Инструментальные стали

Инструментальные стали и их характеристика

Человек, научившись соединять железо и углерод, получил новый материал, открывший новые возможности и получив до этого неизвестные свойства, присущие твердому материалу. Инструментальный вид стали в этом претерпел в виде существенных изменений, дав человеку возможность применять ее новые характеристики. Так, узлы и детали механизмов, подверженные большим механическим нагрузкам, должны быть повышенно износостойкими, прочными. Это подразумевает использование сталей отличных от конструкционных-инструментальных.

Применение инструментальных сталей

Стали такого вида характеризуются наличием в составе углерода. Его критическое содержание обычно около 0,7%. По структуре они могут быть в следующих видах: доэвтеклоидной, ледеберитной, заэвтектоидной.

В составе есть и вторичные карбиды, оказывающие влияние на внутреннюю структуру. Это не относится к сплавам с доэвтеклоидной структурой. Тем не мене, в других видах она есть в обязательном порядке. Они являются продуктом расщепления мартенсита или возникают при эвтектоидных изменениях.

Классификация инструментальных сталей

Обширно используются инструментальные стали в народном хозяйстве. Их применяют при выпуске:

  • поверхностей штампов для изменения форм деталей при контрастных температурах;
  • приспособлений для резки;
  • инструментов для измерения;
  • оборудования для литейного производства, работающего под давлением.

Инструментальная листовая сталь Для инструментальных сталей в зависимости от области их использования установлены определенные требования. Каждые из них учитываются при производстве, но есть и такие, которые являются общими. В их перечень входят следующие виды показателей:

  • высокий процент вязкости. Это особенно существенно для продукции, которая впоследствии при эксплуатации будет подвергаться значительным механическим воздействиям;
  • показатель прочности;
  • длительный срок эксплуатации;
  • высокий коэффициент твердости.

Каждая из существующих марок стали, используемая при деформации на пониженных температурах, должна иметь следующие отличительные характеристики: гладкой, без шероховатостей основной частью, относящейся к рабочей поверхности, возможностью сохранения стабильной формы, отсутствием деформации. Важными являются и текучесть, упругость, достижение их определенного предела.

Тот сорт стали, который используется в процессе изменения форм при помощи технологии повышения температуры (тепловой деформации), должен иметь следующие свойства: повышенный уровень теплопроводимости, невосприимчивость к отпуску, стойкость к предельным изменениям температур. Требования существуют и для тех марок сталей, которые изготавливают специально для производства приспособлений для резки.

Технические требования

Углеродистые инструментальные стали должны соответствовать следующим условиям:

  • Легко поддаваться обработке металлорежущим оборудованием.
  • Не реагировать на повышенные температуры.
  • Сохранять стабильность в случае присоединения и приклеивания к другим деталям в процессе их обработки.
  • Хорошо поддаваться обработке при шлифовании.
  • Положительно поддаваться прокалке.
  • Сохранять пластичность при нагревании.
  • Сохранять углерод в составе и минимизировать его выделение.
  • Не образовывать трещин в конечном продукте.

Виды инструментальных сталей

инструментальная сталь в металлорежущих станках Производители инструментальных сталей, предлагают пять видов такого материала для производственной сферы, связанной с изготовлением инструмента.

Термостойкие и вязкие инструментальные стали

К ним относятся заэвтектоидные и доэвтектоидные стали. В их составе показатель углерода должен быть в пределах между минимальными и средними значениями. Обязательно наличие в таких легированных сталях молибдена, атомов вольфрама и хрома.

Особо твердые, вязкие, не теплостойкие стали

металлорежущие твердосплавные стали Отличительная черта сортов сталей, инструментального типа - небольшой объем содержания легированных веществ и значительно большее количество углерода. Отсюда устойчивость к прокаливанию.

Особо твердые, теплоустойчивые, износоустойчивые инструментальные стали

К этому виду можно отнести быстро режущиеся стали. В них содержится максимальное количество легирующих элементов, кроме того, есть сплавы с ледебуритным составом (содержание углерода три процента).

Износоустойчивые, особо твердые, со средней степенью теплоустойчивости сплавы

Это стали с заэвтеклоидной и ледебуритной композицией. Составляющие 2 – 3 % углерода. Пределы для хрома от 5 – 12 %.

Особо твердые, не теплостойкие виды инструментальных сталей

использование инструментальных сталей В составе таких видов сталей с заэвтеклоидной композицией нет легированных веществ или их сравнительно мало. На степень прочности в таком составе оказывает влияние содержание именно углерода. Чем его атомов больше в кристаллической решетке, тем лучше для свойства твердости и крепости. Такой вид материала не пользуется спросом при изготовлении инструмента подверженного при эксплуатации ударам и другим значительным физическим нагрузкам. Этим сплавам присущи минимальная вязкость, большая хрупкость, что уменьшает длительность эксплуатации инструмента.

