Инструментальные стали

Содержание.

1. История развития  обработки металлов.

2. Инструментальные  стали.

3. Инструментальные  низколегированные стали. 

4. Быстрорежущие  стали.

5. Перспективные  способы получения быстрорежущих  сталей.

6. Список  литературы. 

История развития обработки  металлов.

История развития обработки металлов показывает, что одним из эффективных путей  повышения производительности труда  в машиностроении является применение новых инструментальных материалов. Например, применение быстрорежущей  стали вместо углеродистой инструментальной, позволило увеличить скорость резания в 2...3 раза. Это потребовало существенно усовершенствовать конструкцию металлорежущих станков, прежде всего увеличить их быстроходность и мощность. Аналогичное явление наблюдалось также при использовании в качестве инструментального материала твердых сплавов.

Инструментальный  материал должен иметь высокую твердость, чтобы в течение длительного  времени срезать стружку. Значительное превышение твердости инструментального  материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания. Способность материала инструмента сохранять свою твердость при высокой температуре нагрева определяет его красностойкость (теплостойкость). Режущая часть инструмента должна обладать большой износостойкостью в условиях высоких давлений и температур.

Важным  требованием является также достаточно высокая прочность инструментального  материала, так как при недостаточной  прочности происходит выкрашивание режущих кромок либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.

Инструментальные  материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. легко  обрабатываться в процессе изготовления инструмента и его переточек, а также быть сравнительно дешевыми.

В настоящее  время для изготовления режущих  элементов инструментов применяются  инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие), твердые  сплавы, минералокерамические материалы, алмазы и другие сверхтвердые и абразивные материалы.

Инструментальные стали.

Инструментальная углеродистая сталь — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно. 

Инструментальные стали относятся к качественным сталям и в свою очередь разделяются на подкатегории в зависимости от свойств и характеристик им присущих.

Инструментальная сталь марки У7 и У7А. Данный вид стали имеет конкретное предназначение. Из этой стали изготавливают инструменты для обработки древесины, слесарные инструменты, также плоскогубцы, разного рода молотки и кувалды, отвертки и тому подобное.

1. 2.    3. 4.

1.Стамеска

2.Плоскогубцы 

3.Зубило

4.Клещи

Инструментальная сталь марки У8, У8а, У9 используется для клапанов, небольших деталей, включая элементы часов, для инструмента, при работе которого не происходит нагревания, и опять же для обработки дерева.

Инструментальная сталь марки У10А, У12А  предназначается в основном для изготовления сердечников. У10А находит свое применение в игольной проволоке, также инструментальная сталь этой марки используется для инструментов, где режущая кромка не подвергается термическому воздействию. Различного вида пил и напильников.

Инструментальная сталь марки У13, У13А для производства, медицинских хирургических скальпелей, лезвий для бритв.

Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных сталей У10А, У11А, У12А, У13А, обладают достаточной твердостью, прочностью и износостойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200-250 "С их твердость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназначенных для обработки мягких металлов с низкими скоростями резания, таких, как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Углеродистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабатываемость резанием и давлением. Однако они требуют применения при закалке резких закалочных сред, что усиливает коробление инструментов и опасность образования трещин.

Инструменты из углеродистых инструментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и потери твердости режущих  кромок. Из-за больших деформаций при  термической обработке и плохой шлифуемости углеродистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасонных инструментов, подлежащих шлифованию по профилю. 
 
 

Инструментальные низколегированные стали.

С целью  улучшения свойств углеродистых инструментальных 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.

Инструментальные стали меняют свойства при легировании различными химическими элементами, например инструментальная сталь 5хнв - используется только для молотовых штампов, где масса падающих частей не превышает отметки в 3000 килограммов, а буквы 5хнв в свою очередь обозначают - легирование хромом и легирование вольфрамом. Изготавливают из стали 5хнв круги, трубы, листы и другие изделия.

Штампы молотовые для объемной штамповки                                   Штампы вырубные, молотовые

По теплостойкости легированные инструментальные стали  незначительно превосходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость  при нагреве до 200-260°С и поэтому  непригодны для резания с повышенной скоростью, а также для обработки твердых материалов.

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

Стали неглубокой прокаливаемости, легированные хромом (0,2-0,7%), ванадием (0,15-0,3%) и вольфрамом (0,5-0,8%) используются при изготовлении инструментов типа ленточных пил  и ножовочных полотен. Некоторые из них имеют более специализированное применение. Например, сталь ХВ4 рекомендуется для изготовления инструментов, предназначенных для обработки материалов, имеющих высокую поверхностную твердость, при относительно небольших скоростях резания.

Характерной особенностью сталей глубокой прокаливаемости является более высокое содержание хрома (0,8-1,7 %), а также комплексное введение в относительно небольших количествах таких легирующих элементов, как хром, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, что существенно повышает прокаливаемость. В производстве инструментов из рассматриваемой группы наибольшее применение находят стали 9ХС и ХВГ. У стали 9ХС наблюдается равномерное распределение карбидов по сечению. Это позволяет использовать ее для изготовления инструментов относительно больших размеров, а также для резьбонарезных инструментов, напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки особенно круглых плашек с мелким шагом резьбы.

