Требования, предъявляемые к инструментальной стали

31.05.2018
Качество и стойкость инструмента в работе определяются комплексом многих факторов, основными из которых являются:

а) правильный выбор состава стали для изготовления того или иного типа инструмента;

б) применение рационального режима горячей механической обработки инструментальной стали (прокатки и ковки) и термической обработки самого инструмента;

в) правильное конструирование инструмента, а для режущего, инструмента — также применение рациональной, геометрии его режущей грани;

г) рациональная эксплуатация инструмента.

Выбор состава стали и определение наиболее эффективного режима обработки _того или иного типа инструмента должны прежде всего учитывать назначение инструмента, в работе, его форму и размеры и условия эксплуатации.

Можно выделить следующие основные группы инструмента:

1) режущий инструмент, обрабатывающий металл снятием стружки;

2) инструмент для штамповки и деформирования изделий в холодцом состоянии (инструмент для холодной штамповки) и для резки металла без снятия стружки;

3) инструмент для деформирования металла в нагретом состояний (штампы и прессформы);

4) измерительный инструмент;

5) слесарно-кузнечный и монтажный инструмент.

Ниже кратко рассматриваются условия работы, которые надо учитывать при выборе марок стали для перечисленных групп инструмента и при назначении режима обработки их.

А. Режущий инструмент. Для выполнения процесса резания: разрушения поверхности обрабатываемого материала и отрыва стружки инструмент должен обладать высокой твердостью, превышающей твердость обрабатываемого материала. При резании происходит трение между режущей кромкой инструмента и снимаемой стружкой и нагрев самой кромки, так как часть механической энергии резания превращается в тепловую. Количество выделяющегося тепла при некоторых условиях резания может быть очень значительным.

Стойкость режущего инструмента зависит, главным образом, от: а) сечения снимаемой стружки, б) скорости резания, в) свойств обрабатываемого материала — его прочности (твердости) и вязкости, г) состояния поверхности обрабатываемого материала и е) условий охлаждения инструмента в работе.

При увеличении сечения снимаемой стружки, увеличении скорости резания и при обработке материала повышенной прочности и вязкости возрастают усилия, необходимые для деформирования материала и отрыва стружки, возрастают силы трения, а следовательно, и износ режущей кромки. Воздействие каждого из этих факторов в отдельности может вызвать значительное повышение температуры в режущей кромке. Так, например, при обработке отожженной углеродистой стали резцом с большой скоростью резания (35—40 м/мин), но с сечением снимаемой стружки, соответствующим среднеобдирочному режиму (около 3х1,0 мм2), или при обработке такой же стали со средней скоростью резания (20—25 м/мин), но при большем сечении снимаемой стружки (4х2 мм2), разогрев режущей кромки может достигнуть 500—600° и выше? При еще более высокой скорости резания и при обработке более твердого материала, режущая кромка может нагреться до 700—800°

Наоборот, при применении более легких режимов резания, в особенности при небольшой скорости резания, разогрев режущей кромки может быть незначительным.

Энергичный отвод тепла от режущей кромки путем охлаждения ее в процессе резания (эмульсией и т. п.) облегчает условия работы инструмента. Такой отвод тепла легко осуществим для некоторых типов инструмента, например, фрез, зенкеров, многих типов резцов и т. д.

Тщательная подготовка поверхности режущей кромки: ее шлифовка, доводка, химическое травление или хромирование — уменьшает трение, возникающее при резании, и поэтому также эффективно способствует повышению стойкости инструмента в работе. Сталь, применяемая для инструмента, режущая кромка которого сильно разогревается в процессе резания, должна обладать красностойкостью, т. е. способностью устойчиво сохранять мартенситкую структуру, а следовательно, высокую твердость после нагрева до повышенных температур. Этому требованию удовлетворяет быстрорежущая сталь, легированная дорогими элементами: вольфрамом, ванадием, хромом, а иногда молибденом.

Необходимо, кроме того, учитывать, что в зависимости от типа и конфигурации инструмента (например, резьбовые и дисковые фрезы, пилы типа Вагнера и др.) или в зависимости от условий резания, например, при обработке материала с неровной поверхностью, имеющего канавки, выбоины или более твердые включения (песочины в корке литых изделий) или (при работе на вибрирующих станках и т. п., процесс резания происходит с толчками и ударами. В этих случаях металлорежущий инструмент должен обладать определенной вязкостью, для того чтобы тонкая режущая кромка не ломалась при толчках и инструмент не выходил из строя преждевременно.

Таким образом сталь, выбираемая для режущего инструмента, должна иметь после термической обработки следующие свойства:

1) высокую твердость, обычно в пределах 60—65 Rс;

2) высокую износоустойчивость;

3) удовлетворительную вязкость, особенно в фасонном инструменте (с этой целью в некоторых типах инструмента, например, в метчиках, допускается более низкая твердость, 59—62 Rс);

4) красностойкость; надо подчеркнуть, что это свойство необходимо только в инструменте, работающем в условиях, создающих сильный разогрев режущей кромки, т. е. в случаях резания с повышенной скоростью или со средней скоростью, но при снятии стружки большего сечения или при обработке материала повышенной твердости.

Для многих типов режущего инструмента свойство красностойкости не является необходимым, так как по условиям работы (например, ручные метчики, многие типы разверток, фрезеров и др.) их режущая кромка разогревается незначительно и работает, главным образом, на износ. Поэтому для получения высокой стойкости инструмента в ряде случаев совершенно не требуется изготовлять его из более дорогих марок стали, какой, например, является быстрорежущая сталь.

