Основные инструментальные материалы: виды, марки, свойства, характеристика, материалы изготовления

Требования к инструментальным материалам

Подразделяются на требования по химическому составу и требования по режимам термообработки.

Металлургические характеристики различных составов чрезвычайно сложны. Но в основном они представляют собой средне- и высокоуглеродистые стали с определенными легирующими элементами, добавленными в различных количествах для обеспечения особых характеристик.

Содержание углерода в рассматриваемых материалах должно быть не ниже 0,3…0,5%; это важно для повышения твердости и износостойкости. В то же время в химсостав часто добавляют определённые легирующие элементы, обеспечивающие:

• Рост показателей ударной вязкости или прочности;
• Сохранение размера и формы инструмента во время его термической обработки;
• Повышение твёрдости и/или износостойкости.

Инструментальные стали, применение которых обусловлено наличием определённых легирующих элементов, обычно содержат:

• Хром — приводит к интенсивному увеличению твердости после термообработки, способствует росту износостойкости.
• Кобальт — используется в быстрорежущих сталях, увеличивает красноломкость при высоких рабочих температурах.
• Марганец — при использовании в небольших количествах способствует приданию стойкости, лучше фиксирует форму изделия после термообработки, снижает температуру закалки.
• Молибден — увеличивает глубину закалённого слоя, снижает температуру закалки, повышает износостойкость.
• Никель – повышает прочность, износо- и окалиностойкость.
• Вольфрам – увеличивает износостойкость и твёрдость.
• Ванадий — повышает ударную вязкость и уменьшает размер зерна.

В обоснованных случаях в химсостав вводится также небольшое количество кремния (повышает твёрдость), серы (улучшает способность к обработке резанием), бора (увеличивает пластичность при знакопеременных нагрузках) и ряда других химических элементов.

Инструментальная легированная сталь

Инструментальная легированная сталь. Эта сталь идет для изготовления различного инструмента: ударно-штампового, измерительного, режущего. Она имеет ряд преимуществ перед инструментальной углеродистой сталью. Штампы из углеродистой стали обладают высокой твердостью и прочностью, но плохо сопротивляются удару. Метчики, развертки и другие длинные и тонкие инструменты из углеродистой стали при закалке получаются хрупкими, они ненадежны в работе и часто ломаются.

Режущий инструмент — резцы, фрезы, сверла из углеродистой стали при незначительном нагреве (около 200°C) теряют свою твердость, поэтому применение их при обработке металла с большой скоростью резания невозможно. При введении определенных легирующих примесей сталь приобретает красностойкость, износоустойчивость, получает глубокую прокаливаемость; она имеет высокую прочность, твердость и хорошо противостоит ударным нагрузкам.

Важнейшие легирующие примеси инструментальной легированной стали: хром, вольфрам, молибден, марганец, кремний. Содержание углерода в этой стали может быть ниже, чем в углеродистой, и колеблется от 0,3 до 2,3%.

В отдельную группу выделяют быстрорежущие стали. Они применяются для изготовления режущего инструмента – резцов, сверл, фрез. Важнейшие свойства этой стали – высокая твердость и красностойкость до 600°C (такой нагрев вызывается высокой скоростью резания). Благодаря применению быстрорежущей стали повышается стойкость инструмента и увеличивается производительность обработки. Важнейшими легирующими элементами являются вольфрам (в количестве не менее 9%), ванадий (1-2%), хром (не менее 4%). Кроме того, в быстрорежущей стали могут находиться молибден, кобальт и в небольшом количестве – никель.

В настоящее время широко применяются стали марок Р18, Р9, Р9Ф5, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18М, Р9М, Р6М5 и др. Буква Р обозначает быстрорежущую сталь. Цифра, стоящая за буквой Р, показывает среднее содержание вольфрама в процентах.

Применение инструментальных легированных сталей

Маркировка стали

Все углеродистые согласно маркировке стали делятся на три категории:

• Группа А. К ней относятся сплавы, соответствующие строго заданным механическим свойствам;
• Группа Б. Стали этой группы четко соответствуют по химическому составу;
• Группа В. Продукция этой группы должна соответствовать механическим, физическим и химическим свойствам одновременно.

У стали обыкновенного качества в начале обозначения стоят буквы Ст. За буквами Ст в маркировке идет цифровое обозначение. Цифра в маркировке обозначает номер марки металла. Далее, после номера, вписывается тип сплава. Обозначение типа сплава следующее:

• КП – кипящий;
• ПС – полуспокойный;
• СП – спокойный.

Непосредственно перед буквенным обозначением сплава стоит буква, обозначающая группу стали. Если продукт относится к группе А, то буква не проставляется.

