Инструментальные стали

Цель работы: изучение структуры, свойств, способов термической обработки инструментальных сталей и области их применения.

Приборы и оборудование: набор микрошлифов в лабораторной коллекции инструментальных сталей, набор твёрдых сплавов, металлографические микроскопы, твердомеры Роквелла, коллекция металлорежущих инструментов.

Основные понятия

К инструментальным сталям относят стали, предназначенные для изготовления режущего, измерительного, штампового и других инструментов. Основными свойствами этих сталей является твердость, вязкость, износостойкость, теплопроводность (красностойкость), прокаливаемость.

Стали для режущего инструмента должны обладать высокой твёрдостью, превышающей твердость обрабатываемого материала. Режущая кромка инструмента всё время находится в соприкосновении со снимаемой стружкой, т.е. происходит непрерывное трение и износ поверхности режущей кромки инструмента. Поэтому сталь для режущего инструмента, кроме высокой твёрдости, должна иметь высокую износостойкость. В процессе резания механическая энергия превращается в тепловую и вследствие этого нагревается инструмент, обрабатываемая деталь и стружка.

Инструментальные стали по назначению делятся на три группы: углеродистые и легированные стали для режущих инструментов; быстрорежущие стали; штамповые стали и отдельная группа – твердые сплавы.

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали производят качественными: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13 и высококачественными: У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А.

Высокая твердость (HRC 62-65) инструментальных сталей достигается в результате закалки. Стали У7, У8 подвергаются полной закалке, стали У9-У13 – неполной закалке. Закалку углеродистой стали проводят в воде или водных растворах солей и щелочей, так как она имеет малую устойчивость переохлаждённого аустенита. После закалки структура углеродистых сталей У7, У8 состоит мартенсита и избыточного карбида (цементита). Избыточные карбиды повышают износостойкость стали. В структуре закаленных углеродистых сталей имеется также небольшое (до5-8%) количество остаточного аустенита, но так как его мало, твёрдость стали не снижается.

Критический диаметр изделий из углеродистых сталей не превышает 15мм. Поэтому эти стали применяют для изготовления мелких инструментов с поперечным сечением до 25мм с незакалённой сердцевиной. При несквозной прокаливаемости меньше деформация инструмента при закалке. Инструмент с незакалённой вязкой сердцевиной обладает большей устойчивостью к ударам и вибрациям.

После закалки инструмент из углеродистой стали подвергают низкотемпературному отпуску. В зависимости от назначения инструмента и требуемой твердости температура отпуска может изменяться в определенных пределах.

Для уменьшения внутренних напряжений при сохранении высокой твердости достаточен отпуск при 150...180° С в течение 1-2 часов. Такой отпуск проводят для инструментов, работающих с небольшими ударными нагрузками. Для инструментов, для которых требуется достаточно высокая твердость и повышенная вязкость, применяют отпуск при температурах до 220...240°С. Инструменты, работающие с ударными нагрузками, отпускают при 250...320°С.

Так как инструмент из углеродистой стали теряет твердость при нагреве выше 200°C условия работы его должны быть такими, чтобы режущая кромка в процессе работы не нагревалась выше 200°С, т.е. резание следует проводить при небольших скоростях.

Из качественных углеродистых инструментальных сталей изготавливают несложные по конфигурации режущие и измерительные инструменты. Более сложные инструменты изготавливают из высококачественных инструментальных сталей.

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т.д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12 и У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки, топоры, молотки изготовляют из сталей У7, У8.