Инструментальная сталь

Инструментальная стальИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СТАЛЬ, обширная группа углеродистых и специальных сталей, идущих на изготовление разного рода инструментов. Инструментальная сталь существенно отличается от конструкционной стали, идущей на железные конструкции и машинные части, по способу изготовления, составу, структуре и характеру термической обработки получаемых из нее изделий. Инструментальная сталь по самому своему назначению д. б. материалом высокосортным, т. к. только такой материал может удовлетворить тем строгим требованиям, которые предъявляются к инструментам. Она д. б. совершенно однородна, хорошо раскислена, лишена газовых и неметаллических включений и не должна содержать каких-либо вредных примесей; все это достигается переплавкой самых чистых исходных материалов - древесно-угольного чугуна и мартеновской стали в тиглях или электрических печах. Названия «тигельная сталь», «электросталь» и «Инструментальная сталь» часто употребляются как синонимы.

Готовую инструментальную сталь отливают в небольшие слитки, которые затем проковывают или прокатывают до желаемого сечения. От материалообрабатывающих инструментов, на которые идет инструментальная сталь, требуются возможно большая твердость и высокое сопротивление износу, что и достигается повышенным содержанием углерода. Содержание С в инструментальной стали никогда не бывает ниже 0,6% и нередко доходит до 1,5—1,7%; при этом получаемая твердость изделий растет почти параллельно с содержанием С. Одновременно с твердостью увеличивается и хрупкость изделий; поэтому содержание 1,5—1,7% С является верхним пределом, при котором еще не теряется техническая пригодность их из-за резко выраженной хрупкости. Содержание Si и Мn в инструментальной стали не превышает 1%, но чаще всего оно равняется 0,2—0,4% для Si и 0,4—0,7% для Мn.Такие количества этих двух примесей, не сообщая стали каких-либо особых свойств, гарантируют ей беспузыристость, полную раскисленность и безвредность содержащейся в ней S. Содержание S и Р в инструментальной стали должно быть возможно малым, так как вредное действие их особенно заметно сказывается в высокоуглеродистой стали; на практике постоянно стремятся понизить содержание этих примесей до 0,02—0,01% путем подбора чистых исходных материалов и выбора наиболее совершенных способов плавки. Кроме обычных примесей, в инструментальной стали часто вводят специальные примеси, гл. обр. карбидообразующие элементы Сг и W, которые сообщают высокую твердость и сопротивление износу основной массе металла и служат для образования очень твердых простых или двойных карбидов указанных элементов.

Составом инструментальной стали определяется и ее микроструктура. В отожженном состоянии структура инструментальной стали приближается к эвтектоидной, т. е. состоит из одного перлита. В углеродистой инструментальной стали перлит имеет нормальное, зернистое или пластинчатое строение, легко различимое при средних увеличениях микроскопа; в специальной же инструментальной стали он является сорбитообразным, причем детали строения его м. б. рассмотрены лишь при самых больших увеличениях. Наряду с перлитом в инструментальной стали иногда присутствуют феррит (Fe) или цементит (FeC) и специальные карбиды, и получается структура доэвтектоидной или заэвтектоидной стали. Феррит, являющийся носителем пластичных свойств стали, м. б. терпим в инструментальной стали в самых ограниченных количествах; наоборот, цементит, обладающий громадной твердостью, является желательным структурным элементом до тех пор, пока он не вызывает в металле заметной хрупкости. Последняя особенно проявляется в том случае, когда цементит имеет характер сетчатых образований вокруг зерен основной массы; вследствие этого в инструментальной стали цементит всегда д. б. раздроблен возможно полнее путем механической или термической обработки. После закалки инструментальной стали в ней место перлита заступает мартенсит с его характерными свойствами: высокой твердостью и значительной хрупкостью. Эти свойства повышаются в присутствии нерастворившегося при закалочном нагреве цементита и сильно понижаются в случае присутствия феррита. Поэтому наличие последнего в инструментальной стали после закалки является совершенно недопустимым, а цементит допустим лишь в раздробленном состоянии, что необходимо для повышения твердости основной массы металла, без увеличения ее хрупкости. Для борьбы с хрупкостью закаленных инструментов их подвергают отпуску, при котором мартенсит переходит в продукты дальнейшего распада (троостит, осмондит, сорбит), и сталь приобретает необходимую ступень пластичности. Таким образом, структура инструментальной стали в готовых изделиях состоит из мартенсита в той или иной стадии распада и некоторого количества мелкораздробленного цементита.

Все сорта инструментальной стали делятся на углеродистые и специальные; к первым относятся сорта без всяких специальных примесей, ко вторым - с примесью Сг и W, т. е. хромовые, вольфрамовые и хромо-вольфрамовые.

Углеродистая инструментальная сталь, при содержаниях С от 0,6 до 1,6%, является наиболее старым и распространенным материалом для изготовления инструментов. После надлежащей закалки структура ее состоит или из одного мартенсита или из мартенсита с примесью мелкораздробленного цементита. Этой структуре отвечают очень большая твердость (650—750 по Бринеллю и 90—95 по Шору) и резко выраженная хрупкость. Последняя совершенно недопустима в инструментах, работающих ударами и толчками, поэтому почти все закаленные инструменты подвергаются отпуску при тем более высокой температуре, чем менее спокойна их работа, и только совершенно спокойно работающие инструменты могут идти в работу без отпуска.

Структура отпущенных инструментов состоит из смеси мартенсита и троостита, иногда с включениями мелкораздробленного цементита, при твердости по Бринеллю не ниже 550 и по Шору не ниже 65. Мартенсит углеродистой инструментальной стали отличается малой температурной устойчивостью; закаленная сталь уже при невысоких нагревах теряет значительную часть приобретенной при закалке твердости.

Так, при нагреве до 200°С эта потеря составляет 14%, при 300°С - 40%, при 400°С - 70% и при 500°С - 87,5%. Указанное обстоятельство влечет за собой неустойчивость инструментов из углеродистой инструментальной стали, вследствие чего она не может применяться для режущих инструментов, работающих с большой скоростью и разогревающихся во время работы, и при нормальном отпуске, во избежание хрупкости, приходится терять значительную часть твердости. Оба эти обстоятельства и заставили технику выработать сорта стали с не столь хрупким и более устойчивым при нагреве мартенситом. Таковыми оказались стали с примесью Сг и W. Для характеристики углеродистой инструментальной стали в табл. 1 приведены данные относительно ее состава, термической обработки и назначения.

Углеродистая сталь

В хромовой инструментальной стали, с прибавлением Сг, происходят два существенных изменения: 1) увеличивается степень дисперсности основных структурных элементов - перлита и мартенсита - и 2) наряду с Fe3C появляются карбиды хрома (Сг3С2, Сг4С) и двойные хроможелезные карбиды. Увеличение дисперсности основной массы влечет за собою понижение хрупкости материала,, а появление в структуре очень твердых карбидов - повышение его твердости. Первое изменение наблюдается уже при небольших количествах Сг (от 1 от 2%), появление же карбидов имеет место при более высоком содержании его (>3%) и особенно заметно при высоком содержании С (1,7—1,8%). Для получения максимальной твердости, вызываемой карбидами, очевидно, необходимо возможно большее содержание и углерода и хрома. Данные о составе, термической обработке и назначении хромовой инструментальной стали приведены в табл. 2.

Хромовая инструментальная сталь

Содержание Сг чаще всего лежит в пределах 0,5—2% и оказывается вполне достаточным для повышения дисперсности мартенсита с одновременным увеличением твердости. Последняя в закаленной хромовой стали с 2% Сг доходит до 700—750 по Бринеллю и только после высокого отпуска. (300—350°С) падает до 600. В высокохромовой стали указанные цифры твердости несколько повышаются, что и требуется в инструментах, подверженных большому износу (волочильные доски). Термическая обработка изделий из хромовой стали также сводится к закалке и отпуску, причем обе операции производятся при более высоких температурах, чем в углеродистой стали. Более высокая температура закалки объясняется тем, что с прибавлением Сг к стали повышается температура эвтектоидного превращения АС1, повышение же температуры отпуска зависит от большей температурной устойчивости хромистого мартенсита по сравнению с мартенситом углеродистым. Указанная устойчивость мартенсита является основанием для применения высокохромовой стали для инструментов, работающих в горячем состоянии (горячие штампы); но она все же недостаточна в случае более высокого нагрева инструментов и оставляет место для поиска более устойчивых в отношении нагрева сталей.

