Основными требованиями, предъявляемыми к инструментальным сталям, являются высокая твердость, износостойкость, ударная вязкость и прокаливаемость. Кроме того, в зависимости от условий работы могут предъявляться специфические требования. Например, режущий инструмент, работающий при высокой скорости резания, должен обладать высокой износостойкостью при температуре 500 … 600 °С, а инструмент, работающий при низких режимах резания, требует износостойкости при температуре до 200 °С. Ручной инструмент (напильники, плашки, метчики и др.) должен иметь высокую износостойкость при нормальных условиях. К штампам, работающим при горячем деформировании, предъявляются требования горячей твердости, адгезии, жаропрочности, упругости и ударной вязкости.
Высокие требования из-за специфики и условий работы различных инструментов создаются наличием тех или иных легирующих элементов.
Легированные инструментальные стали поставляются в виде горячекатаного калиброванного проката, поковок, шлифованного прутка, полосы, кованых заготовок и валков.
Массовая доля вредных примесей (серы и фосфора) в легированных инструментальных сталях не должна превышать 0,03 % каждого элемента. В стали, полученной методом электрошлакового переплава, массовая доля серы допускается не более 0,015 %.
В состоянии поставки твердость легированной инструментальной стали колеблется в зависимости от химического состава в пределах 217 … 269 НВ. Все инструментальные легированные стали улучшаются закалкой. Твердость инструмента, изготовленного из легированной стали, после закалки будет следующая: режущего инструмента — 60 … 64 НRС, измерительного — 50 … 58 НRC.
В связи с тем что в процессе работы к инструменту, изготовленному из легированных инструментальных сталей, предъявляются различные требования, эти стали подразделяются на следующие группы:
· сталь для режущего и измерительного инструмента;
· сталь для штампового инструмента;
· быстрорежущие инструментальные стали.
Кроме того, легированные стали подразделяют на качественные, высококачественные и особовысококачественные (последние две группы указываются в маркировке).
Сталь для режущего и измерительного инструмента. Для этих целей применяются средне- и высокоуглеродистые и низко- и среднелегированные стали. Массовая доля углерода в этих сталях колеблется в пределах 0,7 … 1,0 %, а отдельные марки содержат до 1,4 %.
Стали для режущего и измерительного инструмента подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.
Стали неглубокой прокаливаемости включают в себя хромистые, хромованадиевые, хромовольфрамовые и ванадиевые стали. Массовая доля легирующих элементов колеблется в пределах 1 … 5 %, массовая доля углерода — 0,6 … 1,1 %. Характерной особенностью этих сталей из-за малого содержания легирующих элементов является низкая прокаливаемость. Инструмент, изготовленный из этих сталей, при закалке охлаждается в воде и имеет мягкую незакаленную сердцевину. В связи с этим стали неглубокой прокаливаемости идут на изготовление режущего и измерительного инструмента сечением до 25 мм, что при закалке предотвращает коробление и способствует прокаливаемости по всему сечению инструмента.
Марки стали этой группы: 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 11ХФ (11Х), 13Х. Из сталей этих марок изготавливают резьбовые калибры, метчики, плашки, развертки, протяжки и другой специальный инструмент, и технологическую оснастку.
Стали глубокой прокаливаемости содержат 1 … 4 % легирующих элементов; отдельные марки имеют до 8 … 10 % легирующих элементов. Основной легирующий элемент, повышающий прокаливаемость, — хром. Его массовая доля, как правило, составляет 1,0 … 1,5 %. Также прокаливаемость повышают кремний и марганец, однако наличие этих элементов в стали затрудняет технологию закалки.
Марки сталей этой группы: 9X1 (9X), 12X1 (20X), 9ХС, ХГС, 9ХВГ, ХВГ, ХВСГ, 9Х5ВФ (120X), 8Х4В3М3Ф2.
Из этих сталей изготавливают те же инструменты, что и из сталей неглубокой прокаливаемости, а также холодновысадочные матрицы, пуансоны, клейма, штемпели и другие ответственные детали, от которых требуется повышенная износостойкость.
