Инструментальные стали
К инструментальным сталям предъявляется целый ряд требований, из которых особенную роль играют следующие:
- режущая способность;
- красностойкость (теплостойкость);
- износоустойчивость в холодном состоянии;
- механические свойства и в особенности прочность;
- обрабатываемость в холодном и горячем состояний;
- стоимость.
Режущая способность стали
Режущая способность стали почти исключительно определяется ее красностойкостью. Понятие «красностойкость» надо отличать от понятия «твердость в горячем состоянии». В процессе резания режущие кромки инструмента нагреваются и мартенсит начинает терять свою твердость в горячем состоянии. При нагреве до определенной температуры первоначальная твердость может быть снова восстановлена путем прекращения нагрева (обратимый процесс). Однако при нагреве свыше определенной температуры, различной для каждой инструментальной стали, мартенсит претерпевает уже такие структурные изменения необратимого характера, в результате которых первоначальная твердость стали уже не восстанавливается. Эти структурные изменения происходят в результате недостаточной красностойкости стали.
Красностойкость характеризуется определенной температурой при нагреве стали в течение определенного промежутка времени (например, в течение трех часов), при которых твердость не снижается до принятого уровня (например, до твердости НRС 60). Эта температура и является критерием красностойкости для данной стали. Таким образом, инструментальная сталь, применяемая для резания с высокой скоростью, должна не только обладать высокой твердостью в горячем состоянии, по и стабильно сохранять ее при длительных нагревах. Красностойкость зависит в основном от рода и количества легирующих элементов и их соотношения.
Уместно отметить, что режущая способность стали не характеризуется твердостью в холодном состоянии. Так, например, твердость углеродистой стали при комнатной температуре выше твердости быстрорежущей стали, тогда как режущая эффективность ее в несколько раз ниже. Это объясняется меньшей способностью углеродистой стали устойчиво сохранять твердость в горячем состоянии при длительном нагреве.
Износостойкость стали
Износоустойчивость стали в холодном состоянии играет роль для тех инструментов, которые работают при пониженных режимах обработки. К этом случае красностойкость стали не используется в достаточной мере. В качестве примера можно указать на такие инструменты, как протяжки, развертки, метчики и другие, для которых выгодно применять быстрорежущую сталь. При одинаковой красностойкости некоторые марки сталей обладают различной износоустойчивостью, например сталь Р18 более износоустойчива, чем сталь Р9.
Механические свойства режущих сталей зависят от многих факторов: химического состава, микроструктуры, карбидной неоднородности размера зерна, термической обработки, наличия остаточного аустенита в структуре закаленного и отпущенного инструмента и др. Необходимо отметить, что механические свойства инструментальных материалов недостаточно изучены.
Изготовление инструмента
Все инструменты, изготовляемые из стали, подвергаются механической обработке. Поэтому обрабатываемость стали заслуживает большого внимания. Обрабатываемость зависит от многих причин, из которых особенное значение имеют: химический состав, твердость, механические свойства (прочность, вязкость, пластичность), микроструктура и размер зерна, теплопроводность. Обрабатываемость материала необходимо рассматривать не только с точки зрения возможности использования высоких скоростей резания и повышения производительности труда, но также и в отношении таких технологических факторов, как качество (чистота) обрабатываемой поверхности. В производстве режущих инструментов последний фактор играет особую роль - в особенности для таких операций, как резьбонарезание, затылование, зубообразование в случае, если эти операции являются окончательными. Сталь, дающая каждый поставляемый инструмент должен быть снабжен хорошо видимыми знаками клеймения, состоящего из марки завода-изготовителя, марки режущего материала, характеристики инструмента. Для некоторых инструментов, предназначенных для окончательной обработки (долбяков, шеверов, резцовых головок, протяжек и др.) указывается класс или степень точности, год выпуска, индивидуальный номер инструмента.
При обработке надиры, шероховатость и другие дефекты, не может быть широко использована при изготовлении инструмента. Не меньшее значение имеет обрабатываемость и для шлифовальных операций, в особенности и которые связаны с формированием профилирующих и базовых элементов инструмента.
С повышением твердости и механической прочности обрабатываемого материала понижается возможность использования высоких скоростей резания, что сказывается отрицательно на производительность труда.
Сталь одного и того же химического состава и одинаковой твердости обладает различной обрабатываемостью в зависимости от структуры и размера зерна.
Теплопроводность обрабатываемого материала сказывается на стойкости инструмента. При низкой теплопроводности тепло не уходит в обрабатываемую заготовку, а остается на инструменте, что приводит к потере его режущей способности из-за чрезмерного нагревания и затупления режущих кромок.
Выбор марки инструментальной стали
При выборе марки стали для режущих инструментов необходимо принимать во внимание также и обрабатываемость ее в горячем состоянии, т. е. при ковке, штамповке, сварке, профильном прокате. Не меньшую роль играют также и условия термической обработки, например, в отношении широты интервала закалочной температуры, количества остаточного аустенита после отпуска, деформаций при термической обработке, чувствительности к перегреву и обезуглероживанию и др.
При выборе режущей стали приходится считаться с ее стоимостью. Режущий материал характеризуется высокой стоимостью и доля затрат на него в себестоимости инструмента достаточно велика. При расчете экономичности производства необходимо исходить из затрат на инструмент, приходящийся на единицу обрабатываемых деталей.
