Инструментальная сталь — это материал для изготовления инструментов, работающих в условиях высоких нагрузок, трения и нагрева. Её главные качества — высокая твёрдость (до 64–66 HRC), износостойкость и способность сохранять режущую кромку.
Основные группы по составу
· Углеродистые (У7–У13): углеродистые инструментальные стали — это высокоуглеродистые сплавы железа с углеродом с содержанием C 0,65–1,4%, без специально вводимых легирующих добавок, ключевые свойства которых напрямую зависят от их состава и обработки.
Эти стали подразделяют на обычные и высококачественные (с индексом "А"). Основное отличие сталей с индексом «А» (например, У7А, У8А, У10А) от обычных углеродистых инструментальных (У7, У8, У10) — это повышенное качество по химическому составу, а именно более жесткие ограничения по содержанию вредных примесей серы (S) и фосфора (P). Так, если в обычных углеродистых сталях (У7, У8…У13) S ≤ 0,04%, P ≤ 0,035%, то в высококачественных (У8А…У13А) - S ≤ 0,03%, P ≤ 0,03% (для некоторых марок даже до 0,025%). Разница в 0,01–0,015% кажется малой, но для металлургии она критична.
Сера вызывает красноломкость — трещины при горячей обработке давлением (ковке, прокатке), а фосфор - вызывает хладноломкость (снижение ударной вязкости при низких температурах). В сталях сера практически не растворяется в железе и образует с ним сульфид железа (FeS). FeS и Fe образуют легкоплавкую эвтектику с температурой плавления около 988°C. Обычный интервал горячей обработки (ковка, прокатка) — 1000–1250°C. При нагреве (например, в процессе ковки) пленки этой эвтектики расплавляются и обволакивают границы зерен; при деформации зерна просто проскальзывают друг относительно друга по жидкой прослойке — металл теряет прочность и рассыпается.
Фосфор резко повышает порог хладноломкости — температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое. Если для чистой стали этот переход может быть при -60°C, то из-за фосфора он поднимается до -10°C или даже +20°C. Фосфор, растворяясь в феррите (твердом растворе углерода в α-железе), образует фосфид железа (Fe₃P), отличающийся хрупкостью и высокой твердостью. Причиной такого поведения материала является преимущественно ковалентный (направленный и жесткий) характер связей Fe–P и особенно P–P. Кроме того, свой вклад в низкую пластичность фосфида железа вносит и его сложная тетрагональная решётка (как у цементита), имеющая очень ограниченное количество систем скольжения, вследствие чего деформация в Fe₃P, даже при нормальных условиях, затруднена и сопровождается образованием трещин.
Таким образом, сера «убивает» сталь в горячем состоянии (при ковке), а фосфор — в холодном (при эксплуатации). Поэтому в качественных сталях их содержание строго лимитируют.
Основой структурного состояния инструментальных сталей является мартенсит и избыточные карбиды Fe₃C. Так, структура стали У8 (0,8% C) после закалки будет состоять из мартенсита, а более углеродистых сталей У10-У13 — из мартенсита и вторичных карбидов.
· Низколегированные (8ХФ, 13Х, 9ХС, ХВГ): суммарное количество легирующих элементов (Cr, Mn, Si, W, Mo) не превышает 5%; эти стали глубже прокаливаются, меньше деформируются.
Главным упрочнителем низколегированных сталей является углерод (0,8-1,3%), формирующий твердый мартенсит, а главным легирующим элементом — хром (0,4-1,5%), для улучшения прокаливаемости (способности стали воспринимать закалку) и повышения износостойкости. Марганец (0,2-1,0%) и кремний (0,1-1,0%) также способствует улучшению прокаливаемости; марганец, кроме того, помогает раскислению, а кремний - повышает прочность. Вольфрам (до 1,2%) повышает твердость и красностойкость; ванадий — образует тугоплавкие, мелкодисперсные карбиды и измельчает зерно, сдерживая его рост при рекристаллизации; никель — повышает вязкость.
· Высоколегированные: делятся на быстрорежущие и штамповые стали.
Быстрорежущие (Р6М5, Р6М5К5, Р18, Р12, Р9): суммарное количество легирующих элементов (W, Mo, Co, V) более 10-15%; стали сохраняют твёрдость до 600–650°C (это «красностойкость»).
Как правило, содержание углерода в быстрорежущих сталях (в зависимости от марки) 0,75-0,95%, хрома — 3,0-4,5%, вольфрама — 5,5-18,5%, молибдена — от 0 до 5,5%, ванадия — 1,0-2,5%, кобальта — от 0 до 5,0%.
