У7 и У7А — это типы прочной стали, которые обладают высокой устойчивостью к коррозии и низкой теплопроводностью. Эти материалы активно используются в производстве таких инструментов, как топоры, долота, иглы, плоскогубцы, молотки, крючки и многих других изделий.
Инструментальные стали: свойства, характеристики, применение
Инструментальные стали находят широкое применение в различных производственных и медицинских областях, где требуется изготовление высокоточными и высокопрочными инструментами. Эти сплавы характеризуются наличием твердой режущей кромки и высокими показателями износостойкости, что делает их особенно ценными в специальном оборудовании. Они требуют сложной технологии производства из-за их химического состава и особенностей обработки.
Существует множество типов инструментальной стали, которые классифицируются исходя из процентного содержания углерода и легирующих добавок. В данном материале вы найдете информацию о применении таких сплавов, их маркировке, а также о том, какими свойствами они отличаются друг от друга.
Назначение инструментальных сталей
Что такое инструментальная сталь? Это земельный металл, который содержит углерод в количестве от 0,7% и выше. Инструментальные стали разделяются по количеству вторичного карбида, а также по их структуре на три основные группы: доэвтектоидные, ледебуритные и заэвтектоидные. В доэвтектоидной стали отсутствует вторичный карбид, тогда как в ледебуритных и заэвтектоидных структура карбида присутствует. Карбиды формируются либо в ходе эвтектоидной переработки, либо появляются при распаде мартенсита.
Сегодня инструментальные стали в основном используются для производства следующих видов продуктов:
- штамповочных деталей, которые формируются путем горячего или холодного формования;
- высокоточных изделий;
- инструментов для обработки металла;
- измерительных устройств;
- оснастки для литья под давлением.
Изделия, предназначенные для работы под давлением, обычно выдерживают диапазон от 1 400 до 1 600 МПа. К ним относятся износостойкие ролики для профилировании, эталонные зубчатые колеса, резьбонакатные плашки, а также кузнечные и вырубные пресс-штемпели, матрицы сложных дыропрошивных изображения.
Сталь данной марки не предназначена для использования в сварных металлоконструкциях. К числу ответственных деталей с высокой износостойкостью и усталостной прочностью, которые подвергаются высоким нагрузкам в местах контакта, относятся сверла, развертки, метчики, инструменты для фрезерования и различные машины формы. При производстве инструментов для горячей деформации также используются молотовые штампы и прессовые вставки, которые необходимы для крупных производственных процессов и для формирования оснастки литья под давлением.
Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3 — это марка быстрорежущих сталей, из которых изготавливаются сверла, развертки, метчики и различные виды фрез.
Методы производства
Наиболее эффективным и экономически выгодным способом производства углеродистой инструментальной стали является кислородно-конвертерная технология. Изделия, изготовленные по этому методу, отличаются высокой прочностью и всеми необходимыми эксплуатационными характеристиками.
Существуют и другие технологии, такие как плавка стали в мартеновских и электрических печах. Методы, используемые в этих печах, требуют применения конвертеров бессемеровского типа, что обеспечивает уникальные свойства получаемого материала.
Процесс производства инструментальных сталей имеет ряд особенностей и преимуществ. К сожалению, наряду с положительными сторонами, у этой технологии есть некоторые недостатки:
- Сложность удаления неметаллических примесей из полученного металла, что приводит к снижению плотности и прочности сплава и его быстрому старению.
- В бессемеровских сталях часто присутствует много фосфора и серы – элементов, которые трудны для удаления. Для устранения этих недостатков необходимо использовать кислородно-конвертерный метод.
Использование данной технологии позволяет получать сталь с низким содержанием азота и других газообразных примесей. В мартеновских печах происходят другие процессы, которые могут обеспечить аналогичные свойства, однако, этот метод отличается одним критическим недостатком — длительным временем производства, которое составляет около 11 часов. Это, в свою очередь, негативно сказывается на экономическом аспекте и соотношении цена-качество. Кроме того, этот метод считается наиболее затратным.
Применение
Инструментальные углеродистые стали представляют собой один из наиболее доступных по цене видов сплавов. Это можно объяснить тем, что материал имеет ограниченную глубину проникновения закаленной зоны.
Область применения углеродистых инструментальных сталей зависит от их химического состава. Эти стали используются для создания режущих и измерительных инструментов, а также для штамповки.
Примеры применения этого сплава включают:
- инструменты для обработки древесины;
- пневматические инструменты;
- пресс-формы для литья;
- калибры;
- высококачественные компоненты;
- игольные проволоки;
- изделия, требующие высокой точности и т.д.
Инструментальные углеродистые стали совершенно подходят для изготовления качественных изделий, которые эксплуатируются в условиях, когда критические температуры рабочей кромки не повышаются, особенно при низких скоростях обработки. Кроме того, если углеродистая сталь не подвергается разогреву во время эксплуатации, то марка, которая подходит для целей изготовления, будет У7 или У7А. Для создания инструментов режущего типа и других инструментов лучше воспользоваться марками У10 или У12.
