Какими бывают инструментальные стали и как их обрабатывают?

Потребителям металлургической продукции очень важно разобраться, что это такое — инструментальная сталь, каковы виды углеродистых сталей и их свойства. Надо четко выяснить, для каких инструментов ее применяют. Также внимания заслуживает прочее применение и нормы ГОСТ, типовое обозначение.

В далеком прошлом один и тот же металл шел на самые разные нужды. Но постепенно обнаружилось, что правильнее делать его со специфическими свойствами для каждой конкретной сферы. И в ходе промышленной революции очень актуальным продуктом как раз стала инструментальная сталь. Ее название говорит само за себя — из таких сплавов делают преимущественно рабочие инструменты и их функциональные части. Все эти сплавы относятся к углеродистым сталям.

Соответствующая классификация означает, что они могут содержать в своем составе как минимум 0,7% углерода. Вступая в реакцию с железом, он образует прочные и стойкие соединения — карбиды. Потому выносливость металла резко повышается по сравнению с малоуглеродистыми сплавами и тем более с чистым железом. Но высокая твердость и прочность достигаются не просто так, не за счет одних только добавок. Они могут быть выработаны только после окончательной термической обработки по специальной технологии.

На конечные свойства и характеристики металлургического продукта влияет также то, подвергают ли его легированию или нет. Такой материал стоит сравнительно недорого. На основе инструментальной стали могут делать как ручной, так и механизированный инструмент различных типов.

Еще каких-нибудь 60 лет назад основным способом получения инструментального сплава была плавка в мартеновской печи. Но этот способ, появившийся в разгар промышленной революции, сейчас встречается все реже и реже. Основную роль в XXI веке играет использование кислородных конвертеров. В конвертер заливают расплавленный чугун и продувают его потоком кислорода. Такая методика позволяет получить готовый продукт гораздо быстрее, чем даже самые совершенные мартеновские печи.

Некоторые предприятия используют также электрическую плавку или бессемеровские конвертеры. Последний вариант оборудования отличается довольно высокой производительностью. Но все дело портит невозможность окончательно удалить все примеси неметаллических элементов. Даже лучшая бессемеровская сталь содержит относительно много серы и фосфора. При использовании кислородного конвертера их концентрация окажется заметно ниже; самый же добротный продукт делают при помощи дуговых печей.

Самые совершенные или, как принято говорить, улучшенного качества — инструментальные стали. Они могут содержать максимум 0,03% фосфора и серы. Если заказывают качественные сплавы, то в них не допускается присутствие более чем 0,035% фосфора и 0,4% серы.

Сплавы классифицируют по признакам и иного рода. Так, очень важная классификация связана с концентрацией углерода. Малоуглеродистым признают металл, в который входит 1/4 процента C. Среднеуглеродистая сталь содержит уже ровно 0,6% карбонового компонента. При большем содержании углерода говорят про высокоуглеродистый состав.

Важно и то, в какой форме представлено железо. По этому параметру выделяют сплавы:

• доэвтектоидного;
• эвтектоидного;
• заэвтектоидного характера (разница между ними связана с соотношением феррита и перлита).

В промышленности часто востребована штамповая разновидность инструментальной стали. Ее получают методом холодной либо горячей деформации. В зависимости от этого могут применяться разные сплавы. Это определяет вязкость и прочность, сопротивляемость износу; наиболее высока механическая стойкость при добавлении хрома. Чаще всего инструментальная сталь является нетеплостойкой, зато отличается хорошей твердостью и отличным уровнем прокаливаемости.

Конкретное обозначение инструментальных сталей определяется тем, насколько они легированы. Углеродистый металл начинают обозначать с буквы «У». После этого ставят одну или две цифры, показывающие десятые доли процента углерода. Самый качественный металл в конце обозначается буквой «А».

