2.1. Инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали [9]. Инструменты из этих сталей могут работать на скоростях резания до 15 м/мин. При этой скорости РИ из углеродистых сталей сохраняют свои режущие свой­ства (прежде всего твердость и износостойкость) в течение заданного времени, называемого нормированным периодом стойкости РИ. Инст­рументы могут работать на меньших скоростях резания и на больших. Но в первом случае снижается производительность операции меха­нической обработки, а во втором не достигается нормированный пе­риод стойкости из-за снижения износостойкости.

Марки углеродистых инструментальных сталей: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13 - качественные стали; У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, УНА, У12А, У13А — высококачественные. Буква «У» показы­вает, что сталь углеродистая; цифра показывает количество в стали углерода в десятых долях процента. Все углеродистые стали содержат поОД5...0,4% марганца и кремния, что в маркировке не указывается. Стали У8Г и У8ГА содержат до 0,6 % марганца, что отражено в обо­значении буквой «Г». Высококачественные стали чище по неметал-

27

л ическим включениям; в частности в них серы содержится не более 0,02 % и фосфора не более 0,03 %. В качественных сталях содержание этих элементов выше.

Закаливают РИ из этих сталей при температурах 760...800 °С в ще­лочи (соли), масле или расплавленной соли (температура 150...180 °С). Температуры отпуска 140...200 °С; нагрев в соляной ванне, поскольку по сравнению с нагревом на воздухе получается более однородная твердость. В закаленном состоянии они обеспечивают твердость в пределах 62...66 HRC.

В связи с низкими теплостойкостью и износостойкостью углеро­дистые инструментальные стали применяют для РИ, работающих на указанных скоростях резания: напильников для припиловочных станков, метчиков, плашек и в ряде случаев разверток.

Легированные инструментальные стали [11]. Скорости реза­ния-до 25 м/мин. Марки: ИХ, ХВ5, 9ХС, ХВГ, ХВСГ, В2Ф и др. Цифра, стоящая в начале, указывает на содержание углерода в деся­тых долях процента (в стали 1IX — 1,1 % С, в стали 9ХС — 0,9 % С); если цифры в начале нет, то углерода около 1 %. Буквы в обозначени­ях указывают на наличие в сталях легирующих элементов: X — хрома, С — кремния, В — вольфрама, Ф — ванадия. Если после буквы стоит цифра, значит в стали такое количество данного легирующего эле­мента в процентах (например, В2Ф — 2 % W); если цифры нет, то данного легирующего элемента примерно 1 %. Все эти стали содержат до 0,5 % Мп и до 0,35 % Si. Легирующие элементы придают сталям по­вышенные твердость, прочность, износостойкость и теплостойкость.

Закалка этих сталей производится с температур 800...880 °С; ох­лаждение в масле или расплавленной соли (температура последней 160...200 °С), или в водном растворе соли. Отпуск при температурах 140.. .200 °С в соляной ванне. После закалки имеют твердость 59.. .66 HRC.

Эти стали, поскольку допускают большие по сравнению с углеро­дистыми скорости резания, могут использоваться практически для любых лезвийных РИ. Больше того, например сталь ХВГ из-за того, что мало поддается короблению в результате закалки, применяется для изготовления сложных РИ, имеющих большое отношение длины к диаметру (например, протяжек).

Быстрорежущие вольфрамосодержащие стали [12]. Допускаемые скорости резания — до 60 м/мин. Марки: Р18, Р9, Р12, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р9Ф5, Р6М5 и др. Буква «Р» обозначает, что сталь быстроре­жущая (от слова rapid — быстро). Цифра после буквы «Р» указывает на процентное содержание вольфрама. Эти стали содержат до 1,55 % С, до 4,6 % Сг, до 0,4 % Мп и до 0,4 % Si, что в маркировке не указывает­ся; кроме того, если это не указано, быстрорежущие стали содержат

28

ванадий. Стали, содержащие в маркировке только букву «Р», называ­ются сталями нормальной производительности; к сталям нормаль­ной производительности относят и сталь Р6М5. Стали, в маркировке которых есть буква «Ф» с цифрой, называются ванадиевыми (сталь Р14Ф4содержитвсреднем4% V, стальР9Ф5 — 5 %). Стали кобальто­вые его содержат (например, Р9К5 содержит до 5 % Со). Сталь Р6М5 содержит в среднем 5 % Мо.

Легирующие элементы (Сг, V, Со) повышают теплостойкость, из­носостойкость и твердость сталей. Последнюю повышает в основном ванадий, образующий карбиды, превышающие твердость зерен абра­зивных инструментов. Основным легирующим элементом является вольфрам, который находится в сталях частично в свободном состоя­нии, а частично в виде карбидов.Он повышает твердость, теплостой­кость и износостойкость сталей. Большее количество вольфрама, чем 18 %, влечет карбидную неоднородность, результатом чего является повышенная хрупкость режущих кромок РИ.

