Где применяют инструментальную углеродистую сталь

Обновлено: 07.01.2025

На сегодня сталь представляет собой один из самых распространенных материалов, используемых в машиностроении и других отраслях современной промышленности. При этом активное развитие технологий требует разработки новых сплавов с соответствующими свойствами и параметрами. Однако и созданные ранее марки сохраняют свою актуальность. Именно поэтому стоит узнать все об углеродистых сталях, их видах и сферах применения.

Что это такое?

В перечень углеродистых входят стальные сплавы, одной из основных особенностей которых является доля углерода в диапазоне от 0,25 до 2%. Еще одна важная отличительная черта – это минимальное содержание серы, фосфора, марганца, кремния и магния.

Согласно актуальной статистике, на сегодня описываемый материал является более чем востребованным. Его доля в производстве широкого ассортимента изделий составляет около 80%. Это обусловлено, прежде всего, влиянием на эксплуатационные характеристики стали углерода. Так, если его содержание меньше 0,8%, то сплав будет иметь перлитовую или же ферритовую структуру.

При более высокой концентрации уже формируется вторичный цементит.

Стоит отметить, что для ферритной стали характерны повышенная пластичность и недостаток прочности. В ситуации с цементитной разновидностью главным параметром будет повышенная прочность на фоне хрупкости. Увеличение доли ключевого элемента обеспечивает улучшение прочностных показателей, но приводит к снижению показателей вязкости и пластичности.

Важно учесть, что УС относится к категории нелегированной. Однако в отдельных случаях свойства материала заметно улучшают за счет микролегирования.

С этой целью на определенной стадии производства вводят добавки, в роли которых выступают бор и титан, а также цирконий и редкоземельные элементы.

Отличия от легирующих сталей

В контексте ключевых различий между описываемым типом сплавов и легированных сталей стоит выделить следующие важные моменты.

Первые характеризуются присутствием железа, а также примесей, которые могут быть как полезными, так и вредными. К полезным относят кремний и марганец, тогда как в роли вредных здесь выступают фосфор и сера.
В описываемых сталях отсутствуют легирующие добавки в виде вольфрама, молибдена, титана и прочего, влияющие на характеристики продукта.
УС является общепромышленным сырьем, а это значит, что они не рассчитаны на специальное применение.

Также важно отметить, что легированные марки имеют более высокие эксплуатационные параметры. И здесь, прежде всего, имеются в виду такие показатели, как теплостойкость и твердость.

Классификация

Производимые на данный момент виды углеродистых сплавов классифицируются по целому перечню признаков и параметров. К той или иной категории стали относятся с учетом:

технологии производства;
степени раскисления;
качества (наличия вредных примесей);
сферы применения;
концентрации углерода.

Другими словами, при классификации принимаются во внимание ключевые характеристики сплавов с учетом сферы применения будущих изделий в том числе.

По технологии получения

Суть производства УС сводится к переработке чугунных заготовок. Обязательная составляющая – это максимальное сокращение присутствия вредных примесей. Параллельно обеспечивается необходимое содержание самого углерода. Принимая во внимание методы окисления, выделяют следующие варианты плавки.

При помощи кислородных конвертеров. Технология базируется на продувке расплавленного чугуна. Этот способ отличается высокой производительностью, однако его явный минус заключается в том, что в сплаве остается немалое количество примесей.
Мартеновский. Здесь углерод выжигается как при помощи воздуха, так и благодаря введению руды и ржавых металлических изделий.
Электротермический. Речь идет о применении вакуумных топок и индукционных печей для плавки. В итоге создаются инструментальные сплавы, характеризующиеся высокой жаростойкостью.

Стоит отметить, что последний вариант отличается сравнительно высокой стоимостью обработки.

Исходя из этого, такой метод применяют при технологической необходимости.

Частично сократить затраты позволяет использование специального ковша, разогреваемого в вакуумной емкости.

По уровню раскисления

Делая акцент на данный признак, можно выделить следующие три вида состояния.

Спокойное. Подобные сплавы отличаются однородностью структуры. Раскисляют их введением алюминия, а также ферромарганца и ферросилиция. Такой подход позволяет в полной мере избавиться от закиси железа. Мелкозернистая структура обеспечивается остаточным алюминием. Минус – это сравнительно высокая стоимость выплавки.
Полуспокойное. Этот тип углеродистой стали занимает промежуточное положение с учетом свойств. Главная особенность технологии получения – это введение небольшого объема раскислителей еще перед заливкой в изложницы. В итоге металл твердеет практически без закипания.
Кипящее. Такие сплавы являются более доступными в плане стоимости, но при этом не могут похвастаться высоким качеством. В процессе их получения участвует минимум добавок. Важно учесть и такой фактор, как частично выполненное раскисление. Именно это является причиной присутствия в структуре газов.

По качеству

Сейчас рассматриваемые марки металлов производят с применением разных технологий. Это предсказуемо влияет на свойства материалов, их эксплуатационные показатели и, конечно же, уровень качества. С учетом последнего параметра можно выделить три категории:

качественные стали;
материалы, относящиеся к разряду высококачественных;
УС обыкновенного качества.

В первых двух случаях для получения сплава используются кислородные конвертеры, мартены и более современные образцы техники (электрические плавильные установки). Здесь важно учесть, что, согласно актуальному ГОСТу, к таким металлам предъявляются жесткие требования.

И ключевыми моментами являются наличие и объемы вредных примесей.

Сталь обыкновенного качества выплавляют в мартеновских печах. На завершающем этапе, как правило, формуются большие по размерам слитки. Кстати, в качестве плавильного оборудования нередко используют упомянутые конвертеры. Подобные марки могут иметь сравнительно высокую концентрацию лишних взвесей, что уменьшает стоимость, но ухудшает характеристики продукта.

По сфере использования

Назначение стали представляет собой еще один критерий классификации. И здесь выделяют две основные разновидности сталей.

Также важно отметить существование подгруппы второй разновидности.

Имеется в виду инструментальная сталь высшего качества, в маркировку которой добавляется буква «А».

Здесь главная отличительная черта – это максимальная концентрация углерода.

По наличию и объемам С

Именно доля углерода оказывает определяющее действие на базовые параметры. И здесь ключевая роль отводится твердости стали. Так, чем выше содержание С, тем прочнее будут стальные изделия. Однако важно помнить, что параллельно с объемом углерода будет увеличиваться хрупкость материала. Принимая во внимание рассматриваемые показатели, УС делят на следующие типы.

Низкоуглеродистые (в пределах 0,25%). Материалы с низкой концентрацией C характеризуются пластичностью и сравнительно легко поддаются деформации независимо от температурного режима. Такая сталь подходит для холодной ковки.
Среднеуглеродистые (0,3-0,6%). Эту категорию можно уверенно назвать «золотой серединой» в контексте соотношения прочности, пластичности и текучести, что делает обработку материала максимально легкой. Применяется он преимущественно для создания элементов конструкций, эксплуатируемых в нормальных условиях.
Высокоуглеродистые (0,6-1,4%). Используются для изготовления инструментов с повышенной прочностью, а также различных измерительных приборов.

Естественно, каждый из перечисленных видов имеет более широкую область применения с учетом эксплуатационных свойств сплавов.

Маркировка и марки

Обозначения существующих на сегодня углеродистых сталей регламентируются соответствующими ГОСТами. Так символы «Ст», которые дополняются цифрами (1 и 2 – это количество, умноженное на 10 и 100, соответственно), отображают долю самого углерода. Об обеспечении гарантированного состава и соответствии химических составляющих будут свидетельствовать буквы «Б» и «В».

Пара букв, расположенных в конце, показывают уровень раскисления. Так «пс» и «кп» – это полуспокойное и кипящее состояние, соответственно.

В ситуациях со спокойными металлами символы в обозначениях отсутствуют. Повышенная концентрация марганца будет отмечена буквой «Г».

В ситуациях с маркировкой высококачественных сплавов, применяемых в качестве сырья для изготовления инструментов, будет присутствовать буква «У». Числовой индекс здесь отображает процентное содержание C при десятикратном увеличении. Важно отметить, что число может быть как одно-, так и двухзначным. Отличительной чертой сплавов повышенного качества является наличие в маркировке литеры «А».

Например, обозначение «сталь 45» свидетельствует о том, что в сплаве содержится 0,45% углерода, а концентрация примесей является при этом крайне незначительной. Чтобы понять суть маркировки, можно рассмотреть сталь 09г2с. Расшифровка в данном случае будет иметь следующий вид:

09 – количественная доля углерода, составляющая 0,09%.
Г2 – часть марганца в сплаве, варьирующаяся в диапазоне от 1,3 до 2%.
С – кремний, на долю которого приходится менее 1%, о чем свидетельствует отсутствие цифры.

Применение

УС за счет своих свойств давно нашла широкое применение в самых разных отраслях промышленности и народного хозяйства. Популярность этого сплава сохраняется и в наши дни.

Он и сейчас успешно используется, особенно в машиностроительной области. При этом в своих расчетах конструкторы учитывают, прежде всего, высокое сопротивление нагрузкам, а также хорошие показатели в контексте так называемой усталости металла.

Именно эти характеристики позволяют изготавливать такие важные конструкционные элементы, как:

маховики двигателей;
шатунные корпусы;
зубчатые редукторные передачи;
поршни насосных установок плунжерного типа;
коленвалы.

Стали с повышенной концентрацией C, для которых характерна и увеличенная доля марганца, становятся исходным материалом при производстве пружин, торсионов и рессорных листов. То есть речь идет об изделиях, которые должны соответствовать достаточно высоким стандартам с точки зрения упругости.

Марки инструментальной стали повышенного качества используют в качестве исходного материала для сверл, зенковок и резцов.

На сегодня эксплуатационные характеристики низко- и среднеуглеродистых стальных сплавов позволяют широко использовать их при создании элементов конструкций разной сложности и назначения, включая коммуникационные системы. На специализированных прокатных установках производят:

швеллеры и двутавры;
уголки с разными полками;
трубную продукцию;
профили различной конфигурации, включая изделия, выполняемые по индивидуальным заказам.

Помимо всего изложенного, важно отметить повсеместное использование в подавляющем большинстве промышленных отраслей листового материала разных габаритов, включая толщину, и качества. Знание всех основных параметров УС позволяет использовать их с максимальной эффективностью.

Обработка

Одним из важных параметров любого металла является температура плавления. В ситуациях с обработкой описываемых материалов изначально важно заметить, что плотность углеродистых сталей практически не изменяется при температурных колебаниях в диапазоне от 20 до 900 градусов. Данный показатель составляет 7,7-7,9 г/см3.

Плотность УС аналогична соответствующему показателю железа, и это вполне логично, поскольку оно является основой любой УС.

Внести коррективы в структуру и повлиять на свойства сплава можно путем его термической обработки. И достигают желаемых результатов благодаря нагреву стали с ее последующим охлаждением. Термообработка включает в себя следующие виды воздействия:

закалка;
отжиг;
нормализация;
отпуск.

Главной особенностью закалки является охлаждение разогретого до определенной температуры сплава с достаточно высокой скоростью. В процессе производства на металлургических предприятиях специалисты подбирают этот параметр так, чтобы на выходе был продукт с полноценной мартенситной структурой. Еще один важный момент – это обязательное использование воды, соляных растворов или же специального масла для охлаждения УС при предусмотренных технологией условиях.

Такой прием, как отжиг стали, позволяет получить структуру, практически во всем идентичную равновесной.

Схема реализации процесса является максимально простой и выглядит следующим образом:

разогрев сплава;
выдержка в течение определенного временного промежутка;
охлаждение, которое осуществляется, как правило, вместе с печью, то есть длится достаточно долго.

Отпуск УС – это действенный способ влияния на важные свойства проката. Подобным образом эффективно снимают внутреннее напряжение металла и параллельно повышают его механические показатели. Но важно учитывать, что он является актуальным исключительно для предварительно закаленного материала.

Суть нормализации углеродистых сталей заключается в том, что все этапы термической обработки (нагрев, выдержка и остывание) проходят естественным образом. Подобные манипуляции не являются каким-то особым видом обработки. Нормализацию можно назвать разновидностью закалки и отжига стали.

Какими бывают инструментальные стали и как их обрабатывают?

Потребителям металлургической продукции очень важно разобраться, что это такое — инструментальная сталь, каковы виды углеродистых сталей и их свойства. Надо четко выяснить, для каких инструментов ее применяют. Также внимания заслуживает прочее применение и нормы ГОСТ, типовое обозначение.

В далеком прошлом один и тот же металл шел на самые разные нужды. Но постепенно обнаружилось, что правильнее делать его со специфическими свойствами для каждой конкретной сферы. И в ходе промышленной революции очень актуальным продуктом как раз стала инструментальная сталь. Ее название говорит само за себя — из таких сплавов делают преимущественно рабочие инструменты и их функциональные части. Все эти сплавы относятся к углеродистым сталям.

Соответствующая классификация означает, что они могут содержать в своем составе как минимум 0,7% углерода. Вступая в реакцию с железом, он образует прочные и стойкие соединения — карбиды. Потому выносливость металла резко повышается по сравнению с малоуглеродистыми сплавами и тем более с чистым железом. Но высокая твердость и прочность достигаются не просто так, не за счет одних только добавок. Они могут быть выработаны только после окончательной термической обработки по специальной технологии.

На конечные свойства и характеристики металлургического продукта влияет также то, подвергают ли его легированию или нет. Такой материал стоит сравнительно недорого. На основе инструментальной стали могут делать как ручной, так и механизированный инструмент различных типов.

Во многих странах действуют свои специфические стандарты на этот продукт. Также могут отличаться категории готового продукта.

Методы производства

Еще каких-нибудь 60 лет назад основным способом получения инструментального сплава была плавка в мартеновской печи. Но этот способ, появившийся в разгар промышленной революции, сейчас встречается все реже и реже. Основную роль в XXI веке играет использование кислородных конвертеров. В конвертер заливают расплавленный чугун и продувают его потоком кислорода. Такая методика позволяет получить готовый продукт гораздо быстрее, чем даже самые совершенные мартеновские печи.

Некоторые предприятия используют также электрическую плавку или бессемеровские конвертеры. Последний вариант оборудования отличается довольно высокой производительностью. Но все дело портит невозможность окончательно удалить все примеси неметаллических элементов. Даже лучшая бессемеровская сталь содержит относительно много серы и фосфора. При использовании кислородного конвертера их концентрация окажется заметно ниже; самый же добротный продукт делают при помощи дуговых печей.

Самые совершенные или, как принято говорить, улучшенного качества — инструментальные стали. Они могут содержать максимум 0,03% фосфора и серы. Если заказывают качественные сплавы, то в них не допускается присутствие более чем 0,035% фосфора и 0,4% серы.

Применять для производства инструментов любую сталь, кроме качественной и высококачественной, не допускается. Материал с обычными характеристиками подойдет для деталей машин и для листового проката, для проволоки и метизов, но не для функциональных инструментов.

По содержанию углерода

Сплавы классифицируют по признакам и иного рода. Так, очень важная классификация связана с концентрацией углерода. Малоуглеродистым признают металл, в который входит 1/4 процента C. Среднеуглеродистая сталь содержит уже ровно 0,6% карбонового компонента. При большем содержании углерода говорят про высокоуглеродистый состав.

Важно и то, в какой форме представлено железо. По этому параметру выделяют сплавы:

доэвтектоидного;
эвтектоидного;
заэвтектоидного характера (разница между ними связана с соотношением феррита и перлита).

В промышленности часто востребована штамповая разновидность инструментальной стали. Ее получают методом холодной либо горячей деформации. В зависимости от этого могут применяться разные сплавы. Это определяет вязкость и прочность, сопротивляемость износу; наиболее высока механическая стойкость при добавлении хрома. Чаще всего инструментальная сталь является нетеплостойкой, зато отличается хорошей твердостью и отличным уровнем прокаливаемости.

Маркировка

Конкретное обозначение инструментальных сталей определяется тем, насколько они легированы. Углеродистый металл начинают обозначать с буквы «У». После этого ставят одну или две цифры, показывающие десятые доли процента углерода. Самый качественный металл в конце обозначается буквой «А».

Легированный сплав обозначают сначала одной цифрой, которая показывает количество углерода (опять же в десятых долях процента). При концентрации его от 1% и более такое обозначение пропускают. Индексы присутствия легирующих компонентов и их количества создаются так же, как и для других сплавов.

Быстрорежущий металл маркируют прежде всего буквой «Р». После нее идет указание количества вольфрама, который оказывается главной легирующей добавкой. Любой быстрорежущий сплав содержит 4% хрома; его концентрация, как и количество углерода, не маркируется.

Для изготовления инструментальной стали может применяться различный ГОСТ:

2590-88 – для горячекатаного круглого металла;
2591-88 – для горячего проката квадратной формы;
4405-75 – для кованых полос;
1435-74 – при выпуске углеродистого металла;
5950-2000 – при производстве инструментальной легированной стали, в том числе предназначенной для штампов.

Марки и их применение

Существует большое количество видов стали, которые применяют для инструментов. Например, сплав 9ХС отличается превосходным уровнем легирования. Заменить такой металл можно при помощи ХВГ или ХВСГ. Основная область использования:

сверла;
метчики;
плашки;
фрезы;
клейма, наносимые холодным способом.

Из 9ХС делают еще и ответственные части различных машин и аппаратов. Такое применение сплава обусловлено:

приличной износостойкостью;
отменной усталостной прочностью на изгиб, при вращении и контактной нагрузке;
упругостью.

Инструменты из стали Р18 предназначены прежде всего для:

обработки отверстий;
получения внешней резьбы;
получения внутренней резьбы.

Допускается также обработка цветного металла — при условии, что он отвечает основному прочностному критерию.

Сплав Р18 может сохранить свои ценные практические свойства при температурах до 600 градусов. Его поставляют в формате:

проката различного сечения;
полос всевозможной геометрической формы;
обычных и калибруемых прутков;
профиля, изготавливаемого согласно техническим условиям 14-11-245-88.

Сталь марки 45 (обозначаемая как Ст45) применяется только в некоторых ручных инструментах. Речь идет прежде всего про:

настольные тиски;
бандажи;
круглогубцы и плоскогубцы;
пассатижи.

В основном же ее отпускают на изготовление:

станочных кулачков;
шпинделей;
цилиндров;
валов промышленного оборудования;
шестеренок;
труб бесшовного исполнения.

Инструментальные углеродистые стали используются для изготовления режущего инструмента различных типов. Наибольший габарит этих приспособлений, однако, составит 1,3 см. Подобное ограничение связано со слабой прокаливаемостью металла. Исключения составляют те изделия, у которых главная часть режущей кромки сосредоточена на поверхности. Получить зенковку, фрезу или ножовку довольно легко на основе сплавов:

Иногда режущий инструмент работает при мощных ударных воздействиях. В такой ситуации рекомендовано делать выбор в пользу сплавов У7 или У8. Их преимущество состоит в увеличенной ударной вязкости. Любая углеродистая инструментальная сталь может быть закалена только при ограниченном диапазоне температур. Нельзя применять ее для высокоскоростного прореза и в иных случаях, при которых рабочая часть прогревается более чем до 220 градусов. Легирование металла позволяет прокалить его на большую глубину. Вероятность перегрева резко уменьшается. Качество термической обработки повышается, а опасность появления трещин при ней снижается. Габарит производимого инструмента, соответственно, увеличивается. Низколегированные стали, такие как 11Х и 13Х, используют для получения метчиков, напильников и ножей.

Уже упомянутый сплав 9ХС и металл категории ХВГС отличается повышенной красностойкостью. Критический температурный уровень — 250 градусов. На основе такого вещества можно делать и плашки, и сверла, и гребенки. Допускается изготовление также прочего инструмента сечением до 8 см.

Стоит отметить, что после отжига подобные сплавы хрупки и в процессе шлифовки могут активно трескаться.

Еще легированную инструментальную сталь применяют, чтобы делать:

линейки;
скобы;
штангенциркули (но в этом случае предпочтительны уже сплавы категорий Х и ХГ).

Быстрорежущий металл отличается действительно высокой красностойкостью. Такое свойство сохраняется при температурах до 650 градусов. Резать металлические заготовки можно им в 5 раз быстрее. Суммарный срок эксплуатации инструмента вырастает в 20-30 раз. Подобные свойства обеспечиваются введением вольфрама либо молибдена.

Штампованную инструментальную сталь применяют, чтобы изготавливать матрицы и штамповые пуансоны. Холодно-деформированные сплавы используют при температурах от 250 до 300 градусов. Речь идет прежде всего о Х12М и Х12Ф1 — соединения, имеющие ледебуритную структуру. Они отличаются превосходным уровнем прокаливаемости, твердости (64 единицы по шкале HRC) и красностойкости. Из такого металла можно сделать штампы сложной геометрии, ролики для накатки резьбы.

Штампованная сталь, деформированная в горячем состоянии, может работать и с более разогретым металлом. Для нее критичны лишь температуры свыше 550 градусов. Важным свойством для такого продукта выступает разгаростойкость. Так называют способность многократно переносить сильный разогрев и не терять своих ценных свойств.

Особенности обработки

Правильная закалка и прочая термическая обработка не менее важны, чем выбор подходящего сплава. Такие методы позволяют быстро поменять структуру вещества и повлиять на параметры создаваемого инструмента. Они отражаются также и на сроке эксплуатации изделия. Термообработка инструментальных сталей очень часто проводится в соляной ванне. Это вообще классическая методика работы, которая проверена временем.

Достоинства подобного варианта заключаются в:

скорости нагрева и оперативной передаче тепла;
отводе избыточного тепла;
экономичности работы;
легкости температурной регулировки;
приличной защите от вредного действия засорений.

Подбирают обычно нейтральные соли. Но критично оказывается загрязнение ванны — при высокой степени оно может вовсе спровоцировать обезуглероживание металла. Компенсировать или совсем исключить это можно за счет добавок цианистого натрия. После его введения смыть соль также будет проще. Если ванна прогрета до 500-700 градусов, допускается применение BaCl, NaCl, CaCl2. Хлорид кальция, однако, будет сильно поглощать воду. В его присутствии коррозия резко активизируется. Селитряные соли можно применять при 170-500 градусах. Ближе к верхней отметке они оказываются взрывоопасны.

Важно: надо помнить, что все соли так или иначе токсичны для организма.

В ряде случаев обработка включает нанесение износостойкого покрытия. В этом случае нужно:

заблаговременно обезжирить поверхность путем использования трихлорэтилена либо четыреххлористого углерода (внимание, оба вещества опасны!);
очищать изделие ультразвуком с помощью пищевой соды и фосфорнокислого натрия;
отмывать заготовку сначала в питьевой, а затем в дистиллированной воде;
промывать изделие в смеси спирта и ацетона.

Термическая обработка в вакуумной печи распространяется все шире и шире. При таком методе, в сравнении с обработкой в соляной ванне:

проще поддерживать стабильные свойства деталей в масштабах партии;
исключается удаление углерода и легирующих веществ;
сокращаются деформации;
предотвращается угроза отравления и заражения внешней среды;
лучше контролируется технологический процесс;
эффективнее отслеживание каждого параметра.

Однокамерные вакуумные печи преимущественно имеют горизонтальное исполнение. Закалка металла в них идет в струе инертного газа. Иногда она подается под избыточным давлением. Некоторые конструкции рассчитаны на прохождение всего цикла обработки автоматически без перерывов. Вакуум эффективно предотвращает окисление и обезуглероживание.

Особенности инструментальных сталей и их марки

Инструментальная сталь представляет собой углеродистый или легированный сплав, предназначенный для изготовления штампов холодного или горячего деформирования, режущих инструментов, а также элементов машин, работающих в условиях повышенного износа. Обо всех особенностях такого металла мы расскажем в нашей статье.

Общее описание

К группе инструментальных относится сталь, в которой массовая доля углерода превышает 0,7%. Базу такого сплава составляет мартенсит, в исключительных ситуациях — ледебурит. С учетом того, в какой сфере будет использоваться этот металл, к нему предъявляются вариативные требования. Однако выделяют ряд общих критериев ко всем типам инструментальных сплавов вне зависимости от их марок:

твердость;
повышенная прочность;
стойкость к износу;
сниженная чувствительность к нагреву;
малая степень прилипания и приваривания к обрабатываемым заготовкам;
легкость резки материала;
стойкость к растрескиванию;
высокая пластичность в нагретом состоянии;
подверженность шлифовке;
восприимчивость к прокалке;
противостояние обезуглероживанию.

К тому же инструментальные сплавы должны иметь отличную вязкость.

Особенно это актуально при производстве элементов, которые в процессе использования часто подвергаются механическим воздействиям.

Конечно, это далеко не весь перечень требований. К примеру, марки, которые востребованы при создании деталей, работающих в среде холодной деформации, должны обязательно иметь идеально ровную конфигурацию, проявлять повышенный уровень упругости и хорошую текучесть. Важно, чтобы они удерживали форму и габариты при внешних воздействиях. Те металлы, которые обрабатывают техникой горячей деформации, должны демонстрировать повышенную теплопроводность, стойкость к тепловым колебаниям и не допускать даже малейших отпусков.

В сравнении с классическими конструкционными сплавами инструментальный материал обладает рядом весомых преимуществ. К ним относят:

твёрдость на уровне 60–70 единиц по Роквеллу;
повышенную прочность — уровень сопротивления разрыву держится на отметке от 900 МПА и более;
стойкость к абразивному истиранию;
способность сплава к прокаливаемости.

Для инструментальных сплавов характерна так называемая красностойкость. Это свойство определяет способность металла в полном объёме сохранять свои прочностные качества при повышении температурного воздействия.

Впрочем, не обошлось и без недостатков. Данный материал отличается сниженной стойкостью к износу.

Поэтому для деталей машин и оборудования, которые в ходе эксплуатации подвержены интенсивным нагрузкам, инструментальные составы не применяют.

В зависимости от качественной структуры и технико-механических характеристик материала выделяют несколько разновидностей инструментальной стали. Познакомимся поближе с их классификацией.

Углеродистые стандартного типа

Углеродистый сплав характеризуется повышенной твердостью при комнатной температуре. При этом стойкость к тепловому воздействию невелика, поэтому даже при сравнительно невысоких терморежимах (в пределе от 200 до 250 градусов) твердость многократно уменьшается.

Легированные

Основное отличие таких сплавов от углеродистых заключается в повышенной концентрации легирующих компонентов. Они могут включать:

хром — придает материалу стойкость к коррозии, повышает прочность и плотность с одновременным снижением пластичности;
никель — улучшает параметры прокаливаемости, прочности и пластичности материала, способствует росту ударной вязкости;
вольфрам — обеспечивает теплостойкость расплава и придает ему высокую твёрдость;
ванадий — формирует мелкозернистую структуру, улучшает прочностные и твёрдосплавные характеристики;
кобальт — увеличивает жаростойкость материала и его вязкость;
молибден — способствует росту прочности, упругости и стойкости стали к тепловым воздействиям.

В зависимости от марки в состав может вводиться один или несколько легирующих компонентов в различной концентрации. В результате этого материал получает все необходимые характеристики.

Так, для создания режущих инструментов по традиции используют низколегированные составы: 9ХФ, 11ХФ, 13Х, ХВ4, ХВСГ, а также ХВГ и некоторые другие. Эти сплавы проявляют исключительно высокие физико-технологические характеристики, их отличают лучшая прокаливаемость и закаливаемость, меньшая подверженность короблению. При этом их теплостойкость практически идентична соответствующему показателю для углеродистых сталей и держится на отметке 350–400 градусов.

Быстрорежущие

Основным легирующим компонентом для такой стали считается вольфрам. Кроме него, в структуру быстрорежущих сплавов могут вводиться ванадий и кобальт. На долю хрома в таких составах приходится не больше 3–4% — это настолько мало, что данный элемент даже не указывается в маркировке.

Валковые

Валковые стали относят к категории сложнолегированных сплавов. Они востребованы в производстве опорных и рабочих валков, материал нашел повсеместное применение при выпуске шестерён, обрезных матриц, ножей для резки металлов, пил и многих других изделий, связанных с интенсивной нагрузкой. Инструменты из такой стали отличаются стойкостью к повышенным температурам, механическим повреждениям и истиранию.

Для валковой стали характерна хорошая прокаливаемость, она не подвержена деформации, обладает достаточным уровнем шлифуемости.

Штамповые

Подобные стали, в зависимости от особенностей использования, бывают штампованными методом холодной или горячей деформации. В холодном состоянии сплав проявляет повышенную твердость, благодаря чему обеспечивает стойкость металлов к истиранию. Для горячих штампов характерна сниженная чувствительность. Штамповой стали свойственны повышенная прокаливаемость и слабая деформируемость в процессе закалки.

В состав инструментальной стали обычно вводятся легирующие компоненты, призванные улучшить физико-химические и механические характеристики материала. В соответствии с ГОСТ в маркировке эти добавки указываются буквенными символами, благодаря чему можно установить, какие элементы составляют основу инструментального материала. При этом каждая буква дополнена цифровым обозначением — оно указывает на долю того или иного элемента.

Если цифра отсутствует — следовательно, концентрация примесей не превышает 1%. На первом месте в маркировке любых сталей указано количество углерода. К примеру, расшифровка марки с обозначением 6ХС говорит о том, что сплав содержит 0,6% углерода и менее 1% кремния и хрома.

Быстрорежущие сплавы маркируют с указанием буквы «Р» впереди, а также числа, которое обозначает долю вольфрама в структуре. После них идут буквенные элементы, указывающие на легирующие компоненты с указанием их концентраций.

Если в маркировке содержится буква «Ш», это означает, что изделие представляет собой электрошлаковый переплав. Долю хрома и молибдена в маркировке быстрорежущих составах не указывают из-за ее малой величины.

Марки и категории

Все группы инструментальных металлов условно разделяются на следующие категории.

Теплостойкие и вязкие — это хромистые сплавы, содержащие вольфрам и молибден. Объем углерода в подобных металлах держится на средних и пониженных отметках.

Высокотвёрдые и мягкие, а также теплостойкие материалы — в этих сталях присутствует минимум легирующих компонентов, количество углерода на среднем уровне. Такой материал отличается низкой прокаливаемостью.

Высокотвердые и температуростойкие — обычно это быстрорежущие сплавы с повышенной долей легирующих добавок. Сюда же относятся материалы с ледебуритной микроструктурой, на долю углерода в них приходится свыше 3%.

Высокотвердые, стойкие к износу, с усредненным параметром теплостойкости — особенностью таких сплавов является включение 15% хрома и 23% углерода.

Сплавы и стали обыкновенного качества — данные виды отличаются между собой по наличию в них серы и фосфора. Соответственно, чем выше категория — тем ниже доля вредных добавок.

Высокотвердые и нетеплостойкие — такие инструментальные составы вообще не содержат никаких легирующих компонентов либо их массовая доля минимальна. Твёрдость нелегированных и низколегированных металлов обусловлена высокой концентрацией углерода.

Выделяют множество марок инструментальных сталей. Наибольшее распространение в промышленности получили У7А, У8, а также У8А и У9 — их отличают стойкость к износу, повышенная твёрдость и плотность. При механических ударах они не разрушаются и не деформируются. Марки У10 и больше также проявляют повышенную неплохую пластичность, но при интенсивных термических воздействиях становятся более пластичными, что существенно ограничивает сферу их использования.

Высококачественная сталь инструментального типа получила повсеместное распространение в промышленности. Главными областями её применения является создание:

режущих инструментов;
приборов для измерений;
пресс-форм, эксплуатирующихся под высоким давлением;
рабочих элементов штампов, работающих по принципу холодного либо горячего деформирования;
металлоизделий высокой точности.

Сталь У7 обладает достойной коррозионной стойкостью и пониженной электропроводностью. Этот металл оптимален для изготовления топоров, стамесок и прочих деревообрабатывающих инструментов. Может использоваться для создания молотков, пассатижей, пил, а также крючков, иголок и зубил.

У10 и У11 — эти сплавы справляются с деформационным воздействием, им не страшен локальный нагрев. Кроме того, они устойчивы к ржавлению. Введение легирующих добавок существенно улучшает физические характеристики марок и придает им эластичность. Такой материал востребован для изготовления напильников, ленточных пил, сверл и роликов.

У8 и У9 — такие марки также обладают хорошей прочностью, но нагрев выдерживают намного хуже. Они нашли своё применение при создании торгового оборудования, пил, роликов, топоров и стамесок. Из них делают запчасти для часов, гвозди, заклёпки, шурупы и болты.

У12 — сталь высокой прочности без каких-либо легирующих компонентов. Актуальна для создания топоров, ручных пил, напильников, резцов или других запчастей высокой прочности, которые не нагреваются до средних и высоких температур.

У13 — металл из категории грубых сплавов, пластичным он становится только при термическом воздействии. Назначением таких материалов является выпуск обрабатывающих инструментов, надфилей, медицинского оборудования и приспособлений для выполнения гравировки.

Закалка и отжиг

Большинство разновидностей инструментальных металлов с целью улучшения их физико-технических характеристик подвергаются закалке и отжигу. Для проведения обработки готовые стальные изделия прогреваются в растворах соли, в результате тепло максимально ровно перераспределяется по металлической поверхности. Для быстрорежущих составов нагрев производится поступательно, со сменой 3 ванн:

температура начального воздействия соответствует 400–500 гр., в этом резервуаре сплав выдерживается около 40–60 минут;
после первого прогрева изделие помещают в следующую стальную ванну, в ней температура уже на 250–350 гр выше;
на заключительном этапе деталь вновь перекладывают — в последней емкости содержится соль, нагретая уже до 1200–1300 гр, здесь производится финишная закалка сплава.

Такая ступенчатая процедура обеспечивает равномерное распределение аустенитов по всей структуре материала. Это самым благоприятным образом сказывается на технических и физических характеристиках металла. Для того чтобы окончательно расплавить аустенитную часть, следует провести отпуск в ванной при температуре 500–550 гр, при этом желательно повторить отпуск трижды. В результате доля аустенитов снижается ниже уровня критической отметки.

Для проведения дополнительной обработки используют метод воздействия низкими температурами.

Для этого первично закаленный материал размещают в резервуаре с жидкими солями при температурном режиме от -100 до – 50 гр. Такую закалку производят в одну стадию, повторная обработка не нужна.

Углеродистые инструментальные стали

В машиностроении и других областях промышленности производственная деятельность заключается в выпуске заготовок и деталей, которые получаются путем механической обработки. Современные материалы могут обладать весьма высокими показателями твердости и прочности, за счет чего усложняется их обработка. Для того чтобы обеспечить быструю и качественную механическую обработку при изготовлении режущего инструмента или их кромки используются углеродистые инструментальные стали. Их особенность заключается в высокой стойкости к механическому воздействию.

Углеродистые инструментальные стали

Подобные металлы также могут использоваться при выпуске ответственных деталей, к которым предъявляются высокие требования в плане прочности и твердости.

Основные характеристики

Рассматривая основные свойства инструментальной стали следует отметить нижеприведенные моменты:

Низкая чувствительность к перегреву. При механической обработке снятие слоя материала с заготовки происходит за счет оказываемого требования. Нагрев металла приводит к изменению его основных качеств. Поэтому углеродистые инструментальные качественные стали не нагреваются даже при длительном трении с другими поверхностями.
Низкая чувствительно к привариванию к обрабатываемым деталям. Из-за оказываемого давления при подаче инструмента на момент обработки заготовок зона трения может несущественно нагреваться, что становится причиной повышения пластичности некоторые материалов. Если инструментальная сталь будет привариваться при этом к поверхности возникнет дополнительное сопротивление и качество получаемой детали существенно снизиться.
Для того чтобы упростить обработку металла его делают боле восприимчивой к обработке методом резки.
Восприимчивость к прокаливанию также определяется особым химическим составом.
Высокая пластичность в горячем состоянии позволяет получать заготовки метод плавления металла.
Высокое сопротивление процессу обезуглероживания позволяет получить наилучший результат при проведении закалки или других процессом химико-термической обработки.
Во время обработки может возникать ударная нагрузка, которая в большинстве случаев становится причиной образования трещин. Высококачественная углеродистая инструментальная сталь не имеет подобного недостатка.
Износостойкость и высокая прочность, твердость поверхности.

Химический состав углеродистых инструментальных сталей

Химический состав инструментальных углеродистых сталей во многом определяют основные эксплуатационные качества металла.

Применение инструментальных углеродистых сталей во многом зависит от химического состава. Чаще всего применяется для получения:

Режущего инструмента. На протяжении многих лет для изготовления инструментов использовали обычную сталь, которая в процессе работы могла нагреваться и быстро изнашиваться. На тот момент устанавливались станки токарной и сверлильной группы, которые могли проводить обработку только при низкой скорости и невысокой подачи. Появление современного оборудования, в частности станков с ЧПУ, привело к повышению требований, предъявляемых к инструменту. Только появление инструментальной стали и твердых сплавов позволило полностью раскрыть потенциал современного оборудования. Также не стоит забывать, что для получения качественных поверхностей должна существенно увеличиваться скорость подачи, повысить производительность можно при увеличении подачи. Современные режущие инструменты могут выдерживать неоднократные циклы нагрева и охлаждения, срок эксплуатации при этом увеличивается в несколько десятков раз.
Высококачественных деталей. Примером можно назвать конструкцию ДВС, которая имеет поверхности с точными размерами и шероховатостью. Для того чтобы при эксплуатации подвижные элементы не меняли свою форму по причине нагрева их изготавливают из инструментальной стали.
Приборов, применяемых для проведения точных измерений. Для получения небольших деталей с точностью линейных размеров в несколько сотен миллиметров заготовка не должна нагреваться или деформироваться за счет оказываемого давления со стороны режущего инструмента.
Литейной прессформы, которая должна выдерживать существенное давление.

Применение углеродистых инструментальных сталей в зависимости от марки

Для изготовления деталей больше всего подходить марка У7 или У7А, для изготовления режущего и другого инструмента У10 или У12. Данная закономерность связана с тем, что для получения режущего инструмента должны использоваться более твердые металлы.

Маркировка углеродистых инструментальных сталей в данном случае указывает на процентное содержание углерода и наличие других примесей.

Свойства углеродистой инструментальной стали во многом определяются концентрацией углерода – чем больше, тем поверхность тверже, но повышается и хрупкость.

При холодном прессовании могут применяться марки У10 – У12. Проведенные тесты указывают на то, что их твердость составляет 57-59 HRC. Среди особенностей отметим:

Достаточно высокую вязкость.
Высокий уровень сопротивления деформациям пластического типа.
Повышенная износостойкость.

Если габариты инструмента большие, то могут применяться сплавы, в состав которых включаются полезные примеси.

Принято разделять инструментальные качественные стали на 5 основных групп:

Износостойкие, теплостойкие и высокотвердые – группа, представленная быстрорежущей легированной сталью. Кроме этого в данную группу относят сплавы с ледебуритной структурой, которая характеризуется повышенной концентрацией углерода (более 3%). Применение инструментальных углеродистых сталей данной группы заключается в изготовлении инструментов, которые могут подвергаться воздействию высокой температуры из-за установки высоких скоростей резания.
Теплостойкие и вязкие стали представлены сплавом, который имеет в своем составе молибден, хром и вольфрам. Химический состав инструментальной углеродистой стали данной группы характеризуется низким значением концентрации углерода.
Нетеплостойкие, вязкие и высокотвердые стали имеют небольшое количество примесей и среднее значение углерода. Данной группе характерен невысокий показатель прокаливаемости.
Средняя теплостойкость, высокая твердость, износостойкость – качества, свойственные металлам с 2-3% углерода и 5-12% хрома.
Низкая устойчивость к теплу и высокая твердость характерны сталям с заэвтектоидной структурой. В большинстве случае они не имеют легирующих элементов или их концентрация очень мала. Высокий уровень твердости обеспечивается за счет высокой концентрации углерода.

Высококачественная инструментальная сталь может подвергаться дополнительной химико-термической обработке для изменения состава и перестроения кристаллической решетки, за счет чего и достигаются необычные эксплуатационные качества.

Изделия из углеродистой инструментальной стали

Твердость считается основным параметром, высокое значение которого не позволяет использовать сталь при изготовлении инструментов или деталей, подвергающихся во время эксплуатации ударам или вибрации. Эта рекомендация связана с тем, что при увеличении концентрации углерода повышается твердость, но вязкость уменьшается. Уменьшение вязкости становится причиной повышения хрупкости структуры, в результате воздействия ударной нагрузки могут появляться трещины и другие дефекты, поверхность откалываться.

Классификация по уровню твердости выглядит следующим образом:

Высокий показатель вязкости и пониженная твердость характерны металлам, которые в составе имеют не более 0,4-0,7% углерода.
Высокая износостойкость и твердость поверхностного слоя достигаются при насыщении структуры металла углеродом до 0,7-1,5%.

Больший показатель концентрации углерода делает металл очень хрупким, что не позволяет его использовать в качестве материала при изготовлении инструмента. Кроме этого легирующие элементы способны повысить вязкость и снизить хрупкость при условии большой концентрации углерода. В некоторых случаях проводится химическая обработка для обеспечения износостойкой поверхности и вязкого основания, за счет чего инструмент или деталь приобретает высокие эксплуатационные качества.

Углеродистая инструментальная сталь марки могут иметь как цифры, так и буквенные обозначения. В большинстве случаев маркировка инструментальных углеродистых сталей в самом начале имеет букву «У», которая и указывает на тип металла. Обозначение углеродистой инструментальной стали также имеет следующие особенности:

Первое цифирное обозначение после буквы указывает в десятых долях количество углерода в отношении всего состава.
Встречается и буква «А», идущая за цифрой, обозначающей концентрацию углерода в составе. Она указывает на то, что углеродистая инструментальная сталь марка имеет высокое качество.
Для обозначения группы рассматриваемой стали может применяться буква «Р». В данном случае после этого обозначения идет буква, которая указывает на концентрацию вольфрама.
Другие легирующие вещества также указываются соответствующей буквой, после которой идет цифра для обозначения концентрации.
Принято считать, что у стали и рассматриваемой группы в обязательном порядке в составе есть хром, но его концентрация не более 4%. Если после соответствующего буквенного обозначения указывается цифра, то концентрация этого вещества уточняется.

Также можно встретить маркировку инструментальных углеродистых сталей начинающуюся с цифры. Примером приведем распространенные сплавы 9Х или 6ХГВ. Первая цифра также указывает на концентрацию в составе углерода, следующие буквы на легирующие элементы. Если после буквы легирующего элемента не указывается цифра, то принято считать, что их концентрация равна 1%. Кроме этого сама маркировка может начинаться с буквенных обозначений, свойственных легирующим элементам – это указывает на то, что концентрация.

Читайте также: