Общие сведения о материалах в приборостроении: классификация, условные обозначения, свойства

Одна из основных тенденций современного приборостроения – создание и применение современных материалов, которые, наряду с традиционными материалами, обеспечивают изделию наилучшие конструктивные и эксплуатационные свойства, при соответствующем экономическом обосновании.

Правильный выбор материала оказывает значительное влияние на технологичность изделия, производительность и стоимость его изготовления.

Классификация материалов

Все материалы можно разделить:

а) по назначению:

• на конструкционные (для изготовления конструкций приборов и вспомогательной части инструментов);

• инструментальные (для изготовления главной части или всей конструкции инструментов);

б) по внутреннему строению:

• на металлические (имеющие кристаллическую решётку);

• неметаллические (не имеющие кристаллической решётки).

Все основные свойства материалов при любом назначении разделяются на:

• механические (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение, твёрдость, ударная вязкость, предел ползучести, предел длительной прочности);

• физические (цвет, температура плавления, плотность, коэффициент линейного и объёмного расширения, электропроводность, теплопроводность);

• химические (коррозионная стойкость, химическая активность, жаростойкость, способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами);

• технологические (жидкотекучесть, усадка, свариваемость, ковкость, обработка резанием);

• эксплуатационные (надёжность, антифрикционная способность, прочность, долговечность, жёсткость, износостойкость, циклическая вязкость, хладостойкость, жаропрочность);

• экономические (наличие легирующих элементов, не дефицитность, стоимость).

Условные обозначения марок и характеристики основных конструкционных материалов

Основным требованием к конструкционным материалам является конструкционная прочность, для увеличения которой применяют прогрессивные методы упрочняющей обработки; композиты; сплавы на основе титана, магния и алюминия.

Все металлические материалы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы.

Чёрные металлы

Чёрные металлы созданы на основе железа. Это основной материал для изготовления нагруженных и ответственных деталей. Он обладает высокой прочностью, жёсткостью, не дефицитностью и экономичностью. Недостатками являются большая плотность и вес, а также низкая коррозионная стойкость (потери от коррозии составляют до 30% годового производства чёрных металлов 1).

В зависимости от содержания углерода различают стали (не более 2 % С) и чугуны (от 2,14 до 4,50 % С).

СТАЛИ КОНСТРУКЦИОННЫЕ

В состав любой стали входят: железо, углерод, марганец, кремний (полезные примеси), сера и фосфор (вредные примеси).

С увеличением содержания углерода в стали растут её прочность и твёрдость, но уменьшаются пластичность, вязкость, ухудшается обрабатываемость резанием.

С увеличением марганца растёт прочность и уменьшается пластичность стали.

С увеличением кремния растут прочность, твёрдость и упругость.

С увеличением серы растёт хрупкость (при нагреве стали), но улучшается её обрабатываемость.

С увеличением фосфора растёт хрупкость (при охлаждении стали) и уменьшается вязкость с пластичностью.

Свойства конструкционных сталей сильно изменяются в результате термической и других видов обработки. Вследствие этого оптимальный выбор марки стали и вида упрочняющей обработки изделия является сложной задачей. Низкое качество приборов из-за отказа деталей в работе во многом происходит по причине неправильного решения этой задачи.

Конструкционные стали подразделяются на:

• углеродистые стали обыкновенного качества (количество вредных примесей повышенное: серы до 0,06 %, фосфора до 0,08 %);

• качественные углеродистые стали (допускается серы не более

0,04 %, фосфора – 0,035–0,040 %);

• низколегированные стали с содержанием легирующих элементов до 2 %;

• среднелегированные стали с содержанием легирующих элементов 2–5 %;

• высоколегированные стали, содержащие более 5 % легирующих элементов.

Ограничимся кратким рассмотрением лишь некоторых представителей конструкционной стали.

Углеродистые и легированные качественные стали

Положительной особенностью углеродистых сталей является высокий комплекс механических свойств, который достигается термической обработкой. Они обладают также хорошими технологическими свойствами, не дефицитны и дёшевы. Их недостаток – малая прокаливаемость и сильная чувствительность к перегреву или термической обработке. Необходимость использования при закалке резких охладителей может привести к браку. Поэтому углеродистые стали обычно используются для изготовления простых деталей небольшого сечения.