Согласно характеристике твердости, все виды инструментальных сталей можно разделить на следующие виды:

  • содержащие углерод в количестве 0,4 – 0,7 % (повышенное состояние вязкости);
  • с наличием углерода 0,7 – 1,5 % (повышенное состояние износоустойчивости и твердости).

Различают сорта стали по видам уровня прокаливания. Поэтому принципу легированные стали делят на три вида:

  • увеличенная прокаливаемость (применяемый диаметр для прокаливания от 8 см до 10 см);
  • нормальная (диаметр 5 – 8 см);
  • уменьшенная (значение находится в пределах 1 см и до 2,5 см).

Маркировка инструментальных сталей

маркировка инструментальной сталиПонятие маркировки необходимо для установления сорта инструментальной стали. В ее названии значение имеет каждая буква, цифра.

Система простая. Ключевым символом в знаках является буква «У». Это знак углеродистого содержания.

Его может быть незначительные, десятые части процента. Цифры, которые пишутся после буквенного обозначения говорят от его количестве. Может быть и буква «А». Наличие ее говорит об обозначении высокого уровня качества. Написание буквы «Р» обязательно для быстрорежущих сплавов. Вольфрам является лидирующим веществом. О его содержании и количестве говорят цифры после буквы «Р». Количество других составляющих веществ в быстрорежущих сталях (молибдена, ванадия, кобальта) обозначается значениями, стоящими за их первоначальными буквами в маркировке. Кроме этого, в составе есть и хром. Его количество значительно ниже, но обязательно (не более 4 %).

На наличие в составе углерода указывает цифра, которая почти всегда находится в маркировке перед буквами Х, ХС. Так пишут, если углерода мало, не больше процента, если значение меньше, может не быть обозначения и вовсе. В маркировке после букв, называющих легирующий элемент стоят цифры, указывающие на наличие других элементов, обозначенными целыми долями.

Закаливание, отпуск сплавов для инструментальных сталей

закалка стали

Процентное содержание веществ в инструментальных сталях, основные параметры прописаны в ГОСТе 1435. Соответственно марке инструментальной стали процентное содержание углерода находится в рамках 0,65 - 1,35%

Для изготовления инструмента нужно улучшить свойства инструментальной стали (повысить показатель прочности ). Это достигается процессом отжига. Отжиг сферодизирующего вида используют только для сплавов с заэвтектоидной конституцией. Такой вид термического процесса способствует возникновению цементита зернистой структуры.

Нужный объем зерен достигается технологией охлаждения. Достигается это быстро и процесс поддается корректировке.

Выполняя процесс при 290 градусах, можно достичь лучшую степень твердости (56 - 58 HRC). Также показатели твердости нужны для инструментальной стали в производстве инструментов. Изготовленный из такого материала, он может поддаваться значительным нагрузкам и выдерживать их, эксплуатируясь, длительное время. При изготовлении таких видов инструмента как плашки, инструменты для гравирования, напильники показатели завышены около 63 по требованиям шкалы HRC.

В процессе отпуска, температурные пределы выдерживается в рамках 150 до 200 градусов по Цельсию. Процессом закалки повышается прочность углеродистых сталей. Кроме этого, возникает возможность достичь наилучшего соединения железа с углеродом. Виды такого соединения могут быть следующими:

  • карбиды с мартенситом;
  • мартенсит.

Инструментальная штамповочная сталь

штамповочный стан Обработка металлической продукции, изготавливаемой методом физического изменения формы (деформации) происходит в нагретом или холодном виде. Поэтому штампы для таких производственных процессов классифицируют на холодно и горяче деформированные. Понятно, что при изготовлении штампов различных типов используются инструментальные сплавы различных марок.

Углеродистые стали У 10, У 11, У 12 используют для тонких штампов (ширина до 25 мм) холоднодеформированного вида. Твердость сталей этих типов лежит в рамках от 57 до 59 единиц по HRC, критерий вязкости на высоком уровне, сопротивляемость физическим нагрузкам пластического характера достаточно высокая. Степень прочности позволяет выдерживать возможные силовые воздействия, препятствуя повреждениям при эксплуатации.

Для более объемных приспособлений (объем более 25 мм), подверженных максимальным нагрузкам при применении, используют сплавы с высоким составом хрома (Х9, Х, XGBФ).

Сплавы, применяемые для изготовления конструктивных частей, самих инструментов, узлов, которые в процессе работы подвержены значительным механическим воздействиям, обязаны быть особо вязкими (4ХС4 и 5ХНМ).

склад инструментальных сталей

Для выполнения таких задач необходимо обеспечить:

  • низкое содержание количества углерода в сплаве;
  • добавление специальных веществ.