Цветовая маркировка

Для быстрого определения марки производитель наносит специализированной краской соответствующие полосы:

• Ст0 – зеленая полоса + красная.
• Ст1 – одна желтая + одна черная.
• Ст3Гсп – коричневая + синяя.
• Ст3 – красная.
• Ст4 – черная.
• Ст5Гпс – коричневая + зеленая.
• Ст5 – зеленая.
• Ст6 – синяя.

Цветовая маркировка

Степень наличия углерода в материале определяется в самом начале. Количество углерода для металла группы А указывается в сотых частях процента. Для Б и В – в десятых. В некоторых случаях после этих цифр производитель проставляет букву Г. Она означает, что в изделии содержится большое количество марганца.

Категории качественной стали

Качественные стали разной маркировки можно разделить на несколько категорий:

• 08пс, 08кп – имеют высокую пластичность. Хорошо подходят для холодной прокатки;
• От 10 до 25 – используется для горячей штамповки или прокатки;
• От 60 до 85 – применяется для выполнения ответственных конструкций, таких как рессоры, пружины, муфты сцепления;
• 30, 50, 30Г, 50Г – повышенной прочности, выдерживающие большие нагрузки.

Инструментальная углеродистая сталь ГОСТ 1435-99

Углеродистая сталь — сталь, не имеющая в своем составе легирующих элементов, но содержащая углерод в различной концентрации: до 0,25% — низкоуглеродистая сталь, 0,24-0,6% среднеуглеродистая сталь, более 0,6 — высокоуглеродистая сталь.

ГОСТ 1435-94 регулирует нормы изготовления прутков и полос кованых, горячекатаных, калиброванных и со специальной отделкой поверхности из инструментальной углеродистой (нелегированной) стали, а также нормы химического состава для слитков, заготовок, листов, лент, проволоки и другой металлопродукции.

Классификация углеродистых сталей

По назначению:

• быстрорежущая — Р;
• шарикоподшипниковая — Ш;
• электротехническая — Э.

По химическому составу:

• качественная;
• высококачественная — А.

По назначению в зависимости от массовой доли хрома, никеля и меди:

• 1 — для продукции всех видов, кроме патентированной проволоки и ленты;
• 2 — для патентированной проволоки и ленты;
• 3 — для продукции всех видов, изготавливающейся с многократными нагревами, усиливающими возможность проявления графитизации стали, а также для продукции, от которой требуется повышенная прокаливаемость (кроме проката для сердечников, патентированной проволоки и ленты).

По способу дальнейшей обработки:

• а — прокат горячекатаный и кованый для горячей обработки давлением (осадки, высадки), холодного волочения;
• б — для холодной механической обработки (обточки, фрезерования и т.п.).

По качеству и отделке поверхности:

• для горячекатаной и кованой стали: 2ГП — для подгруппы «а», 3ГП — для подгруппы «б»;
• для калиброванной стали — Б и В.
• для проката со специальной обработкой поверхности — В, Г, Д.

По состоянию материала:

• сталь без термической обработки;
• термически обработанная сталь — ТО;
• нагартованный прокат — НГ (для прутков калиброванных и со специальной отделкой поверхности).

Марки инструментальной углеродистой стали

Марки инструментальной углеродистой стали: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У11А, У12, У13, У13А, У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У12А.

Обозначение марки стали: У — углеродистая, следующая за ней цифра — средняя массовая дол углерода в десятых долях процента, Г — повышенная массовая доля марганца.

Применение инструментальной углеродистой стали

Инструментальная штамповая сталь

В зависимости от особенностей эксплуатации различают следующие виды данных материалов:

Для штампового инструмента горячего деформирования с умеренной, повышенной и высокой теплостойкостью (30ХГТ, 6ХВ2С, ЭИ-395 и др.).

Для штампового инструмента холодного деформирования (Х12М, Х6ВФ, ДИ-51 и др.), в том числе вторичнотвердеющие с высокой износостойкостью и вязкостью.

Быстрорежущие стали, содержащие повышенное число карбидов и дополнительно легированные никелем (Р2М9К8Н2,10Р6М5К5СН2 и т.п.).

Технические требования на углеродистые штамповые стали приведены в ГОСТ 1412-85 , легированные – в ГОСТ 5950-73, быстрорежущие – в ГОСТ 19265-73. В последнее время увеличилась доля штамповых сталей, которые производятся методами порошковой металлургии, для чего используется технология распыления расплава при его последующем затвердевании и уплотнении с применением гидро- или газостатов (метод ASEA-Stora).

Основные виды

Такой вид материалов подразделяется на такие три основные категории:

• инструментальные углеродистые стали;
• легированные инструментальные стали;
• быстрорежущие.

Все они производятся согласно установленному ГОСТу.

Углеродистые виды материала во время нагревания теряют свою прочность, соответственно, их используют для производства инструментов, которые работают на малых скоростях или при простых условиях резания, когда температура нагревания составляет не больше 200 градусов.