Встречающаяся в заводской практике низкая стойкость отдельных типов инструмента связана иногда не со свойствами стали, а с недостаточно рациональной геометрией режущей кромки или с недостаточно удовлетворительной конструкцией инструмента. Следующий простой пример иллюстрирует необходимость при выборе марки стали для инструмента тщательной и диференцированной оценки всех условий работы инструмента и рационального подбора его) конструкции- Применявшиеся на одном из заводов зенкеры с прямым зубом изготовлялись из быстрорежущей стали марки РФ1. Несмотря на правильное выполнение режима термической обработки, они при расточке отожженной углеродистой стали (0,5% С) обладали неудовлетворительной стойкостью и быстро выходили из строя, так как режущая грань выкрашивалась и теряла свою форму. Произведенная нами замена конструкции зенкера с прямым зубом конструкцией со спиральным зубом (фиг. 1) обеспечила более плавный ход зенкера и позволила устранить удары при его работе. Одновременно зенкер новой конструкции был изготовлен не из быстрорежущей стали, а из более дешевой углеродистой стали марки У12, не содержащей легирующих элементов. В результате изменения изменения конструкции зенкер из углеродистой стали обрабатывал 70—80 деталей вместо 20—30, которые обрабатывал зенкер прежней конструкции, изготовленный из быстрорежущей стали. Высокая красностойкость последней в данном случае не использовалась.
Требования, предъявляемые к инструментальной стали

Перечисленные свойства (высокая твердость, износоустойчивость, красностойкость и требуемая степень вязкости) достигаются подбором химического состава стали и проведением соответствующей горячей механической и термической обработки.

Для получения высокой твердости в марках инструментальной стали, предназначенных для изготовления режущего инструмента, устанавливается повышенное содержание углерода: в большинстве марок в пределах 0,7—1,1%, а в некоторых — до 1,5—1,6% и выше. При таком содержании углерода инструментальная сталь получает после закалки структуру мартенсита и твердость Re.

На фиг. 2, построенной по данным Мак-Квэда, Сайкса, Джефриса и Гроссмана, показаны значения максимальной твердости, которую получает углеродистая сталь после весьма энергичной закалки: в зависимости от содержания углерода в стали.

Сталь, имеющая структуру мартенсита, обладает высокой износоустойчивостью. Однако теория износа показывает, что если в твердой, но сравнительно вязкой основе имеются мелкие и равномерно распределенные включения, еще более твердые, чем основа, то износоустойчивость такой стали дополнительно возрастает. При повышении содержания углерода сверх 0,9% в структуре стали образуются включения избыточного цементита, распределяющиеся после закалки в основной мартенситной структуре (заэвтектоидная сталь). Поэтому сталь, содержащая 1,0—1,2% углерода (и выше), обладает после закалки более высокой износоустойчивостью, чем сталь, содержащая 0,7—0,8% углерода.

Износоустойчивость углеродистой стали можно дополнительно повысить введением в нее легирующих элементов, в частности, хрома, вольфрама и кремния. Хром и вольфрам образуют с углеродом более устойчивые и твердые карбиды, a кремний повышает износоустойчивость основной металлической массы. Хорошую износоустойчивость показывают хромокремнистая марка стали 9ХС (содержащая 0,85—0,95 % С, 0,95—1,25% Cr и 1,2 — 1,6% Si), хромистые марки, например (сталь X (содержащая 0,95—1,1% С и 1,3—1,6% Cr) и др.

Еще более высокое сопротивление износу имеют высокохромистые марки стали Х12 и X12М, coдержащие 11—13% Cr; поэтому сталь Х12 и Х12М применяется для волочильных досок фильеров и т. п., от которых требуется высокая износоустойчивость в работе.

Введение хрома в углеродистую сталь повышает также ее прокаливаемость. Глубина прокаливаемости углеродистой стали, содержащей 0,7-1,2% С, составляет при нормальном режиме обработки (например, при нагреве стали У12 до 780—800° в свинцовой ванне с выдержкой 2—3 мин. и охлаждением в воде) примерно 2—5 мм в зависимости от свойств плавки (размера зерна и т. д.); при введении 0,5% Cr глубина прокаливаемости возрастает примерно до 12—15 мм, а при введении 1,0—1,5% Cr — до 25—30 мм (при охлаждении в масле).

Кроме того, при добавке в углеродистую сталь 1% Cr она приобретает способность закаливаться в масле, получая после такого охлаждения высокую твердость в пределах 60—65 Rс.

Быстрорежущая сталь содержит 0,7—0,9% С. Высокую красностойкость и износоустойчивость быстрорежущая Сталь приобретает за счет совместного воздействия вольфрама (или молибдена), ванадия и хрома. До 1938—1939 гг. в нашей промышленности применялась быстрорежущая сталь марок РФ1, Р, PO с высоким содержанием вольфрама, а в более редких случаях для инструмента, работающего в особо тяжелых условиях, сталь РК5, содержащая, кроме того, кобальт. В промышленности США до 1941—1942 гг. наряду с высоковольфрамовой сталью типа 18-4-1, 18-4-2 и 14-4-2 применялась быстрорежущая сталь, легированная молибденом, а в английской промышленности главным образом высоковольфрамовая сталь. Химический состав перечисленных марок быстрорежущей стали приведен в табл. 1.

Все марки стали, указанные в табл. 1, относятся к группе высоколегированной быстрорежущей стали и являются весьма дорогими, так как они содержат значительный процент вольфрама или молибдена. Сталь обладает более низкой, а сталь PO заметно более низкой стойкостью, чем сталь РФ1, ввиду пониженного содержания в них ванадия. Сталь типа Mo-макс и Лудлум, содержащая высокий процент молибдена, обладает высокой стойкостью, но имеет повышенную склонность к значительному обезуглероживанию при высоком нагреве для ковки или закалки.

В течение последних лет советскими исследователями проводилась большая работа по изысканию новых более дешевых марок быстрорежущей стали. В ходе этих работ в лабораторных условиях и в промышленности проверялись различные составы малолегированной быстрорежущей стали; в основном они могут быть сведены к следующим группам:

1) высокохромистые марки с добавками ванадия: ЭИ116, ЭИ172 и ЭИ216, и также с небольшими добавками вольфрама: ЭИ173 и ЭИ 184;

2) хромомолибденованадиевые марки стали: ЭИ260, ЭИ277 и примерно аналогичные марки, но содержащие, кроме того, небольшие добавки вольфрама: ЭИ284, ЭИ276 и ЭИ290 (ЗИС 332);

3) хромовольфрамо ванадиевые марки, содержащие 8—10% вольфрама, в которых понижение содержания вольфрама компенсировалось введением ванадия в более высоком проценте, чем в стали РФ1; к этой группе относится сталь ЭИ262 а ЭИ347.

