Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Инструментальные стали — группа сплавов на основе железа, предназначенных для изготовления режущего, измерительного и штампового инструмента. Главное требование к таким сталям — высокая твёрдость рабочей части (как правило, не менее 58 HRC), износостойкость и способность сохранять режущую кромку при эксплуатационных нагрузках.
По химическому составу и назначению инструментальные стали делятся на три основные группы:
Теплостойкость — ключевой критерий выбора. Углеродистые стали теряют твёрдость уже при нагреве режущей кромки выше 200–250 °C, поэтому пригодны только для ручного и низкоскоростного инструмента. Легированные стали работают при несколько более высоких температурах и обеспечивают улучшенную прокаливаемость. Быстрорежущие стали сохраняют твёрдость 60+ HRC при нагреве до 600–640 °C, что позволяет вести обработку на высоких скоростях резания.
ГОСТ 1435-99 распространяется на прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной (углеродистой) стали. Стандарт определяет марки: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12, У13, а также их высококачественные аналоги с буквой А (У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А).
Буква У означает «углеродистая». Следующая цифра — средняя массовая доля углерода в десятых долях процента. Буква А в конце указывает на высококачественную сталь с пониженным содержанием вредных примесей: сера не более 0,018%, фосфор не более 0,025%. Буква Г — повышенное содержание марганца.
У8А — одна из наиболее востребованных углеродистых инструментальных марок. Содержание углерода 0,75–0,84% обеспечивает оптимальное сочетание твёрдости и ударной вязкости, что делает эту сталь пригодной для ударного инструмента: молотков, зубил, крейцмейселей, пробойников, а также деревообрабатывающего инструмента — стамесок, долот, топоров.
Сталь является эвтектоидной (содержание углерода близко к 0,8%), что определяет её структурные особенности: после правильного отжига формируется зернистый перлит, обеспечивающий хорошую обрабатываемость резанием (Кv тв.спл. = 1,2).
ГОСТ 5950-2000 устанавливает требования к прутковой и полосовой продукции из инструментальной легированной стали. Легирование хромом, вольфрамом, марганцем, кремнием и ванадием решает ключевые проблемы углеродистых сталей: повышается прокаливаемость, снижается деформация при закалке, несколько увеличивается теплостойкость и износостойкость.
Первая цифра — массовая доля углерода в десятых долях процента. Если содержание углерода около 1%, цифра перед буквами не указывается. Буквы обозначают легирующие элементы: Х — хром, В — вольфрам, Г — марганец, С — кремний, Ф — ванадий, М — молибден. Цифра после буквы — примерная массовая доля элемента в процентах; отсутствие цифры означает содержание около 1%.
По назначению легированные инструментальные стали подразделяют на:
ХВГ — инструментальная легированная сталь повышенной прокаливаемости. Расшифровка марки: содержание углерода около 1% (цифра не указывается), Х — хром (~1%), В — вольфрам (~1,4%), Г — марганец (~1%). Инструмент из ХВГ закаливается в масле и, как правило, прокаливается насквозь. Ключевое достоинство — минимальная деформация при закалке, что делает эту сталь незаменимой для длинного стержневого инструмента: протяжек, длинных развёрток, метчиков, резьбовых калибров.
9ХС — инструментальная легированная сталь, содержащая около 0,9% углерода, ~1% хрома и 1,2–1,6% кремния. Повышенное содержание кремния придаёт стали высокую прочность, упругость и износостойкость. 9ХС применяется для режущего инструмента (свёрла, развёртки, фрезы, метчики, плашки, протяжки), а также для ответственных деталей, работающих в условиях кручения, изгиба и контактного нагружения.
Быстрорежущие стали (HSS — High Speed Steel) — класс высоколегированных инструментальных сталей, предназначенных для режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Главное отличие от углеродистых и легированных сталей — теплостойкость: быстрорежущие стали сохраняют твёрдость 60+ HRC при нагреве режущей кромки до 600–640 °C.
Буква Р — быстрорежущая (Rapid). Цифра после Р — средняя массовая доля вольфрама. Далее: М — молибден, К — кобальт, Ф — ванадий; цифры после них — массовая доля соответствующего элемента. Хром (~4%) присутствует во всех марках и в обозначении не указывается. Массовая доля ванадия не указывается для марок Р18, Р6М5, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8.
Р6М5 (аналоги: M2 по AISI, HS 6-5-2 по ISO 4957, X82WMoCrV6-5-4 по DIN, SKH51 по JIS) — наиболее распространённая быстрорежущая сталь в мировой практике. Она вытеснила вольфрамовую Р18 благодаря рациональному сочетанию вольфрама и молибдена при сохранении аналогичных режущих свойств.
Р18 — классическая вольфрамовая быстрорежущая сталь с содержанием вольфрама 17–18,5%. Обладает наилучшей шлифуемостью среди быстрорежущих сталей и менее чувствительна к перегреву при закалке по сравнению с Р6М5. Температура закалки — 1270–1290 °C. Твёрдость после термообработки — 63–65 HRC. Применяется для инструмента сложной формы, где критично качество шлифования (протяжки, шевера, зуборезный инструмент).
Правильно проведённая термическая обработка — определяющий фактор работоспособности инструмента. Даже при использовании высококачественной стали ошибки в режимах закалки и отпуска приводят к браку: недостаточной твёрдости, хрупкости, короблению или трещинам.
Термообработка углеродистых сталей включает три основных операции:
Отжиг проводят при 670–700 °C с выдержкой 1–2 часа и медленным охлаждением в печи. Цель — получение структуры зернистого перлита, обеспечивающего наилучшую обрабатываемость (твёрдость после отжига не более 187–217 HB в зависимости от марки).
Закалка осуществляется нагревом до 770–800 °C (точная температура зависит от марки) с охлаждением в воде. Температура воды должна находиться в диапазоне 18–25 °C: при более низких температурах возрастает риск растрескивания, при более высоких — неравномерная твёрдость. Для снижения деформации практикуют закалку через воду в масло.
Отпуск проводят при 140–300 °C в зависимости от требуемого сочетания твёрдости и вязкости. Низкий отпуск (140–200 °C) сохраняет максимальную твёрдость, средний отпуск (240–300 °C) повышает ударную вязкость для ударного инструмента.
Принципиальное отличие от углеродистых сталей — охлаждение при закалке в масле, а не в воде. Это обеспечивает минимальное коробление и позволяет изготавливать инструмент сложной формы и большой длины.
Термообработка быстрорежущих сталей существенно сложнее и требует точного контроля температуры и времени выдержки.
Отжиг — обязательная предварительная операция. Недостаточно отожжённая быстрорежущая сталь склонна к образованию нафталинистого излома — хрупкого разрушения по границам крупных зёрен аустенита.
Закалка проводится при очень высоких температурах (1210–1230 °C для Р6М5, 1270–1290 °C для Р18), необходимых для растворения специальных карбидов M23C6 и M6C в аустените. Обязательны двойной подогрев для предотвращения трещин: первый при 400–500 °C, второй при 800–850 °C в соляной ванне.
Отпуск — трёхкратный при 550–570 °C, по 1 часу каждый цикл. Именно многократный отпуск обеспечивает вторичное твердение и перевод остаточного аустенита в мартенсит.
Выбор марки инструментальной стали определяется условиями эксплуатации: скоростью резания, температурой нагрева кромки, характером нагрузки (ударная или статическая), требованиями к точности геометрии и стойкости инструмента.
При работе с зарубежным оборудованием и инструментом необходимо знать международные аналоги отечественных марок. Стандарт ISO 4957:2018 устанавливает классификацию инструментальных сталей. Ниже приведены ближайшие соответствия:
При правильно проведённой закалке с температуры 780–800 °C в воде и последующем низком отпуске (140–200 °C) твёрдость стали У8А составляет 59–62 HRC. Конкретное значение зависит от температуры отпуска: чем выше температура, тем ниже итоговая твёрдость, но выше ударная вязкость. Для ударного инструмента (зубила, молотки) допускается отпуск при 240–340 °C с получением твёрдости 49–58 HRC.
Обе стали относятся к группе легированных инструментальных сталей повышенной прокаливаемости и во многих случаях взаимозаменяемы. Ключевые отличия: ХВГ содержит вольфрам (1,2–1,6%) и повышенное количество марганца (0,8–1,1%), что обеспечивает минимальное коробление при закалке. 9ХС содержит повышенное количество кремния (1,2–1,6%), который придаёт высокую упругость и износостойкость, но усиливает обезуглероживание при нагреве. ХВГ предпочтительна для длинного инструмента и калибров, 9ХС — для режущего инструмента, работающего при умеренных нагрузках.
После закалки быстрорежущей стали в структуре остаётся значительное количество остаточного аустенита (до 25–30%), который снижает твёрдость и стабильность размеров. При каждом отпуске (550–570 °C, 1 час) из аустенита выделяются мелкодисперсные карбиды, обедняя его по углероду и легирующим элементам. При охлаждении после отпуска часть обеднённого аустенита превращается в мартенсит. Трёхкратный отпуск позволяет снизить содержание остаточного аустенита до 2–3% и получить максимальную твёрдость 63–65 HRC за счёт эффекта вторичного твердения.
Закалка У8А в масле технически возможна, но при малых сечениях не обеспечит сквозной прокаливаемости. Критический диаметр У8А при закалке в масле составляет всего 4–6 мм, то есть только изделия диаметром до 6 мм прокалятся насквозь. Для изделий большего сечения при закалке в масле сердцевина останется мягкой (троостит или сорбит вместо мартенсита). Если требуется минимальное коробление при сечениях более 6 мм, следует выбирать легированные стали ХВГ или 9ХС, которые прокаливаются в масле насквозь.
Ближайший аналог Р6М5 — M2 по классификации AISI (США), HS 6-5-2 по ISO 4957, 1.3343 по DIN/EN (Европа), SKH51 по JIS (Япония). Все эти марки содержат примерно 6% вольфрама, 5% молибдена, 2% ванадия и 4% хрома, обеспечивая схожие режущие свойства и теплостойкость. При замене необходимо сверять конкретные допуски по химическому составу, так как пределы могут незначительно отличаться.
Теплостойкость — это максимальная температура, при которой сталь сохраняет рабочую твёрдость (обычно не менее 58 HRC) после выдержки 4 часа. У углеродистых сталей (У7А–У13А) теплостойкость составляет 200–250 °C, у легированных (ХВГ, 9ХС) — 250–300 °C, у быстрорежущих (Р6М5, Р18) — 620 °C, у кобальтовых (Р9М4К8) — до 640 °C. Теплостойкость определяет допустимую скорость резания: чем выше теплостойкость, тем выше допустимая скорость, тем выше производительность обработки.
Кобальт повышает теплостойкость быстрорежущей стали, увеличивая температуру разупрочнения мартенсита. Стали с кобальтом (Р6М5К5 с 5% Co, Р9М4К8 с 8% Co) сохраняют твёрдость 64–68 HRC при более высоких температурах (630–640 °C против 620 °C у Р6М5). Это позволяет использовать их для обработки труднообрабатываемых материалов: нержавеющих, жаропрочных сталей и сплавов на основе никеля. Однако кобальтовые стали дороже и могут иметь пониженную ударную вязкость.
HSS (High Speed Steel) — общее обозначение быстрорежущей стали, чаще всего соответствующей Р6М5 (M2). HSS-E (или HSS-Co) — быстрорежущая сталь с добавлением кобальта, обычно соответствующая Р6М5К5 (M35) или аналогичным маркам. HSS-E обладает повышенной теплостойкостью и рекомендуется для обработки нержавеющих сталей и труднообрабатываемых сплавов. На практике аббревиатура HSS-PM указывает на порошковую быстрорежущую сталь, имеющую мелкозернистую структуру и максимальные характеристики при прерывистом резании.
Данная статья носит исключительно ознакомительный и справочный характер. Информация предназначена для технических специалистов и не является руководством к действию без проведения собственной проверки применимости данных к конкретным условиям производства. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия, возникшие в результате применения представленной информации. Перед использованием приведённых данных в инженерной практике необходимо обращаться к актуальным редакциям указанных стандартов, технической документации производителей и проводить собственную проверку параметров.
При подготовке статьи использованы следующие авторитетные источники:
Нормативные документы: ГОСТ 1435-99 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия»; ГОСТ 5950-2000 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали. Общие технические условия»; ГОСТ 19265-73 «Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия» (с изменениями N 1–6); ISO 4957:2018 «Tool steels».
Учебная и справочная литература: Геллер Ю.А. «Инструментальные стали», 5-е изд., Металлургия; Сорокин В.Г. и др. «Марочник сталей и сплавов»; Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. «Материаловедение»; Гуляев А.П. «Металловедение»; Новиков И.И. «Теория термической обработки металлов»; Roberts G., Krauss G., Kennedy R. «Tool Steels», 5th ed., ASM International; Totten G.E. «Steel Heat Treatment Handbook», 2nd ed.
Техническая документация производителей: Каталоги и технические руководства Bohler-Uddeholm; Sandvik Coromant Metalworking Products Handbook; Erasteel HSS Technical Guide.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.