Инструментальная сталь. Марки стали

Инструментальной сталью (ИС) принято называть сплав, обладающий высокими показателями прочности, износостойкости, твёрдости и пониженной теплостойкостью, в составе которого более 0,7% углерода (за исключением сталей штамповых для горячего деформирования, в которых углерод составляет 0,3–0,6%).

Сфера применения

инструментальная сталь

Инструментальная сталь используется для производства разнообразных инструментов, штампов горячего и холодного деформирования, отдельных деталей машин, подвергающихся повышенному износу даже при умеренных нагрузках динамического характера (колёса зубчатые, подшипники роликовые и шариковые, винты ходовые и т. п.).

В целях повышения эксплуатационных свойств ИС её подвергают специальным видам термической обработки (отпуск, закалка). Это позволяет повысить твёрдость ИС до 60-66 HRC, а прочность на изгиб довести до 2,5-3,5 Гн/кв. м.

Увеличение показателя твёрдости автоматически повышает износостойкость материала. Поэтому инструментальная сталь сохраняет изначальную форму своей рабочей поверхности и первоначальные размеры, даже испытывая трение под высоким давлением.

Классификация инструментальной стали

марки стали

ИС принято классифицировать по ряду параметров. Например:

  • По химическому составу:
    • Углеродистая.
    • Легированная (пониженной и повышенной прокаливаемости).
    • Инструментальная валковая.
    • Инструментальная штамповая.
    • Высоколегированная (быстрорежущая).
  • По устойчивости к нагреву:
    • С небольшой устойчивостью.
    • С повышенной устойчивостью.
    • Устойчивые (штамповые стали).

Сортамент инструментальной стали

Потребителю инструментальная сталь поставляется в следующем сортаменте:

  • Квадрат и круг горячекатаный.
  • Полоса, квадрат, круг кованый.

Всё это может быть изготовлено из легированной, углеродистой или быстрорежущей стали. Квадрат и круг, изготовленные из ИСУ, имеют повышенную обрабатываемость и применяются для изготовления различного инструмента.

инструментальная сталь марки

Высокопрочные стали после термообработки идут на:

  • изготовление инструмента режущего (свёрл, резцов, пил и т. п.);
  • производство оборудования для последующей обработки металлов, осуществляемой как в горячем, так и в холодном состоянии;
  • создание пресс-форм, валков, пуансонов и высадочных матриц, ножовок по металлу и ленточных пил, резьбовых калибров и т. п.;
  • переработку в продукцию, которая производится методом холодного волочения.

Стали менее твёрдые используются для последующей холодной механообработки (фрезерование, обточка и т. п.). Инструментальная полоса преимущественно применяется для изготовления штампов, позволяющих обрабатывать металл давлением.

В зависимости от марки стали, из которой она изготовлена, полоса подразделяется на пару групп:

  • первая используется для производства инструментов, которые предназначены для холодной обработки металлов и иных материалов;
  • вторая идёт на производство инструмента, позволяющего обрабатывать металлы давлением при высоких температурах (порядка 300 градусов).

сталь инструментальная углеродистая

Марки стали, маркировка инструментальных сталей

В настоящее время единой системы маркировки как таковой не существует. В России, ТС и странах СНГ используется система маркировки, действовавшая в СССР (буквенно-цифровая). Цифры указывают на процентное содержание в стали тех или иных химических элементов, а буквы - наименование этих элементов. Наиболее часто встречаются обозначения, представленные в таблице ниже.

В ЕС маркировка осуществляется согласно положениям стандарта EN 100 27, состоящего из двух частей. Согласно первой, сталям присваивается наименование. Согласно второй, им присваиваются порядковые номера.

Наименование имеющегося химического элементаБуквенное обозначение
ХромХ
ТитанТ
ВольфрамВ
НикельН
МедьД
МарганецГ
КобальтК
КремнийС

Японская маркировка – буквенно-цифровая. Причём буквами обозначается группа, к которой указанный материал относится, а цифрами – свойства стали и её номер по порядку.

В США действует сразу несколько систем обозначения (у каждой организации по стандартизации они свои), что крайне неудобно.

Сталь инструментальная углеродистая (ИСУ)

Иинструментальные легированные стали

ИСУ подразделяется по ряду показателей. Например, по:

  • химическому составу на:
    • качественную (процентное содержание фосфора/серы составляет 0,035/0,03%);
    • высококачественную (процентное содержание фосфора/серы составляет 0,03/0,02%).
  • Назначению:
    • быстрорежущая (обозначается буквой «Р»);
    • электротехническая («Э»);
    • шарикоподшипниковая («Ш»).
  • По способу дальнейшей обработки и т. п.

Наиболее широко применяется ИСУ, которая представляет сталь, процентное содержание углерода в которой ограничено рамками 0,65-1,35. После того как завершается её термообработка (закалка инструментальной стали), показатели прочности и твёрдости данного материала значительно возрастают.