В соответствии с данными этих исследований и результатами широких испытаний различных составов стали, выполненных в заводских условиях, для применения в промышленности приняты в настоящее время три марки быстрорежущей стали: РФ1, ЭИ262 и ЭИ184.

С целью экономии вольфрама в США и в Англии с 1941—1942 гг. также были введены новые марки быстрорежущей стали.

Химический состав марок быстрорежущей стали, применяемых в настоящее время, приводится в табл. 2.

Марки стали, указанные в табл. 2, различаются по своим технологическим и режущим свойствам. Поэтому для каждой из них должна быть установлена область применения, в которой использование ее является наиболее эффективным.

Красностойкость быстрорежущей стали в известной мере характеризуется значениями твердости, которые она сохраняет после многократного отпуска при высоких температурах. На фиг. 3 приведена твердость закаленной и отпущенной стали РФ1, ЭИ262, ЭИ184 и американской W-Mo-стали (тип 3) после различных нагревов при отпуске. Кривые на фиг. 3 показывают, что лучшей краностойкостью обладает сталь РФ1 и W-Mo, затем ЭИ262, а меньшей — сталь ЭИ184.

Данные, приведенные в табл. 3 и на фиг. 3, позволяют выбрать марку стали для различных типов режущего инструмента.


Из марок быстрорежущей стали, характеризующихся более высокой красностойкостью, сталь ЭИ262 выгодно отличается по своему химическому составу: она содержит почти в два раза меньше дорогого вольфрама (8,5—9,5%), чем сталь РФ1 (17,5—19.0 %). Поэтому из стали ЭИ262 надо изготовлять режущий инструмент, от которого требуется в работе высокая красностойкость. Практика заводов показала, что при обработке материалов с твердостью до 300 Hв более дешевая сталь ЭИ262 успешно используется на большинстве операций, на которых ранее применялась дорогая сталь РФ1. Следовательно, сталь РФ1 надо применять только в ограниченных пределах, когда можно полностью использовать ее высокие режущие свойства, создаваемые повышенным содержанием в ней вольфрама. В основном сталь РФ1 эффективно применять для инструмента, работающего на особо тяжелых режимах резания (большое сечение снимаемой стружки, высокая скорость резания) и обрабатывающего материал повышенной твердости (выше 280—300 Hв) при невозможности сообщить энергичное охлаждение в процессе работы.

Сталь ЭИ184 целесообразно применять для некоторых типов фасонного инструмента (зенкеры, фрезеры, развертки и т.д.), работающего в менее тяжелых условиях, например, при обработке стали твердостью до 220—230 Нв. В то же время резцы, изготовленные из стали ЭИ184, показывают пониженные режущие свойства не только при обдирочных, но и при полуобдирочных работах. В первый период резания у резцов стали ЭИ184 наблюдается нормальный износ по задней грани, но затем износ быстро возрастает, что приводит к резкой посадке и «сгоранию» резца. При обработке среднеуглеродистой отожженной стали производительность резцов стали ЭИ184 составляет 75—80% производительности резцов стали РФ1.

Указанное назначение отдельных марок быстрорежущей стали является только примерным.

В практике необходимо учитывать все факторы, влияющие на стойкость инструмента, в частности, скорость резания, конструкцию инструмента и т. д. Можно для иллюстрации привести следующий пример: некоторые расточные пластины по своей форме допускают переделку после выхода их из строя на пластины для резцов- Поэтому целесообразно изготовлять их из стали РФ1 или ЭИ262 даже при обработке сравнительно мягкого материала, для того чтобы использовать быстрорежущую сталь два раза — сначала для расточных пластин, а затем для резцов. Применение в этом конкретном случае стали ЭИ184 менее целесообразно, так как использование ее для наварных резцов будет недостаточно эффективным.

При выборе марки быстрорежущей стали надо также учитывать технологические свойства каждой из них.

Сталь ЭИ184 имеет узкий интервал температур закалки; кроме того в случае более высокого нагрева она сохраняет повышенное количество устойчивого остаточного аустенита, в результате чего инструмент после нормального трехкратного отпуска имеет пониженную твердость (58—60 Rс). Для получения высокой твердости инструменту приходится сообщать несколько дополнительных отпусков. Это свойство стали ЭИ184, а также более низкая стойкость ограничивают применение ее для изготовления резцов с наварными пластинами. Наварка резцов производится обычно в очковой печи, что не позволяет достаточно точно регулировать температуру нагрева при закалке (часто объединяемой с наваркой в одну операцию), а измерение твердости каждого наварного резца после отпуска технически весьма затруднительно и практически не производится. Поэтому в цеховых условиях в эксплуатацию могут быть переданы резцы стали ЭИ184 пониженной твердости, а следовательно, и недостаточной стойкости.

Сталь ЭИ262 по сравнению с другими марками быстрорежущей стали характеризуется более низкой шлифуемостыо. Это обнаруживается по «засаливанию» шлифовальных кругов, необходимости более частой правки их и повышенному износу абразивов. Кроме того, при высокой скорости шлифования, принятой для стали РФ1, на поверхности стали ЭИ262 появляются «зажоги» (синие пятна), что является признаком чрезмерного разогрева стали, вызывающего снижение твердости в режущей кромке. Надо подчеркнуть, что в случае плохой или недостаточной шлифовки и доводки поверхность режущей кромки получается неровной, напоминая (при большом увеличении) своеобразную пилу. В работе такого инструмента увеличивается трение и возрастает износ, что резко ухудшает стойкость инструмента. Для получения удовлетворительной поверхности режущей кромки инструмента, изготовленного из стали ЭИ262, надо понижать скорость шлифования и применять более качественные абразивы. Выполненные нами исследования условий шлифования резьбовых фрез показали, что, если продолжительность шлифования одной резьбовой фрезы, изготовленной из стали РФ1, принять за 100%, то производительность шлифования таких же фрез составит 110—120% для стали ЭИ184 и до 160—170% для стали ЭИ262. Поэтому при изготовлении сложного инструмента, шлифуемого по профилю зуба и по затыловке, особенно инструмента высокой точности с мелким шагом, рационально применять сталь РФ1 и ЭИ 184 вместо ЭИ 262.