Плашки, метчики, фрезы, сверла

 Вместе  с тем сталь 9ХС имеет повышенную твердость в отожженном состоянии, высокую чувствительность к обезуглероживанию при нагреве.

Содержащие  марганец стали ХВГ, ХВСГ мало деформируются  при термической обработке. Это  позволяет рекомендовать сталь  для изготовления инструмента типа протяжек, длинных метчиков, к которым предъявляются жесткие требования относительно стабильности размеров при термической обработке. Сталь ХВГ имеет повышенную карбидную неоднородность, особенно при сечениях, больших 30...40 мм, что усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать ее для инструментов, работающих в тяжелых условиях.

  Быстрорежущие стали.

В настоящее  время для изготовления металлорежущих инструментов применяются, быстрорежущие  стали. В зависимости от назначения их можно разделить на две группы:

1) стали нормальной  производительности;

2) стали повышенной  производительности.

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, к сталям второй группы – Р6М5ФЗ, Р12ФЗ, Р18Ф2К5, Р10Ф5К5, Р9К5, Р9К10, Р9МЧК8, Р6М5К5 и др.

В обозначении  марок буква Р указывает, что  сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в  процентах. Среднее содержание ванадия  в стали в процентах обозначается цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта -цифрой, следующей за буквой К.

Высокие режущие свойства быстрорежущей  стали обеспечиваются за счет легирования  сильными карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием и  некарбидообразующим кобальтом. Содержание хрома во всех быстрорежущих сталях составляет 3,0-4,5 % и в обозначении марок не указывается. Практически во всех марках быстрорежущих сталей допускается содержание серы и фосфора не более 0,3%, никеля не более 0,4%. Существенным недостатком этих сталей является значительная карбидная неоднородность, особенно в прутках большого сечения.

С увеличением  карбидной неоднородности прочность  стали, снижается, при работе выкрашиваются  режущие кромки инструмента, и снижается  его стойкость.

Карбидная неоднородность выражена сильнее в  сталях с повышенным содержанием вольфрама, ванадия, кобальта. В сталях с молибденом карбидная неоднородность проявляется в меньшей степени.

Быстрорежущая сталь Р18, содержащая 18% вольфрама, долгое время была наиболее распространенной. Инструменты, изготовленные из этой стали, после термической обработки имеют твердость 63-66 HRС_Э, красностойкость 600 °С и достаточно высокую прочность. Сталь Р18 сравнительно хорошо шлифуется.

Большое количество избыточной карбидной фазы делает сталь Р18 более мелкозернистой, менее чувствительной к перегреву при закалке, более износостойкой.

Ввиду высокого содержания вольфрама сталь  Р18 целесообразно использовать только для изготовления инструментов высокой  точности, когда стали других марок  нецелесообразно применять из-за прижогов режущей части при шлифовании и заточке.

Инструмент  для токарных работ высокой точности

Сталь Р9 по красностойкости и режущим  свойствам почти не уступает стали  Р18. Недостатком стали Р9 является пониженная шлифуемость, вызываемая сравнительно высоким содержанием ванадия и присутствием в структуре очень твердых карбидов. Вместе с тем сталь Р9, по сравнению со сталью Р18, имеет более равномерное распределение карбидов, несколько большую прочность и пластичность, что облегчает ее деформируемость в горячем состоянии. Она пригодна для инструментов, получаемых различными методами пластической деформации. Из-за пониженной шлифуемости сталь Р9 применяют в ограниченных пределах.

Сталь Р12 равноценна, по режущим свойствам  стали Р18. По сравнению со сталью Р18 сталь Р12 имеет меньшую карбидную неоднородность, повышенную пластичность и пригодна для инструментов, изготовляемых методом пластической деформации. По сравнению со сталью Р9 сталь Р12 лучше шлифуется, что объясняется более удачным сочетанием легирующих элементов.

Стали марок Р18М, Р9М отличаются от сталей Р18 и Р9 тем, что они в своем  составе вместо вольфрама содержат до 0,6-1,0 %'молибдена (из расчета, что 1 % молибдена  заменяет 2 % вольфрама). Эти стали  имеют равномерно распределенные карбиды, но более склонны к обезуглероживанию. Поэтому закалку инструментов из сталей необходимо проводить в защитной атмосфере. Однако по основным свойствам стали Р18М и Р9М. не отличаются от сталей Р18 и Р9 и имеют ту же область применения.

Вольфрамомолибденовые стали типа Р6МЗ, Р6М5 являются новыми сталями, значительно повышающими как прочность, так и стойкость инструмента. Молибден обусловливает меньшую карбидную неоднородность, чем вольфрам. Поэтому замена 6...10 % вольфрама соответствующим количеством молибдена снижает карбидную неоднородность быстрорежущих сталей примерно на 2 балла и соответственно повышает пластичность. Недостаток молибденовых сталей заключается в том, что они имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию.

