Инструментальные стали.

К инструментальным сталям относятся легированные стали повышенной прокаливаемости и специальные легированные стали - штамповые и быстрорежущие.

Легированные инструментальные стали в соответствии с особенностями их химического состава условно можно отнести к трем группам. Первую группу образуют стали X, 9ХС и ХВСГФ. Присадки хрома в количестве 1...1,5 % обеспечивают повышение прокаливаемости сталей. Кремний (до 1,6 %) дополнительно улучшает прокаливаемость и повышает отпускоустойчивость. В большей степени условиям рационального легирования отвечает сталь ХВСГФ, дополнительно легированная вольфрамом, ванадием и марганцем. Она обладает наилучшим комплексом свойств среди легированных инструментальных сталей (σ_в=2500...2700 МПа, сохраняет твердость 60 HRC_э до 250...260 ⁰С).

Ко второй группе относятся стали 9Г2Ф, 9ХВГ и ХВГ, отличающиеся повышенным содержанием марганца при нормальном (на уровне примеси) содержании кремния. Марганец, вызывая при закалке резкое снижение температурного интервала мартенситного превращения в стали, способствует сохранению повышенного количества остаточного аустенита в ее структуре. Как следствие, уменьшается уровень термических напряжений и деформаций при закалке инструмента. По этой причине стали получили название малодеформирующихся.

В третью группу входят стали В2Ф и ХВ4Ф, легированные вольфрамом и отличающиеся повышенной твердостью. У стали ХВ4Ф благодаря образованию в структуре наряду с цементитом карбидов М₆С твердость после термической обработки достигает 68...70 HRC_э. Термическая обработка инструмента, изготовленного из легированных сталей, заключается в отжиге, закалке и низком отпуске. Для вольфрамосодержащих сталей вместо отжига проводят высокий отпуск.

Из легированных сталей изготавливают крупногабаритный инструмент, температура которого в процессе работы не превышает 150...200 ⁰С. Номенклатура инструмента - круглые плашки, крупные протяжки и зенкеры, обрабатывающие мягкие материалы, крупные вытяжные штампы, прошивные пуансоны и т.п. Сталь X используют главным образом для измерительного инструмента.

Штамповые стали подразделяются на две группы - стали для штампов холодного и горячего деформирования.

Инструмент для деформации металла в холодном состоянии должен иметь высокую твердость (>58 HRC_э). Для такого инструмента обычно используют стали со структурой низкоотпущенного мартенсита, содержащие около 1 % углерода. Штампы небольших размеров и простой конфигурации с относительно легкими условиями работы изготавливают из углеродистых инструментальных сталей (штампы диаметром до 30 мм для высадки и вытяжки, деформирующие с небольшой скоростью, чеканочные с глубокой гравюрой для обработки мягких цветных металлов и т. п.). Для аналогичных штампов, отличающихся более сложной конфигурацией и более тяжелыми условиями работы, применяют легированные инструментальные стали.

Для штампов холодного деформирования, работающих в условиях высоких динамических нагрузок, используются специальные инструментальные стали повышенной ударной вязкости (6Х3МФС, 6ХС, 6ХВ2С и 7X3). Отличительный признак химического состава этих сталей - пониженное содержание углерода, что и является залогом их повышенной вязкости.

Особую группу холодноштамповых сталей образуют стали леде-буритного класса, отличающиеся повышенным содержанием хрома (Х12, Х12Ф1, Х12МФ, Х12ВМФ). Высокохромистые стали обладают повышенной прокаливаемостью (до 250 мм) и износостойкостью (за счет присутствия в структуре стали большого количества особо твердых карбидов Сr₂С₃). Они используются для тяжелонагруженного холодноштампового инструмента, работающего с повышенной скоростью. После закалки с температур 950...1010 ⁰С инструмент отпускают на твердость 60...63 HRC_э при 150...160 ⁰C, а на 57...58HRC_э - при 260...275 ⁰С.

Стали для штампов горячего деформирования, или, как их еще называют, молотовые, должны обладать повышенной ударной вязкостью в крупных сечениях (более 0,4 МДж/м² на образцах с надрезом). Для выполнения этого важнейшего условия содержание карбидообразующих элементов в стали ограничивается в ущерб таким свойствам, как износостойкость и теплостойкость (стали сохраняют твердость 45 HRC_э до 350...450 ⁰С). Высокая прокаливаемость достигается за счет легирования хромом, никелем, марганцем. Представителями молотовых горячештамповых сталей являются 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 4ХМФС.

Прессовый инструмент, штампы горизонтально-ковочных машин, а также матрицы пресс-форм литья под давлением изготавливают из более легированных сталей, теплостойкость которых для твердости 45 HRC_э составляет 590...630 ⁰С. Наиболее широко используются стали 3Х3М3Ф, 4Х5МФС, 5Х3В3МФС. Горячештамповый инструмент после закалки подвергают высокому отпуску на твердость 38...46 HRC_э (молотовые штампы) и 45...50 HRC_э (прессовый инструмент).

Быстрорежущие стали являются основным материалом для большинства режущих инструментов. Важнейшим свойством быстрорежущих сталей является теплостойкость, которая сочетается с высокой твердостью (до 70 RC_э), износостойкостью и повышенным сопротивлением пластической деформации. Под теплостойкостью понимают способность стали при нагреве рабочей части инструмента в процессе эксплуатации сохранять структуру и свойства, необходимые для деформирования или резания обрабатываемого материала. Теплостойкость создается специальной системой легировация стали и закалкой с очень высоких температур (для высоковольфрамовой стали до 1300 ⁰С). Основными легирующими элементами являются вольфрам и его химический аналог молибден, который может замещать вольфрам в соотношении W:Мо =1:1,4...1,5 (если содержание молибдена в стали не превышает 5 %). Для большинства современных рационально легированных быстрорежущих сталей суммарное содержание вольфрама и молибдена принято в пределах 12 % [W+(1,4...1,5)Мо=12]. Быстрорежущие стали легируют также хромом, ванадием, кобальтом и некоторыми другими элементами. Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (от слова “рапид” - быстрый). Цифры после буквы Р указывают на содержание вольфрама в процентах. Другие легирующие элементы обозначаются соответствующими буквами, а их содержание в процентах - цифрами. Исключение представляет хром, который в количестве около 4 % находится практически во всех быстрорежущих сталях, однако в обозначении марки стали не указывается.

Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса. В их структуре помимо вторичных карбидов присутствуют первичные карбиды эвтектического происхождения М₆С, МС, М₂₃С₆.

Помимо теплостойкости другим важнейшим свойством быстрорежущей стали является вторичная твердость, получаемая при отпуске. Отпуск на вторичную твердость сопровождается эффектом дисперсионного твердения, т. е. выделением при отпуске мелкодисперсных фаз-упрочнителей с карбидной природой. В результате твердость стали после отпуска возрастает. Для получения при закалке высоколегированного твердого раствора за счет более полного растворения тугоплавких карбидов быстрорежущей стали температура аустенизации должна быть высокой - до 1300 ⁰С для сталей с высоким содержанием вольфрама. После закалки сталь сразу же подвергают многократному (обычно трехкратному) отпуску при 560 ⁰С по 1 ч. Многократным отпуск делают для более полного и эффективного превращения остаточного аустенита в мартенсит.

Структура быстрорежущей стали после полной термической обработки представлена мартенситом отпуска, первичными и вторичными карбидами. Рабочая твердость быстрорежущих сталей находится в пределах 62...68 HRC_э в зависимости от их системы легирования.

По главному показателю - теплостойкости - быстрорежущие стали делят на три группы: умеренной, повышенной и пониженной теплостойкости.

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р6М5, Р8М3, которые сохраняют твердость 60 HRC_э до 615...620 ⁰С. Эти стали предназначены для изготовления большинства режущих инструментов, обрабатывающих стали и чугуны с твердостью 250...280 НВ.

Стали второй группы отличаются повышенным содержанием углерода или ванадия, а также дополнительно легированы кобальтом (10Р6М5, 10Р8М3, Р12Ф3, Р6М5К5, Р9М4К8Ф) и обладают теплостойкостью 640...650 ⁰С. Они используются для обработки сталей аустенитного класса либо обычных конструкционных материалов, но с повышенными скоростями резания.

Третью группу образуют экономнолегированные и безвольфрамовые быстрорежущие стали: Р3М3Ф2, Р2М8, Р0М8. Главной особенностью этих сталей является малое количество и специфический состав карбидной фазы, что делает сталь малочувствительной к масштабному фактору (т.е. прочность и вязкость меняются незначительно при увеличении диаметра проката до 80... 100 мм) и допускает использование сравнительно низких температур закалки (1100... 1150 ⁰С). Поэтому эти стали рекомендуются для изготовления крупногабаритного инструмента, работающего с невысокими скоростями и подвергающегося при эксплуатации значительным динамическим нагрузкам.

Быстрорежущие стали, отличающиеся повышенным содержанием углерода, ванадия, кобальта (например, Р7М2Ф3-МП, Р9М4К.8-МП), используют для обработки труднообрабатываемых материалов.