В настоящее время торговля предлагает 16 марок ИСУ, каждая из которых имеет собственное буквенно-цифровое обозначение. Буквы, входящие в маркировку ИСУ, обозначают:

  • У – углеродистая сталь;
  • А – обозначает принадлежность сплава к группе высококачественных (проставляется всегда в конце маркировки);
  • Г – сплав имеет повышенное содержание такого элемента, как марганец;
  • цифра, проставленная после «У», показывает процентное (в десятых долях) содержание в ИСУ углерода.

Ограничения, налагаемые на использование отдельных марок ИСУ

маркировка инструментальных сталей

Из 16 выпускаемых промышленностью в настоящее время марок ИСУ почти половина имеет ограничения на использование. Например.

  • Инструментальная сталь марки У9А и У9. В процессе их закалки размеры зерна увеличиваются, что приводит к повышению вероятности коробления металла и изменению его геометрических размеров. Данные марки обладают меньшими показателями пластичности и прочности, чем идущие за ними марки У10А и У10.
  • Марки стали У11 и У11А используются крайне редко из-за своих специфических свойств.
  • ИСУ У13, У12, У12А, У13А имеют максимальное содержание углерода, что приводит к значительному повышению хрупкости стали указанных марок после её закалки. Поэтому использовать их для изготовления пресс-форм или штампов не рекомендуется.

Указанные марки стали производятся согласно положениям стандарта 1435-99. Данный ГОСТ сталь инструментальная получила сначала в качестве межгосударственного стандарта 28.05.99, и лишь затем в качестве национального российского (с 01.09.01).

ИСУ используют для производства инструмента, которым осуществляется резание на малых скоростях. Основными достоинствами ИСУ можно считать её невысокую стоимость и сравнительно высокую твёрдость. Основные недостатки: низкая теплостойкость материала и его малая износостойкость.

Инструментальная легированная (ИСЛ)

Инструментальные легированные стали, помимо примесей традиционных, содержат специальные добавки, наличие которых позволяет получить у конечного продукта заданные физические или механические параметры. Эти добавки именуются легирующими. Их наличие повышает прочность металла и его коррозийную стойкость при одновременном снижении хрупкости. Чаще всего легирующими элементами являются:

  • ГОСТ сталь инструментальнаяванадий,
  • хром;
  • медь;
  • никель;
  • азот.

Сталь указанных марок принято классифицировать:

  • по её назначению;
  • по содержанию легирующих элементов (в %):
    • низколегированная;
    • среднелегированная;
    • высоколегированная;
  • по качеству изготовления и отделке поверхности:
    • высококачественная;
    • обычная;
  • по способу последующей обработки.

Инструментальная сталь легированная, включая штамповую, производится согласно положениям стандарта 5950-2000. Действующая редакция указанного ГОСТ датируется 24.07.12.

Сталь инструментальная легированная маркируется и обозначается аналогично сталям конструкционным легированным.

Инструментальная быстрорежущая (ИСБ)

закалка инструментальной стали

Основное отличие сталей данных марок заключается в их сильном легировании. В первую очередь вольфрамом, ванадием и молибденом.

ИСБ сохраняют высокую износостойкость, твёрдость и сопротивление появлению пластической деформации до температур порядка 500–600 градусов. Это позволяет осуществлять резание инструментами, изготовленными из стали данных марок, с более высокими скоростями (почти в 4 раза), а также обрабатывать марки стали повышенной твёрдости.

Быстрорежущие марки инструментальной стали производятся согласно положениям стандарта 19265-73. Указанный ГОСТ действует с 01.01.75.

Все ИСБ в качестве первой содержат в маркировке букву «Р», за которой следует цифра, характеризующая среднюю величину вольфрама, выраженную в десятых долях процента. Далее (в порядке убывания) - буквенно-цифровые обозначения иных элементов, имеющихся в стали. Наличие и массовая доля хрома в ИСБ не указывается, так как по умолчанию подразумевается его обязательное наличие в количестве, примерно равном 4%. Также не указывается присутствие углерода, которое всегда пропорционально имеющемуся в ИСБ содержанию ванадия.

Изготавливать инструмент полностью из ИСБ чрезвычайно дорого. Поэтому в подавляющем большинстве случаев на державку резца просто напаивают либо приваривают пластину из стали быстрорежущей.

Инструментальные штамповые (ИСШ)

инструментальная сталь в цехе

Штампы, особенно для выполнения горячей штамповки, эксплуатируются в тяжёлых условиях. Это многократно повторяющиеся при высоких температурах ударные нагрузки, имеющие в разных его частях различные значения.

Именно поэтому к ИСШ предъявляются повышенные требования. Она должна обладать достаточной прочностью, высокой ударной вязкостью, стойкостью к температурному воздействию, низкой истираемостью, и должна хорошо обрабатываться.

Особенно ценными ИСШ считаются марки, имеющие в своём составе молибден. Производители металла поставляют конечным потребителям штамповые заготовки цилиндрической или прямоугольной формы, геометрические размеры которых заданы действующими стандартами. В процессе изготовления ИСШ проходит отжиг и приобретает твёрдость, показатель которой должен укладываться в диапазон значений НВ от 187 до 255.

Заготовки для будущих штампов изготавливают двумя способами: под прессом или так называемой свободной ковкой. При этом обязательно достигается осадка обрабатываемого слитка на величину в 50 и более процентов его первоначальной высоты.