Штамповые (Х12МФ, 5ХНМ, 5ХГМ, 3ХВ8Ф, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС): содержат Cr, Ni, Mo, V и состав этих сталей специально оптимизирован для холодной штамповки (очень износостойкие) и горячей (вязкие, выдерживающие теплосмены).
Химический состав штамповых сталей варьируется в пределах: C 0,3-0,5%, Cr 0,5-5,5%, Mn 0-1,6%, Mo 0-1,5%, Ni 0-1,8%, V 0-0,9%, W 0-8,5%, Si 0-1,2%.
Технологическая схема
Стандартная технологическая схема производства большинства изделий из инструментальных сталей состоит подготовительного отжига, механической обработки, закалки и отпуска.
1. Подготовительный отжиг
Цель: хорошая обрабатываемость резанием за счет формирования равновесной структуры с глобулярной сфероидизированной формой карбидов, снижающей твёрдость (HRC 17–23).
· Углеродистые (У7-У13): режим отжига - 760-780°C, выдержка — от нескольких минут до нескольких часов (в зависимости от толщины детали), охлаждение с печью.
Микроструктура доэвтектоидных сталей (У7-У8) — зернистый перлит, заэвтектоидных (У9-У13) — зернистый перлит плюс глобулярный цементит.
· Низкоколегированные (9ХС, ХВГ и др.): режим отжига — нагрев до 780-820°C, выдержка 2-4 часа, охлаждение с печью (40-50°C/ч) до 550-650°C, затем охлаждение на воздухе.
Микроструктура: сорбитообразный перлит (зернистый сорбит) плюс точечные карбиды легирующих элементов (хрома, вольфрама), нерастворившиеся при нагреве.
· Высоколегированные
- быстрорежущие: режим отжига (применим для большинства марок) — нагрев до 850-870°C со скоростью 150-200°C/ч (выдержка в течение 3-4 часов), медленное охлаждение (40-50°C/ч до температуры 720-730°C), выдержка 2-4 часа, охлаждение с печью до 500-400°C, затем окончательное охлаждение на воздухе.
- штамповые (Х12МФ): режим многоступенчатого отжига - нагрев до 850-870°C (время выдержки — из расчета 1 час на каждые 25 мм сечения детали), медленное охлаждение со скоростью 30-40°C в час до 700-750°C (выдержка в течение 3-4 часов), охлаждение со скоростью не более 50°C в час до 550°C, дальнейшее охлаждение до комнатной температуры — на воздухе.
Отметим, что для инструментальных сталей при отжиге необходимо соблюдать защиту от обезуглероживания, чтобы избежать ухудшения показателей твердости после закалки, для чего используют защитную атмосферу, соляные ванны или герметичные контейнеры с наполнителем (чугунная/стальная стружка, древесный уголь).
Микроструктура: высокодисперсная феррито-карбидная смесь.
В быстрорежущих сталях — это сорбитообразный перлит с глобулярными эвтектоидными карбидами Fe, W, Mo и Cr, выделившихся из аустенита по эвтектоидной реакции при охлаждении, и эвтектическими сложнолегированными карбидами ванадия, вольфрама и молибдена, не растворившихся при отжиге. Суммарная доля карбидной фазы в быстрорежущих сталях достигает 20-25%.
В штамповых сталях для холодной деформации (Х12МФ) отжиг формирует структуру зернистого перлита с первичными и вторичными карбидами хрома (Cr7C3, Cr27C6) и ванадия (VC), а в сталях для горячей деформации(5ХНМ, 4Х5МФС)– структуру сорбитообразного перлита с избыточными карбидами или бейнита плюс феррита.
2. Механическая обработка
Цель: придание окончательной формы (точение, фрезерование, сверление, шлифование, нарезание резьбы и т.д.) заготовке. В результате механической обработки заготовка уже имеет геометрию готового изделия (с учетом припусков на возможные деформации).
3. Закалка
Цель: придание изделию требуемой твердости, износостойкости и прочности. Как правило, после закалки с отпуском инструмент обычно не подвергают механической обработке, связанной со съёмом большого слоя металла, а ограничиваются лишь доводкой (шлифование, хонингование, притирка и т.п.).
· Углеродистые
Нагрев: 760-820°C (низкий, чтобы не пережечь зерно), охлаждение: вода (риск трещин) или рассол для самых мелких изделий.
