь марки Р18 считается эталонной по отношению к другим маркам стали данной группы.

Чтобы улучшить режущие показатели инструментов для резания и уменьшить содержание дорогого вольфрама, российские ученые создали:

молибденовые режущие сплавы – марки Р9М4, Р6М5, Р6М3;
кобальтовые режущие сплавы – марки Р9К10, Р9К5;
ванадиевые режущие сплавы – марки Р18Ф2, Р14Ф4, Р12Ф3, Р9Ф5;
комбинированные быстрорежущие сплавы с легирующими добавками – марки Р18Ф2К5, Р12Ф2М3К8, Р12Ф4К5, Р6М5К5.

Эти и остальные марки (их больше 40) данной стали можно разделить на три группы в зависимости от производительности и теплоустойчивости – нормальная, повышенная и высокая:

Быстрорежущая сталь с нормальной теплоустойчивостью. Содержит вольфрам – Р9, Р12, Р18. Их современные отечественные аналоги – Р6М5 (зарубежный – HSS) и Р6М3.
Быстрорежущая сталь с повышенной теплоустойчивостью. Содержание молибдена – 2 %, вольфрама – 2–4 %, ванадия – 6–8 %. Либо сплав, который содержит молибден – 2 %, вольфрам – 9–10 %, ванадий – 4-5 %. Также сюда относятся сплавы с легирующими добавками (кобальт – 5 %, ванадий – 3,5-4 %, вольфрам ≤ 12 % или кобальт – 6–8 %, ванадий – 1,5-2 %, вольфрам ≤ 10 %). Марки этой стали – Р6М5К5, Р6М5К8, Р9К5 и зарубежный аналог – HSS Co.
Быстрорежущая сталь с высокой теплоустойчивостью, содержащая кобальт ≥ 12 %, вольфрам ≤ 18 % и ванадий ≤ 3,5 %. В отдельных марках сплава увеличивают процент молибдена, а содержание вольфрама уменьшают до ≤ 14 %.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Быстрорежущая сталь

Всевозможных металлов, обладающих разными характеристиками и свойствами, существует на рынке огромное количество. Быстрорежущая сталь относится к инструментальному типу, так как ее используют в производстве режущего инструмента. Она дает возможность разрезать металл на очень больших скоростях и под действием высокой температуры.

Свойства и особые характеристики быстрорезов позволяют применять их для изготовления инструментов повышенной прочности для самого разного использования. Другие особенности этого сплава описаны ниже.

История создания быстрореза

Назначение быстрорежущей стали определилось в ходе исторического процесса. До того как появились быстрорезы, мастерами использовались обычные резцы из стали. Они не так хорошо подходили для обработки деталей из дерева и изделий из цветных металлов. Основная проблема, связанная с обтачиванием таким инструментом, – это медлительность процесса. Также режущая деталь быстро приходит в негодность и достигает высокой температуры.

Быстрорежущая сталь стала настоящим открытием для мастеров. Она появилась в 1858 году, когда удалось открыть сплав из вольфрама и марганца. Химические элементы идеально подходили в качестве легирующих. На протяжении XXI века ученые искали варианты с улучшенными характеристиками. Особых успехов удалось достичь именно в прочности материала.

В результате скорость обработки деталей стала в разы больше, как и производительность металлорежущих станков.

В XX столетии самозакаливающимися составами успешно заменили вольфрамовые. В наши дни самыми эффективными считаются безвольфрамовые соединения.

В результате появляется вопрос о том, какая сталь быстрорежущая? Из всего ее многообразия таковыми можно считать лишь сплавы, в которых содержится много легированных добавок. Разные химические элементы способны значительно изменить свойства металла.

Если говорить об основных качествах стали, это в первую очередь повышение твердости сплава. Такое свойство определяется целью материала – создание условий, при которых металл сможет работать на более высокой скорости. Сталь должна сохранять свои качества даже при сильном трении, которое появляется в процессе резания. Иначе материал будет непригоден для производства.