Преимущественно их применяют для производства:

• напильников;
• сверл;
• разверток;
• метчиков и не только.

Поскольку углеродистая инструментальная сталь обладает низкими показателями свариваемости, ее не используют при изготовлении сварных конструкций.

В зависимости от процентного соотношения содержания в материале углерода, марганца, кремния, серы и других элементов он подразделяется на такие марки, как:

• У7;
• У8;
• У8Г;
• У10 и прочие.

Легированные материалы и их маркировка

Легированные материалы в составе дополнительно содержат следующие элементы:

• никель;
• медь;
• марганец и т. д.

Все они улучшают характеристики материала. Легирующие элементы должны указываться при маркировке с помощью специальных обозначений буквами. Все это позволяет заранее увидеть, из чего состоит данная инструментальная сталь. Марки материала также могут включать не только буквы, но и цифры. Цифры указывают на то, в каком количестве тот или иной элемент содержится в стали в процентном соотношении. Если при маркировке цифра не ставится, то количество элемента равно около 1 процента.

При маркировке легированной стали на первом месте стоит количество углерода, которое равно десятым долям процента. Например, марка 6ХС содержит углерод в количестве 0,6%, а также по одному проценту кремния и хрома.

Инструментальные легированные стали преимущественно используются для производства штамповых или режущих инструментов, к ним относят:

• плашки;
• метчики;
• развертки;
• сверла;
• фрезы и не только.

Как и углеродистые стали, легированные материалы тоже непригодны для производства сварных конструкций.

Быстрорежущие стали

Маркировка быстрорежущих материалов состоит из буквы «Р», числа, указывающего на массовую долю вольфрама и букв элементов, присутствующих в составе материала. Это могут быть кобальт, молибден и другие. Далее идут цифровые значения их массовых долей. Если маркировка включает буквы «Ш», то это значит «электрошлаковый переплав».

Доля хрома в быстрорежущей стали при маркировке не указывается, также отсутствует указание массовой доли молибдена, если она не превышает отметку в один процент.

Такие виды материалов оптимально подходят для производства режущих инструментов, которые от трения нагреваются до температуры от 600 до 6500 градусов. При этом они не будут деформироваться, и терять свою твердость. Данный вид изделий хорошо поддается свариванию посредством стыковой электросварки со сталью таких марок, как 45 и 40Х.

Высококачественная углеродистая сталь — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Высококачественная углеродистая сталь

Высококачественные углеродистые стали после обработки на высокую твердость должны обладать лучшей вязкостью, чем качественные.  

Высококачественные углеродистые стали отличаются пониженным содержанием вредных примесей. В марках это отражается большой буквой А, стоящей в самом конце.  

Высококачественные углеродистые стали после обработки на высокую твердость должны обладать лучшей вязкостью, чем качественные.  

Высококачественные углеродистые стали после обработки на высокую твердость обладают несколько лучшей вязкостью, чем стали сходных марок из группы качественных. Стали У7А — У13А применяют главным образом для режущих инструментов, имеющих тонкую режущую кромку ( табл. 1), а стали У7 — У13 — для штам-повых инструментов простой формы.  

Вал и диск турбины выполняются из высококачественной углеродистой стали; лопатки и бандажи — из нержавеющей стали.  

Это требование обеспечивается надлежащей конструкцией шатуна и поковкой его из легированных и высококачественных углеродистых сталей.  

Необходимая механическая прочность достигается тем, что хранилища и тару для жидкого хлора изготовляют72 из высококачественной углеродистой стали марок 15к, 20к и 25к ( ГОСТ 5520 — 62), соответствующей условиям эксплуатации в интервале температур от — 40 до 475 С без ограничения давления. При изготовлении танков и контейнеров ( бочек) применяется электросварка. Сварные танки и контейнеры подвергают термообработке ( отжигу) для снятия внутренних напряжений. Конструкция танков, контейнеров и баллонов такова, что они не испытывают деформаций на изгиб, особенно в сварных швах, качество которых проверяется рентгеновским аппаратом. Рабочее давление в хранилищах и таре для жидкого хлора составляет 15 атм, что соответствует давлению насыщенных паров хлора при 50 С.  

Для изготовления основных деталей насосов обычно применяют легированные стали Х12Ф1, НХ2А, 12ХНВА, 40Х и высококачественные углеродистые стали, которые проходят соответствующую термообработку.  

Ввиду знакопеременного характера нагрузок, действующих на шатун, материалы для него должны обладать высоким сопротивлением усталости. Такими материалами являются высококачественные углеродистые стали, а также легированные стали. Для высокооборотных двигателей наиболее перспективным материалом для шатунов следует считать титановые сплавы.  

Роторы изготовляют из поковки или прутка проката совместно с валом. Для их изготовления применяется высококачественная углеродистая сталь. Роторы делают также нз мелкозернистого чугуна, из чугуна с шарообразным графитом, из алюминиевых сплавов и из нержавеющей стали. В этих случаях роторы изготовляются отдельно от вала и насаживаются или напрессовываются на стальной вал. Посадка вала должна быть достаточно тугой, чтобы не произошло ослабление соединения, так как это может привести к тяжелой аварии машины. Во многих случаях стальной ротор приваривается к валу. При высоких степенях повышения давления ротор имеет внутреннее охлаждение маслом, которое подается через сверление в валу. Благодаря этому увеличивается коэффициент подачи компрессора.  

Все марки углеродистой стали, кроме того, имеют добавочный индекс У. Таким образом марка У8А обозначает высококачественную углеродистую сталь с содержанием углерода 0 75 — 0 85 / 0, а У8 — обыкновенную.  

Лопатки рабочего колеса турбовоздуходувок делают в основном загнутыми назад — в сторону, обратную вращению. Лопатки малонагруженных рабочих колес штампуют из листовой высококачественной углеродистой стали толщиной от 2 до 5 мм и прикрепляют к дискам с помощью заклепок. При высоких скоростях вращения рабочих колес лопатки изготовляют из легированных никелем сталей и фрезеруют за одно целое с шипами, концы которых вставляют в отверстия диска и расклепывают.  

Лопатки рабочего колеса турбовоздуходувок делаются в основном загнутыми назад — в сторону, обратную вращению. Лопатки малонагруженных рабочих колес штампуют из листовой высококачественной углеродистой стали толщиной от 2 до 5 мм и прикрепляют к дискам с помощью заклепок. При высоких скоростях вращения рабочих колес лопатки изготовляют из легированных никелем сталей и фрезеруют за одно целое с шипами, концы которых вставляются в отверстия диска и расклепываются.  

Страницы:      1    2

www.ngpedia.ru

Дифференциация по назначению

Сталь углеродистая делится на две большие группы:

• инструментальная;
• конструкционная (выделяют обыкновенные, качественные и автоматные разновидности).

Обыкновенные стали маркируются буквами «Ст» и номером от 0 до 6. Все стали с номером марки от 1 до 4 производят кипящими, полуспокойными и спокойными. Номера 5 и 6 могут быть только спокойными или полуспокойными. Кроме того, эти стали делятся на три большие группы: А, Б, В.

• Группа А. Чем выше номер в маркировке стали, тем больше прочность.
• Группа Б. С увеличением номера повышается содержание углерода.
• Группа В. Механические свойства соответствуют группе А, химический состав – группе Б аналогичного номера.

Наиболее часто в строительстве применяются типы Ст1 и Ст2. Именно эти марки задействованы при создании резервуаров, трубопроводов, колонн. Ст3 и Ст 4 актуальны для возведения конструкций, а также из них производится арматура для железобетона. Углеродистая сталь ГОСТ 380-2005 является основой для листового, круглого, двутаврового и швеллерного проката.

Качественные стали характеризуются дешевизной и качественностью. Маркируют их следующим образом: от 08 до 85 с приставкой в конце «ПС» (полуспокойная), «СП» (спокойная), «КП» (кипящая). Цифра показывают концентрацию углерода в сотых долях процента.

Инструментальные стали применяют для изготовления трех основных групп инструмента: режущего, измерительного, штампованного. Цифры в маркировке сигнализируют о содержании углерода в десятых долях процента.

Закалка и отпуск углеродистых инструментальных сталей

В ГОСТе 1435 оговаривается как состав углеродистых сталей, так и их основные характеристики. Содержание углерода в таких сплавах (что можно определить по их марке) составляет от 0,65 до 1,35%. Для того чтобы получить оптимальную структуру и требуемую твердость, перед началом производства инструмента эти сплавы подвергают отжигу. При этом для инструментальных сталей с заэфтектоидной структурой выполняется отжиг сферодизирующего типа. Проводимая по такой технологии термообработка приводит к появлению цементита зернистой формы. А получить зерна требуемого размера позволяет скорость охлаждения, которую можно легко регулировать.

Производственный процесс закалки стали

Так, для инструментов, подвергающихся в процессе эксплуатации систематическим ударным нагрузкам, оптимальной является твердость от 56 до 58 HRC, которую получают, проводя отпуск при температуре 290 градусов Цельсия. Самые строгие требования предъявляют к твердости плашек, граверных приспособлений, напильников (62-64 единицы по шкале HRC). Достигается она при помощи выполнения отпуска при температуре от 150 до 200 градусов Цельсия.

Закалка увеличивает твердость углеродистых сталей по той причине, что именно с ее помощью удается получить оптимальную структуру сплава железа и углерода. Варианты такой структуры:

• карбиды с мартенситом;
• только мартенсит.