Про инструментальные стали

Инструментальные стали — это разнообразные углеродистые, а также легированные стали, используемые для изготовления инструментов и высокоизносостойких деталей.

Сферы применения инструментальных сталей

К инструментальным относится широкий спектр сталей: легированные и ледебуритные, содержащие < 0,8 % углерода (C/лат. carboneum) — доэвтектоидные, с 0,8 % С — эвтектоидные и с более 0,8 % — заэвтектоидные. Нередко марки обладают высокой стойкостью к коррозии за счет дополнительных химических свойств. Чем тяжелее условия эксплуатации инструментов и деталей (более высокая температура, абразивность, коррозионная активность, нагрузка), тем в сплавах выше содержание карбидов.

При этом в составе сплавов помимо первичных карбидов нередко присутствуют вторичные карбиды, которые выделяются из перенасыщенного твердого раствора при его охлаждении.

Стальные инструменты используют для работы с огромным спектром материалов: металлами (путем ковки, резки, экструзии, волочения, прокатки или литья), полимерами, керамикой и композитами.

По характеру применения инструментальные стали можно сгруппировать так:

  • Используемые для производства измерительных инструментов. К ним относят низколегированные, углеродистые.
  • Материал, из которого изготавливают режущий инструмент. Применяются быстрорежущие стали класса ледебурита, жаропрочные.
  • Для холодной штамповки — это штамповые нетермостойкие стали заэвтектоидного и ледебуритового классов.
  • Для горячей штамповки — штамповые жаропрочные доэвтектоидного — заэвтектоидного классов.

Выбор материала

Различают шесть групп инструментальных сталей: закаленные в воде, стали для холодной обработки, ударопрочные, быстрорежущие, жаропрочные и специальные.

Выбор материала для различных деталей и инструментов зависит от ряда факторов:

  • термостойкости,
  • способности выдерживать ударные нагрузки,
  • стойкости к истиранию,
  • высокой твердости,
  • механической прочности,
  • стойкости к деформации и т.д.

Сплавы, предназначенные для эксплуатации в условиях сурового холодного климата, должны выдерживать температуры от — 45°C до — 100°C. Одновременно иная инструментальная сталь, которую используют для горячей обработки, обеспечивает производство деталей из железа, цветных металлов, их сплавов при высоких температурах. Ее применяют в таких процессах, как литье, экструзия и ковка, в производстве труб и стекла. Инструменты, произведенные из жаропрочных марок, дополнительно подвергаются колебаниям термических нагрузок, возникающих там, где поверхность инструментов контактирует с обрабатываемыми изделиями.

Характеристики инструментальных сталей

Инструментальные стали имеют различные свойства:

  1. Составы, которые легируют вольфрамом (W/лат. wolframium), молибденом (Mo/лат. olybdaenum) и хромом (Cr/лат. chromium), имеют доэвтектоидную либо заэвтектоидную структуру, демонстрируют вязкость и одновременно теплостойкость.
  2. Сплавы с небольшим количеством легирующих элементов и содержанием углерода (C/лат. carboneum) на среднем уровне — нежаростойкие, но являются вязкими, высокотвердыми.
  3. Быстрорежущие высоколегированные стали обладают износостойкостью и теплостойкостью.
  4. Твердые стали с ледебуритной или заэвтектоидной структурой содержат углерод от 2-х до 3% и хром — от 5-ти до 12%, демонстрируют износостойкость и среднюю жаростойкость.
  5. Нелегированные стали с высоким процентом содержания углерода демонстрируют отличную твердость, но не являются теплостойкими.

Важно учесть, что хотя физические характеристики инструментальных сталей не связаны напрямую, иногда имеет смысл пожертвовать одним качеством ради усиления другого, например, ударной вязкостью, чтобы добиться большей износостойкости. Если инструмент деформируется под давлением, то следует повысить его твердость. А чтобы инструмент не ломался и не трескался, нужно увеличить его ударопрочность и ударную вязкость.

Углеродистая сталь инструментальная

Углеродистая инструментальная сталь обычно используется для изготовления измерительных приборов и режущих инструментов небольшого размера с низкой скоростью вращения. Она также является хорошим сырьем для изготовления штампов.

В соответствии с различными требованиями, ее классифицируют как качественную сталь общего назначения и углеродистую инструментальную сталь высокого качества.

Штамповая сталь

Штампы адаптируются к инструментам, для создания которых они используются. Так как штампы производят из конкретных углеродистых и легированных сталей различных марок, их выделили в отдельную категорию. В свою очередь эту категорию дополнительно делят еще на 3 группы:

  • для работы при нормальных температурах;
  • для работы при высоких температурах;
  • стали, имеющие устойчивость к коррозии.

К каждому виду штамповой стали в ДСТУ 5950-2000 предъявляются отдельные требования, однако важнейшим условием для всех видов являются достаточная твердость, сочетающаяся с нужной вязкостью.

Маркировка

Современный период развития промышленности происходит на фоне ускоренной глобализации мировой экономики. Поэтому знания маркировки стали в различных странах сегодня являются одинаково ценными. Так как разнообразных обозначений существует достаточно много, стоит понять саму основу подхода к систематизации.

В Украине

По ДСТУ 3833-98 для маркировки углеродистых сталей используется буква «У» — У13А, У7 и т.д. Высококачественную сталь дополнительно маркируют буквой «А». Цифры указывают на то, сколько углерода содержится в сплаве в десятых долях процента. Присутствие иных химических элементов также обозначают буквами. Например, молибден (Mo/лат. Molybdaenum) обозначают буквой «М», а содержание этого химического элемента в сплаве — цифрами. Иногда маркировка может начинаться не с букв, а с цифр. Например, в инструментальной стали 9ХС (легированной) содержится 0,09% углерода, при этом легирующими элементами являются хром — «Х» и кремний «С». Быстрорежущие стали маркируют буквой «Р».

Европейская система

В системе EN, точно так как и в украинских стандартах, используется буквенно-цифровой индекс для обозначения ключевой информации о материале, включая механические свойства, предел прочности и потенциальное использование. Маркировка может опираться на физические свойства или на химический состав. Например, E295 — нелегированная конструкционная сталь с пределом текучести ReH ≤16 мм ≥ 295 МПа, а C35E4 — закаленная и отпущенная сталь с содержанием (С/англ. сarbon) углерода 0,32-0,39%.

Система маркировки в США

Система, разработанная в США для маркировки сталей, чаще всего опирается на обозначение цифрами. А именно, сталь AISI 1060 является углеродной сталью, в которой содержание С — около 0,60%. Соответственно, сталь AISI 1045 — среднеуглеродистая, с содержанием углерода — около 0,45%. AISI классифицирует хромистые инструментальные стали для горячей обработки в диапазоне от H1 до H19, вольфрамовые — от H21 до H26, молибденовые — H42.

Разобравшись в системе стандартизации, можно легко сравнить сталь, указанную в национальном стандарте, с любым зарубежным эквивалентом в диаграммах и графическом виде.

Закалка и отпуск

Термическая обработка металлов — один из важнейших аспектов производства. Правильный процесс гарантирует, что конечный продукт будет соответствовать всем нужным техническим характеристикам. Существует три основных этапа: отжиг, аустенит и мартенсит. Их можно проанализировать, не вдаваясь в сложные химические процессы.

Начнем с того, что сталь — сплав, созданный путем соединения углерода с железом. В эту смесь нередко добавляют другие элементы, чтобы добиться различных свойств, формирующих характеристики конечного продукта. Например, если добавлен хром, то мы получим нержавейку, которая не окисляется и, соответственно, не ржавеет.

Фазы, которые определяют процесс термической обработки инструментальной стали, изменяют ее структуру. Перестраиваются атомы железа, углерода и любых других компонентов, при этом конечный продукт получает нужные качества.

Отжиг — это процесс термообработки, который влияет на микроструктуру материала, меняя его механические или электрические свойства. Обычно отжиг сталей используется для снижения твердости, повышения пластичности и устранения внутренних напряжений. В этом процессе материал нагревается до нижних областей поля аустенитной фазы и медленно охлаждается до нормальной температуры. Полученный состав состоит из крупного феррита или крупного феррита и перлита, в зависимости от содержания углерода и сплава в стали.

Аустенитная фаза — процесс, который изменяет кристаллическую структуру феррита при помощи высоких температур. Сталь нормализуется при температурах несколько выше, чем при отжиге. В зависимости от термообработки металл приобретает дополнительные желаемые характеристики, например, повышенную твердость или предел прочности на разрыв.

Мартенситное превращение происходит, когда нагретый слав очень быстро охлаждается, тем самым предотвращается медленная перестройка атомной структуры. Конечным результатом является исключительно твердая сталь. Однако атомарное строение инструментальной стали в форме мартенсита очень твердое, что делает материал чрезвычайно хрупким и непригодным для использования. Последующие этапы служат для устранения этой характеристики.

Правильный отпуск — важный шаг в общем процессе. Главным параметром, который определяет свойства создаваемой инструментальной стали, является температура.

  • Низкотемпературный отпуск — 150°C — 250°C. После него повышается показатель вязкости без уменьшения жесткости. Метод применяется для режущих инструментов, измерительных, а также штампов для холодной обработки.
  • Среднетемпературный отпуск — 350°C — 450°C. Он предназначен для образования структуры, которая имеет высокую упругость и выносливость. Материал применяют для рессор, пружин, штампов горячего деформирования.
  • Высокотемпературный отпуск — 500°C — 650°C. Этот процесс обеспечивает наилучшее сочетание отличной ударной вязкости, предела выносливости с удовлетворительной прочностью и твердостью. Из такого материала изготавливают детали, которые могут работать при значительных нагрузках.

Для достижения нужного результата может потребоваться несколько этапов отпуска.

Металлобаза в Днепре ЧП ТД ТАМ — одна из лучших компаний, зарекомендовавших себя на рынке. Нашими приоритетами являются высокий контроль качества и организация непрерывного обучения персонала. Основные направления нашей деятельности — оптовая и розничная продажа металлопроката в Днепре, все виды обработки металла, изготовление профилей и конструкций.