Другие свойства быстрорежущей стали:

Удержание высокого уровня стойкости даже при большой температуре. Устойчивость объясняется способностью инструмента действовать без изменения характеристик. Любые преобразования могут привести к ухудшению качества результата, поэтому важно сохранять первоначальный баланс. Например, изменения, связанные с кристаллической решеткой, в результате приводят к чрезмерному трению и нагреву металла. Затем твердость материала снижается, а пластичность, наоборот, становится выше. Износ такого инструмента произойдет гораздо быстрее, чем в условиях верной эксплуатации.
Прочность. Твердость быстрорежущей стали связана с ее применением. Часто материал используют для резки заготовок либо обработки деталей. Результаты исследований свидетельствуют о том, что сталь высокого качества сохраняет свои характеристики при температуре до +6 000 °С. Если же качество стали обычное, то твердость будет меньше, чем у любого другого углеродистого металла.
Повышенная устойчивость, за счет которой стальной инструмент трудно разрушить. Для такого металла недопустимы хрупкость и гибкость, так как он работает на достаточно большой скорости. Благодаря устойчивости сталь также можно использовать с высоким показателем подачи. Это приведет к большей глубине резания.

Марки и разновидности быстрорежущей стали

Маркировка быстрорежущей стали крайне разнообразная. С ее помощью можно узнать, в каком соотношении в стали содержатся легирующие элементы. Следовательно, определить назначение и свойства материала также будет несложно.

Если в разновидностях стали оказываются одни и те же легирующие элементы (хром и вольфрам), но в разном количестве, свойства будут заметно отличаться. В ситуации с примесями ванадия, углерода и кобальта маркировка имеет еще большее значение.

Независимо от состава быстрорежущей стали, первой будет стоять буква Р. Именно она и отличает быстрорезы от других видов стали. Далее идет цифра, которая покажет процентное соотношение вольфрама к общему значению. Это главный легирующий элемент, который обязательно присутствует в расшифровке быстрорежущей стали. После него идут другие составляющие, такие как ванадий (Ф), кобальт (К), молибден (М).

Исходя из положений государственного стандарта, количество хрома в маркировке не указывается. Содержание этого легирующего элемента всегда равняется 4 %. Также не отмечается ванадий, если его процентное соотношение меньше 2 %, и молибден, если его меньше 1 %. Так, на изображении ниже показаны быстрорежущая сталь (Р), вольфрам и его процентное содержание (6 %), молибден и его содержание (5 %), а также кобальт и его количество в процентах (5 %). Такие характеристики имеет марка Р6М5К5.

Во многом свойства, а, следовательно, и область применения быстрорежущей стали определяются карбидами тугоплавких металлов и стальной основой, которая их обрамляет.

Цель карбидов молибдена, ванадия и вольфрама – сделать инструмент не быстроизнашиваемым. Стальная основа предназначена для того, чтобы упрочнить инструмент. Такая сталь справится даже с большими нагрузками.

Быстрорежущие инструментальные стали делятся на три группы:

С нормальной теплостойкостью. Они включают в себя соединения из вольфрама или вольфрама и молибдена. Например, быстрорежущая сталь Р6М5, Р9, Р18, Р8М3. Также в группу включаются составы, легированные азотом, который улучшает режущие свойства материала. Главная задача стали этого вида состоит в обработке пластмассы, черных, цветных и конструкционных металлов. Материал входит в состав режущих элементов инструмента.
С повышенной теплостойкостью. Химический состав быстрорежущей стали данной группы имеет свои особенности. В первую очередь, это большее содержание ванадия, кобальта и углерода. Примерами являются марки Р9Ф5, Р9К5, Р10К5Ф2. Цель такого вида стали – обрабатывать конструкционные, закаленные, нержавеющие и устойчивые к высокой температуре металлы.
С высокой теплостойкостью. Количество легирующих добавок будет значительно выше, чем в предыдущих группах, а содержание углерода – ниже. Например, инструментальная быстрорежущая сталь с маркировкой В14М7К25, сталь повышенной производительности В11М7К23. В дальнейшем материал будет использован для резки труднообрабатываемых деталей или сплавов из титана.

Производство быстрорежущих сталей и их обработка

Быстрорежущая сталь создается по одной из двух современных технологий:

классическая, т. е. разливка сплава в формы для слитков, прокатка и проковка;
порошковая, включающая в себя распыление азотом струи жидкого металла.

На практике классический метод применяют чаще. Дело в том, что в нем учитываются все особенности обработки, характерные для быстрорезов. Соблюдаются два правила, которые гарантируют прочность изделия. Первое – избегание в получившемся сплаве карбидной ликвации. Зачастую она происходит из-за некачественной или слишком короткой проковки. Второе – обязательный отжиг перед закалкой. Несоблюдение правил чревато «нафталиновым изломом», который вызывает непрочность изделий.

Сама закалка происходит при оптимальном температурном режиме. Подходящей считается такая температура, которая не провоцирует рост зерна в α-Fe (альфа-железе), но при этом максимально растворяет содержащиеся легирующие примеси.