Легированный сплав обозначают сначала одной цифрой, которая показывает количество углерода (опять же в десятых долях процента). При концентрации его от 1% и более такое обозначение пропускают. Индексы присутствия легирующих компонентов и их количества создаются так же, как и для других сплавов.

Быстрорежущий металл маркируют прежде всего буквой «Р». После нее идет указание количества вольфрама, который оказывается главной легирующей добавкой. Любой быстрорежущий сплав содержит 4% хрома; его концентрация, как и количество углерода, не маркируется.

Для изготовления инструментальной стали может применяться различный ГОСТ:

• 2590-88 – для горячекатаного круглого металла;
• 2591-88 – для горячего проката квадратной формы;
• 4405-75 – для кованых полос;
• 1435-74 – при выпуске углеродистого металла;
• 5950-2000 – при производстве инструментальной легированной стали, в том числе предназначенной для штампов.

Существует большое количество видов стали, которые применяют для инструментов. Например, сплав 9ХС отличается превосходным уровнем легирования. Заменить такой металл можно при помощи ХВГ или ХВСГ. Основная область использования:

• сверла;
• метчики;
• плашки;
• фрезы;
• клейма, наносимые холодным способом.

Из 9ХС делают еще и ответственные части различных машин и аппаратов. Такое применение сплава обусловлено:

• приличной износостойкостью;
• отменной усталостной прочностью на изгиб, при вращении и контактной нагрузке;
• упругостью.

Инструменты из стали Р18 предназначены прежде всего для:

• обработки отверстий;
• получения внешней резьбы;
• получения внутренней резьбы.

Такой металл отлично справляется с работой по конструкционной либо легированной стали. Доля серы и фосфора в его составе не превышает 0,03%. Концентрация кремния и марганца может доходить до 0,5%. Важную роль в повышении практических характеристик играет хром, доля которого составляет 3,8-4,4%. Из такой высокотвердой стали изготавливают приспособления для работы с металлом, имеющим предел прочности до 1000 МПа.

Сплав Р18 может сохранить свои ценные практические свойства при температурах до 600 градусов. Его поставляют в формате:

• проката различного сечения;
• полос всевозможной геометрической формы;
• обычных и калибруемых прутков;
• профиля, изготавливаемого согласно техническим условиям 14-11-245-88.

Сталь марки 45 (обозначаемая как Ст45) применяется только в некоторых ручных инструментах. Речь идет прежде всего про:

• настольные тиски;
• бандажи;
• круглогубцы и плоскогубцы;
• пассатижи.

В основном же ее отпускают на изготовление:

• станочных кулачков;
• шпинделей;
• цилиндров;
• валов промышленного оборудования;
• шестеренок;
• труб бесшовного исполнения.

Инструментальные углеродистые стали используются для изготовления режущего инструмента различных типов. Наибольший габарит этих приспособлений, однако, составит 1,3 см. Подобное ограничение связано со слабой прокаливаемостью металла. Исключения составляют те изделия, у которых главная часть режущей кромки сосредоточена на поверхности. Получить зенковку, фрезу или ножовку довольно легко на основе сплавов:

• У10;
• У11;
• У13.

Иногда режущий инструмент работает при мощных ударных воздействиях. В такой ситуации рекомендовано делать выбор в пользу сплавов У7 или У8. Их преимущество состоит в увеличенной ударной вязкости. Любая углеродистая инструментальная сталь может быть закалена только при ограниченном диапазоне температур. Нельзя применять ее для высокоскоростного прореза и в иных случаях, при которых рабочая часть прогревается более чем до 220 градусов. Легирование металла позволяет прокалить его на большую глубину. Вероятность перегрева резко уменьшается. Качество термической обработки повышается, а опасность появления трещин при ней снижается. Габарит производимого инструмента, соответственно, увеличивается. Низколегированные стали, такие как 11Х и 13Х, используют для получения метчиков, напильников и ножей.

