Стали для режущего инструмента

Химический состав некоторых легированных сталей для режущего инструмента (ГОСТ 5950-2000), мае. %

Марка стали	Содержание элементов
	С	Мп	Si	Сг	W	V
X	0,95-1,10	<0,40	<0,35	1,30-1,60	—	—
9ХС	0,85-0,95	0,30-0,60	1,20-1,60	0,95-1,25	—	—
13Х	1,25-1,40	0,30-0,60	<0,35	0,40-0,70	—	—
11ХФ	1,05-1,15	0,40-0,70	<0,35	0,40-0,70	—	0,15-0,30
9ХФ	0,80-0,90	0,30-0,60	<0,35	0,40-0,70	—	0,15-0,30
ХВГ	0,90-1,05	0,80-1,10	<0,35	0,90-1,20	1,20-1,60	—
ХВСГ	0,95-1,05	0,60-0,90	0,65-1,00	0,60-1,10	0,50-0,80	0,05-0,15

Таблица 2.
Режимы термической обработки инструментальных легированных сталей

Марка стали	Отжиг		Закалка			Отпуск
	Температура, °С	Твердость НВ, не более	Температура, °С	Среда охлаждения	Твердость HRC	Температура, °С	Твердость HRC
X	770-800	229	830-860	Масло	62-63	170-210	58-60
9ХС	790-810	241	840-860	Масло	62-63	180-250	58-62
13Х	750-790	241	810-830	Масло	62-64	150-170	62-65
11ХФ	750-790	229	840-860	Масло	62-64	150-170	62-65
9ХФ	760-790	255	850-880	Масло	61-64	200-250	58-60
ХВГ	780-800	255	830-850	Масло	62-63	150-200	62-63
хвсг	790-810	241	840-860	Масло	62-63	140-160	60-63

ленные из них, могут быть использованы только для резания с небольшой скоростью.
Быстрорежущие стали обозначают буквой Р (рапид — скорость), цифры после этой буквы указывают содержание основного легирующего элемента — вольфрама в процентах.
Дополнительное легирование быстрорежущих сталей молибденом, кобальтом, ванадием обозначается в марке буквами М, К, Ф и цифрами, показывающими их количество. Содержание ванадия (до 2 %) и хрома (примерно 4 % во всех сталях) в марке не указывается.
Быстрорежущие стали предназначены для изготовления высокопроизводительного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Имеют высокую теплостойкость (красностойкость) (до 620—640 °С) и износостойкость.
Теплостойкость (сохранение высокой твердости при нагреве до температуры 500—620 °С) достигается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием). Химический состав и теплостойкость некоторых распространенных марок быстрорежущих сталей приведены в табл. 2.3.
Примеси ограничены в пределах, %: Мп — 0,4, Si — 0,5, Ni — 0,4, S-0,03, Р-0,035.
В литом состоянии в быстрорежущей стали имеются три типа карбидов: первичные (ледебуритная эвтектика), вторичные, выдеТаблица 2.3
Химический состав (мае. %) и теплостойкость быстрорежущих сталей (ГОСТ 19265-73)

Марка стали	Элементы, мае. %						Тепло- стойкость, °С
	С	Сг	W	V	Мо	Со
Р18	0,7-0,8	3,8-4,4	17,0-18,5	1,0—1,4	1,0	—	620
Р9	0,85-0,95	3,8-4,4	8,5-10,0	2,0-2,6	1,0	—	620
Р6М5	0,80-0,88	3,8-4,4	5,5-6,5	1,7-2,1	5,0-5,5	—	620
Р14Ф4	1,20-1,30	4,0-4,6	13,0-14,5	3,4-4,1	1,0	—	630
Р10К5Ф5	1,45-1,55	4,0-4,6	10,0-11,5	4,3-5,1	1,0	5,0-6,0	640

лившиеся при охлаждении из аустенита, и эвтектоидные в результате перлитного превращения, т.е. распада аустенита на легированный феррит и мелкие (эвтектоидные) карбиды.
Для разрушения эвтектики на отдельные карбиды и устранения хрупкости литую быстрорежущую сталь подвергают горячей обработке (ковке, прокатке) и отжигу при температуре 830—850 °С. Твердость после отжига 207—255 НВ.
При закалке быстрорежущие стали нагреваются до высоких температур (значительно выше Ас-$), что обеспечивает получение высоколегированного аустенита, который при закалке превращается в мартенсит с тем же содержанием легирующих элементов.
Закалка осуществляется таким образом: медленный нагрев до 800—850 °С, выдержка при этой температуре (для выравнивания температуры по сечению), быстрый нагрев до температуры закалки, кратковременная выдержка и охлаждение в масле.
Структура после закалки: мартенсит + карбиды + остаточный аустенит, количество которого весьма значительно — до 30 %, так как при столь высоких температурах нагрева его устойчивость растет. Твердость после закалки HRC ~ 62.
После закалки быстрорежущую сталь подвергают отпуску при температуре 560—580 °С. При этом происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение из мартенсита мелкодисперсных карбидов ванадия и вольфрама. Твердость быстрорежущей стали повышается до HRC ~ 64.
Для наиболее полного превращения аустенита в мартенсит дается двух-трехкратный отпуск по 1 ч (рис. 2.4, а).

Рис. 2. Схемы режимов термической обработки инструментов из быстрорежущей стали:
а — без обработки холодом; б — с обработкой холодом
Температура конца превращения аустенита в мартенсит (М_к) быстрорежущей стали ниже нуля. Поэтому для более полного превращения аустенита в мартенсит сталь можно обрабатывать холодом при температуре 198—193 К (от —75 до —80 °С) (рис. 2, б). Применение обработки холодом сокращает длительность цикла термической обработки.
В плохо отожженной быстрорежущей стали после закалки при нормальной твердости и нормальном количестве остаточного аустенита наблюдается грубозернистый чешуйчатый излом, напоминающий по виду нафталин. Сталь оказывается очень хрупкой. Этот вид брака называется нафталиновым изломом.
При недостаточной проковке наблюдается карбидная ликвация, что увеличивает хрупкость стали и понижает стойкость инструмента.
Для улучшения режущих свойств некоторые инструменты дополнительно обрабатывают в жидких цианистых солях при температуре 520—580 °С. На поверхности быстрорежущей стали образуется цианированный тонкий слой 0,02—0,07 мм, имеющий высокую твердость (1000—1100 HV) и повышенную теплостойкость ~ 650 °С.
Часто после шлифования и заточки инструмента из быстрорежущей стали для повышения режущих свойств, антикоррозионной стойкости и улучшения товарного вида применяется обработка паром при температуре отпуска 550—570 °С.
При такой обработке в результате реакции железа с паром на поверхности инструмента образуется тонкая (0,002—0,005 мм) твердая пленка магнитной окиси железа Fe₃0₄ темно-синего цвета, имеющая большую прочность сцепления с металлом. Эффект повышения стойкости инструмента при этом объясняется добавочным отпуском и снятием напряжений, возникших при заточке и шлифовании.

Стали для измерительного инструмента.

Стали для измерительных инструментов должны иметь высокую твердость, износостойкость и сохранять свои размеры в процессе эксплуатации. Для изготовления измерительных инструментов применяют стали следующих марок: X, ХВГ, У10А - У12А, 15,15Х, 9ХС, 50, 50Х, 4X13 и др.
Для нагрева под закалку измерительного инструмента широко используют нагрев в соляных ваннах и токами высокой частоты.
Для уменьшения деформации применяется ступенчатый нагрев. Для охлаждения применяют воду, масло, расплавленные соли и щелочи. Охлаждение в горячих средах при температуре 150— 180 °С обеспечивает снижение деформаций, отсутствие трещин и более высокие механические свойства. Крупный инструмент охлаждают в воде с переносом в масло.
В закаленной высокоуглеродистой и легированных сталях с течением времени протекает процесс старения, при котором происходит частичный распад мартенсита и превращение остаточного аустенита в мартенсит. Это вызывает изменения объема и линейных размеров.
Для предупреждения старения измерительный инструмент после закалки обрабатывают холодом при температуре 223—203 К (от —50 до —70 °С), а затем подвергают отпуску при 120—130 °С в течение 24—60 ч. Обработка холодом повышает твердость и стабилизирует размеры.
Отпуск уменьшает хрупкость, повышает вязкость и уменьшает внутренние напряжения.
Измерительный инструмент, изготовленный из цементуемых сталей (15, 20Х и др.), подвергают цементации на глубину 0,3— 1,5 мм. После цементации производят закалку с температуры 780— 800 °С с охлаждением в воде или в масле (20Х и др.) и последующим отпуском при 150—180 °С в течение 1—3 ч. После шлифования проводится старение при 120—130 °С в течение 6 ч.
Инструмент повышенной точности из цементуемых марок стали после закалки подвергается обработке холодом при температуре 223 К (—50 °С). Инструменты большого размера и сложной формы из стали 38ХМЮА подвергают азотированию.