За критерий работоспособности, равный единице, принята рабо­тоспособность стали Р18; остальные стали сравнивают с ней. Напри­мер, по режущим свойствам стали Р18 и Р9 примерно одинаковы, хотя последняя содержит вдвое меньше вольфрама. В то же время в стали Р18 содержится не более 1,4 % V, в стали Р9 его до 2,6 %, что компенсирует меньшее количество вольфрама, придавая стали Р9 твердость и в целом такие же режущие свойства, как у стали Р18. Од­нако сталь Р9, содержащая повышенное количество карбидов вана­дия, хуже шлифуется — круги засаливаются, на шлифованной по­верхности появляются прижоги. Приходится занижать глубину реза­ния при шлифовании, часто править абразивные круги — теряется производительность. В связи с этим, если есть возможность выбора, технологи инструментальных цехов предпочитают изготавливать РИ

из стали Р18.

Быстрорежущие стали нормальной производительности после за­калки и отпуска имеют твердость 63...66 HRC и теплостойкость до 620 °С. Из этих сталей изготавливают почти все типы РИ, в том числе сложные по конструкции.

Стали ванадиевые и кобальтовые являются сталями повышенной производительности. Ванадиевые имеют твердость до 68 HRC, что обеспечивает их высокую износостойкость и теплостойкость на уров­не 635 °С. Однако предназначены они для РИ, подвергаемых незна­чительному профильному шлифованию из-за значительного количе­ства в них карбидов ванадия.

29

К обальтовые быстрорежущие стали имеют теплостойкость до 650 °С и твердость до 70 HRC. Недостатком их является повышенная чувствительность к обезуглераживанию.

Молибденовые быстрорежущие стали, типичным представителем которых является сталь Р6М5 — основная быстрорежущая сталь со­временного машиностроения, были разработаны в связи с дефици­том вольфрама. Содержание 1 % Мо эквивалентно 1,5...2 % W, что обеспечивает уменьшение бала карбидной неоднородности стали, ус­коренное превращение остаточного аустенита в мартенсит (для стали Р6М5 достаточно двукратного отпуска, сталь Р18 требует трехкратно­го отпуска), повышенные предел прочности на изгиб, ударную вяз­кость и пластичность по сравнению со сталью Р18. Шлифуемость ста­ли Р6М5 не хуже Р18, однако она склонна к обезуглераживанию. В целом режущие свойства стали Р6М5 находятся на уровне режущих свойств стали Р18.

Интервал закалочных температур вольфрамосодержащих быстро­режущих сталей 12ОО...129О°С. При этом РИ нагревают до необходи­мой температуры в электродных соляных ваннах, затем охлаждают в масле или расплавах солей; инструменты сечением до 3 мм охлажда­ют на воздухе. Температура отпуска этих сталей 560 °С.

Быстрорежущие стали с малым содержанием вольфрама и без­вольфрамовые. В связи с указанным выше дефицитом вольфрама раз­работаны стали с малым содержанием вольфрама и безвольфрамовые. В последних буквы «Р» нет; здесь ориентируются на скорости резания, которые допускают вольфрамосодержащие быстрорежущие стали.

Сталь Р2М5 по физико-механическим и режущим свойствам со­ответствует стали Р6М5, что достигнуто повышенным содержанием (до 1,05 %) углерода (в стали Р6М5 его не более 0,88 %) и введением в неедоО,25 % никеля. Интервал закалочных температур 1140...1160 °С; температура отпуска 560 °С. Твердость 63...64 HRC.

Безвольфрамовая быстрорежущая сталь 11М5Ф имеет температу­ру закалки 1150 °С, ту же температуру отпуска 560 °С (температура мартенситного превращения), из-за чего становится мелкозернистой с равномерно распределенными карбидами. Режущие свойства ее на уровне стали Р6М5. Сталь с добавкой 1 % алюминия 11М5ФЮ имеет повышенную горячую твердость; стойкость РИ из нее до 2,5 раз выше стойкости инструментов из стали Р6М5, т. е. соответствует твердости РИ из кобальтовых сталей.

Для РИ сечением до 2 мм рекомендована безвольфрамовая быстро­режущая сталь Н9М14К14Т. Экономнолегированные безвольфрамо­вые быстрорежущие стали 9Х6МЗФЗАГСТ (ЭК41) и 9Х4МЗФ2АГСТ (ЭК42) работают на уровне стали Р6М5.

30

Порошковые быстрорежущие стали и карбидостали получают мето­дом порошковой металлургии. Установлено, что стойкость инстру­ментов из сталей Р6М5ФЗМП, Р6М5К5МП и Р12МЗФ2К8МП (здесь МП — металлургия порошковая) в 1,5...2 раза выше стойкости РИ из сталей, полученных традиционными способами производства. Одна­ко необходимо иметь в виду, что для этих сталей необходимо четко выдерживать температурные режимы при ковке и термической обра­ботке; в противном случае наблюдаются поломки РИ, выкрашива­ния, резко падает стойкость.

Карбидостали соединяют в себе твердость и износостойкость твердых сплавов с прочностью и вязкостью легированных сталей. При изготовлении таких сталей к порошку из быстрорежущей стали добавляют от 15,5 до 41,3 % карбида титана. Записывают так: Р6М5 + 20 % TiC. Стойкость РИ из карбидосталей в 2...5 раз выше стойкости инструментов из основных сталей.