Классификация
При нагреве углеродистая сталь теряет свои механические свойства, такие как прочность. Соответственно, она наилучшим образом подходит для изготовления инструментов, предназначенных для работы на низких скоростях. Материал интересен также тем, что способен лидировать в простых работах, если температура его нагрева не превышает 200 градусов. Необходимо учесть и тот факт, что углеродистая сталь обладает низкой свариваемостью, поэтому она не годится для сварки. Данный тип делится на легированные и быстрорежущие стали.
По виду
Каждый металл должен подлежать маркировке и производится в соответствии с техническими требованиями, которые заданы ГОСТ. Если при легировании стали добавляются никель, медь, марганец и другие соответствующие элементы, это значительно улучшает качество производимого металла. Маркировка будет обозначена определёнными символами.
Легированные стали, как и углеродистые, не применяются для изготовления сварных конструкций. При сравнении данных двух типов, легированные обладают большим потенциалом прокаливаемости и гораздо меньшей чувствительностью к перегреву, что уменьшает риск появления дефектов, например, трещин в процессе термической обработки. Это также влияет на минимально допустимые размеры инструмента, которые могут составлять от 12 до 40 мм.
Для производства метчиков, напильников и похожих изделий, размер которых составляет от 1 до 15 мм, желательно использовать низколегированные материалы, такие как марки 11Х и 13Х. Отличную красностойкость и температурную термообработку до 250°С демонстрируют стали 9ХС и ХВГС, которые идеально подходят для создания гребенок, плашек и аналогичных изделий, размером до 80 мм.
Быстрорежущие стали очень хорошо подходят для производства различных режущих инструментов, которые в процессе эксплуатации могут нагреваться до 650°С. Одна из положительных характеристик заключается в том, что при этом не происходит деформации сплава, и не теряется его твёрдость.
Кроме того, важно отметить, что данный вид сталей прекрасно работает с сварочными материалами. Она выделяется среди других типов высокими значениями красностойкости. При нагреве до 650°С, материал не теряет своих механических свойств. Таким образом, скорость резки может увеличиваться в 5 раз, а долговечность — почти в 32 раза. Термообработка данного типа сталей включает закаливание, которое проходит при температуре 1250°С, и многоразовые низкотемпературные отпуски при 350°С. Превышение этих температурных режимов может привести к изменениям в механических свойствах и сделать изделия хрупкими. Часто для повышения коррозионной стойкости осуществляется паровая обработка сплавов.
Что относится к углеродистой инструментальной стали
Углеродистая инструментальная сталь включает в себя широкий спектр материалов, применяемых для создания различных инструментов и механизмов. Они разделяются на несколько основных видов в зависимости от содержания углерода и легирующих добавок. Эти стали могут использоваться для создания режущих инструментов, молотков, матриц, форм и других изделий, где необходимы высокие механические свойства и износостойкость.
- Углеродистые стали с низким содержанием легирующих элементов: Эти стали содержат минимальные доли таких добавок, как марганец или кремний, которые улучшают их механические свойства и обрабатываемость. Примеры включают такие марки, как SAE 1045 или DIN C45.
- Углеродистые стали с высоким содержанием легирующих элементов: Эти сплавы содержат более значительные количества прочих элементов, таких как хром, вольфрам, молибден и ванадий, что позволяет улучшить твердость, износостойкость и стойкость к термической обработке. К примеру, сталь типа AISI D2 или DIN 1.2344.
- Инструментальные стали с высоким содержанием углерода: Эти стали содержат высокие проценты углерода, что делает их особенно твердыми и износостойкими. Обычно они используются для производства инструментов, работающих в условиях высоких нагрузок и сильного износа. Примером могут служить марки AISI O1 или DIN 1.2510.
Каждый из этих типов углеродистых инструментальных сталей имеет свои уникальные особенности и области применения, в зависимости от конкретных требований. Важно правильно подобрать материал для обеспечения максимальной производительности и долговечности инструмента.
Группы марок инструментальных углеродистых сталей
Углеродистые инструментальные стали зачастую группируются по международным стандартам и классификациям, в которых описывается их химический состав, механические свойства и область применения. Несмотря на различия в обозначениях, можно выделить следующие общие группы марок:
- ISO (Международная организация по стандартизации):Маркировка углеродистых инструментальных сталей в соответствии с ISO представляется в виде буквенно-цифровых кодов, которые отражают основные характеристики стали, такие как содержание углерода, хрома, вольфрама и других легирующих элементов. Например, сталь марки ISO 4957:2004 1.2379 определяет высокоуглеродистую инструментальную сталь с добавлением хрома и вольфрама.
- ASTM (Американское общество по испытаниям и материалам): Использует аналогичную буквенно-цифровую оценку для инструментальных сталей. Например, ASTM A2 обозначает хромоуглеродистую инструментальную сталь.
- DIN (Немецкий институт по стандартизации): DIN предлагает свои собственные законодательства для маркировки углеродистых инструментальных сталей. К примеру, DIN 17350 предназначена для инструментальных сталей с высоким содержанием углерода.
Технические характеристики инструментальной стали
Общие характеристики для данного материала, независимо от марки:
- Сохранение высокой прочности и износостойкости при нагреве до 900 градусов по Цельсию.
- Повышенная температура закалки. Материал имеет способность принимать кристаллическую решетчатую структуру – мартенсит.
- Способность противостоять абразивному износу.
- Устойчивость к разрывному сопротивлению.
- Высокая твердость – до 65 единиц по шкале Роквелла.
Так как из инструментальной стали изготавливаются режущие инструменты, она должна соответствовать следующим критериям:
- оставаться пластичной при нагревании;
- хорошо прокаливаться;
- легко обрабатываться: резаться и шлифоваться;
- иметь низкую чувствительность к перегреву;
- сохранять устойчивость к деформации.
Кроме того, сплав должен быть защищен от уменьшения процентного содержания углерода (С) в условиях высокой температуры с окислительной средой или в водородной среде.
Чем отличается инструментальная сталь от других
Существует множество сортов сталей, которые различаются по составу, техническим характеристикам и области применения. Но именно состав сталей непосредственно влияет на их свойства.
Отличие от конструкционных сталей
Основные отличия между инструментальными и конструкционными сталями представлены в следующей таблице:
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих инструментов, штамповок и контрольно-измерительных приборов.
Конструкционные стали же используются при производстве различных металлоконструкций, которые успешно поддаются сварке, таких как рельсы и метизы.
Что касается содержания примесей, то в инструментальных сталях отсутствуют вредные составляющие (фосфор и сера), что улучшает прочностные характеристики. В то время как конструкционные стали могут содержать такие примеси, что приводит к увеличению хрупкости металла.
Отличие от углеродистых и легированных сталей
Углеродистые и легированные сплавы являются подтипами инструментальных сталей, но они имеют несколько отличительных черт. Эти стали изготавливаются по ГОСТ 1435-99 и содержат высокий процент углерода; при нагреве такие материалы теряют прочностные характеристики, что делает их применимыми в производстве инструментов, которые не работают в горячих условиях (температура нагрева не должна пересекаться с 200 градусами).
Типичные углеродистые металлы часто используются для создания метчиков и сверл.
В силу плохой свариваемости этот металл не подходит для использования в сварных металлоконструкциях.
Легированные стали, согласно ГОСТ 5950-2000, помимо углерода, содержат добавки различных металлических составляющих, которые улучшают характеристики сплава.
- Вольфрам: высокая термостойкость и упругость;
- Хром: устойчивость к коррозии с низкой пластичностью;
- Кобальт: вязкость и жароустойчивость;
- Никель: обеспечивает прочность;
- Молибден: жаропрочность и упругость;
- Ванадий: высокая ударная прочность и стойкость к износу.
Состав может варьироваться, добавляя один или несколько элементов в разные пропорции. Это позволяет производителям получать металл с уникальными свойствами, такими как хорошая сварка, стойкость к нагреву и легкость в обработке, а также устойчивость к деформации.
Что представляют собой углеродистые инструментальные стали?
Инструментальные стали можно разделить на несколько категорий:
- легированные;
- быстрорежущие;
- углеродистые.
Углеродистая инструментальная сталь – это сложный сплав железа, который содержит не менее 97% от общего состава, а также различные химические вещества и примеси, такие как:
- хром, никель, медь – для повышения физико-химических свойств материала;
- сера и фосфор – вредные примеси, полностью удалить которые при производстве сплава практически нереально;
- углерод – элемент, который усиливает прочность, но снижает пластичность стали;
- марганец, кремний – незначительно влияющие на свойства стали, добавляемые во время процесса раскисления.
Существует разделение на качественные и высококачественные инструментальные стали, последние выделяются максимальной чистотой в отношении содержимого вредных примесей и большей устойчивостью к ударным нагрузкам.
Преимущества и область применения углеродистых инструментальных сталей
Углеродистая сталь обладает рядом преимуществ, благодаря которым она выгодно выделяется на фоне других типов сталей:
- низкие затраты на производство;
- возможность закалки при низких температурах;
- умеренная прочность в состоянии отжига, что облегчает процесс обработки различных изделий;
- высокие показатели износостойкости и твердости верхнего слоя.
Такой металл отлично подходит для применения в различных инструментах:
- измерительных;
- режущих;
- штамповых.
В соответствии с ГОСТ 1435 стоят под разделением на несколько видов, маркировка которых помогает определить марку материала (включая содержание углерода в десятых долях процента, величину массовой доли марганца и общее качество стали). Например, маркировка У13А трактуется как — углеродистая сталь (У), высококачественная (А) с содержанием углерода 1,3%.