В структуре закаленной стали до 30 % занимает аустенит. Его задача состоит в том, чтобы уменьшить теплопроводность материала и твердость всего инструмента. В большом количестве аустенит способен навредить, поэтому излишки следует убрать. Существует два метода того, как это можно сделать:

применить низкие температуры, т. е. перед отпуском охладить материал до -80 °С;
использовать неоднократный отпуск, повторив нагрев, выдержку и охлаждение несколько раз подряд.

Процедуры не помогут удалить аустенит в полном объеме, но удалят из быстрорежущей стали большую его часть.

Область использования быстрорежущей стали

Резцы из быстрорежущей стали могут использоваться для разных инструментов. В основном, это сверла и фрезы небольшого размера. С помощью данных инструментов проводят обработку материалов, из которых создают конструкции, детали машин и некоторых сооружений. Область применения способны расширить примеси.

Например, с вольфрамом сталь становится пригодной для нарезания зубьев или резьбы. Инструмент с добавлением ванадия используют для создания приспособлений, способных сделать чистовую обработку материала. С кобальтом можно обрабатывать металл с антикоррозионными и жаропрочными свойствами.

И фрезы, и сверла из быстрорежущей стали должны быть устойчивыми к разным температурам и износу. Но есть и ряд дополнительных требований, которые способны повысить качество стали. В первую очередь это способность сопротивляться коррозии, а также сохранять первоначальные габариты и форму даже при высокой скорости работы.

Не менее важна устойчивость к динамическим нагрузкам. Для марок инструментальной быстрорежущей стали характерно сопротивление высоким температурам от +600 °С до +6 400 °С. Эти параметры позволяют их использовать для создания фрез, метчиков, протяжек, резцов, пил и зенкеров.

Область применения различных марок быстрорежущих сталей

Марка быстрорежущей стали	Область применения и основные характеристики марки
Р9	Чаще всего используют с инструментами несложной формы, которая не потребует длительной шлифовки. Также подойдет для конструкционных материалов. Сталь обладает пониженной производительностью шлифования, но при этом более высокой пластичностью в сравнении с другими марками. Характеристика делает ее пригодной для применения метода пластической деформации.
Р18	Данный вид стали имеет высокую технологичность. Благодаря эксплуатационным качествам сфера применения достаточно широкая. Обработке поддадутся почти все виды обычных конструкционных материалов. Шлифуемость на высоком уровне
Р12	Область применения практически такая же, как и в случае с быстрорежущей сталью Р18. Однако производительность шлифовки ниже, чем у Р18
10Р6М5	Пригодна для обработки инструментов режущего характера и работающих с ударными нагрузками. Спектр закалочных температур меньше, чем в случае с Р18. Вероятность обезуглероживания повышенная
Р6М5	Характеристики аналогичны марке 10Р6М5. Отличие состоит в меньшей твердости, но при этом большей прочности
Р6М5Ф3	Шлифуемость невысокая. Используется в обработке разверток, фасонных резцов, конструкционных сталей (при условии среднего режима резания), протяжек, получистовых и чистовых инструментов
Р12Ф3	На средней скорости резания возможна обработка получистовых и чистовых инструментов, а также абразивных материалов. Хорошая альтернатива для марок Р14Ф4 и Р6Ф5, так как шлифуемость выше, а остальные характеристики почти одинаковы
Р9Ф5, Р14Ф4	Шлифуемость невысокая. Используют с инструментами несложной формы, которые не потребуют длительной шлифовки. Отлично покажет себя в обработке абразивных материалов и чистовых инструментов с небольшими сечениями среза
Р9М4К8, Р6М5К5	Марки выдерживают высокие температуры, поэтому подойдут для жаропрочных материалов. Шлифуемость немного пониженная

Совокупность видов металлических изделий включает в себя такие формы, как полоса, листовой прокат, круг и квадрат. На практике наиболее часто используется круг. Квадрат предназначен для создания ножей, электрорубанков и токарных резцов. Каждая составляющая сортамента имеет свою специфику, поэтому для надежности следует проконсультироваться со специалистом.

Таким образом, удалось выяснить, что означает быстрорежущая сталь и твердый сплав, какие характеристики и особенности имеет сталь, а также как расшифровать ее маркировку. Область применения марок также была приведена, а более подробную информацию можно получить в профильных компаниях. Они подберут материал с такими качествами, которые окажутся наиболее оптимальными именно для вашей ситуации. Также будут представлены необходимые условия производства и термообработки быстрорежущей стали, которые обеспечат ее высокое качество.

Читайте также: