Сравнительные таблицы стойкости инструментальных сталей

Таблица 3.1: Углеродистые и легированные инструментальные стали: свойства и применение

Таблица 3.2: Быстрорежущие стали: характеристики и стойкость к истиранию

Таблица 3.3: Твердые сплавы и керамические инструментальные материалы

Полное оглавление статьи

Введение

Стойкость к истиранию является одним из ключевых свойств инструментальных сталей, определяющим срок службы режущего и штампового инструмента. Это комплексная характеристика, зависящая от ряда факторов: твердости материала, его структуры, химического состава, термической обработки и условий эксплуатации. В данной статье представлен подробный анализ различных инструментальных сталей с точки зрения их износостойкости, теплостойкости и механических свойств, а также рассмотрены области их применения.

Углеродистые инструментальные стали

Химический состав и свойства

Углеродистые инструментальные стали (У8А, У10А, У12А) относятся к наиболее простым и доступным инструментальным материалам. Их основным легирующим элементом является углерод в количестве от 0,7 до 1,3%. Увеличение содержания углерода приводит к повышению твердости и износостойкости, но одновременно снижает вязкость и прочность. После закалки и низкого отпуска твердость этих сталей достигает 62-66 HRC, что обеспечивает достаточную стойкость к истиранию при обработке мягких материалов и работе с невысокими скоростями резания.

Стойкость к истиранию

Механизм износостойкости углеродистых инструментальных сталей основан преимущественно на формировании мартенситной структуры с включениями карбидов железа (Fe₃C). При повышении содержания углерода увеличивается количество карбидной фазы, что положительно влияет на сопротивление абразивному износу. Однако низкая теплостойкость (200-220°C) существенно ограничивает их применение в случаях, когда инструмент подвергается значительному нагреву. При превышении температуры красностойкости происходит отпуск мартенсита, снижение твердости и, как следствие, быстрый износ инструмента.

Легированные инструментальные стали

Легирующие элементы и их влияние

Для повышения эксплуатационных характеристик в состав инструментальных сталей вводят легирующие элементы: хром, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт и другие. Каждый из этих элементов оказывает специфическое влияние на свойства стали:

• Хром (Cr) – повышает прокаливаемость, износостойкость и коррозионную стойкость, образуя карбиды типа Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆;
• Вольфрам (W) – образует твердые карбиды WC и W₂C, повышает теплостойкость и сопротивление разупрочнению при нагреве;
• Молибден (Mo) – действует аналогично вольфраму, но более эффективно (1% Mo ≈ 2% W);
• Ванадий (V) – образует мелкодисперсные карбиды VC, повышает твердость, износостойкость и прочность;
• Кобальт (Co) – повышает теплостойкость, твердость и режущие свойства.

Механизмы повышения износостойкости

Легированные инструментальные стали, такие как 9ХС, ХВГ, Х12М, превосходят углеродистые стали по износостойкости благодаря более сложной структуре. Легирующие элементы образуют специальные карбиды, отличающиеся высокой твердостью (до 2000 HV). Эти карбиды равномерно распределены в мартенситной матрице и выступают как барьеры, препятствующие процессам абразивного и адгезионного износа. Кроме того, легирующие элементы замедляют диффузионные процессы, что повышает теплостойкость сталей до 250-500°C в зависимости от марки и состава.

Быстрорежущие стали

Особенности структуры и состава

Быстрорежущие стали представляют собой высоколегированные инструментальные стали, содержащие значительное количество вольфрама, молибдена, хрома, ванадия и кобальта. Их структура после термической обработки состоит из мартенситной матрицы с равномерно распределенными мелкодисперсными карбидами. Характерной особенностью быстрорежущих сталей является многократная термическая обработка, включающая закалку с высоких температур (1220-1280°C) и многократный отпуск при 550-570°C, что обеспечивает оптимальное сочетание твердости и вязкости.

Механизмы износостойкости

Высокая износостойкость быстрорежущих сталей обусловлена двумя основными факторами:

1. Наличием комплексных карбидов типа M₆C, M₂C, MC, содержащих вольфрам, молибден и ванадий, имеющих высокую твердость (до 3000 HV);
2. Дисперсионным твердением при отпуске, приводящим к выделению ультрадисперсных вторичных карбидов, упрочняющих мартенситную матрицу.

Сравнительные испытания показывают, что быстрорежущие стали превосходят углеродистые и легированные стали по абразивной износостойкости в 1,5-2 раза, а по адгезионной – в 2-3 раза. Наиболее высокими показателями обладают кобальтсодержащие стали типа Р6М5К5 и Р18К5Ф2, что делает их незаменимыми при обработке труднообрабатываемых материалов.

Теплостойкость и красностойкость

Ключевым преимуществом быстрорежущих сталей является их высокая теплостойкость (620-650°C), что позволяет использовать их при повышенных скоростях резания. Сохранение высокой твердости (58-62 HRC) при нагреве до 600°C обусловлено устойчивостью комплексных карбидов и замедлением диффузионных процессов благодаря легирующим элементам. Рассчитать относительную стойкость инструмента при повышении скорости резания можно по формуле:

T₁/T₂ = (V₂/V₁)^n

где T₁ и T₂ – периоды стойкости инструмента при скоростях резания V₁ и V₂ соответственно, n – показатель относительной стойкости (для быстрорежущих сталей n ≈ 5-8).

Твердые сплавы

Классификация твердых сплавов

Твердые сплавы представляют собой композиционные материалы, состоящие из тугоплавких карбидов (WC, TiC, TaC) и металлической связки (обычно кобальта). По составу их можно разделить на три основные группы:

• Вольфрамовые (группа ВК) – состоят из карбида вольфрама и кобальта;
• Титано-вольфрамовые (группа ТК) – содержат карбиды вольфрама, титана и кобальт;
• Титано-тантало-вольфрамовые (группа ТТК) – содержат карбиды вольфрама, титана, тантала и кобальт.

Помимо традиционных твердых сплавов, в современном инструментальном производстве применяются также керамические материалы, кубический нитрид бора (КНБ) и поликристаллический алмаз (PCD), обладающие экстремально высокой твердостью и износостойкостью.

Преимущества по износостойкости

Твердые сплавы и сверхтвердые материалы обладают рядом преимуществ по сравнению с быстрорежущими сталями:

• Более высокая твердость (85-95 HRA против 65-67 HRC у быстрорежущих сталей);
• Высокая теплостойкость (900-1500°C);
• Превосходная износостойкость (в 3-10 раз выше, чем у быстрорежущих сталей);
• Возможность работы на высоких скоростях резания (в 3-8 раз выше, чем у быстрорежущих сталей).

Эти преимущества обусловлены фундаментальным отличием в структуре: если в сталях основной фазой является металлическая матрица с включениями карбидов, то в твердых сплавах основу составляют именно карбиды, а металлическая связка служит лишь для обеспечения необходимой вязкости. Благодаря этому твердые сплавы сохраняют высокую твердость при нагреве до температур, значительно превышающих предельные для быстрорежущих сталей.

Выводы и рекомендации

На основе представленных данных можно сформулировать следующие рекомендации по выбору инструментальных материалов в зависимости от условий эксплуатации:

1. Углеродистые инструментальные стали (У8А-У12А) рационально применять для изготовления ручного инструмента, работающего без значительного нагрева, а также для обработки мягких материалов (древесина, пластмассы).
2. Легированные инструментальные стали (9ХС, ХВГ, Х12М) эффективны для инструментов сложной формы, работающих в условиях умеренных скоростей резания и температур.
3. Быстрорежущие стали оптимальны для изготовления сложнопрофильного режущего инструмента (фрезы, сверла, метчики), особенно при необходимости сочетания высокой износостойкости с достаточной вязкостью.
4. Твердые сплавы группы ВК рекомендуются для обработки чугунов, цветных металлов и неметаллических материалов.
5. Твердые сплавы группы ТК и ТТК предпочтительны для обработки сталей на высоких скоростях резания.
6. Керамические материалы и сверхтвердые сплавы целесообразно применять для высокоскоростной и прецизионной обработки закаленных сталей, твердых сплавов и других труднообрабатываемых материалов.