Легированные качественные стали обладают лучшей прокаливаемостью, а закалка в масле («мягком» охладителе) значительно снижает брак по трещинам и короблению. Они более прочны и надёжны. В тоже время легированные стали хуже обрабатываются резанием и давлением, а также дороже, чем углеродистые.

Применяются они для изготовления деталей с повышенными требованиями к прочности, в том числе для вспомогательной части инструмента (хвостовиков и державок). Высокопрочные стали (например, 03Н18К9М5Т, с содержанием углерода не более 0,03 %), применяются для стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов подводных лодок и т.д.

Примеры марок углеродистой качественной стали: 08, 10, 20, 35, … 85, 65Г.

Примеры марок легированной стали: 15Х, 30ХГС, 40ХФА.

Число с левой стороны обозначений марок определяет среднее содержание углерода в сотых долях процента. Следующие затем буквы обозначают:

Х –	хром,		В –	вольфрам,
Г –	марганец,		Ф –	ванадий,
С –	кремний,		К –	кобальт,
Н –	никель,		Т –	титан,
М –	молибден,		Д –	медь.

Цифра после соответствующей буквы обозначает приблизительное содержание этого элемента в процентах.

Отсутствие цифры означает содержание элемента до 1,0–1,5 %.

Буква «А» в конце марки указывает на повышенное качество этой стали.

Например, 30ХГС: 0,30 % углерода, 1 % хрома, 1 % марганца и 1 % кремния. Остальное – железо.

Зарубежные аналоги некоторых отечественных марок легированных сталей, приведены в таблице 1.4.1 8.

Таблица 1.4.1

Соответствие отечественных и зарубежных марок сталей (фрагмент)

Россия, ГОСТ	Германия, DIN	США, ASTM	Япония, JIS
15Х	15Cr3	5115	SCr415
40Х	41Cr4	5140	SCr440
30ХМ	25CrMo4	4130	SCM430, SCM2
20ХГНМ	21NiCrMo2	8620	SNCM220
20Х13	Х20Cr13	420	SUS420J1
12Х18Н9	Х12CrNi18 9	302	SUS302

Автоматные стали

Автоматными называют стали, обладающие повышенной обрабатываемостью резанием, которая оценивается допускаемой скоростью резания, стойкостью режущего инструмента, шероховатостью обработанной поверхности. Особенно важна обрабатываемость в условиях массового производства на станках-автоматах. Поэтому разработаны стали разного состава с повышенной обрабатываемостью резанием. В начале это были стали с повышенным содержанием серы и фосфора. Теперь автоматные стали дополнительно легируют свинцом, селеном, а в последние годы – кальцием. Такие стали способствуют повышению стойкости инструмента до 3-х раз и увеличению скорости резания на

25–50 %.

Недостатком этих углеродистых сернистых сталей является низкая коррозионная стойкость. С учётом наличия примесей серы и фосфора, они применяются, в основном, для изготовления малонагруженных мелких деталей. Их износостойкость может быть повышена цементацией и закалкой.

Примеры марок: А11, А12, А20, А30, А35, АС35Г2, А40Г.

Буква «А» в начале марки означает название – «автоматная».

Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв «АС».

Число после первых букв определяет среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Буква «Г» в конце марки означает повышенное содержание марганца. Если после буквы «Г» стоит число, то оно означает содержание марганца в процентах. Если число отсутствует, то содержание марганца в стали составляет

1,01,5 %.

Например, А40Г: 0,40 % углерода, 1 % марганца, остальное – железо.

Углеродистые, легированные и высоколегированные литейные стали

Литейные свойства сталей значительно хуже, чем у чугуна и многих цветных литейных сплавов. В отливках из высоколегированных сталей часто имеют место литейные дефекты: усадочные раковины, пористость, трещины, коробления и др. Отливки должны подвергаться термообработке. Применяются для изготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам и резким изменениям температуры (от -40°С до +450°С). Высоколегированные стали являются коррозионно-стойкими (за счёт хрома и никеля) и применяются в авиационной, химической и судостроительной промышленности.

Примеры марок углеродистой стали: 15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л, 55Л

Примеры марок легированной стали: 35ГЛ, 40ХЛ, 35ХГСЛ, 08ГДНФЛ (для деталей, работающих при температуре -40°С).

Примеры марок высоколегированной стали: 20Х13Л (для турбинных лопаток), 08Х14НДЛ (для морских гребных винтов).

Расшифровка марок выполняется подобно углеродистым и легированным качественным сталям.

Присутствие в конце марки буквы «Л» означает, что сталь литейная.

Например, 20Х13Л: сталь литейная высоколегированная, 0,20 % углерода, 13 % хрома, остальное – железо.

ЧУГУНЫ

Чугунами называются многокомпонентные железоуглеродистые сплавы с повышенным содержанием углерода, что приводит (совместно с кремнием) к появлению свободного углерода в виде графита.

Графит улучшает обрабатываемость резанием, обеспечивает лучшие антифрикционные свойства, хорошо гасит вибрации. Детали из чугуна, в отличие от стальных, нечувствительны к внешним концентраторам напряжений (отверстиям, переходам в сечениях) и значительно дешевле.

Все чугуны обладают хорошими литейными свойствами (увеличение процентного содержания углерода уменьшает температуру плавления).

Различают три основные разновидности чугунов: серые, ковкие и высокопрочные.

От серых чугунов к ковким, и далее к высокопрочным, прочность и пластичность увеличиваются.

Серые чугуны

Серые чугуны имеют графит в виде прожилок и серый цвет на изломе. Находит широкое применение в станкостроении, автостроении, электромашиностроении и для изготовления товаров массового потребления.

Примеры марок: СЧ12, СЧ15, СЧ28, СЧ38.

Буквы в обозначениях марок означают название чугунов, далее идёт число в кгс/мм², означающее предел прочности при растяжении.

Например, СЧ12: серый чугун, предел прочности – 12 кгс/мм² (или 120 МПа).

Высокопрочные чугуны

Высокопрочные чугуны имеют шаровидный графит, обладают повышенной прочностью и пластичностью, удовлетворительной свариваемостью и лучшей, чем у серого чугуна, обрабатываемостью резанием. Находит применение как новый конструкционный материал и как заменитель углеродистой стали, ковкого и серого чугуна. Из него изготавливают ответственные детали (от мелких тонкостенных, до деталей массой 15 тонн), работающие при значительных механических нагрузках.

Примеры марок: ВЧ35, ВЧ80.

Буквы в обозначениях марок означают название чугунов, далее идёт число в кгс/мм², означающее предел прочности при растяжении.

Например, ВЧ35: высокопрочный чугун, предел прочности – 35 кгс/мм² (или 350 МПа).

Ковкие чугуны

Ковкие чугуны имеют хлопьевидный графит, не куются, но обладают достаточной вязкостью, прочностью и наибольшей пластичностью из чугунов. По механическим и технологическим свойствам занимает промежуточное место между сталью и серым чугуном. Недостатком, в сравнении с высокопрочным чугуном является ограничение толщины стенок для отливок и необходимость отжига. Мелкие отливки используются в различных отраслях промышленности.

Примеры марок: КЧ30-6, КЧ50-5, КЧ65-3.

Буквы в обозначениях марок означают название чугунов, далее идёт число в кгс/мм², означающее предел прочности при растяжении, а через дефис – относительное удлинение в процентах.

Например, КЧ30-6: ковкий чугун, предел прочности – 30 кгс/мм² (или

300 МПа), относительное удлинение 6%.

Цветные металлы

Цветные металлы обладают характерным цветом, имеют меньшую, в сравнении со сталями, жёсткость, прочность и надёжность, но зато более пластичны, легки, коррозионностойки, тепло-и электропроводны.

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Обладают характерным, серебристо-белым цветом, лёгкостью, высокой пластичностью, хорошей свариваемостью. Менее прочны и надёжны, чем стали. В основном, плохо поддаются резанию, из-за налипания металла на инструмент.

Алюминиевые сплавы подразделяют на;

• литейные (силумины);

• деформируемые (ковочные, высокопрочные и дюралюмины).

В настоящее время сосуществуют две методики маркировки алюминиевых сплавов: прежняя буквенно-цифровая и новая цифровая 8, с.180. Рассмотрим только первую из них.

Силумины

Силумины (на основе алюминия и кремния (до 13 %), с добавками магния и марганца). Кремний увеличивает жидкотекучесть, магний увеличивает прочность, марганец повышает антикоррозионные свойства. Имеют более грубую и крупнозернистую структуру, чем деформируемые сплавы. Отличаются высокими литейными свойствами, обеспечивают высокую плотность отливок. Обладают удовлетворительной обрабатываемостью резанием, свариваемостью и коррозионной стойкостью, для повышения которой детали защищают лакокрасочными покрытиями.

Примеры марок: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34

Буквы «АЛ» в обозначении марок указывают на литейные свойства алюминия, после которых идёт условный номер сплава.

Например, АЛ2: литейный алюминиевый сплав с условным номером 2.

Сплав АЛ2 используется для изготовления мелких деталей, а АЛ4 и АЛ9 – средних и крупных отливок. Сплав АЛ34 превосходит сплавы АЛ4 и АЛ9 по прочности на 25–50 %.

Ковочные сплавы

Ковочные сплавы (на основе алюминия, меди, магния, марганца). Высокопластичны при горячей обработке давлением. Удовлетворительно свариваются. Хорошо обрабатываются резанием. Склонны к коррозии, поэтому подвергаются лакокрасочному покрытию. Способны работать при криогенных температурах. Применяются для изготовления поковок и проката, а также средне- (АК6) и высоконагруженных (АК8) деталей.

Примеры марок: АК6, АК8

Буквы «АК» означают ковкий алюминиевый сплав. После букв отмечается условный номер сплава. Например, АК6: ковкий алюминиевый сплав с условным номером 6.

Высокопрочные сплавы

Высокопрочные сплавы (на основе алюминия, меди, магния, марганца и цинка). Прочность обеспечивается за счёт цинка и магния. Обладают лучшей коррозионной стойкостью, чем дюралюмины. Применяются для высоконагруженных деталей конструкций, работающих в условиях сжатия.

Примеры марок: В95, В96.

Буква «В» указывает на принадлежность сплава к высокопрочным. Число означает условный номер сплава.

Например, В95: высокопрочный алюминиевый сплав с условным номером 95.

Дюралюмины

Дюралюмины (сплав алюминия, меди, магния, марганца, кремния). Медь и магний увеличивают прочность сплава, кремний – твёрдость, магний – коррозионную стойкость.

Для повышения коррозионной стойкости производится плакирование – горячая прокатка заготовки дюралюмина, обёрнутой чистым алюминием.

Выпускаются в виде листов, прутков, труб, прессованных и катаных профилей.

Удовлетворительно обрабатываются резанием (в термоупрочнённом состоянии). Хорошо свариваются точечной сваркой.

Примеры марок: Д1, Д6, Д16, Д18, Д20.

Дюралюмины маркируют буквой «Д», после которой следует число, обозначающее условный номер сплава. В конце может стоять буква «Т», что означает термообработанный.

Например, Д16Т: дюралюмин, деформируемый, термообработанный алюминиевый сплав с условным номером 16.

ЛАТУНИ

Являются сплавами меди с цинком (до 45 %), характерного жёлтого цвета. Повышение количества цинка приводит к повышению прочности. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %.

Обрабатываемость резанием улучшается добавлением свинца: латунь марки ЛС59-1 (со свинцом) называется, по этой причине, «автоматной латунью».

Улучшение коррозионной стойкости добиваются добавлением олова: латунь марки ЛО70-1 (с оловом) называется «морской латунью», т.к. стойка против коррозии в морской воде. Латуни применены для конструкций, работающих при отрицательных температурах.

Например, латунь марки ЛС59-1 при -78°С имеет предел прочности

_в = 493 МПа, а при -256°С имеет предел прочности _в = 680 Мпа при относительном удлинении около 30 %.

