> Техника, страница 49 > Инструментальная сталь
Инструментальная сталь
Инструментальная сталь, обширная группа углеродистых и специальных сталей, идущих на изготовление разного рода инструментов. И. с. существенно отличается от конструкционной стали, идущей на железные конструкции и машинные части, по способу изготовления, составу, структуре и характеру термин, обработки получаемых из нее изделий. И. с. по самому своему назначению должен быть материалом высокосортным, т. к. только такой материал может удовлетворить тем строгим требованиям, которые предъявляются к инструментам. Она должен быть совершенно однородна, хорошо раскислена, лишена газовых и неметаллич. 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 электрич. печах. Названия «тигельная сталь», «электросталь» и «И. с.» часто употребляются как синонимы.
Готовую И. с. отливают в небольшие слитки, которые затем проковывают или прокатывают до желаемого сечения. От материалообрабатывающих инструментов, на которые идет И. с., требуются возможно большая твердость и высокое сопротивление износу, что и достигается повышенным содержанием углерода. Содержание С в И. с. 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 технич. пригодность их из-за резко выраженной хрупкости. Содержание Si и Мп в И. с. не превышает 1 %, но чаще всего оно равняется 0,2—0,4 % для Si и 0,4—0,7 % для Мп. Такие количества этих двух примесей, не сообщая стали каких-либо особых свойств, гарантируют ей беспузыристость, полную раскис-ленность и безвредность содержащейся в ней S. Содержание S и Р в И. с. 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 И. с. 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 И. с. определяется и ее микроструктура. В отожженном состоянии структура И.с. приближается к эвтектоидной, то есть состоит из одного перлита. В углеродистой И. с. перлит имеет нормальное, зернистое или пластинчатое строение, легко различимое при средних увеличениях микроскопа; в специальной же И. с. он является сорбитообразным, причем детали строения его м. б. рассмотрены лишь при самых больших увеличениях. Наряду с перлитом в И. с. иногда присутствуют феррит (Fe) или цементит (FeC) и специальные карбиды, и получается структура доэвтектоидной или заэвтектоид-ной стали. Феррит, являющийся носителем пластич. свойств стали, м. б. терпим в И. с. 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 И. с. цементит всегда должен быть раздроблен возможно полнее путем механической или термической обработки. После закалки И. с. в ней место перлита заступает мартенсит с его характерными свойствами: высокой твердостью и значительной хрупкостью. Эти свойства повышаются в присутствии нерас-творившегося при закалочном нагреве цементита и сильно понижаются в случае присутствия феррита. Поэтому наличие последнего в И. с. 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 к-ром мартенсит переходит в продукты дальнейшего распада (троостит,осмондит,сорбит), и сталь приобретает необходимую ступень пластичности. Таким образом, структура И. с. в готовых изделиях состоит из мартенсита в той или иной стадии распада и некоторого количества мелкораздробленного цементита.
Все сорта И. с. делятся на углеродистые и специальные; к первым относятся сорта без всяких специальных примесей, ко вторым—с примесью Сг и W, то есть хромовые, вольфрамовые и хромо-вольфрамовые.
Углеродистая И. с., 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 Бринелю 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 4°, 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 мелкораздроб-ленного цементита, при твердости по Бринелю не ниже 550 и по Шору не ниже 65. Мартенсит углеродистой И. с. отличается малой 4°-ной устойчивостью; закаленная сталь уже при невысоких нагревах теряет значительную часть приобретенной при закалке твердости.
Так, при нагреве до 200° эта потеря составляет 14 %, при 300°—40%, при 400°—70% и при 500°—87,5 %. Указанное обстоятельство влечет за собой неустойчивость инструментов из углеродистой И. с., вследствие чего она не может применяться для режущих инструментов, работающих с большой скоростью и разогревающихся вовремя 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 приме нения. Характерная структура углеродистой И. с. показана на вкладном листе 1—6.
В хромовой И. с., 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 кар бидов 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, термин. обработке и назначении хромовой И. с. приведены в таблице 2. 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 Бринелю и только после высокого отпуска (300— 350°) падает до 600. В высокохромовой стали указанные цифры твердости несколько повышаются, что и требуется в инструментах, подверженных большому износу (волочильные доски). Термич. обработка изделий из хромовой стали также сводится к закалке и отпуску, причем обе операции производятся при более высоких 4°, чем в углеродистой стали. Более высокая 4° закалки объясняется тем,что с прибавлением Сг к стали повышается 4° эвтек-тоидного превращения Ас„ повышение же 4° отпуска зависит от большей 4°-ной устойчивости хромистого мартенсита по сравнению
Таблица 1.—У где род и стая сталь.
| %-ное содержание С | Термич. обработка | Назначение стали | |
| 1° закалки | ί° отпуска | ||
| 0,6—0,9 | 780—750° | 275—330° | Мелкие с.-х. орудия—серпы, косы; ударные инструменты—долота, зубила, молоты; деревообделочные инструменты; хирургические инструменты |
| 0,9—1,1 | 750° | 250—275° | Инструменты для обработки мягких металлов—резцы, сверла, фрезеры, пилы, напильники |
| 1,1—1,6 | 750—780° | 220—250° | Инструменты для обработки твердых металлов и каменных пород; волочильные доски |
сью Сг и W. Для характеристики углеродистой И. с. в табл.1 приведены данные относительно ее состава, термич. обработки и назна-
Таблица 2.—Хромовая сталь.
| %-ное содержание | Термин, обработка | Назначение стали | ||
| с | Сг | t° закалки jt° отпуска | ||
| 0,5 | 1,0—1,5 | 780—800° | 250—300° | Ударные инструменты—зубила, штемпеля; кузнечный инструмент |
| 1,0—1,3 | 1,2—2,0 | 800—830° | 250—300° | Инструменты для обработки мягких металлов — резцы, фрезеры, сверла, напильники, пилы |
| са
ш |
0,5—1,2 | 0
1 I о со |
250—300° | Инструменты для обработки твердых металлов—резцы, фрезеры, сверла, напильники, пилы |
| 1,0—1,4 | 2,0—4,0 | о со со
1 о о со |
300—350° | Инструменты, нагревающиеся в работе—горячие штампы, матрицы; ножи для ножниц, проки |
| 1,2—1,7 | 3—14 | 820—850° | 400—500° | Волочильные доски |
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 искания более устойчивых в отношении нагрева сталей.
Вольфрамовая И. с. Прибавление W к стали действует аналогично прибавлению Сг: увеличивается степень дисперсности перлита и мартенсита, появляются карбидные включения, и увеличивается {°-ная устойчивость мартенсита.Правда, последний обладает меньшей твердостью, чем мартенсит хромовой стали, но t°-ная устойчивость его значительно выше устойчивости последнего. Указанными свойствами мартенсита вольфрамовой стали и определяется область применения ее: она с успехом применяется дляинструментов.не требующих особойтвер-дости, но нуждающихся в t°-Hoft устойчивости. Из табл. 3 видно, что содержание W
колеблется в пределах от 1 до 10 %. 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. Термич. 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 Ас, соответствуют приблизительно одинаковым ί°. При более высоких содержаниях W требуется более высокий нагрев перед закй для растворения содержащихся в стали карбидов, т. к. только переход последних в твердый раствор гарантирует получающемуся затем мартенситу достаточную темп-рную устойчивость.
В хромо-вольфрамовой И. с. совмещаются высокая твердость хромовой стали и неотпускаемость вольфрамовой; поэтому Cr-W-сталь является в настоящее время наилучшей И. с. При малых содержаниях Сг и W указанные свойства выражены слабо; такие стали не имеют большого технич. значения и применяются для замены углеродистой, хромовой и вольфрамовой сталей. Гораздо большее значение имеет инструментальная сталь с значительными содержаниями Сг и W. Эта сталь, носящая название быстрорежущей, а такясе самозакаливающейся (смотрите Быстрорежущая сталь),имеет, по Тейлооу,следующий состав: 0,6% С, 6%Cr 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 термич. обработки этой стали состоит в превращении перлита в мартенсит, причем последний становится трудно отпускаемым только в случае значительного содержания в нем Сг hW.T.k. карбиды трудно переходят в твердый раствор, то перед закй необходимо обрабатываемый инструмент нагревать до t°, близкой к плавлению стали (1 300—1 350°), и тем достигать полного растворения карбидов. После закалки в струе воздуха или в свинцовой ванне сталь приобретает аустенито-вую структуру, которая последующим отпуском при 625° пере-водитсявмартенсит максимальной твердости. Этот мартенсит обусловливает собою неотпускаемость стали при нагреве до 650° (красностойкость, redhardness) и делает инструмент быстрорежущим. Данные, касающиеся различных Cr-W-сталей, приводятся в таблице 4, из которой видны состав, термич. обработка и назначение этих сталей. Комбинируя эти основные элементы стали с небольшими количествами Мп, У, Со,Mo, U,получают большое число марок И. с., чаще всего незначительно отличающихся от описанных здесь основн. ее сортов.
Лит.: Б а б о ш и и А., Металлография и термическая обработка железа, стали и чугуна, Л., 1926; Дени К., Исследование главных свойств иструмент. сталей, М., 192.6; Рапатц Ф., Специальные стали, Харьков, 1927; Липин В. Н., Металлургия чугуна, железа и стали, т. 3, ч. 2, Л., 1927; Mars 6., Die Spezialstahle, 2 Aufl., Stg., 1922; Brearley H., Die Werkzeugstahle u. ihre Warmebehandlung (deutsche Bearbeitung v. R. Schafer), B., 1922; Gu i 1 let L. et Portevin A., Precis de mdtallographie micro-scopique et de macrographie, Paris, 1924; Hoyt S., Metallography, part 2, N. Y., 1924; «Trans, of the Amer. Soc. for Steel Treating», Cleveland, 1922, v. 1, 1928, v. 13. M. Okhob.
Таблица 3.—В ольфрамовая сталь.
| %-ное содержание | Термич. | обработка | Назначение стали | |
| С | W | 1° закалки | t° отпуска | |
| 0,9—1,2 | 0,8—2,0 | 760° | 200—250° | 1
Инструменты для обработки мягких металлов — резцы, сверла, фрезеры |
| 0,9—1,2 | 3—5 | 760° | 250—300° | Режущие инструменты для твердых металлов — резцы, сверла, фрезеры |
| 0,6—0,8 | 8—10 | 780—800° | 300—350° | Горячие инструменты—штампы, матрицы, проки |
Т а б л. 4.—X ром о-в ольфрамовая сталь.
| %-ное | содержание | Термич. обработка | Назначение | ||
| С | Сг | W | t° закалки | 1° отпуска | стали |
| 0,7—1,2 | 0,5—1,0 | 1— 3 | 780—800° | 300—350° | Инструменты для обработки мягких и твердых металлов—резцы, сверла, фрезеры, метчики, плашки Горячие штампы и матрицы |
| 0,6—0,7 | 1,5—2,5 | 3— 8 | 820—850° | 350—400° | |
| 0,6—0,7 | 3,5—6,0 | 14—21 | 1 300—1 350° | 620—630° | Инструменты, работающие с большой скоростью, резцы, сверла, фрезеры |