Сталь РФ1 и ЭИ 184 имеет часто в кованых и катаных прутках большого сечения (более 40—50 мм) значительную карбидную неоднородность, на чем мы более подробно остановимся в дальнейшем изложении. Сталь ЭИ262 имеет меньше дефектов по карбидной неоднородности. При изготовлении инструмента с большим отношением длины к диаметру (например, более 3:1) целесообразно применять сталь ЭИ262, а не РФ1, так как распределение карбидов в заготовках для такого инструмента нельзя эффективно улучшить способами ковки или термической обработки.

В США из числа различных составов быстрорежущей стали наибольшее применение имеет в настоящее время W-Mo сталь (тип 3); ее состав указан в табл. 2.

К числу марок стали, сохраняющих высокую твердость после повышенного нагрева, надо отнести высокохромистые марки стали X12 и Х12М, а затем хромокремнистую сталь 9ХС.

Красностойкость различных марок инструментальной стали можно также сопоставлять по той максимальной температуре отпуска, после которого сталь сохраняет твердость не ниже 60 Rс. По этому признаку марки инструментальной стали можно расположить по группам, указанным в табл. 3.

Высокохромистая сталь Х12М применяется для изготовления фрез, разверток и сверл при обработке отожженной стали твердостью до 180—200 Hв. Эта сталь имеет хорошую стойкость также при обработке несколько более твердого материала в случае ее цианирования. Из стали Х12М целесообразно, кроме того, изготовлять инструмент сложной формы, который должен иметь минимальную деформацию при закалке, причем для получения высокой твердости сталь Х12М можно охлаждать не только в масле, но и в струе воздуха.

Сталь 9ХС используется еще недостаточно широко. Между тем при применении ее для сверл, метчиков, зенкеров и т.д., обрабатывающих мягкую отожженную или отпущенную сталь со средней скоростью резания, сталь 9ХС показывает более высокие режущие свойства, чем хромистые, хромовольфрамовые, вольфрамовые и углеродистые марки инструментальной стали. По сравнению с ними сталь 9ХС имеет несколько худшую шлифуемость, что ограничивает ее применение для шлифуемого инструмента с мелким шагом.

Данные табл. 3 показывают, что остальные марки легированной инструментальной стали: хромовольфрамовые, вольфрамовые и хромистые (химический состав этих марок указан в табл. 7) мало отличаются по своей устойчивости против отпуска от углеродистой стали У12 и У10. Действительно, опыт заводов подтверждает, что в смысле повышения режущих свойств легированная инструментальная сталь типа ХВГ, X, Х09 и др. не дает практических преимуществ по сравнению с углеродистой сталью. Поэтому нет необходимости применять более дорогую легированную сталь этих марок с целью повышения режущих свойств инструмента. Применение легированной стали имеет. другие задачи.

а) Большинство марок легированной инструментальной стали получает требуемую твердость после закалки в случае охлаждения в масле (закаливается в масле), в то время как углеродистая сталь требует замочки в воде (закаливается в воде); поэтому деформация инструмента, изготовленного из легированной стали, при правильном выполнении закалки меньше деформации инструмента, изготовленного из углеродистой стали. Введение марганца в хромистую или в хромовольфрамовую сталь (марка ХВГ) дополнительно уменьшает деформацию стали в процессе закалки. Поэтому для изготовления длинного и сложного инструмента большой точности применяется сталь 9ХВГ и ХВГ или же 9ХС.

В США для этой цели применяется сталь, обычно обозначаемая, как "Tool room oil Hardening", т. e. закаливающаяся в масле; она содержит 0,7—1,0% С, 1,0—1,8%' Mn и не более 0,5% Cr и иногда до 0,3% Mo.

Для многих типов деревообделочного инструмента, особенно длинного и сравнительно тонкого (стамески, долотья и т. д.), который после термической обработки не должен иметь значительной поводки, часто применяют хромистую сталь с более низким содержанием углерода (0,5—0,7%). В США такой инструмент изготовляют из стали с 0,50—0,65% С, 0,30—0,65% Cr и иногда дополнительно легированной молибденом в пределах до. 0,35%. Действующий ОСТ 14958—39 на легированную инструментальную сталь предусматривает изготовление ответственного деревообделочного инструмента из хромовольфрамовой стали 6ХВС, Опыт заводов показывает, что этому назначению также хорошо отвечает более дешевая хромистая сталь 65Х. Златоустовский инструментальный завод при выплавке этой стали придерживается следующего состава: 0,6—0,7% С, 0,5—0,8,%. Cr, до 0,4%' Mn и до 0,4 % Si.

б) Легированная инструментальная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая; поэтому сталь X, 9ХС, 9ХВГ, Х09 применяют при изготовлении инструмента, требующего сквозной прокаливаемости, например, сверл большого диаметра, и т. п.

В американской промышленности изготовляют аналогичный инструмент из хромоуглеродистой стали ("carbon cromium steel"), содержащей 0,8—1,2% С, 0,5—1,8% Cr и не более 0,5% Mo.

в) Введение вольфрама в пределах 0,8—2,2% (марки B1, В2) несколько измельчает зерно стали после закалки, повышает вязкость и позволяет получить более высокую твердость при охлаждении в воде, но мало повышает прокаливаемость. Поэтому сталь В целесообразно применять только для изготовления пил и ножовочных полотен. Более широкое использование этой стали ограничено невозможностью изготовлять инструмент, требующий сплошной или глубокой прокаливаемости (сверла, фрезы с глубоким зубом и т. п.). Кроме того, сталь В не дает необходимой высокой и однородной твердости в случае закалки в масле, что требует охлаждения в воде и не позволяет изготовлять из нее инструмент сложной формы, в котором такое энергичное охлаждение создает трещины.

В США применяется вольфрамоуглеродистая сталь, обозначаемая, как "medium tungsten steel" и содержащая 1,0—1,3% С, до 1,25% W и 0,5% Cr. Ввиду введения в нее хрома в пределах 0,4—0,5% она дает после закалки более высокую и однородную твердость и лучшую прокаливаемоcть, чем сталь В, содержание хрома в которой составляет 0,1—0,3%.

г) Сталь ХВ5, называемая алмазной, получает после закалки очень высокую твердость (67—68 Rc); ее применяют для обработки материалов повышенной твердости (валки холодной прокатки, отбеленный чугун и т. п.); самую обработку ведут в этом случае при небольшой скорости резания, так как сталь ХВ5 не обладает красностойкостью. Сталь ХВ5 дает в процессе закалки незначительное и равномерное изменение размеров («в плюс») и вместе с тем хорошо шлифуется, что позволяет изготовлять из нее инструмент высокой точности для чистовых работ, например, гребенки, обрабатывающие заготовки быстрорежущей стали, если из них надо изготовить изделие сложного профиля (резьбовые фрезы и т. п.). Если обрабатываемые заготовки имеют несколько повышенную твердость (240—320 Hв), то инструмент из стали ХВ5 при обработке на небольшой скорости резания дает чистую поверхность и позволяет получить очень точные размеры.

Примерно аналогичная по составу сталь применяется в США под обозначением "tungsten finishing steel"; она используется для чистовых работ и содержит 1,2—1,5% С, 3,0—5,0% W и до 0,5% Cr.

Значительно меньшее применение получила в промышленности ванадиевая сталь марки Ф (0,95—1,05% С и 0,2—0,4% V), так как она часто не дает однородной твердости после закалки и не показывает заметных преимуществ по сравнению с углеродистой сталью. В США производство подобной стали в военный период прекращено.

В остальных случаях вместо легированной стали надо применять углеродистую сталь, которая по своим режущим свойствам практически нe отличается от более дорогой стали X, 9Х, ХВГ, ХВ5 и др., а в ряде случаев обладает и дополнительными преимущества, ми, так как вследствие неглубокой прокаливаемости позволяет получить инструмент с более вязкой сердцевиной, что, например, требуется для метчиков, некоторых типов разверток и тому подобного инструмента.

Б. Инструмент для деформирования металла в холодном состоянии без снятия стружки. Основными типами такого инструмента являются штампы: вытяжные, обрезные, холодновысадочные, дыропробивные пуансоны, обрезные матрицы, ножи для резки материалов, волочильные доски и фильеры для протяжки и волочения, накатные ролики и т. п. Этот инструмент должен иметь:

1) достаточно высокую твердость, превышающую твердость деформируемого металла, для того чтобы инструмент не менял своей формы в процессе работы;

2) высокую износоустойчивость; это требование особенно важно для вытяжных и холодно-высадочных штампов, выходящих из строя вследствие потери первоначального размера и работающих в условиях повышенного износа;

3) известную вязкость — последняя должна быть больше в штампах, работающих с ударами и выходящих из строя вследствие выкрашивания или затупления рабочей части (обрезные матрицы, дыропробивные пуансоны, вырезные штампы и т. д.);

4) незначительную деформируемость при закалке, особенно для штампов сложной формы.

Для получения высокой твердости и износоустойчивости в инструменте, деформирующем металл в холодном состоянии, целесообразно изготовлять его из высокоуглеродистой стали. Действительно, опыт показывает, что применение стали У12 и У10 оказывается вполне эффективным для многих типов штампов. Хромирование рабочей поверхности вытяжных штампов дополнительно повышает их износоустойчивость и дает возможность понизить твердость самого штампа до, 55—60 Rс без уменьшения его сопротивления износу. Это позволяет в свою очередь повысить температуру отпуска штампов, а следовательно, и получить в них более высокую вязкость. Такие штампы, изготовленные из высокоуглеродистой стали и прошедшие хромирование, обладают вполне удовлетворительной стойкостью, не уступающей стойкости штампов из легированной стали.

Применение легированной стали оправдывается, главным образом, в следующих случаях:

а) при изготовлении сравнительно крупных и массивных штампов, в которых требуется получить глубокую прокаливаемость; в этом случае для штампов применяют сталь марок X, Х09, 9ХС, ХГ;

б) для штампов, имеющих резкие переходы, острые углы, вырезы и т. п.; во избежание образования трещин такие штампы надо охлаждать при закалке в масле; однако конструктор должен по возможности заменять острые утлы закруглениями и стремиться избежать резких переходов в сечении;

в) для инструмента повышенной износоустойчивости, например, фильеров, ролочильных досок, а также вытяжных штампов сложной формы при невозможности хромирования последних; для этой цели применяют сталь X12, а при необходимости получить в инструменте большую вязкость — сталь Х12М; для волочильных досок менее ответственного назначения можно применять более дешевую сталь ХЗ;

г) при изготовлении сложных штампов, от которых требуются минимальная поводка и деформация при закалке; небольшие по размеру штампы изготовляют из стали ХВГ и 9ХВГ, а более массивные — из стали Х12М; для этой цели можно применять также сталь марки ХЗ, содержащую 1,8—2,2% С и 3,5—4,0% Cr; сталь Х12М и ХЗ получает высокую твердость после закалки с охлаждением на воздухе и дает в этом случае незначительную деформацию;

д) некоторые штампы, работающие в условиях удара, или очень значительных нагрузок, должны иметь повышенную вязкость даже за счет известного снижения твердости. Для сохранения достаточно высокой износоустойчивости такие штампы изготовляют из более легированной стали 6ХВС и реже — из стали 5ХВГ и 5ХГМ. Эти марки содержат более низкий процент углерода, но легируются вольфрамом, кремнием и марганцем, а сталь 5ХГМ — молибденом.

Американская промышленность применяет для изготовления инструмента, деформирующего металл в холодном состоянии, главным образом, четыре типа легированной стали:

1) высокохромистую, аналогичную стали Xl2М и Х12 и содержащую 1,5—2,2% С, 10—14% Cr и не более 1% Mo; для повышения устойчивости против отпуска и повышения сопротивления износу допускается введение в эту сталь кобальта в пределах не более 3,5 %;

2) хромистую воздушно-закаливаемую («chromium air hardening steel»), содержащую в среднем 1,0% С, 5,0°/о Cr, 0,7% Mn и не более 1,25% Mo;

3) хромоникелевую, содержащую 0,6—0,8% С и не более 0,85% Cr и 1,75% Ni;

4) кремнемарганцовистую, содержащую 0,4—0,7% С, примерно 0,8% Mn, 2% Si, не более 0,5% Cr и 0,5% Mo.

Для изготовления некоторых типов инструмента, например, простых по, форме вытяжных штампов, можно применять и более дешевую конструкционную сталь: углеродистую марок 35, 40, 45 и легированную 40Х, 45Х и др. Сочетание высокой твердости и износоустойчивости поверхности с высокой вязкостью в нижележащих слоях достигается цементацией инструмента после его механической обработки. В этих случаях часто целесообразно применять не малоуглеродистую цементуемую сталь, а приведенные здесь марки стали со средним содержанием углерода (в пределах 0,30—0,50%). Выбор стали) такого состава необходим по следующим соображениям. Инструмент для деформирования металла в холодном состоянии испытывает на поверхности значительные удельные давления. Для того, чтобы твердая цементованная поверхность такого инструмента не «продавливалась» в работе, необходимо, чтобы нижележащие слои металла имели достаточно высокую твердость. Опыт показывает, что твердость этих нижележащих слоев не должна быть ниже твердости цементованного слоя более чем на 7—10 единиц по Роквеллу. Поскольку твердость цементованного слоя после закалки и отпуска составляет 60—62Rс, твердость нижележащего слоя должна составлять 50—55 Rс. Обычно применяемая при цементаций малоуглеродистая сталь не получает после закалки твердости выше 40—45 Rс и не дает достаточно прочной «подушки» для наружного цементованного слоя.

Кроме того, при изготовлении инструмента толщиной 30—40 мм и более надо обеспечить достаточно глубокую прокаливаемость стали, для того чтобы нижележащий слой получил при закалке требуемую твердость на большую глубину. В таких случаях надо применять легированную конструкционную сталь 35Х, 40Х, 4ХС, 30ХГС и 35ХГС. Из этих марок стали изготовляют, например, некоторые типы накатных роликов, вытяжных штампов и т. п.

В. Штампы и прессформы для горячих работ. Штампы. Инструмент этого назначения деформирует металл, нагретый до высоких температур, достигающих 1100—1150°. Работа инструмента происходит в условиях попеременного нагрева его рабочей поверхности от соприкосновения с деформируемым металлом и последующего охлаждения. Чем медленнее выполняется процесс деформирования металла, тем более длительным и высоким оказывается нагрев инструмента.

Конструкция инструмента и условия охлаждения в работе существенным образом влияют на его стойкость. В.Я. Дубовой сообщает, например, что вставные штампы, изготовленные из стали 3ХВ8 и работающие в тяжелых условиях (штамповка стали сильхром), в случае охлаждения на увоздухе в течение 10 мин. после каждых 24 отштампованных деталей обрабатывали в среднем; до выхода из строя 125 деталей. После того как условия охлаждения были изменены и штампы начали охлаждать в воде через каждые 6 деталей, средняя стойкость их возросла до 1500 деталей. Охлаждений штампов струей воды после каждой отштампованной детали еще больше повысило стойкость.

Для охлаждения молотовых штампов целесообразна смазка их рабочей поверхности соляным раствором после каждого удара штампа. Охлаждение происходит за счет испарения воды из раствора, а остающийся слой соли препятствует, как указывает В.Я. Дубовой, застреванию штампуемого изделия в ручьях.

Хорошие результаты дает также систематическая смазка некоторых типов штампов (особенно паунсонов, работающих с большими давлениями) графитовой смесью; такая смазка препятствует сварке металла пуансона с штампуемым металлов и затрудняет образование характерных настылей и налипания частиц металла на поверхности штампа.

Весьма эффективным является внутреннее водяное охлаждение штампа, особенно, если штамп находится длительное время в соприкосновении с горячим металлом (протяжные пуансоны, прессформы). По нашим данным, стойкость пуансонов возрастает в таких случаях в 2—4 раза. Этот способ удобен в эксплуатации и позволяет охлаждать штамп, не снижая темпа и производительности штамповки. Однако для отдельных типов инструмента внутреннее охлаждение не всегда применимо по конструктивным соображениям.

При высоких температурах работы штампы, особенно крупные молотовые и с глубокой полостью или несимметричной формой рабочей фигуры, воспринимают значительные механические нагрузки как изгибающие, так и ударные. Величина и характер этих нагрузок зависят, кроме того, от пластичности деформируемого металла, степени задаваемой деформации и формы, которую должен получить металл в результате штамповки.

Поэтому сталь, назначаемая для штампов, должна иметь:

1) высокие механические качества — прочность и вязкость и достаточную износоустойчивость, сохраняющиеся при повышенных температурах, для того чтобы инструмент не разрушался, не давал трещин в работе, не менял своей формы, не сминался, не имел наплывов и т. п.;

2) хорошую теплопроводность, чтобы обеспечить быстрый отвод в толщу металла тепла, притекающего на поверхность инструмента, и не допустить чрезмерного нагрева рабочей поверхности;

3) достаточную сопротивляемость термической усталости, вызываемой попеременным нагревом и охлаждением рабочей поверхности инструмента; нагрев ее может достигнуть 800—850° в тонком поверхностном слое, в результате чего в этом слое при каждом нагреве и охлаждении могут происходить фазовые превращения и вызываемые ими объемные изменения, создающие так называемый «разгар» в виде сетки трещин на поверхности;

4) достаточную прокаливаемоеть, так как крупные и массивные штампы, особенно молотовые, с глубокими вырезами рабочей фигуры должны иметь однородные свойства по всему рабочему объему.

