Инструментальные стали и сплавы

1. Углеродистые стали по ГОСТ 1435–99 выпускаются только качественными и высококачественными; обладают небольшой прокаливаемостью и теплостойкостью (до 200°С); маркируются буквой У, после которой идет цифра, указывающая на среднее содержание углерода в десятых долях процента (У7; У7А, У8, …, У13А).

Некоторые марки содержат повышенное (до 0,8–1,1%) содержание марганца, например, У13ГА – сталь инструментальная, углеродистая, высококачественная, с повышенным содержанием марганца и имеющая 1,3% С.

Из сталей У7–У9 изготавливают топоры, зубила, молотки, отвертки, плоскогубцы и другие слесарно-монтажные инструменты, подвергаемые ударам; из сталей У10–У12 – инструменты для обработки дерева, ручные метчики, мелкие штампы и прессформы; из сталей У13 – слесарные шаберы, напильники, режущие хирургические инструменты.

Указанные стали для придания прочности, твердости и износостойкости обычно подвергаются закалке и низкому отпуску.

2. Легированные стали по ГОСТ 5950–2000 обладают повышенной прокаливаемостью и теплостойкостью до 260°С; содержат хром, вольфрам, кремний и другие элементы (13Х, ХВГ, 9ХС, В2Ф, 5ХНМ, Х12М, Х6ВФ и т. д.); применяются для изготовления ручных сверл, разверток, ножовочных полотен, штампов. Их марка начинается с цифры, указывающей на содержание углерода в десятых долях процента (если цифра вначале отсутствует, то содержание углерода около 1%). Например, Х – сталь инструментальная, низколегированная, качественная, содержащая примерно 1% С и до 1,5% Сr.

3. Быстрорежущие стали по ГОСТ 19265–73 обладают очень высокой прокаливаемостью (закаливаются на воздухе) и теплостойкостью до 650°С; содержат вольфрам, хром, ванадий и молибден (Р18, Р12Ф3, Р9, Р6М5 и т. п.); применяются для изготовления резцов, фрез, сверл, разверток, метчиков, плашек, машинных ножовочных полотен. Их маркировка обычно начинается с буквы Р, а дальше идет цифра, указывающая на содержание вольфрама в процентах; например, Р9М4К8 – сталь инструментальная, высоколегированная, качественная, содержащая около 1% С, 9% W, 4% Mo 8% Co и другие элементы.

4. Твердые сплавы по ГОСТ 3882–74 обладают теплостойкостью до 800–1000°С; заготовки из них изготавливаются литьем или методом порошковой металлургии (путем спекания порошков тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала с металлическим кобальтом, выполняющим роль связки). Из твердых сплавов обычно изготавливают пластинки, которые припаивают или привинчивают на режущие части инструмента (сверла, резцы, фрезы).

В зависимости от состава твердые сплавы подразделяются на три группы:

вольфрамовые (ВК3, ВК8, ВК25 и др.) – предназначены для чернового и чистового точения и фрезерования, для изготовления мелких штампов и вставок для волочильных досок; например, ВК8 содержит 8% Со и 92% WС;

титановольфрамовые (Т30К4, Т15К6 и др.) – предназначены для высокопроизводительной обработки сталей и сплавов; например, Т15К6 содержит 15% TiС, 6% Со и 79% WС;

титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ20К9 и др.) – применяются в наиболее тяжелых условиях резания (черновая обработка отливок, поковок и т. п.); например, ТT7К12 содержит 7% (Ti, Ta) C, 12% Со и 81% WС.

5. Сверхтвердые материалы. Наибольшей твердостью обладают синтетические и природные алмазы, которые примерно в 6 раз превосходят по твердости карбид вольфрама. Однако алмаз теплостоек только до температуры 800°С и вступает в химическое взаимодействие с железом; поэтому алмазный инструмент целесообразно применять при чистовой обработке цветных металлов, керамики и твердых сортов пластмасс.

При обработке сталей и чугунов более эффективно использовать инструмент с рабочей частью из поликристаллического нитрида бора (эльбор, белбор и др.), который теплостоек вплоть до 1200°С. Таким инструментом на токарных станках можно обрабатывать закаленную сталь и отказаться от более дорогостоящей шлифовки.

Чугуны

В зависимости от структуры и свойств чугуны подразделяются на пять видов.

1. Белый чугун получается при сравнительном быстром охлаждении расплава в металлических изложницах – кокилях. Углерод в белом чугуне присутствует в основном в виде цементита, поэтому такой чугун очень тверд, хрупок и имеет в изломе белый цвет. В связи с высокой хрупкостью и низкой обрабатываемостью применяется для изготовления крайне ограниченного числа деталей (прокатные валки, дробильные мельничные шары), а также для последующего превращения в ковкий чугун. Маркировки не имеет.

2. Серый чугун по ГОСТ 1412–85 (СЧ10, СЧ15, …, СЧ35) получается при более медленном охлаждении расплава, например, в песчано-глинистых формах. При этом углерод успевает выделиться в виде графитовых чешуек, равномерно распределенных в ферритной, ферритно-перлитной или перлитной основе (рис. 3.1, а). В силу чешуйчатого строения графита относительное удлинение серых чугунов (δ) не превышает 1%. Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых идет цифра, указывающая на минимальное допустимое значение σ_в в кгс/мм². Серый чугун обладает прекрасными литейными свойствами, хорошо работает на сжатие и плохо на растяжение. Из него изготавливают станины станков, картеры ДВС, корпуса редукторов и т. п.

Рис. 3.1. Микроструктура серого (а), высокопрочного (б)
и ковкого (в) чугуна

Антифрикционные серые чугуны выпускают марок АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3.

3. Высокопрочный чугун по ГОСТ 7293–85 (ВЧ35, ВЧ40, …, ВЧ100) получают путем микролегирования расплава порошком магния и других элементов. Частицы порошка являются центрами кристаллизации графита, поэтому он приобретает сферическую форму (рис. 3.1, б). Основа также может быть ферритной, ферритно-перлитной или перлитной. Маркируется буквами ВЧ, после которых идет цифра, указывающая на минимальное допустимое значение σ_в в кгс/мм² (по старому ГОСТ 7293–79 после черточки указывали еще и минимально допустимое относительное удлинение δ в процентах: ВЧ38-17, ВЧ42-12, …, ВЧ120-2). Из высокопрочного чугуна изготавливают высоконагруженные ответственные детали (корпуса паровых турбин, коленчатые валы и поршни ДВС и т. п.).

Антифрикционные высокопрочные чугуны выпускают марок АЧВ-1, АЧВ-2.

4. Ковкий чугунпо ГОСТ 1215–79 (КЧ30-6, КЧ35-10, …, КЧ80-1,5) получают длительным отжигом отливок из белого чугуна; при этом цементит разлагается с образованием хлопьевидного графита округлой формы (рис. 3.1, в). Структура и свойства ковкого чугуна аналогичны структуре и свойствам высокопрочного чугуна. Маркируется буквами КЧ, после которых идут две группы цифр, указывающих на минимально допустимые значение σ_в в кгс/мм² и δ в процентах. Применение ковкого чугуна аналогично применению высокопрочного чугуна; однако детали из него можно получать с толщиной стенки до 50 мм, так как при большей толщине невозможно получить исходный белый чугун.

Антифрикционные ковкие чугуны выпускают марок АЧК-1, АЧК-2.

5. Легированный (специальный) чугун по ГОСТ 7769–82 маркируется буквой Ч, а дальше идет сочетание букв и цифр, принятое для легированных сталей; буква Ш в конце марки означает, что это чугун с шаровидным графитом.

В зависимости от назначения различают следующие группы специальных чугунов:

- жаростойкие никелевые (ЧН15Д3Ш), хромистые (ЧХ28) и кремнистые (ЧС5);

- жаропрочные с шаровидным графитом (ЧН19Х3Ш, ЧН11Г7Ш);

- коррозионностойкие никелевые (ЧН15Д7), хромистые (ЧХ22) и кремнистые (ЧС15, ЧС17М3);

- парамагнитные (аустенитные, например, ЧН15Д7), предназначенные для изготовления немагнитных деталей.