7.4. Инструментальные стали

Стали предназначены для изготовления различных инструментов: режущего, штампового и мерительного. Инструмент работает в условиях высоких контактных нагрузок и трения с обрабатываемым металлом. Для обеспечения требуемой точности изготовления геометрия и свойства режущей кромки не должны изменяться в процессе работы. Материал должен обладать высокой твердостью (60 HRC), износостойкостью и достаточной ударной вязкостью, чтобы сохранять геометрию режущей кромки и сопротивляться разрушению при динамических нагрузках.

При резании происходит нагрев режущей кромки инструмента. Поэтому основное требование, предъявляемое к инструментальным материалам – теплостойкость (красностойкость) – способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве. По назначению и теплостойкости выделяют несколько подгрупп сталей: а) для режущего инструмента, работающего с небольшим разогревом, до 350 С (стали ХМФ, 9ХС); б) для режущего инструмента, работающего в тяжелых условиях, с разогревом до 500–650 С (быстрорежущие стали Р18, Р9, Р6М5); в) для штампов холодного деформирования (стали ХВГ, Х6ВФ); г) для штампов горячего деформирования (стали ХВ4Ф, Х12МФ); д) для измерительного инструмента (стали 9Х1, 9ХВГ) и т. д.

Износостойкие стали предназначены для работы в условиях интенсивного трения. Чем выше твердость и чем больше содержится твердых карбидов, тем выше сопротивление материала истиранию. Эти стали, как правило, высокоуглеродистые и легированы карбидообразующими элементами: Сr, V, W, Тi (стали Х12, ХВГ, ХВ4Ф и др.). Типичный представитель – высокомарганцовистая высокоуглеродистая сталь Гадфильда (120Г13). При содержании 13 % марганца точки М_Н и М_К на С-образной диаграмме (см. рис. 5.1) смещены в область отрицательных температур. Структура литой стали представляет аустенит с выделившимися по границам зерен избыточными карбидами марганца (Mn₃C), снижающими прочность. Для получения однофазной аустенитной структуры отливки закаливают в воде от 1050–1100 °С. После закалки сталь имеет высокую пластичность и низкую твердость. Пластическая деформация вызывает явление наклепа и выделение карбидов, что эффективно упрочняет сталь. Твердость стали возрастает с 200 до 600 НВ. Высокая износостойкость достигается не только деформационным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита с гексагональной () или ромбоэдрической (') решеткой. Из высокомарганцовистых сталей изготавливают изделия, работающие в условиях износа с одновременным действием высоких давлений и ударных нагрузок: железнодорожные стрелки, гусеничные траки, детали камнедробилок.

Быстрорежущие стали применяются для изготовления инструмента, работающего при значительном нагружении и нагреве (600 °С) режущих кромок. Стали легированы карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием.

Маркируются буквой «Р» (rapid – быстрый) и числом, показывающим содержание вольфрама, затем идут буквы и цифры, указывающие другие легирующие элементы и их количество. В марках быстрорежущих сталей не указывают содержание углерода (около 1 %), хрома (~4 %), ванадия (~2 %), молибдена (до 1 %). Например, Р18, Р9К5 и др.

После прокатки или ковки быстрорежущие стали подвергают отжигу для снижения твердости и повышения обрабатываемости резанием. Сталь выдерживают при 800–850 °С до полного превращения аустенита в перлитно-сорбитную структуру с избыточными карбидами. Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности и вязкости инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и многократного отпуска.

Для предотвращения образования трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности стали, нагрев под закалку проводят с одним или двумя промежуточными прогревами в расплавах солей. Инструменты простой формы закаливают в масле, сложной – в расплавах солей (KNO₃, NaNO₃) при 250–400 °С.

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высоколегированного мартенсита (0,3–0,4 % углерода), нерастворенных при нагреве избыточных карбидов, остаточного аустенита (20–30 %). Последний снижает твердость и режущие свойства инструмента, поэтому его присутствие недопустимо.

При последующем отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550–570 °С в течение 45–60 мин. Число отпусков может быть сокращено после обработки стали холодом, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты простой формы. Твердость после закалки 62–63 HRC, после отпуска она повышается до 63–65 HRC.

Для дальнейшего повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости режущих инструментов применяют цианирование, азотирование, обработку паром и другие технологические операции поверхностного упрочнения. Их выполняют после окончательной термообработки, шлифования и заточки инструментов.