Особенность: тонкий закалённый слой (до 15-20 мм) и мягкая сердцевина (хорошо для ударного инструмента).
Микроструктура закаленного слоя: доэвтектоидная сталь (У7) — мартенсит и остаточный аустенит (2-4%); эвтектоидная сталь (У8) — мартенсит, карбиды и 4-5% остаточный аустенит (4-6%); заэвтектоидная сталь (У10, У12) — мартенсит, вторичный цементит и остаточный аустенит (7-12%).
Микроструктура сердцевины: троостит (высокодисперсная смесь феррита и цементита) — при достаточно высокой скорости охлаждения, сорбит (более крупная пластинчатая структура) — при более низкой скорости охлаждения, при медленном охлаждении — в доэвтектоидных и эвтектоидных сталях (У7, У8) — перлит плюс феррит, в заэвтектоидных сталях (У10-У13) — перлит плюс цементит.
· Низколегированные
Нагрев: 840-870°C (лучше в соляных ваннах или контролируемой атмосфере), охлаждение: масло (или горячий расплав солей, чтобы свести деформацию к нулю).
Особенность: высокая прокаливаемость (насквозь до 50-70 мм), поэтому разумно применять ступенчатую закалку.
Микроструктура: мелкоигольчатый мартенсит закалки, в матрице которого распределены избыточные карбиды и остаточный аустенит. В отличие от углеродистой стали, этот мартенсит легирован хромом, кремнием, марганцем или вольфрамом (в зависимости от марки), что придает ему повышенную теплостойкость и износостойкость. Количество остаточного аустенита в закаленной низколегированной стали выше по сравнению с углеродистой (до 15-18%), что объясняется действием легирующих элементов, которые понижают температуру окончания мартенситного превращения (Мк). Избыточные карбиды в низколегированных сталях — это не только цементит (Fe₃C), а также и сложные легированные карбиды, часть которых не растворяется в аустените при нагреве под закалку (вследствие более высокой температуры растворения), что положительно сказывается на износостойкости инструмента.
· Высоколегированные
- быстрорежущие: нагрев до 1180-1240°C для растворения карбидов (обеспечивают красностойкость), охлаждение на воздухе (превращение в мартенсит происходит при 400-600°C), или в масле для массивных деталей.
Особенность: после нагрева нужна многократная закалка с промежуточным охлаждением до 150-200°C, а также — двойной или тройной отпуск для завершения распада остаточного аустенита.
- штамповые: для холодной штамповки (Х12МФ) - закалка 950-1050°C, охлаждение в масле или на воздухе; для горячей штамповки (5ХНМ, 3Х2В8Ф) - закалка 840-880°C (для хромоникелевых) или 1020-1100°C (для вольфрамовых), охлаждение в масле (малые сечения) или на воздухе.
Микроструктура: высоколегированный мартенсит, большое количество остаточного аустенита (до 20-30%) и нерастворившиеся карбиды (до 20-25%).
Для улучшения стабильности размеров и дополнительного повышения твердости инструментальные стали обрабатывают холодом. Обработка холодом — это, по сути, заключительный этап закалки для сталей, у которых температура окончания мартенситного превращения находится ниже 0°C (углеродистые У8-У13, низколегированные 9ХС, ХВГ, быстрорежущие Р6М5, Р18), вследствие чего при комнатной температуре, после закалки, в этих сталях сохраняется некоторое количество мягкого и пластичного аустенита (до 20-30%). При охлаждении ниже 0°C превращение возобновляется и остаточный аустенит переходит в более твердый мартенсит, а его содержание снижается до 2-4%. Для большинства инструментальных сталей достаточно охлаждения до -(50-80)°C и выдержки 15-30 минут, так как превращение идет очень быстро. Важно помнить, что начинать охлаждение в минусовую область температур нужно немедленно после закалки, пока деталь не остыла до комнатной температуры, промедление стабилизирует аустенит и эффект от дополнительной обработки снижается. При этом необходимо избегать и быстрых перепадов температур, чтобы исключить появление трещин.
После обработки холодом обязателен немедленный отпуск (как правило, низкий при 120-200°C) для снятия внутренних напряжений и предотвращения хрупкости.
4. Отпуск
Цель: снижение закалочных напряжений, трансформация остаточного аустенита в мартенсит и обеспечение нужного сочетания твёрдости и вязкости.
· Углеродистые и низколегированные: низкий отпуск 150-200°C (HRC 58-62).