В отличие от высокоуглеродистых марок стали, назначаемых для режущего инструмента и для инструмента холодной штамповки, сталь для горячих штампов содержит более низкий процент углерода и обладает поэтому лучшей вязкостью и теплопроводностью. Химический состав этих марок указан в табл. 4.

В течение ряда лет штампы изготовляли главным образом из высоколегированных марок стали: хромоникелевых (типа 5ХНМ) и хромовольфрамовых (3ХВ8, 4ХВС). Введение хрома и никеля в сталь 5ХНМ и хрома и вольфрама в стали ЗХВ8 и 4ХВС повышает устойчивость их механических свойств при высоких температурах и обеспечивает глубокую прокаливаемоеть.

За последние годы М. В. Приданиев выдвинул новую более дешевую марку стали 5ХГМ. Штампы, изготовленные из стали 5ХГМ, показывают в эксплуатации такую же стойкость, как и штампы из стали 5ХНМ. Замена никеля марганцем в стали 5ХГM не ухудшает характеристик прочности, поперечного сжатия и удлинения и лишь несколько понижает ударную вязкость. Это ограничивает применение стали 5ХГМ для изготовления особо крупных штампов, например, с наименьшей стороной 400 мм. Поданным испытаний, выполненных при повышенных температурах М.В. Приданцевым, механические свойства стали 5ХГМ в горячем состоянии характеризуются цифрами, приведенными в табл. 5.

Сталь 7X3 (табл. 4) обладает хорошим сопротивлением износу и выработке рабочей фигуры, но имеет, как указывает В.Я. Дубовой, невысокую вязкость (3—5 кгм/см2 после закалки и отпуска на 550°). Поэтому применение стали 7X3 ограничивается, главным образом, использованием ее для горячевысадочных штампов, работающих в менее тяжелых условиях.

Сталь марок ЗХВ8, 4ХВС, 4ХС, 35ХГС, 30ХГС и 35ХМЮА обладает меньшей вязкостью, но имеет более высокие критические точки, чем сталь 5ХНМ и 5ХГМ, что вызвано легированием стали 3ХВВ вольфрамом, стали 4ХВС — вольфрамом и кремнием, а стали, 4ХС, 30ХГС и 35ХГС—кремнием. Эти марки стали обладают высоким сопротивлением разгару. В заводской практике неоднократно наблюдалось, что в процессе эксплуатации тонкий поверхностный слой инструмента, в частности, пуансонов из стали 5ХГМ и 5ХНМ, быстро покрывался сеткой трещин и повышал свою твердость, а сталь в этом слое получала структуру мартенсита, хотя после термической обработки она имела структуру сорбита. Такое изменение структуры вызывалось тем, что в процессе работы пуансона поверхностный слой нагревался выше критической точки, а при охлаждении подкаливался. В то же время нагрев стали 4ХС (а также 35ХГС и 30ХГС) в аналогичных условиях, т. е. при тех же температурах работы, может не достигнуть критической точки (как более высокой в этой стали). В подобных условиях более дешевая хромокремнистая сталь хорошо сопротивляется термической усталости, а изготовленный из нее пуансоны обладают стойкостью в 1,5—2 раза более высокой, чем пуансоны из стали 5ХНМ и 5ХГМ. Указанные марки хромокремнистой стали не имеют еще в настоящее время достаточного распространения, но по указанным причинам, несомненно, получат в дальнейшем более широкое применение для многих типов штампового инструмента.

Сталь 5ХНМ обладает более высокой теплопроводностью, чем сталь 3XB8, что обеспечивает лучший отвод тепла и меньший разогрев поверхности по сравнению со сталью 3ХВ8. Сталь 5ХГМ и 4ХС обладает теплопроводностью, примерно соответствующей теплопроводности стали 5ХНМ.

По прокаливаемости приведенные марки стали можно выделить в следующие группы:

1. Сталь 5ХНМ и 5ХГМ обладает по сравнению с остальными марками стали более высокой прокаливаемостью; крупные блоки из этой стали дают при закалке практически однородную высокую твердость на глубину более 400 мм.

2. Сталь 7X3 прокаливается и дает высокую твердость на глубину до 150 мм.

3. Сталь 4ХС и примерно аналогичная марка 35ХГС дает удовлетворительную прокаливаемоеть и сравнительно однородную твердость на глубину до 90—100 мм, а сталь 30ХГС — на глубину до 65—80 мм.

Сталь ЗХВ8 характеризуется большой глубиной прокаливаемости, однако, ввиду высокого содержания в ней вольфрама, применение стали ЗХВ8 для изготовления штампов нецелесообразно. Для Штампов, работающих в особо тяжелых условиях (при повышенных температурах и при деформировании мало пластичного материала), ее заменяют сталью ЭИ160.

Таким образом при изготовлении крупных и массивных молотовых штампов с наименьшей толщиной 150—200 мм надо применять более глубоко прокаливающуюся сталь 5ХГМ, для более мелких штампов, пуансонов и матриц — сталь типа 4ХС и лишь для особо ответственного инструмента — сталь 5ХНМ и ЭИ 160.

В США для изготовления штампов широко применялась хромоникелевая сталь, типа стали 5ХНМ, и хромовольфрамовая сталь, приближающаяся по составу к стали 3ХВ8. С 1941—1942 гг. промышленность США наряду с этими составами стали начала применять менее легированную хромомолибденовую и хромистую сталь. Химический состав этих марок стали указан в табл. 4.