Вольфрамовая инструментальная сталь. Прибавление W к стали действует аналогично прибавлению Сг: увеличивается степень дисперсности перлита и мартенсита, появляются карбидные включения, и увеличивается температурная устойчивость мартенсита. Правда, последний обладает меньшей твердостью, чем мартенсит хромовой стали, но температурная устойчивость его значительно выше устойчивости последнего. Указанными свойствами мартенсита вольфрамовой стали и определяется область применения ее: она с успехом применяется для инструментов, не требующих особой твердости, но нуждающихся в температурной устойчивости. Из табл. 3 видно, что содержание W колеблется в пределах от 1 до 10%.

Вольфрамовая инструментальная сталь

С повышением W повышаются два свойства стали: ее неотпускаемость и твердость. Последняя увеличивается, как и в Cr-стали, от появления в структуре стали двойных карбидов, среди которых возможны соединения WC, W2C, Fe2W, а также их двойные соединения с Fe3C. Термическая обработка этой стали также сводится к закалке и отпуску. При малых содержаниях W закалка ничем не отличается от закалки углеродистой стали, т. к. их критические точки AC1 соответствуют приблизительно одинаковым температурам. При более высоких содержаниях W требуется более высокий нагрев перед закалкой для растворения содержащихся в стали карбидов, т. к. только переход последних в твердый раствор гарантирует получающемуся затем мартенситу достаточную температурную устойчивость.

В хромо-вольфрамовой инструментальной стали совмещаются высокая твердость хромовой стали и неотпускаемость вольфрамовой; поэтому Cr-W-сталь является в настоящее время наилучшей инструментальной сталью. При малых содержаниях Сг и W указанные свойства выражены слабо; такие стали не имеют большого технического значения и применяются для замены углеродистой, хромовой и вольфрамовой сталей. Гораздо большее значение имеет инструментальная сталь со значительными содержаниями Сг и W. Эта сталь, носящая название быстрорежущей, а также самозакаливающейся (см. Быстрорежущая сталь), имеет, по Тейлору, следующий состав: 0,6% С, 6% Сг и 18% W. Отступления от этого состава наблюдаются в сторону уменьшения Сг и W, а также в сторону введения дополнительных специальных примесей - V, Mo, Со, U и др. При таком составе быстрорежущая сталь в отожженном состоянии имеет структуру очень тонкого сорбитообразного перлита с рассеянными в нем мелкораздробленными включениями простых или двойных карбидов. Главная цель термической обработки этой стали состоит в превращении перлита в мартенсит, причем последний становится трудно отпускаемым только в случае значительного содержания в нем Сг и W. T. к. карбиды трудно переходят в твердый раствор, то перед закалкой необходимо обрабатываемый инструмент нагревать до температуры, близкой к плавлению стали (1300—1350°С), и тем достигать полного растворения карбидов. После закалки в струе воздуха или в свинцовой ванне сталь приобретает аустенитовую структуру, которая последующим отпуском при 625°С переводится в мартенсит максимальной твердости. Этот мартенсит обусловливает собою неотпускаемость стали при нагреве до 650°С (красностойкость, redhardness) и делает инструмент быстрорежущим. Данные, касающиеся различных Cr-W-сталей, приводятся в табл. 4, из которой видны состав, термическая обработка и назначение этих сталей.

Хромо-вольфрамовая инструментальная сталь

Комбинируя эти основные элементы стали с небольшими количествами Mn, V, Со, Mo, U, получают большое число марок инструментальной стали, чаще всего незначительно отличающихся от описанных здесь основных ее сортов.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 9 - 1929 г.

Марки инструментальной стали можно посмотреть здесь.