Термическая обработка режущего и измерительного инструмента

Сергейчев И.М., Печковский А.М.

Машиностроение, 1967 г.

СТАЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА

Стали, применяемые для изготовления режущего и измерительного инструментов, можно разделить на три группы: углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые стали имеют высокую твердость (HRC 62—65), прочность, износостойкость и низкую твердость в отожженном состоянии (НВ 187—217). К недостаткам углеродистых сталей относится их низкая теплостойкость (200—250° С). Из углеродистых сталей наиболее пригодными для изготовления инструмента являются марки У11А и У12А. Области их рационального применения приведены в табл. 1. Однако ввиду сложности получения структуры зернистого перлита у сталей с содержанием углерода 0,7—0,9% или недопустимости цементитной сетки у стали с содержанием углерода 1,1—1,2% область применения их для инструмента значительно ограничивается.

Легированные стали охватывают большую группу марок, различающихся легирующими присадками и их процентным содержанием. Легированные стали можно разделить на две подгруппы: низколегированные и легированные.

Низколегированными сталями являются 85ХФ, ИХ, ХВ5, 13Х. Испытание инструмента из низколегированной стали в процессе резания не выявляет преимуществ его перед инструментами из углеродистой стали. Однако легирующие элементы этих сталей обеспечивают более равномерное распределение избыточных карбидов в структуре; уменьшают чувствительность к образованию цементитной сетки; сохраняют более мелкое зерно и снижают склонность к перегреву, повышают прочность, закаливаемость, вследствие чего снижаются внутренние напряжения и склонность к трещинообразованию. Возрастает прокаливаемость, а следовательно, обеспечивается равномерное распределение твердости материала инструмента. Фасонный инструмент из этих сталей (низколегированных) имеет стабильные качества и стойкость в среднем на 15—20% выше стойкости углеродистых сталей.

Легированные стали (см. табл. 1) обладают хорошей закаливаемостью и высокой прокаливаемостью, особенно стали 9ХС и ХВГ. Они закаливаются и в масле и в горячих средах, вследствие чего значительно уменьшается деформация, а следовательно, из них можно успешно изготовлять инструмент сложной формы и больших сечений.

Стали X и 9ХВГ используются реже вследствие меньшей прокали-ваемости и закаливаемости и только для инструмента диаметром до 25 мм, так как при большем диаметре не обеспечивается требуемая твердость (более HRC 61).

Для стали 9ХС характерно равномерное распределение карбидов (карбидная неоднородность в прутках диаметром 50—75 мм не превышает 1—2 баллов) и высокая твердость (не ниже HRC 61 при нагреве до 260° С) в отличие от других легированных сталей, которые обеспечивают такую твердость лишь при нагреве только до 210° С, поэтому из этой стали  к  делают ответственный режущий инструмент. К недостаткам стали 9XС следует отнести повышенную твердость после отжига (НВ 241 и более вместо Η В 179 и более у углеродистых сталей), склонность к обезуглероживанию при отжиге и закалке.

Сталь ХВГ превосходит сталь 9ХС по закаливаемости (на твердость более HRC 61) и прокаливаемости (диаметр 70 мм — в масле и диаметр 45 мм — в горячих средах при 160—180° С), однако прокаливаемость этой стали не стабильная, она имеет повышенную карбидную неоднородность (3—3,5 балла) и повышенное количество остаточного аустенита. Эти особенности стали ХГВ не позволяют применять ее для резьбонарезного инструмента.

Сталь марки ХВСГ в сравнении со сталями 9ХС и ХВГ обладает повышенной закаливаемостью и прокаливаемостью до диаметра 100 мм — в масле и до диаметра 60 — в горячих средах), менее склонна к обезуглероживанию (чем сталь 9ХС), не чувствительна к образованию карбидной сетки, имеет меньшую твердость после отжига (НВ 196—217), по теплостойкости несколько уступает стали 9ХС, но выше стали ХВГ. Сталь ХВСГ рекомендуется для изготовления разверток, протяжек и круглых плашек и как заменитель марок 9ХС и ХВГ.

Сталь Х6ВФ относится к группе высоколегированных сталей повышенной производительности, обладает большей стойкостью против отпуска При 480—500° С, однако это увеличивает склонность к росту зерна при закалке с 1050—1100° С, ухудшающий прочность и снижающий твердость. После закалки с 960 ± 10° С и отпуска при 150—170° С сталь получает высокую твердость (до HRC 63). Содержание хрома до 6% в стали увеличивает количество избыточных, более твердых карбидов, повышающих износостойкость. Однако это свойство обесценивается возрастающей карбидной неоднородностью. Применение ее ограничено, используется главным образом для штампов и накатных роликов.

Инструмент, изготовленный из стали ХВ5, отличается от инструмента, изготовленного из других легированных сталей, лишь повышенной стойкостью режущей кромки, поэтому сталь применяют для инструмента простой формы при обработке резьб высокой точности на деталях из твердых сталей.

Быстрорежущие стали (см. табл. 1) по основным свойствам делятся на две подгруппы, обеспечивающие нормальную и повышенную производительность. Стали первой подгруппы наиболее широко применяются в промышленности для изготовления режущего инструмента. Особо известны стали Ρ18 и Р9, отличающиеся высокой теплостойкостью. Они сохраняют твердость более HRC 60 при многократном нагреве до 620° С, хорошо обрабатывают стали и чугуны с σ_β до 1000 Мн/м² (100 кГ/мм²) и твердостью до НВ 280. Основным преимуществом стали Р18 является ее меньшая чувствительность к перегреву и хорошая шлифуемость. Но сталь Р9 имеет более равномерное распределение карбидов, более высокие механические свойства (прочность и пластичность), а также может закаливаться с более низкой температуры. Область рационального применения стали Р9 для: 1) сверл и другого профильного инструмента; 2) инструмента диаметром более 80 мм, когда карбидная неоднородность проявляется в достаточной мере; 3) инструмента, подвергающегося местной индукционной закалке, благодаря большему интервалу температур между температурой закалки и начала оплавления; 4) литого инструмента, обеспечивая более однородную структуру (вследствие меньших количеств карбидных включений).

Сталь Ρ18 применяется широко для протяжек, фрез (резьбовых, червячных и др.), сверл малого диаметра (меньше 2 мм), машинных и ручных мётчиков и разверток для нарезания  точных резьб. Марки сталей Р18М И--Р9М отличаются увеличенным содержанием Мо, который повышает склонность к обезуглероживанию, понижает температуру закалки и т. д. Эти стали только осваиваются в промышленности в качестве заменителей сталей Р18 и Р9.

Сталь Р18Ф2 имеет несколько большую теплостойкость (до 630° С) и повышенные режущие свойства, чем стали Р18 и Р9, поэтому занимает среднее положение между группами сталей, обеспечивающих нормальную и повышенную производительности. Она менее чувствительна к перегреву, а по шлифуемости занимает место между сталями Р18 и Р9. Эту сталь наиболее целесообразно использовать вместо Р18 для повышения стойкости инструмента, особенно при обработке сталей с_в = 800 — 1000 Мн/м² (80 — 100 кГ/мм²).

Стали второй группы, стали повышенной производительности, начали применяться только в последние годы и весьма ограничено для повышения стойкости инструмента, а также производительности резания в особенности при обработке сталей с пределом прочности σ_β более 1000 Мн/м² (100 кГ/мм²), или аустенитйых сталей с плохой обрабатываемостью. Стали повышенной производительности отличаются от сталей нормальной производительности повышенным содержанием ванадия и наличием кобальта. Стали с повышенным содержанием ванадия' (Р9Ф5 и Р14Ф4) являются специализированными. Они имеют повышенную твердость HRC 66—67 (после отпуска при 560° С) или HRC 63—64 (после отпуска при 600° С) и высокую стойкость при чистовой обработке конструкционных улучшенных сталей с а_в более- 1000 Мн/м² (100 кГ/мм²) аустенитных сталей.

Стали, легированные кобальтом (Р18К5Ф2, Р9К5 и Р9К10), отличаются более высокой теплостойкостью и твердостью (после отпуска), однако наряду с этим имеют очень высокую хрупкость, снижение прочности и повышенную склонность к обезуглероживанию. Эти стали еще не нашли применения в машиностроительной промышленности.

Высокая теплостойкость этих сталей объясняется тем, что при отпуске при температурах более 600° С происходят дополнительные превращения, в частности, выделение новой интерметаллидной фазы (Ф-фазы), представляющей твердый раствор CoW и FeW. Эта фаза обладает повышенной твердостью, а также большей устойчивостью против коагуляции, чем карбиды.

Таким образом, кобальтовые инструментальные стали имеют повышенные режущие свойства в сравнении со сталью Ρ18 только в случаях правильного выбора состава стали (особенно по кобальту), рационального подбора типа инструмента и режимов резания, а также особо тщательного выполнения его термической обработки. Поэтому эти стали применяются только для инструментов специального назначения: резцов, сверл и червячных фрез сравнительно простой формы для обработки улучшаемых сталей и вязких аустенитных сталей. Сталь Р10К5ФБ занимает промежуточное место в двух подгруппах, по положительному влиянию кобальта на теплостойкость и ванадия на износостойкость. Такое сочетание кобальта и ванадия придает стали более высокие режущие свойства по сравнению со всеми быстрорежущими сталями. Но наряду с этим она имеет повышенную чувствительность к обезуглероживанию и пониженную шлифуемость, поэтому, как и рассмотренные выше ванадиевые и кобальтовые инструментальные стали, она пригодна лишь для инструмента, сравнительно простой формы, предназначенного для обработки деталей из аустенитных сталей и сплавов, а также из улучшенных сталей Высокой прочности с σ_в более 1000 Мн/м2 (100 кГ/мм²).