Анализ основных сталей, применяемых при производстве инструмента

Инструментальные стали – это стали применяемые для обработки материалов резанием давлением и обладающие основными свойствами: твердостью, вязкостью, износостойкостью, теплостойкостью, глубокой прокаливаемостью. В процессе эксплуатации для некоторых видов инструмента иногда очень важными являются такие характеристики как: окалиностойкость, теплопроводность, устойчивость против схватывания.

Инструментальные стали в основном классифицируются по составу, структуре, свойствам и назначению.

Цель работы рассмотреть классификацию инструментальных сталей по назначению и провести анализ основных сталей, применяемых в каждой группе.

Рассмотрим классификацию инструментальных сталей.

По функциональному назначению, принято в качестве основной:

• стали для режущих инструментов;
• штамповые стали для холодного деформирования;
• штамповые стали для горячего деформирования;
• стали для измерительного инструмента.

Проанализируем стали, входящие в каждую группу более подробно.

Стали для режущего инструмента

Основные требования к сталям этой группы: высокая твердость режущей кромки; высокая прочность и сопротивление малой пластической деформации; теплостойкость (особенно при высоких скоростях резания).

Данную группу стали представляют:

1. Углеродистые стали У7, У7А, У8, У8А, У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А и У13, У13А применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания и подвергаемого разогреву в процессе эксплуатации (молотки топоры, стамески, долота, гаечные ключи, напильники)

Рис. 1. Стамески и долота из углеродистых сталей

При наличии основных достоинств данной группы – высокой твердости поверхностного слоя и мягкой, вязкой сердцевины инструмента стали имеют главный недостаток – низкую прокаливаемость, который устраняется в следующей группе сталей.

2. Легированные стали, применяются для режущего инструмента, делятся на:

а) стали неглубокой прокаливаемости 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, используются для изготовления метчиков, пил, зубил, отрезных матриц и пуансонов, а также ХВ4, В2Ф, применяемые для обработки твердых металлов, например, валков холодной прокатки при незначительной скорости резания.

Рис. 2. Отрезные матрицы и пуансоны

б) стали глубокой прокаливаемости 9Х1Х, 9ХС, ХВГ, ХГС применяются для крупного режущего инструмента, работают при малых скоростях резания (протяжки, развертки, сверла), а стали 9Х5ВФ и 8Х4В2М2Ф2 используются для деревообрабатывающего режущего инструмента.

Рис. 3. Развертка

3. Быстрорежущие стали Р18, Р9, Р6М5, Р12Ф3 отличительной особенностью которых является высокая теплостойкость. Данные стали сохраняют первоначальную твердость HRC 63-70 при рабочих температурах инструмента 600-700 C°. Применение данной группы сталей для режущего инструмента позволяет повысить скорость резания в несколько раз, а стойкость инструмента в десятки раз.

Штамповые стали для холодного деформирования

Стали указанной группы имеют высокую твердость, износостойкость и повышенную вязкость (данная характеристика очень важна для инструмента, работающего при динамических нагрузках).

Штамповые легированные стали для холодного деформирования по основным свойствам делятся на:

1. Стали повышенной износостойкости-полутеплостойкости стали с высоким содержанием углерода (до 2%) и хрома Х12; Х12М; Х12ВМ; Х12Ф4М используются преимущественно при изготовлении крупных штампов.

2. Дисперсионнотвердеющие стали с высоким сопротивлением смятию имеют пониженное количество углерода (в пределах 0,8-1%) и легированы хромом, молибденом, вольфрамом, кремнием, ванадием. Представители группы стали марок 8Х4В2С2МФ, 8Х4В3М3Ф2, 11Х4В2С2Ф3М, Х5В2С4Ф2НМ применяются для изготовления тяжелонагруженных пуансонов и матриц (при прессовании, высадке). При этом эксплуатация оборудования осуществляется при давлении 2000-2300 Мпа в условиях холодного и полугорячего деформирования.

3. Высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью имеют высокую прочность, пониженную теплостойкость и предназначаются для изготовления инструмента, работающего при ударном (динамическом) нагружении.

Стали марок 6Х6В3МС, 6Х4М2ФС где упрочнение осуществляется путем дисперсионного твердения, используется для изготовления инструментов, работающих при значительно динамических нагрузках и давлении до 1500Мпа (например, гильотинные ножницы (рис. 4), высадочные пуансоны и матрицы).

Рис. 4. Гильотинные ножницы

Стали марок 7ХГ2ВМ и 7ХГНМ, упрочняемые за счет закалки и высокого отпуска в основном применяются для инструмента преунзиотной вырубки, пробивки и т.д.

Штамповые стали для горячего деформирования

Стали данной группы используются для изготовления штампов, работающих при высоких температурах, неоднократных изменениях температуры (нагрев-охлаждение), динамических нагрузках, а в ряде случаев и при значительном коррозионном воздействии обрабатываемого металла.

Штамповые легированные стали для горячего деформирования по основным свойствам делятся на:

1. Стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости содержат незначительное количество карбидообразующих элементов (Cr,W,Mo), но имеют повышенное содержание Ni и Mn с целью обеспечения повышенной ударной вязкости и увеличения прокаливаемости. Стали 5ХНВ, 5ХНМ используют при изготовлении небольших молотовых штампов, а сталь 5Х2МНФ- для крупногабаритных тяжелонагруженных штампов. Стойкость штампов из стали 5Х2МНФ примерно в 15-20 раз выше, чем из 5ХНМ.

2. Стали повышенной теплостойкости и вязкости содержат повышенное количество карбидообразующих элементов, при этом содержание углерода снижается до 0,3-0,4.

Представители группы стали типа 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х5МФ1С используются для изготовления инструментов, которые работают в условиях длительных многократных теплосмен до температур 600-630 С°.

Примеры использования-пресс-штемпели для горизонтальных прессов, иглы для прошивки труб. Более теплостойкие стали 4Х3ВМФ и 4Х4ВМФС применяются для инструментов, работающих в условиях температур порядка 650-660 C° в сочетании с высоким удельным давлением (800-1500МПа).

3. Стали высокой теплостойкости содержат большее количество карбидообразующих элементов (W,Mo,V), некоторые стали указанной группы дополнительно легируют Co в количестве 8-15%. Стали типа 5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф и 4Х2В5МФ применяются для изготовления тяжелонагруженного инструмента прессов и горизонтально- ковочных машин при условии эксплуатации 680-690 C°. Стали типа 2Х6В8М2К8 и 3Х10В7М2К10 идут на изготовление пуансонов для горячего деформирования (условия разогрева 720-750 С°) жаропрочных металлов и сплавов.

Стали для измерительного инструмента

Основное требование, предъявляемое к сталям, применяемые для изготовления измерительного инструмента – высокая износостойкость в сочетании с высокой чистотой поверхности при сохранении постоянства формы и литейных размеров в условиях эксплуатации.

Стали типа Х и 12Х1 в наибольшей степени соответствуют указанным требованиям и именно они чаще всего применяются для изготовления измерительных плит.

Измерительные инструменты типа лекал, шаблонов, скоб изготавливают путем вырубки из листа. Здесь наряду с низкоуглеродистыми сталями 20, 20Х используют и среднеуглеродистые 50, 50Г.

Таким образом в работе даже краткая характеристика инструментальных сталей для режущего инструмента, штамповых сталей для холодного и горячего деформирования и стали для измерительного инструмента.