Инструментальные стали

Все огромное разнообразие существующих марок сталей красной полосой под названием «процентное содержание углерода» разделяется на два класса. В частности, к инструментальным относят те, в химическом составе которых углерода более 0,8% (есть, разумеется, и исключения, но они только проверяют общее правило).

Что же это за грань такая – 0,8%?

Всякому, мало-мальски знакомому с материаловедением, известно, что с повышением процентного содержания углерода растут прочностные характеристики стали и её твёрдость и, соответственно, снижаются показатели пластичности. Кроме того, повышенный процент углерода положительно влияет на упругие характеристики сталей. Какие это имеет последствия?

Рассмотрим условия работы тяжелонагруженных металлоконструкций и стального инструмента. В чём разница?

Основой для отнесения того или иного режима эксплуатации машин и инструмента к лёгким, средним или тяжёлым условиям является произведение pv, где р – удельная нагрузка на единицу площади контакта двух смежных поверхностей,  v – относительная скорость перемещения этих поверхностей. Если для стальных конструкций или деталей машин величина максимально допустимого  давления определяется пределом пластичности металла (дальше он начнёт просто плавно «расползаться», теряя свою целостность), то для  инструмента именно с этого значения и начинается настоящая работа сверла, пуансона, метчика – деталей, производящих механическую или пластическую обработку поверхности металла. Понятно, что давления при такой обработке на несколько порядков выше. Ещё интереснее дело обстоит со скоростью. Условием существования целостности детали является наличие одной и той же контактной поверхности, в то время, как при обработке металла эта поверхность постоянно обновляется. Ввиду этого и скорости контактного взаимодействия также оказываются более высокими. В сумме это предопределяет значительно более тяжёлые условия, в которых функционируют все инструментальные стали.

Учёными установлено, что именно при процентном содержании углерода в пределах 0,75…0,8% в микроструктуре стали происходят кардинальные изменения, связанные с размерами  и конфигурацией зёрен.

Указанное может быть наглядно продемонстрировано сравнительными фотографиями микроструктур инструментальной стали (рис.1) и конструкционной (рис.2) после одного и того же режима термической обработки.

Рисунок 1                                                                Рисунок 2

Очевидно, что микроструктура инструментальной стали – равномерная, с преобладанием равновесных, округлых в плане зёрен, в то время как микроструктура конструкционной стали – значительно более грубая, с резкими межзёренными границами, где, к тому же присутствует и третья фаза. В последнем случае механическая прочность и твёрдость  материала резко снижается.

Классификация и применение инструментальных сталей

По применяемости различают:

1. Стали для инструментов обработки металлов резанием (арматура, балка, лист).
2. Стали для штампового инструмента (которые, в свою очередь, подразделяются на стали для инструмента холодной и горячей штамповки).
3. Стали для изготовления контрольно-измерительного инструмента и приспособлений.

По своему химическому составу инструментальные стали могут быть:

1. Нелегированными (технические требования на производство таких сталей регламентируются ГОСТ 1412-81).
2. Легированными, поставляемыми согласно требований ГОСТ 5950-90.
3. Быстрорежущими, которые производятся по ГОСТ 19265-93.

Инструментальная сталь марки, первой буквой в которой является У,  является нелегированной (например, сталь У10 означает, что в химическом составе данной стали присутствует около 1% углерода; стали этого же класса, но повышенного качества, получают к марке приставку А, например, сталь У12А).

Инструментальная сталь ГОСТ 5950-90 чаще всего имеют в своём составе такие элементы, как хром (Х), молибден (М), никель (Н), ванадий (Ф), кремний (С), марганец (Г), вольфрам (В), кобальт (К) и др.

Особое обозначение получили быстрорежущие стали: поскольку они отличаются наибольшим разнообразием своего применения ( успешно используются и для режущего, и для штампового инструмента), то первой буквой в их марке является буква Р*, которая обозначает процентное содержание вольфрама. Таким образом, сталь марки Р6М5 будет содержать в себе около 6% вольфрама и около 5 % молибдена, а сталь Р9К6 – примерно 9% вольфрама и 6% кобальта.

Различия в производстве и обработке инструментальных сталей

Производство инструментальной стали весьма ответственно, поскольку, наряду со значительно более точной выплавкой предусматривает ещё и сложный процесс термической обработки, в зависимости от которого конечный продукт приобретает нужное сочетание твёрдости, упругости, сопротивления смятию и стойкости от ударных нагрузок. Из режимов термической обработки наибольшее значение с точки зрения износостойкости приобретает закалка инструментальных сталей. При различных режимах закалки инструментальной стали свойства её будут резко отличаться между собой. Для сравнения приведём фото микроструктуры одной и той же марки инструментальной стали – Р6М5, но после различных видов термообработки (см. рис.3 а,б,в,г).

Из сравнения рисунков  видно, что исходная микроструктура стали Р6М5 – достаточно грубая, с крупными зёрнами (см. рис. 3,а). Естественно, что такая сталь при всей своей высокой твёрдости будет чрезвычайно хрупкой. Для уменьшения размеров зёрен выполняют горячую проковку заготовок, в результате которой происходит дробление зёрен; с увеличением количества таких проковок эффект дробления зёрен усиливается (см. рис. 3,б). После закалки стали в масло происходит фиксация высокотемпературной структуры карбидов вольфрама и молибдена (см. рис. 3,в), сталь получает очень высокую твёрдость, но и одновременно – высокий уровень остаточных напряжений: при граничных условиях эксплуатации инструмента его стойкость высокой не ожидается. Поэтому на завершающей стадии термообработки выполняют отпуск, в результате которого твёрдость несколько снизится, зато структура станет значительно более равновесной (см. рис. 3,г).

Рисунок 3 — быстрорежущая сталь Р6М5: а – в исходном состоянии после выплавки; б – после проковки и последующего отжига; в – после закалки; г — после отпуска.