Широкое применение углеродистой стали для изготовления горячих штампов неизбежно ограничивается ее пониженными механическими свойствами при высоких температурах и ее небольшой прокаливаемостью. Углеродистую сталь можно применять, главным образом, для простых по форме и более дешевых по изготовлению штампов, работающих в сравнительно легких условиях и при более низких температурах нагрева, например, для бойков и мелкого штампового инструмента, а также для деталей, не находящихся в непосредственном соприкосновении с горячим металлом, например, для молотовых штоков. Для повышения механической прочности и лучшей прокаливаемое™ надо применять для изготовления такого инструмента сталь с более высоким содержанием углерода, чем в легированной штамповой стали, в пределах 0,45—0,7%, т. е. сталь марок 45, 60, 55, 60, У7.

Прессформы. Износ прессформ при литье цветных металлов и сплавов под давлением происходит в результате воздействия следующих факторов: а) попеременного высокого нагрева и охлаждения, вызывающих разгар в поверхностных слоях пресс-формы, б) разъедания металла прессформы, особенно значительного в местах непосредственного удара струи заливаемого металла, в) истирания поверхностного слоя и г) приваривания некоторых сплавов, особенно на алюминиевой основе, к металлу пресс-формы и коррозии его

Износ прессформы оказывается тем более значительным, чем выше температура заливаемого металла, так как с повышением температуры возрастают разъедание, коррозия и эрозия.

Для повышения стойкости прессформы необходимо, чтобы сталь, избираемая для ее изготовления, обладала:

а) хорошей теплопроводностью для быстрого отвода тепла от поверхности;

б) высокой сопротивляемостью термической усталости;

в) устойчивостью против коррозии и эрозии;

г) высокими механическими свойствами при повышенных температурах.

Последние три условия требуют выбора для прессформ легированной стали, содержащей обычно хром и вольфрам или кремний. Введение хрома целесообразно для повышения износоустойчивости стали и для создания на поверхности металла пассивирующей пленки окислов, защищающей от коррозии, а воздействие вольфрама и кремния повышает (совместно с хромом) механические свойства при повышенных температурах и сопротивление термической усталости.

Для улучшения теплопроводности стали и повышения сопротивления коррозии содержание углерода в стали должно быть возможно низким

Из группы цветных сплавов более высокие литейные температуры (850—1000°) имеют сплавы на медной основе. Прессформы для таких сплавов изготовляют из стали 3ХВ8.

Сплавы на алюминиевой и магниевой основе имеют более низкие литейные температуры. Прессформы для литья этих сплавов изготовляют из стали 4ХВС. По нашим данным, хорошую стойкость показывают прессформы, изготовленные из стали 30ХГС, а также 35 ХМЮА и 30 ХМА, в США для таких прессформ применяется сталь, содержащая в среднем 0,3% С, 1,0% Si, 50% Cr, 1,5% Mo и 1,25% W.

Прессформы для литья под давлением сплавов на цинковой основе изготовляют из стали 4ХС, 35ХМЮА и 35ХЮА. В США для этой пели применяется сталь, содержащая в среднем 0,45% С и 1,0% Cr.

Г. Измерительный инструмент должен сохранять в условиях службы свои постоянные размеры и форму; он не должен изгибаться, сминаться или быстро изнашиваться в работе. Поэтому измерительный инструмент изготовляют обычно из углеродистой или легированной стали с повышенным содержанием углерода и обрабатывают на высокую твердость, в результате чего он получает требуемую износоустойчивость. Кроме того, измерительный инструмент, изготовляемый с большой точностью, не должен давать поводки или деформации при закалке. Минимальную деформацию дает сталь ХГ, ХВГ и 9ХВГ; этим маркам несколько уступает хромистая сталь X, 9Х, ШХ15 и др. и хромокремнистая 9ХС. На следующее за ними место можно поставить высокоуглеродистую сталь У12. Таким образом для инструмента высших классов точности (обычно I—III классов) надо применять сталь ХГ, а в виде исключения для инструмента I и II классов — сталь 9ХВГ и для остального инструмента сталь ХГ, а при ее отсутствии — сталь 9ХС и X. Углеродистую сталь можно применять для инструмента, меньшей точности и такой конфигурация (например, кольца), которая не позволяет восстановить инструмент после его износа способом дополнительного отпуска при 210—240°. Легированная инструментальная сталь сохраняет после закалки больше остаточного аустенита, чем углеродистая, и поэтому дает большее увеличение размеров в результате распада аустенита при нагреве в интервале 210—240°. Поэтому инструмент, изготовленный из стали ХГ, Х и т. п., можно восстановить после износа в его прежних размерах, в то время как для инструмента из углеродистой стали увеличение размера при таком нагреве оказывается недостаточным. Возможность вторичного использования инструмента из легированной стали полностью окупает ее более высокую стоимость по сравнению с углеродистой.

Длинный и плоский инструмент, например, измерительные скобы, шайбы и т. п., удобно изготовлять из листовой стали. Для этой цели целесообразно применять малоуглеродистую сталь, содержащую 0,15—0,20% 0, и создавать необходимую высокую твердость и износоустойчивость путем цементации.

Д. Кузнечно-слесарный и монтажный инструмент работает обычно в условиях сминания и удара; он должен обладать достаточной твердостью и значительной вязкостью. В ряде случаев для получения повышенной вязкости (например, в пневматических молотках, зубилах и т. д.) необходимо обрабатывать инструмент на более низкую твердость (50—55 Rс). Это требует применения марок стали с содержанием углерода в пределах 0,5—0,8% и выполнения отпуска закаленного инструмента при более высокой температуре по сравнению с отпуском режущего инструмента.

По этим соображениям для изготовления кузнечно-слесарного и монтажного инструмента применяют углеродистую сталь следующих марок:

У8 — при необходимости изготовить инструмент повышенной твердости и достаточной вязкости;

У7 и сталь 55 и 60 — при необходимости изготовить инструмент повышенной вязкости и умеренной твердости.

Для наиболее ответственного инструмента, от которого требуется сочетание твердости, износоустойчивости и вязкости, например, для некоторых типов зубил, применяют легированную хромокремнистую сталь 4ХС. Для пробойников, работающих в тяжелых условиях, надо применять хромистую сталь типа Х05 и Х09.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: