Выбор инструментальных сталей для режущего инструмента

Цельнометаллический режущий инструмент можно сделать из особого сорта стали, который относится к инструментальной группе железоуглеродистых сплавов. Этот конструкционный материал обладает особыми свойствами и качествами — высокой твердостью, завидной износостойкостью, приличной устойчивостью к ударным нагрузкам. И это еще не весь список выгод применения инструменталки. Поэтому всем токарям, фрезеровщикам, операторам прессов и прочих станков, а также снабженцам цехов металлообработки стоит познакомиться с этим сплавом как можно ближе. Далее по тексту мы рассмотрим виды, способы маркировки и сферу применения разных сортов такой стали.

Зачем нужна инструментальная сталь

Инструменты для обработки материалов резанием функционируют в особых условиях, подвергаясь продольной, поперечной, скручивающей нагрузке, с одновременным воздействием высоких температур на отдельные элементы (чаще всего — режущую головку) и все тело в целом. Для противодействия напряжениям и температурным нагрузкам весь инструмент делают цельнометаллическим, то есть хвостовик изготовлен из того же материала, что и режущая головка. Благодаря этому прочность хвостовика соответствует показателям режущей кромки, что повышает устойчивость ко всем видам нагрузок. Некоторые виды резцов, фрез, метчиков, дисковых и ленточных пил можно сделать только из такой стали.

Кроме режущих разновидностей из однородного материала с высокой прочностью делают инструменты для обработки материалов высадкой и штамповкой, а также литейные пресс-формы. Завидные рабочие качества стали для производства инструментов востребованы и в точном машиностроении. Из этого материала делают отдельные элементы измерительных приборов. Инструменталку можно увидеть даже на стройплощадке. Разнообразие сфер применения породило множество разновидностей этого сорта железоуглеродистого сплава.

Разновидности инструментальных сортов стали

Основа инструменталки — железоуглеродистый сплав с содержанием неметаллической части от 0,7% и выше. Структура такой стали может быть доэвтектоидной (максимум 0,8% углерода), заэвтектоидной (углерода от 0,8 до 2,14 %), ледебуритной (высокоуглеродистый сплав с массовой долей С от 2,14 до 6,67%). Твердость режущей части инструмента определяется структурой стали (чем больше углерода, тем прочнее материал). На остальные качества инструменталки влияют легирующие добавки.

Процентное содержание углерода и тип легирующей добавки определяют сорт стали по ГОСТ. Этот способ классификации предполагает выделение в массе сортов инструментальных железоуглеродистых сплавов пяти разновидностей конструкционных материалов:

1. Сталь с заметной вязкостью и теплостойкостью — легированные хромом, молибденом и вольфрамом марки с низким содержанием углерода, что сказалось на поверхностной твердости и износостойкости.
2. Сплав с высокой твердостью и вязкостью, но с не самой большой теплостойкостью — низкоуглеродистый тип стали с незначительным легированием, поэтому превосходит по своим качествам только конструкционную сталь.
3. Материал с самыми высокими показателями твердости, теплостойкости, износостойкости — легированная марка с ледебуритной структурой зерна и содержанием углерода около 3%.
4. Сталь со средней теплостойкостью и высокой поверхностной твердостью, а также износостойкостью — нержавеющие стали с содержанием хрома около 12% и дозой углерода на уровне 3%.
5. Твердый сорт, у которого есть проблемы с теплостойкостью — высокоуглеродистая конструкционная сталь без легирующих присадок.

Вязкость, твердость, устойчивость к высоким температурам и прочие характеристики определяют сферу применения инструменталки. Поэтому инструменты одного типа чаще всего делают из сплава одной из разновидностей инструментальных сталей.

Сфера применения инструментальных сплавов

Стали с повышенной твердостью и износостойкостью, но недостаточной теплостойкостью относятся к холоднорабочей инструментальной группе. Такая маркировка соответствует штампам и пресс-формам, которые используют для вырубки/высадки заготовки без предварительного нагрева. Сюда же попадают резцы (ножницы) для гильотин, применяемых в полиграфии. У большинства марок из этой группы высокий предел текучести и завидная упругость.

Если увеличить теплостойкость, что предполагает очень высокую скорость отвода тепла, то твердые сплавы можно использовать в литейном деле, при производстве пуансонов и матриц, работающих с горячей заготовкой. Но на предельную теплостойкость в этом случае выходить не нужно, хватит и 600 °C, которые определяют сталь в горячерабочую группу.

Ударная вязкость востребована при производстве молотков, молотов, наковален, долот и прочих аналогичных инструментов. Подобные сплавы называют шок-резистентными. Максимальная теплостойкость в сочетании с твердостью нужна для металлорежущей группы инструментов — резцов, фрез, сверл. Такую группу сплавов называют быстрорежущей. При спектральном анализе быстрореза можно найти следы вольфрама, молибдена, ванадия и кобальта.

Технические характеристики инструментальных сортов стали

Если в маркировке плава стоит слово «инструментальный», это означает, что он останется пластичным даже закалки (долгого нагрева и резкого остывания), у него не будет проблем с прокаливанием, его можно будет обрабатывать абразивами (без этого невозможна заточка). Еще у такого материала будет минимальная склонность последствиям перегрева и высокая устойчивость к ударным деформациям.

Подобный набор свойств и качеств стал возможным благодаря базовому набору характеристик инструменталки. Для каждого сплава из этой группы характерна:

• Стойкость к высоким температурам, с сохранением прочности даже при 900 °C.
• Решетчатая (мартенситная) кристаллическая структура, увеличивающая температуру каления.
• Поверхностная твердость — не менее 65 единиц по шкале Роквелла.

У «инструментальной» группы обязательно будет повышенная стойкость на разрыв, а также высокое сопротивление абразивам. Но это не все отличия инструменталок от обычных легированных марок.

Чем инструментальные сорта отличаются от других железоуглеродистых сплавов

Сорта стальных сплавов отличаются от остальных легированных и конструкционных марок благодаря ориентации на сочетание твердости и теплостойкости. Инструменталка отличается от конструкционки не только сферой применения — из последней разновидности делают исключительно металлоконструкции и иногда держатели или хвостовики для твердосплавных резцов. В любом сорте инструменталки нет того количества фосфора и серы, которое присутствует в конструкционных сортах. Избавленные от фосфора и серы сплавы теряют вредную для металлообработки хрупкость.

При сравнении с углеродистыми сортами стальных сплавов инструменталка выглядит более жаростойкой, поскольку заэвтектоидные и ледебуритные сорта держат изначально высокие рабочие характеристики только до температуры 200 °C. Из углеродистых сплавов можно сделать только ручные металлорежущие инструменты — плашку, метчик, сверло. Для станков нужен быстрорежущий сплав.

При сравнении инструменталки с легированными сплавами наблюдаются более тонкие различия. Конструкционный материал для производства инструментов легируется следующими материалами:

• Вольфрамом — дает стойкость к нагреву и повышает твердость.
• Хромом и никелем — защищают от коррозии даже при непрерывном контакте с охлаждающей жидкостью, а также влияют на прочность.
• Кобальтом — отвечает за важную для ударной прочности вязкость и повышает теплостойкость.
• Молибденом — повышает модуль упругости и стойкость к высоким температурам.
• Ванадием — увеличивает прочность.

В итоге, инструменталку можно назвать легированной сталью, но по сравнению с другими сортами содержание присадок в этом случае жестко регламентировано и указано в соответствующем ГОСТ, который описывает требования к марке.

Основные марки инструментальных видов стали

Согласно ГОСТ существуют несколько видов стальных сплавов, пригодных для инструментального производства. Чаще всего речь идет о следующих группах и стандартах:

• Углеродистая инструменталка (ГОСТ 1435-99) — в этой группе есть сплавы со стандартной и повышенной прочностью, стойкостью к высоким температурам и незначительными легирующими добавками. Из углеродистых марок инструменталки делают ручной инструмент, детали приборов и станков, резцы, части электроинструмента.
• Легированная инструменталка (ГОСТ 5950-2000) — в эту группу попадают сплавы с высокой массовой долей присадок, меняющих свойства стали. Легированные марки идут на пресс-формы и пуансоны, некоторые виды фрез, резцов, метчиков, детали прессов и ковочных машин.
• Быстрорежущая группа (ГОСТ 19265-73) — в нее входит легированные сорта с четко выверенными пропорциями присадок. Далеко не каждая легированная марка является быстрорезом. Из этого материала делают инструменты высокой точности — протяжки, развертки, фасонные фрезы, резьбовые резцы.
• Штамповочная группа (ГОСТ 1265-74) — состоит из марок с высокими показателями прочности. Делится на две подгруппы, совместимых с холодной или горячей деформацией. Из такой инструменталки делают штампы.

За каждой группой стоит свой набор марок сплавов, которые маркируются по определенным правилам. Чтобы понять, какая инструменталка пред вами, достаточно увидеть шифр маркера сплава. Для каждой из четырех групп характерен свой способ шифрования марки, поэтому вы не ошибетесь ни при каких обстоятельства, если будет знать хотя бы краткие правила маркирования инструменталок.

Способы маркировки

Углеродистые сорта обозначаются большой буквой У, которая стоит в самом начале шифра. За буквой идет цифра, указывающая на долю углерода в десятых долях процента. Например, у марки У12 всего 1,2 процента углерода. Если после числа стоит буква А, вам попался сплав с высокой степенью чистоты, избавленный от вредных компонентов (фосфора, серы и прочего).

Легированные и штамповые сорта обязательно содержат в начале букву Х. Иногда они начинаются с цифры, которая указывает на десятую долю процента углерода. Каждая буква в таком шифре соответствует определенной добавке. Например, Х — это всегда хром, Ф — ванадий, М — молибден, а С — кремний. Цифры после букв указывают на процентную долю легирующего элемента в сплаве. Если цифры нет, показатель близок к одному проценту.

Быстрорежущие сорта обязательно содержат в шифре букву Р, которая стоит в самом начале. Кроме обозначения типа инструменталки, в шифре встречаются буквы, указывающие на легирование сплава кобальтом (К) и молибденом (М). Цифры после букв указывают на массовую долю легирующей добавки в процентах. Фактический показатель может быть чуть меньше или больше округленного до целых значений числа.

Теперь вы сможете отличить быстрорез от легированного или углеродистого сорта с первого взгляда на шифр марки, а также знаете, еде можно использовать сплавы конкретного типа. Если у вас остались вопросы — обращайтесь к нашим менеджерам.

Смотрите также:

Труборезы 0