Стали для холодного деформирования должны иметь высокие твердость и прочность, высокую износостойкость, удовлетворительную вязкость и высокую прокаливаемость.
Стали для горячего деформирования должны обладать высоким сопротивлением пластической деформации, высокой теплостойкостью и высокой разгаростойкостью, т. е. высоким сопротивлением термической усталости.
Быстрорежущие инструментальные стали. Быстрорежущими называют высоколегированные стали, предназначенные для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких режимах резания. ГОСТ 19265—73 предусматривает поставку инструментальной быстрорежущей стали в виде горячекатаного, калиброванного проката, кованой, в виде полос и прутков со специальной отделкой поверхности следующих марок: Р9, Р18, Р6АМ5, Р6М5К5, 11Р3АМ3ФА, Р6АМ5Ф2, Р12Ф3, Р18К5Ф2, Р9М4К8.
В маркировке быстрорежущих сталей приняты следующие обозначения:
· буквой Р (от англ. rapid — скорый) обозначаются все быстрорежущие стали. Цифра, стоящая справа после буквы Р, указывает на среднюю массовую долю основного легирующего элемента — вольфрама.
· Буква К обозначает кобальт,
· М — молибден,
· А — азот.
В обозначении марок быстрорежущих сталей не указывается массовая доля хрома, молибдена до 1 % включительно и ванадия в сталях марок Р9, Р18, Р6АМ5, Р9К5, Р6М5К и Р9М4К8.
Все быстрорежущие стали содержат 0,70 … 1,12 % углерода в зависимости от марки, 3,8 … 4,4 % хрома, 0,4 % никеля.
Быстрорежущие стали имеют высокую красностойкость до 620 °С, ударную вязкость в состоянии поставки 18 … 26 Дж/см2, твердость 220 … 260 НВ, предел прочности при растяжении σв = 840 … 940 МПа (84 … 94 кгс/мм2). Высокая красностойкость и горячая твердость создаются легирующими элементами — вольфрамом, ванадием, хромом и молибденом.
Из быстрорежущих сталей делают цельные токарные, строгальные резцы, фрезы, развертки, модульные фрезы, долбяки, протяжки, сверла, метчики и плашки. Кроме того, быстрорежущие стали идут на изготовление различного штампового инструмента (пуансоны, матрицы, ножи для ножниц, машинные ножовки по металлу) и другого инструмента.
Быстрорежущие инструментальные стали способны самозакаливаться на воздухе. В связи с этим при ковке эти стали охлаждают в нагревательных колодцах или в соляных ваннах. При медленном охлаждении в колодцах происходит укрупнение зерен сорбитообразного перлита и карбидов. Кроме того, с целью улучшения обрабатываемости резанием быстрорежущим сталям производят изотермический отжиг. В результате этих операций твердость достигает 200 … 255 НВ.
При последующей ступенчатой закалке при температуре 1 270 … 1 290 °С и трехкратном отпуске при температуре 550 … 570 °С достигаются высокие прочность, твердость и ударная вязкость, а также высокие режущие свойства инструмента. Структура после закалки: карбиды, мартенсит и остаточный аустенит. Остаточный аустенит несколько снижает твердость, и его устраняют многократным отпуском и обработкой холодом. После этих операций он превращается в мартенсит.
По режущим свойствам эти стали бывают нормальной и повышенной производительности. Нормальную производительность имеют стали марок Р18, Р12, Р9, Р9Ф5 (вольфрамовые), Р6М3, Р6М5 (вольфрамомолибденовые); твердость этих сталей равна 98 НRА, теплостойкость — 620 °С. Стали марок Р10К5Ф5, Р18К5Ф2 (с повышенной массовой долей ванадия и содержанием кобальта) имеют повышенную производительность; твердость этих сталей — более 64 НRС, теплостойкость — 630 … 640 °С. Стали последней группы применяют для обработки высокопрочных сталей с аустенитной структурой и других твердых конструкционных материалов.