Различают простые латуни (без легирующих элементов) и специальные (с общим содержанием легирующих элементов не более 9 %), а также литейные и деформируемые. Широко применяются для изготовления различного проката и отливок различной сложности. Железо и марганец снижают жидкотекучесть латуни, а олово и кремний – повышают.

Примеры марок литейных сплавов: ЛЦ16К4, ЛЦ40С, ЛЦ30А3.

Примеры марок деформируемых (отожжённых) сплавов: Л62, ЛС59-1.

Деформируемые простые латуни обозначают буквой «Л» и числом, указывающим содержание меди в процентах. Остальное приходится на цинк.

Например, Л62: 62 % меди, остальное – цинк.

В специальных деформируемых латунях за первой буквой «Л» следуют другие, означающие легирующие элементы:

А –	алюминий,		Мц –	марганец,
К –	кремний,		С –	свинец,
О –	олово,		Н –	никель,
Ж –	железо,

Число, сразу идущее за буквами, обозначает среднее содержание меди в процентах. Последующие числа, идущие через дефис – соответствующее содержание легирующих элементов в процентах.

Например: ЛС59-1: 59 % меди, 1 % свинца, остальное – цинк.

Маркировка литейных латуней также начинается с буквы «Л». После буквенного обозначения основного легирующего элемента (Ц – цинка) и каждого последующего, ставится число, указывающее его усреднённое содержание в процентах.

Например: ЛЦ16К4: 16 % цинка, 4 % кремния, остальное – медь; ЛЦ40С: 40 % цинка, 1 % свинца, остальное – медь.

В прежних, старых обозначениях в конце марки указывали букву «Л» (например, ЛК80-3Л).

БРОНЗЫ

Являются сплавами меди с оловом (до 12 %) и рядом других элементов, кроме цинка. Обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными свойствами, высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием. Для улучшения характеристик легируются:

• марганцем (Мц) – для повышения коррозионной стойкости;

• никелем (Н) – для увеличения пластичности;

• цинком (Ц) и фосфором (Ф) – для улучшения литейных свойств;

• свинцом (С) – для повышения обрабатываемости резанием и улучшения антифрикционных свойств;

• железом (Ж) – для придания дополнительной прочности и т.п.

По химическому составу бронзы делятся на оловянные (О) и безоловянные: алюминиевые (А), кремнистые (К), свинцовистые, марганцовистые и т.д., а по технологическому назначению – на литейные и деформируемые.

Оловянные бронзы

Оловянные бронзы являются типичным антифрикционным материалом. Они имеют хорошими технологическими свойствами, но недостаточно прочны и дороги (из-за дефицита олова).

В деформируемых бронзах, чтобы иметь необходимую пластичность, содержание олова не должно превышать 6 %. Из них изготавливают полосы, ленты, прутки, проволоку, трубы. Литейные оловянные бронзы пригодны для сложного литья.

Алюминиевые бронзы

Положительными особенностями алюминиевых бронз (по сравнению с оловянными) являются большая плотность отливок и более высокая прочность. Основные их недостатки – значительная усадка, недостаточная коррозионная стойкость. Детали из такой бронзы изготовляют литьём и давлением. Из бронзы БрА5 изготовляют штамповкой медали и мелкую разменную монету.

Кремнистые бронзы

Кремнистые бронзы превосходят оловянные по механическим свойствам и коррозионной стойкости, имеют высокие упругие свойства.

Примеры марок литейных сплавов: БрО10Ф1, БрО3Ц12С5, БрА10Ж3.

Примеры марок деформируемых сплавов: БрОФ6-1, БрОЦС4-4-2.5, БрАЖ9-4.

Обозначение деформируемой бронзы начинается с букв «Бр», после которых идут обозначения легирующих элементов:

Х –	хром,		Цр –	цирконий,
Ве –	бериллий,		(остальные обозначения см. выше),

а затем соответствующее этим обозначениям содержание элементов в процентах. Остальное приходится на медь.

Например, БрАЖ9-4: 9 % алюминия, 4 % железа, остальное – медь.

Маркировка литейных бронз начинается также с букв «Бр», а дальше производится аналогично обозначению литейных латуней.

Например, БрО10Ф1: 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь; БрА10Ж3: 10 % алюминия, 3 % железа, остальное – медь.

Неметаллические материалы

Неметаллические материалы находят всё большее применение в приборостроении и, в ряде случаев, незаменимы. В основном, представлены пластмассами (полимерами на основе естественных и искусственных смол).

По применению разделяются на конструкционные, уплотнительные, изоляционные, стойкие к воздействию огня, масел и кислот, а также ряд других.

Достоинствами таких материалов являются: достаточная прочность, эластичность, химическая стойкость, экономичность, лёгкость, отсутствие намагничивания, высокие антифрикционные свойства, диэлектричность, хорошие оптические свойства.

Недостатками следует считать: ограниченная теплостойкость, малая жёсткость, горючесть, ядовитость при нагреве, нестабильность свойств из-за старения, ползучесть под действием нагрузки.

Условные обозначения марок и характеристики основных инструментальных материалов

Основными требованиями к инструментальным материалам являются: высокая износостойкость, твёрдость, теплостойкость, прочность на изгиб и ударная вязкость.

Основными современными направлениями в их развитии являются:

• создание маловольфрамовых и безвольфрамовых материалов взамен дефицитных вольфрамосодержащих;

• совершенствование и разработка технологических процессов изготовления материалов с улучшенными физико-механическими свойствами;

• нанесение износостойких покрытий.

Стали инструментальные

Углеродистые нетеплостойкие стали 1, 4

Обладают высокой твёрдостью после окончательной термообработки (закалки) и низкой твёрдостью в отожжённом состоянии. Последнее обеспечивает хорошую обрабатываемость резанием и давлением при изготовлении, что наряду с низкой стоимостью, является основным преимуществом в сравнении с другими инструментальными сталями.

Основной недостаток – низкая теплостойкость: из этих сталей можно изготавливать инструмент, который в процессе работы не разогревается выше 150ºС. Как следствие – небольшие скорости резания (не выше 15–18 м/мин 6).

Такими инструментами являются деревообрабатывающие инструменты, ножовки, напильники, зубила, метчики, развёртки, свёрла, зенкеры, плашки и другой слесарный инструмент.

Для инструментов, работающих с ударными нагрузками, следует использовать стали повышенной вязкости с содержанием углерода 0,60–0,75 %. Лучшими для режущего инструмента являются стали с содержанием углерода

1,1–1,2 %.

Применяются углеродистые стали и для изготовления измерительного инструмента.

Примеры марок: У7, У7А, У8А, У10А, У12А.

Все марки имеют в обозначении первую букву «У», что означает «углеродистая». После неё следует число, означающее среднее содержание углерода в стали в десятых долях процента. Для отражения степени качественности стали (по количеству серы и фосфора) в конце марки высококачественной стали ставится буква «А». Это означает, что сталь имеет высокую чистоту от вредных примесей (содержание серы не более 0,03 %, столько же фосфора). Отсутствие в конце марки буквы «А» означает, что сталь качественная и содержит каждой из примесей от 0,03 до 0,04%.

Например, У8А: углеродистая, высококачественная, инструментальная сталь, 0,8 % углерода, остальное – железо.

Легированные нетеплостойкие стали 1, 4

Основными легирующими элементами в этих сталях являются хром, кремний, марганец, вольфрам, ванадий.

Недостатками сталей, содержащих кремний (9ХС), являются плохая обрабатываемость резанием и деформированием. Их теплостойкость чуть выше теплостойкости углеродистых сталей. Как следствие – близкие скорости резания (не выше 15–25 м/мин 6).

Преимуществом является повышенная вязкость в закалённом состоянии, более глубокая прокаливаемость, меньшая склонность к деформациям и трещинам при закалке.

Примеры марок: ХГ, 9ХС, ХВГ.

В обозначении марок первые цифры указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Они могут не указываться, если содержание углерода близко к единице или больше единицы. Буквы за цифрами означают:

Г –	марганец,		Ф –	ванадий,
С –	кремний,		Н –	никель,
Х –	хром,		М –	молибден,
В –	вольфрам,

Цифры после букв указывают среднее содержание соответствующего элемента в процентах. Отсутствие цифры означает, что содержание этого легирующего элемента около 1,0–1,7 %.