Обязательным условием является обработка высокими температурами всех видов инструментальных сталей.

Поверхности штампов, работающих в условиях высоких температур и с большими механическими усилиями, поддаются серьезным испытаниям. Это предъявляет ряд серьезных требований при выборе сплавов для производства этих штампов:

  • стойкость к образованию мелких механических повреждений при перепаде температур (холод и нагрев);
  • повышенная степень прогревания и проводимости тепла;
  • сопротивление появлению окалины.

Различные требования, соблюдение предписываемых требований обеспечивает получение только качественного материала и его дальнейшее длительное использование.

Марки и химический состав инструментальных сталей по плавочному анализу

Марка стали Массовая доля элемента, %
углерода кремния марганца хрома вольфрама ванадия молибдена никеля
  Группа I
13Х 1,25 - 1,40 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 0,40 - 0,70 - - - -
8ХФ 0,70 - 0,80 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 0,40 - 0,70 - 0,15 - 0,30 - -
9ХФ 0,80 - 0,90 0,10 - 0,40 0,30 - 0,60 0,40 - 0,70 - 0,15 - 0,30 - -
11ХФ  1,05 - 1,15 0,10 - 0,40 0,40 - 0,70 0,40 - 0,70 - 0,15 - 0,30 - -
(11Х)
9ХФМ 0,80 - 0,90 0,10 - 0,40 0,30 - 0,60 0,40 - 0,70 - 0,15 - 0,30 0,15 - 0,25 -
X 0,95 - 1,10 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 1,30 - 1,65 - - - -
9X1 0,80 - 0,95 0,25 - 0,45 0,15 - 0,45 1,40 - 1,70 - - - -
12X1  1,15 - 1,25 0,10 - 0,40 0,30 - 0,60 1,30 - 1,65 - - - -
(120Х, ЭП430)
6ХС 0,60 - 0,70 0,60 - 1,00 0,15 - 0,45 1,00 - 1,30 - - - -
9Г2Ф 0,85 - 0,95 0,10 - 0,40 1,70 - 2,20 - - 0,10 - 0,30 - -
9ХВГ 0,85 - 0,95 0,10 - 0,40 0,90 - 1,20 0,50 - 0,80 0,50 - 0,80 - - -
6ХВГ 0,55 - 0,70 0,10 - 0,40 0,90 - 1,20 0,50 - 0,80 0,50 - 0,80 - - -
9ХС 0,85 - 0,95 1,20 - 1,60 0,30 - 0,60 0,95 - 1,25 - - - -
В2Ф 1,05 - 1,22 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 0,20 - 0,40 1,60 - 2,00 0,15 - 0,30 - -
ХГС 0,95 - 1,05 0,40 - 0,70 0,85 - 1,25 1,30 - 1,65 - - - -
4ХС 0,35 - 0,45 1,20 - 1,60 0,15 - 0,45 1,30 - 1,60 - - - -
ХВСГФ 0,95 - 1,05 0,65 - 1,00 0,60 - 0,90 0,60 - 1,10 0,50 - 0,80 0,05 - 0,15 - -
ХВГ 0,90 - 1,05 0,10 - 0,40 0,80 - 1,10 0,90 - 1,20 1,20 - 1,60 - - -
6ХВ2С 0,55 - 0,65 0,50 - 0,80 0,15 - 0,45 1,00 - 1,30 2,20 - 2,70 - - -
5ХВ2СФ 0,45 - 0,55 0,80 - 1,10 0,15 - 0,45 0,90 - 1,20 1,80 - 2,30 0,15 - 0,30 - -
6Х3МФС  0,55 - 0,62 0,35 - 0,65 0,20 - 0,60 2,60 - 3,30 - 0,30 - 0,60 0,20 - 0,50 -
(ЭП788)
7ХГ2ВМФ 0,68 - 0,76 0,10 - 0,40 1,80 - 2,30 1,50 - 1,80 0,55 - 0,90 0,10 - 0,25 0,50 - 0,80 -
9Х5ВФ 0,85 - 1,00 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 4,50 - 5,50 0,80 - 1,20 0,15 - 0,30 - -
8Х6НФТ  0,80 - 0,90 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 5,00 - 6,00   0,30 - 0,50   0,90 - 1,30, титана 0,05 - 0,15
(85Х6НФТ)
6Х4М2ФС  0,57 - 0,65 0,70 - 1,00 0,15 - 0,45 3,80 - 4,40 - 0,40 - 0,60 2,00 - 2,40 -
(ДИ55)
Х6ВФ 1,05 - 1,15 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 5,50 - 6,50 1,10 - 1,50 0,50 - 0,80 - -
8Х4В2МФС2  0,80 - 0,90 1,70 - 2,00 0,20 - 0,50 4,50 - 5,10 1,80 - 2,30 1,10 - 1,40 0,80 - 1,10 -
(ЭП761)
11Х4В2МФ3С2  1,05 - 1,15 1,40 - 1,80 0,20 - 0,50 3,50 - 4,20 2,00 - 2,70 2,30 - 2,80 0,30 - 0,50 Не более 0,40
(ДИ37)
6Х6В3МФС  0,50 - 0,60 0,60 - 0,90 0,15 - 0,45 5,50 - 6,50 2,50 - 3,20 0,50 - 0,80 0,60 - 0,90  
(55Х6В3СМФ, ЭП569)
Х12 2,00 - 2,20 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 11,50 - 13,00 - - - -
Х12МФ 1,45 - 1,65 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 11,00 - 12,50 - 0,15 - 0,30 0,40 - 0,60 -
Х12Ф1 1,25 - 1,45 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 11,00 - 12,50 - 0,70 - 0,90 - -
Х12ВМФ 2,00 - 2,20 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 11,00 - 12,50 0,50 - 0,80 0,15 - 0,30 0,60 - 0,90 -
Группа II
5ХНМ 0,50 - 0,60 0,10 - 0,40 0,50 - 0,80 0,50 - 0,80 - - 0,15 - 0,30 1,40 - 1,80
5ХНВ 0,50 - 0,60 0,10 - 0,40 0,50 - 0,80 0,50 - 0,80 0,40 - 0,70 - - 1,40 - 1,80
5ХНВС 0,50 - 0,60 0,60 - 0,90 0,30 - 0,60 1,30 - 1,60 0,40 - 0,70 - - 0,80 - 1,20
7X3 0,65 - 0,75 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 3,20 - 3,80 - - - -
8X3 0,75 - 0,85 0,10 - 0,40 0,15 - 0,45 3,20 - 3,80 - - - -
4ХМФС  0,37 - 0,45 0,50 - 0,80 0,50 - 0,80 1,50 - 1,80 - 0,30 - 0,50 0,90 - 1,20 -
(40ХСМФ)
4ХМНФС 0,35 - 0,45 0,70 - 1,00 0,15 - 0,45 1,25 - 1,55 - 0,35 - 0,50 0,65 - 0,85 1,20 - 1,60
3Х2МНФ 0,27 - 0,33 0,10 - 0,40 0,30 - 0,60 2,00 - 2,50 - 0,25 - 0,40 0,40 - 0,60 1,20 - 1,60
5Х2МНФ  0,46 - 0,53 0,10 - 0,40 0,40 - 0,70 1,50 - 2,00 - 0,30 - 0,50 0,80 - 1,10 1,20 - 1,60
(ДИ32)
4Х3ВМФ  0,40 - 0,48 0,60 - 0,90 0,30 - 0,60 2,80 - 3,50 0,60 - 1,00 0,60 - 0,90 0,40 - 0,60 -
(3И2)
3Х3М3Ф 0,27 - 0,34 0,10 - 0,40 0,20 - 0,50 2,80 - 3,50 - 0,40 - 0,60 2,50 - 3,00 -
4Х5МФС 0,32 - 0,40 0,90 - 1,20 0,20 - 0,50 4,50 - 5,50 - 0,30 - 0,50 1,20 - 1,50 -
4Х4ВМФС  0,37 - 0,44 0,60 - 1,00 0,20 - 0,50 3,20 - 4,00 0,80 - 1,20 0,60 - 0,90 1,20 - 1,50 -
(ДИ22)
4Х5МФ1С  0,37 - 0,44 0,90 - 1,20 0,20 - 0,50 4,50 - 5,50 - 0,80 - 1,10 1,20 - 1,50 -
(ЭП572)
4Х5В2ФС  0,35 - 0,45 0,80 - 1,20 0,15 - 0,45 4,50 - 5,50 1,60 - 2,20 0,60 - 0,90 - -
(ЭИ958)
4Х2В5МФ  0,30 - 0,40 0,10 - 0,40 0,10 - 0,45 2,20 - 3,00 4,50 - 5,50 0,60 - 0,90 0,60 - 0,90 -
(ЭИ959)
5Х3В3МФС  0,45 - 0,52 0,50 - 0,80 0,20 - 0,50 2,50 - 3,20 3,00 - 3,60 1,50 - 1,80 0,80 - 1,10 Ниобия 0,05 - 0,15
(ДИ23)
05Х12Н6Д2МФСГТ  0,01 - 0,08 0,60 - 1,20 0,20 - 1,20 11,50 - 13,50 - 0,20 - 0,50 0,20 - 0,40, меди 1,40 - 2,20 5,50 - 6,50, титана 0,40 - 0,80
(ДИ80)