· Высоколегированные:
- быстрорежущие: высокий отпуск 540-580°C (2-3 цикла по 1 часу), обеспечивает вторичное твердение за счёт дисперсных карбидов и превращает остаточный аустенит в мартенсит. Механизм превращения остаточного аустенита в мартенсит быстрорежущих сталей при высоком отпуске принципиально отличается от обычного охлаждения ниже 0°C: он связан не с понижением температуры, а изменением химического состава самого аустенита в результате выделения дисперсных карбидов. Эти карбиды (ванадия, модибдена, вольфрама, хрома) «вытягивают» из аустенита углерод и легирующие элементы (V, Mo, W, Cr), в результате чего остаточный аустенит обедняется ими, его химический состав приближается к составу обычной низколегированной или даже углеродистой стали. Из-за обеднения аустенита температура начала мартенситного превращения (Мн) поднимается с глубоко отрицательных значений до значений выше комнатной температуры и когда деталь, остывая после высокого отпуска, проходит точку Мн обедненный аустенит превращается в «свежий» (вторичный) мартенсит. В итоге, микроструктура представляет собой мартенсит отпуска плюс дисперсные карбиды.
- штамповые (горячая штамповка): средний отпуск 350-500°C приводит к уменьшению количества остаточного аустенита, повышению вязкости и предела выносливости (усталости). В отличие от быстрорежущих сталей, где остаточный аустенит превращается в мартенсит на стадии охлаждения (вторичное мартенситное превращение), в штамповых сталях при среднем отпуске доминирует изотермический распад аустенита непосредственно при температуре выдержки. В температурном интервале 350-500°C остаточный аустенит, стабильный при комнатной температуре, становится метастабильным и в результате диффузионно-сдвигового превращения практически полностью распадается на феррит и карбиды, а основной фазой после такой термообработки является троостит (или бейнит) отпуска.
Применение
Обычные углеродистые инструментальные стали подходят для неответственного ручного инструмента: зубила, молотки, кернеры, простые топоры, где мелкие дефекты некритичны.
Углеродистые стали с индексом «А»: чище по примесям, поэтому более пластичны, вязки и надежны, они меньше склонны к растрескиванию при закалке. Из них делают высоконагруженный инструмент: метчики, плашки, развертки, сверла по твёрдым материалам, ножовки по металлу, хирургические инструменты.
Спектр применения низколегированных инструментальных сталей очень широк — от ручного инструмента до деталей станков и штампов. Стали неглубокой прокаливаемости (например, 8ХФ, 9ХФ, 13Х) предназначены для изготовления ударно-режущего инструмента, у которого твердая поверхность сочетается с вязкой сердцевиной, что делает их идеальным выбором для слесарно-монтажного инструмента (зубила, кернеры)
и ручного инструмента для дерева (топоры, пилы, стамески, долота). Стали глубокой прокаливаемости (например, 9ХС, ХВГ, Х) - «рабочие лошадки» инструментального производства, из них изготавливают метчики, плашки, сверла, развертки, зенкеры, компоненты штампов холодной штамповки (пуансоны, матрицы и др.).
Высоколегированные инструментальные стали применяют там, где простые и низколегированные марки не справляются, их ключевое преимущество — теплостойкость (способность сохранять твердость при нагреве в процессе интенсивной работы). Из них изготавливают сверла, фрезы, резцы, метчики, плашки, протяжки, развертки, матрицы и пуансоны (для вырубки, гибки и формовки), прокатные валки, молотовые штампы, пресс-формы для литья под давлением, оснастку для прессования профилей, хирургический инструмент, бытовые ножи.
Заключение
Инструментальные стали представляют собой обширный класс материалов, предназначенных для изготовления режущего, штампового и измерительного инструмента, работающего в условиях высоких механических нагрузок, трения и, зачастую, повышенных температур. Их главные отличительные черты — высокая твёрдость (до 64–66 HRC), износостойкость и способность долгое время сохранять режущую кромку.
Выбор конкретной марки инструментальной стали и режима её обработки всегда определяется условиями работы инструмента: требуемой твёрдостью, вязкостью, теплостойкостью, допустимой деформацией и экономической целесообразностью. Правильное сочетание состава и термической обработки позволяет получить инструмент, способный эффективно работать в заданном диапазоне нагрузок и температур, обеспечивая долгий срок службы и стабильность размеров.
Широкий ассортимент инструментальных сталей всегда представлен в компании МЕТАЛЛСЕРВИС.