Уже упомянутый сплав 9ХС и металл категории ХВГС отличается повышенной красностойкостью. Критический температурный уровень — 250 градусов. На основе такого вещества можно делать и плашки, и сверла, и гребенки. Допускается изготовление также прочего инструмента сечением до 8 см.

Еще легированную инструментальную сталь применяют, чтобы делать:

• линейки;
• скобы;
• штангенциркули (но в этом случае предпочтительны уже сплавы категорий Х и ХГ).

Быстрорежущий металл отличается действительно высокой красностойкостью. Такое свойство сохраняется при температурах до 650 градусов. Резать металлические заготовки можно им в 5 раз быстрее. Суммарный срок эксплуатации инструмента вырастает в 20-30 раз. Подобные свойства обеспечиваются введением вольфрама либо молибдена.

Штампованную инструментальную сталь применяют, чтобы изготавливать матрицы и штамповые пуансоны. Холодно-деформированные сплавы используют при температурах от 250 до 300 градусов. Речь идет прежде всего о Х12М и Х12Ф1 — соединения, имеющие ледебуритную структуру. Они отличаются превосходным уровнем прокаливаемости, твердости (64 единицы по шкале HRC) и красностойкости. Из такого металла можно сделать штампы сложной геометрии, ролики для накатки резьбы.

Штампованная сталь, деформированная в горячем состоянии, может работать и с более разогретым металлом. Для нее критичны лишь температуры свыше 550 градусов. Важным свойством для такого продукта выступает разгаростойкость. Так называют способность многократно переносить сильный разогрев и не терять своих ценных свойств.

Правильная закалка и прочая термическая обработка не менее важны, чем выбор подходящего сплава. Такие методы позволяют быстро поменять структуру вещества и повлиять на параметры создаваемого инструмента. Они отражаются также и на сроке эксплуатации изделия. Термообработка инструментальных сталей очень часто проводится в соляной ванне. Это вообще классическая методика работы, которая проверена временем.

Достоинства подобного варианта заключаются в:

• скорости нагрева и оперативной передаче тепла;
• отводе избыточного тепла;
• экономичности работы;
• легкости температурной регулировки;
• приличной защите от вредного действия засорений.

Подбирают обычно нейтральные соли. Но критично оказывается загрязнение ванны — при высокой степени оно может вовсе спровоцировать обезуглероживание металла. Компенсировать или совсем исключить это можно за счет добавок цианистого натрия. После его введения смыть соль также будет проще. Если ванна прогрета до 500-700 градусов, допускается применение BaCl, NaCl, CaCl2. Хлорид кальция, однако, будет сильно поглощать воду. В его присутствии коррозия резко активизируется. Селитряные соли можно применять при 170-500 градусах. Ближе к верхней отметке они оказываются взрывоопасны.

В ряде случаев обработка включает нанесение износостойкого покрытия. В этом случае нужно:

• заблаговременно обезжирить поверхность путем использования трихлорэтилена либо четыреххлористого углерода (внимание, оба вещества опасны!);
• очищать изделие ультразвуком с помощью пищевой соды и фосфорнокислого натрия;
• отмывать заготовку сначала в питьевой, а затем в дистиллированной воде;
• промывать изделие в смеси спирта и ацетона.

Термическая обработка в вакуумной печи распространяется все шире и шире. При таком методе, в сравнении с обработкой в соляной ванне:

• проще поддерживать стабильные свойства деталей в масштабах партии;
• исключается удаление углерода и легирующих веществ;
• сокращаются деформации;
• предотвращается угроза отравления и заражения внешней среды;
• лучше контролируется технологический процесс;
• эффективнее отслеживание каждого параметра.

Однокамерные вакуумные печи преимущественно имеют горизонтальное исполнение. Закалка металла в них идет в струе инертного газа. Иногда она подается под избыточным давлением. Некоторые конструкции рассчитаны на прохождение всего цикла обработки автоматически без перерывов. Вакуум эффективно предотвращает окисление и обезуглероживание.