Например, 9ХС: легированная инструментальная сталь,

0,9 % углерода, 1 % хрома, 1 % кремния, остальное – железо.

Высоколегированные быстрорежущие (теплостойкие) стали 1, 2

Имеют высокую твёрдость, прочность, тепло- и износостойкость с обеспечением высокой скорости резания (до 100 м/мин 6). Преимущества этих сталей проявляются, главным образом, при обработке прочных (_в = 100 кг/мм²) и твёрдых (HB 200250) сталей/

Имеют в своём составе сравнительно невысокое содержание углерода

(0,70–0,95 %) и весьма высокое содержание легирующих элементов (до 25 %). Основными легирующими элементами являются вольфрам (6–18 %), молибден (до 5 %), хром (около 4 %). Присутствие хрома во всех марках приблизительно одинаково.

Все марки имеют в обозначении первую букву «Р» (от слова «рапид» – скорость 4). Число после этой буквы означает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содержание молибдена в процентах указывается после буквы «М», среднее содержание кобальта в процентах – после буквы «К», среднее содержание ванадия в процентах – после буквы «Ф». Остальное, по умолчанию, приходится на железо, хром и углерод.

Например, Р6М5: высоколегированная быстрорежущая сталь, 6 % вольфрама, 5 % молибдена, около 1 % углерода, около 4 % хрома, остальное – железо.

Стали нормальной теплостойкости до температуры 615–620°С (Р6М5, Р9, Р12, Р18) получили наибольшее применение. В группу повышенной, до 630–650°С, теплостойкости входят стали марок Р18Ф2, Р9Ф5, Р9К10, Р18К5Ф2 за счёт включения в свой состав ванадия (1–5 %) и кобальта (5–10 %).

Сталь Р18, из-за высокой стоимости, используется всё реже. Р12 примерно на 25 % дешевле Р18 и имеет наиболее удачное сочетание эксплуатационных и технологических свойств.

Однако в виду большой дефицитности вольфрама, наибольшее распространение получают стали с молибденом (Р6М5), присутствие которого увеличивает прочность и вязкость стали.

Основными видами режущих инструментов из быстрорежущих сталей являются резцы, свёрла, фрезы, протяжки, метчики машинные.

Сравнительные испытания инструментов из быстрорежущих сталей показали, что их стойкость зависит от способа получения стали.

Так, стойкость инструмента из стали, полученной методом порошковой металлургии (Р6М5К5МП), в 1,5–2,0 раза выше стойкости инструмента из стали обычного производства 2.

Такой инструмент эффективно применять для обработки труднообрабатываемых материалов (коррозионно-стойких сталей, жаропрочных сталей и сплавов и т.д.), а также для изготовления крупногабаритного и точного инструмента (червячных фрез, протяжек, долбяков и т.д.)

Безфольфрамовые быстрорежущие стали

Примеры марок: 11М5Ф, 9Х6М3Ф3АГСТ (ЭК-41), 9Х4М3Ф2АГСТ (ЭК-42), М6Ф1-МП Р0М2Ф3-МП 2.

Рекомендуются для инструментов с простой формой режущей кромки для обработки углеродистых и малолегированных сталей при относительно невысоких режимах резания (до 35–40 м/мин) и обильном охлаждении. При интенсивных режимах резания такие стали имеют меньшую стойкость, чем вольфрамосодержащие.

Область применения безвольфрамовых быстрорежущих сталей расширяется при нанесении на них износостойких покрытий, которые снижают износ инструмента и снижают температуру в зоне стружкообразования, что дополнительно устраняет возможность разупрочнения сталей.

Нанесение износостойких покрытий, в свою очередь, наиболее эффективно для инструмента из стали, изготовленной методом порошковой металлургии (МПМ), по сравнению с инструментом из стали обычного производства.

С помощью МПМ разработаны, в частности, безвольфрамовые быстрорежущие стали М6Ф1-МП и Р0М2Ф3-МП.