Углеродистые и низколегированные стали для режущего инструмента

Углеродистые стали делятся на качественные и высококачественные (буква А в конце марки).

К положительным качествам углеродистой инструментальной стали следует отнести её невысокую стоимость, низкую твердость в отожженном состоянии (HB 150–180); высокую твердость, получаемую в результате окончательной термической обработки (закалка и низкий отпуск); малое содержание остаточного аустенита; отсутствие высокого нагрева под закалку; возможность получения хорошего сочетания высокой твердости поверхностных слоёв и вязкой сердцевины, вследствие неполной прокаливаемости по всему сечению. Примером углеродистых сталей могут служить стали У8, У10А, У11А, У12А, У13А.

С целью улучшения свойств углеродистых сталей были разработаны низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувствительностью к перегреву, чем углеродистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает количество бракованных инструментов. По теплостойкости низколегированные стали незначительно превосходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200–260ºС и поэтому непригодны для резания с повышенной скоростью, а также для обработки твердых материалов.

Низколегированные инструментальные стали подразделяют на стали глубокой и неглубокой прокаливаемости. Для изготовления режущих инструментов используются стали 11ХФ, 13Х, ХВ4, В2Ф неглубокой прокаливаемости и стали Х, 9ХС, ХВГ, ХВГС глубокой прокаливаемости.

Принципы легирования инструментальных сталей. Высокие твердость и износостойкость определяется содержанием углерода и мало зависит от степени легирования. Но при содержании > 1.0–1.1 %C возрастают не только количество, но и размеры карбидных частиц и ухудшаются условия их распределения, что снижает прочность и вязкость и усиливает отрицательное влияние масштабного эффекта. Поэтому стали с повышенным содержанием углерода используют в небольших сечениях.

Основным легирующим элементом сталей этих групп является хром, причём содержание его не превышает 2 %. При таком содержании хром собственных карбидов не образует и растворяется в карбиде железа и твёрдом растворе. В отожженном состоянии примерно 70 % хрома находится в цементите. Хром повышает прокаливаемость, способствует получению мелкозернистой структуры (в малой степени), повышению износостойкости и пластичности стали.

Марганец значительно способствует повышению прокаливаемости, уменьшению деформации инструмента при термообработке, связывает серу (MnS), повышает количество остаточного аустенита (но не ухудшает распределения карбидов).

Кремний в основном влияет на устойчивость закалённой стали против отпуска и в незначительной степени увеличивает прокаливаемость. К отрицательным сторонам легирование кремнием относятся повышение склонности стали к обезуглероживанию и небольшое понижение пластичности.

Вольфрам способствует увеличению устойчивости стали против отпуска, повышению её износостойкости, ванадий – снижению склонности стали к росту зерна, повышению прочности, уменьшению чувствительности к перегреву.

Карбидообразующие элементы увеличивают долю карбидной фазы: Mo и W – образуют специальные карбиды, V, Ti, Nb – самостоятельные карбиды (МеС), повышающие износостойкость сталей.

Легирование никелем, используемое для повышения вязкости конструкционных сталей, непригодно для сталей с высоким содержанием углерода. Никель сильно увеличивает количество остаточного аустенита и ускоряет снижение твёрдости при отпуске.

Термическая обработка инструментальных сталей.

Предварительная обработка: отжиг на зернистый перлит. Для получения высоких эксплуатационных свойств стали подвергаются закалке (обычно с охлаждением в воде или через воду в масло) и низкому отпуску (180–200°С). Для сталей доэвтектоидных (У7) и эвтектоидной (У8) применяется полная закалка, для заэвтектоидных (У10 – У13) – неполная. Обычно температура нагрева под закалку для углеродистых сталей – 800ºС и для легированных – 840ºС. Максимальная твердость после закалки HRCэ 62–63. При больших размерах сечения закаливаемого инструмента для получения такой же твердости необходимо повышенное содержание углерода.

В результате закалки доэвтектоидных (и эвтектоидных) углеродистых сталей структура стали – мартенсит с небольшим содержанием остаточного аустенита (2–3 %). В заэтектоидной стали повышается содержание остаточного аустенита (до 8 %) и в связи с неполной закалкой появляется карбидная фаза (4–5 % Fe₃C). После низкотемпературного отпуска в доэвтектоидных (и эвтектоидной) сталях за счет распада мартенсита содержание карбидной фазы увеличивается на 1–2 %, в заэвтектоидных на 5–6 %. Количество остаточного аустенита не изменяется. Содержание углерода, растворенного в мартенсите, уменьшается.

Указанные стали применяются для изготовления инструмента с небольшими размерами сечений, не испытывающего ударных нагрузок, работающего при умеренных режимах резания, обрабатывающего материалы с невысокой твердостью. К таким видам инструмента относят метчики ручные, фрезы, напильники, развертки, сверла, плашки, зенкеры, пилы и др.