Вольфрамомолибденовые стали рекомендуется применять в промышленности наряду с вольфрамовыми для изготовления инструмента, работающего в тяжелых условиях, когда необходима повышенная износостойкость, пониженная карбидная неоднородность и высокая прочность.

Сталь Р18, особенно в крупных сечениях (диаметром более 50 мм), с большой карбидной неоднородностью целесообразно заменить на стали Р6МЗ, Р12. Сталь Р12 пригодна для протяжек, сверл, особенно в сечениях диаметром менее 60 -70 мм. Сталь Р6МЗ целесообразно использовать для инструментов, изготовляемых способом пластической деформации, для инструментов, работающих с динамическими нагрузками, и для инструментов больших сечений с малыми углами заострения на режущей части.

Среди быстрорежущих сталей нормальной производительности доминирующее положение заняла сталь Р6М5. Ее применяют для изготовления всех видов режущих инструментов. Инструменты из стали Р6М5 имеют стойкость, равную или до 20 % более высокую, чем стойкость инструментов из стали Р18.

Быстрорежущие стали повышенной производительности используются в основном при обработке жаропрочных сплавов, высокопрочных и нержавеющих сталей, других труднообрабатываемых материалов и конструкционных сталей с повышенными режимами резания. В настоящее время применяются кобальтовые и ванадиевые быстрорежущие стали.

                               
Сверла из быстрорежущей стали                           Фрезы из быстрорежущей стали

По сравнению  со сталями нормальной производительности высокованадиевые стали повышенной производительности обладают в основном более высокой износостойкостью, а стали, содержащие кобальт, более высокой красностойкостью и теплопроводностью. Вместе с тем быстрорежущие стали повышенной производительности, содержащие кобальт, имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию. Быстрорежущие стали повышенной производительности шлифуются хуже стали Р18 и требуют более точного соблюдения температур нагрева при термической обработке. Ухудшение шлифуемости выражается в повышении износа абразивных кругов и увеличении толщины поверхностного слоя стали, повреждаемого при излишне жестком режиме шлифования.

Быстрорежущие стали повышенной производительности из-за технологичских, недостатков  не являются сталями универсального назначения. Они имеют относительно узкие границы применения, более  пригодны для инструментов, подвергаемых незначительному профильному шлифованию.

Основной  маркой быстрорежущей стали повышенной производительности является сталь  Р6М5К5. Она применяется для изготовления различных инструментов, предназначенных  для обработки конструкционных сталей на повышенных режимах резания, а также нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов.

Перспективные способы получения  быстрорежущих сталей.

 Перспективным способом получения быстрорежущих сталей является метод порошковой металлургии. Главной отличительной особенностью порошковых сталей является равномерное распределение карбидов по сечению, которое не превышает первого балла шкалы карбидной неоднородности ГОСТ 19265–73. В определенных условиях, как показывают эксперименты, стойкость режущих инструментов из порошковых сталей в 1,2...2,0 раза выше стойкости инструментов, изготовленных из сталей обычного производства. Наиболее рационально порошковые стали использовать при обработке труднообрабатываемых сложнолегированных материалов и материалов, имеющих повышенную твердость (НRС_э≥32), а также для изготовления крупногабаритных инструментов диаметром более 80 мм.

            Инструмент, изготовленный методом порошковой металлургии

Проводятся  работы по созданию и уточнению области  целесообразного применения быстрорежущих сплавов дисперсионного твердения типа Р18М7К25, Р18МЗК25, Р10М5К25, которые представляют собой железоко-бальтовые вольфрамовые сплавы. В зависимости от марки они содержат:W–10...19%, Со–20...26%, Мо–3...7%, V–0,45...0,55%, Тi–0,15...0,3%, С–до 0,06%, Мn–не более 0,23%, Si–не более 0,28%, остальное железо. В отличие от быстрорежущих сталей, рассматриваемые сплавы упрочняются вследствие выделения при отпуске интерметаллидов, имеют более высокую красностойкость (700-720 °С) и твердость (68-69 НRС_Э). Высокая теплостойкость у них сочетается с удовлетворительной прочностью, что обусловливает повышенные режущие свойства этих сплавов. Эти сплавы дорогостоящие, и применение их целесообразно лишь при резании труднообрабатываемых материалов.

Литература. 

1. "Химия и жизнь", научно-популярный журнал академии наук Украины.(№-8 1998г.)
2. "Необычные свойства обычных металлов", В.А.Займовский, Т.Л.Колупаева, библиотека "Квант" (№-32 1997г.)
3. Основы технологии важнейших отраслей промышленности. Под редакцией И.В.Ченцова.Часть 1. Минск "Вышэйшая школа" 1989г.
4. Технология важнейших отраслей промышленности. Под редакцией А. М. Гинберга и Б. А. Хохлова. Москва "Высшая школа" 1985г.
5. Товароведение промышленного сырья и материалов. И. У. Акимов. Ташкент "Укитувчи" 1989г.