Что такое инструментальная сталь

Инструментальная сталь – это группа сталей, предназначенных для изготовления режущих, штамповочных, измерительных и ударных инструментов. Их объединяет высокое содержание углерода (обычно от 0,6–0,7 % и выше) и, для легированных марок, добавки хрома, вольфрама, молибдена, ванадия, марганца и других элементов. После правильной термообработки такие стали достигают очень высокой твердости, прочности и износостойкости и способны долго работать под нагрузкой, в том числе при нагреве от трения.

Чем инструментальная сталь отличается от конструкционной и нержавеющей

От конструкционных сталей инструментальные отличаются прежде всего назначением. Конструкционные стали рассчитаны на сочетание прочности и пластичности, удобство сварки и обработки. Они содержат обычно до 0,3–0,5% углерода. Инструментальные, напротив, ориентированы на максимальную твердость и износостойкость, даже за счет снижения пластичности.

 Ключевые отличия:

• Выше содержание углерода (в инструментальных от ~0,6–0,7% до 1,5–2% в отдельных марках).
• Часто присутствуют специальные легирующие добавки (Cr, W, V, Mo и др.) для повышения прокаливаемости, износостойкости и теплостойкости.
• Более высокая чистота: содержание серы и фосфора ограничивается долями процента, для высококачественных марок (с буквой «А») – около 0,02–0,03%, чтобы избежать хрупкости.
• После закалки и отпуска инструментальные стали достигают твердости порядка 55–65 HRC и выше, тогда как конструкционные в закаленном состоянии обычно остаются в пределах 30–45 HRC.
• Инструментальные стали хуже свариваются из-за высокого углерода и, как правило, не используются в сварных конструкциях.

От нержавеющих сталей инструментальные отличаются тем, что не обладают коррозионной стойкостью. Нержавеющая сталь содержит не менее 12–13% хрома и устойчива к ржавчине, но чаще имеет более низкую твердость. Типичные инструментальные стали хрома содержат меньше, их приоритет – твердость и износостойкость, поэтому при контакте с влагой они ржавеют и требуют защиты. Существуют отдельные инструментальные стали с повышенным содержанием хрома, частично устойчивые к коррозии, но полностью нержавеющими их считать нельзя: высокое содержание углерода, необходимое для твердости, ухудшает коррозионную стойкость.

Где применяют инструментальные стали

Инструментальная сталь используется для производства практически всего классического инструмента и оснастки:

• Режущий инструмент для обработки металлов и других материалов (резцы, сверла, фрезы, пилы, метчики, развертки, ножи).
• Штампы и пресс-формы для холодной и горячей обработки давлением (штампы для вырубки и пробивки, ковочные штампы, пресс-формы для литья).
• Измерительный инструмент (линейки, калибры, шаблоны, микрометры, штангенциркули).
• Ударный и слесарный инструмент (зубила, молотки, топоры, отвертки, пассатижи и т.п.).

Такие стали применяются в машиностроении и металлообработке, при производстве строительного инструмента, в горнодобывающей и нефтегазовой индустрии (буровой инструмент), в медицине (часть хирургического инструмента) и в других сферах, где нужен прочный и износостойкий материал для рабочих поверхностей.

Классификация инструментальных сталей

Инструментальные стали удобно рассматривать по двум основным признакам: по химическому составу и по назначению.

По химическому составу

1. Углеродистые инструментальные стали
   Это нелегированные стали с повышенным содержанием углерода (примерно 0,7–1,3%), без специальных легирующих добавок. Примеры марок – У7, У8, У10, У12 и др. После закалки и низкого отпуска они дают твердость порядка 55–65 HRC, но имеют ограниченную прокаливаемость и невысокую теплостойкость. Их используют для инструмента небольших размеров, работающего без сильного нагрева: напильники, ножовочные полотна, слесарный и столярный инструмент, простые метчики и штампы.
2. Легированные инструментальные стали
   В этих сталях помимо углерода (примерно 0,6–1,5%) присутствуют легирующие элементы – хром, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, молибден, никель и др. Легирование увеличивает прокаливаемость, износостойкость и теплостойкость.
   В зависимости от состава выделяют:
   
   • Стали для холодной обработки давлением (например, 9ХС, Х12МФ), отличающиеся высокой износостойкостью
     
   • Стали для горячей обработки давлением (например, 5ХНМ, 4Х5МФС), рассчитанные на работу при повышенных температурах
     
   • Стали для измерительного инструмента – с мелкозернистой структурой и стабильными размерами.
3. Быстрорежущие стали
   Формально это тоже высоколегированные инструментальные стали, но их выделяют в отдельную группу. Они содержат значительные количества вольфрама, молибдена, ванадия, хрома, иногда кобальта. Классический пример – сталь Р6М5. Главное свойство – способность сохранять высокую твердость при нагреве режущей кромки до 600–650 °C. Поэтому быстрорежущие стали применяют для высокоскоростного резания (сверла, фрезы, резцы, протяжки).

По назначению и условиям работы

По характеру работы стали делят на:

• Стали для режущего инструмента – важны максимальная твердость, износостойкость и, при высоких скоростях, теплостойкость
• Стали для холодной штамповки – нужен баланс высокой твердости, износостойкости и достаточной вязкости для работы под давлением и ударом
• Стали для измерительного инструмента – необходимы стабильные размеры и высокая износостойкость при сравнительно небольших нагрузках
• Стали для горячей обработки давлением – должны сохранять прочность и вязкость при многократных циклах нагрева и охлаждения.

Состав и структура инструментальных сталей

Теперь поговорим о том, из чего состоит данный материал и для чего в него добавляются те или иные компоненты.

Роль углерода

Углерод – основной элемент, который делает сталь инструментальной. При содержании от 0,6–0,7% и выше сталь становится закаливаемой: при нагреве и быстром охлаждении образуется мартенсит – очень твердая, но хрупкая фаза.

 Диапазоны:

• Углеродистые инструментальные стали – примерно 0,7–1,3% C (например, У8 – около 0,8%, У12 – около 1,2%)
• Легированные инструментальные – схожий уровень углерода, но с добавками
• Слишком высокий углерод (выше 1,3–1,5%) резко повышает хрупкость и усложняет термообработку.

С ростом содержания углерода повышается потенциальная твердость и износостойкость после закалки, но снижается ударная вязкость и возрастает риск образования трещин при термообработке и эксплуатации.

Легирующие элементы

Легирующие добавки позволяют изменять свойства стали в нужную сторону:

• Хром повышает прокаливаемость, прочность и износостойкость за счет хромистых карбидов; при высоком содержании частично улучшает коррозионную стойкость
• Марганец и кремний улучшают прокаливаемость и прочность, кремний дополнительно повышает упругость
• Вольфрам и молибден формируют тугоплавкие карбиды, обеспечивают теплостойкость и устойчивость к отпуску
• Ванадий измельчает зерно и образует очень твердые карбиды, резко повышающие износостойкость
• Никель повышает вязкость и ударную прочность, полезен для штампов, воспринимающих сильные удары
• Кобальт применяется в быстрорежущих сталях, увеличивая твердость и стойкость при высоких температурах

Сочетание этих элементов дает различные группы: холодноштамповые стали с повышенной износостойкостью, горячештамповые с жаропрочностью, быстрорежущие стали с красностойкостью и т.д.

Структура после термообработки

После закалки и отпуска типичная структура инструментальной стали – мартенсит с распределенными карбидами.

• Мартенсит обеспечивает высокую твердость, но требует последующего отпуска для снятия внутренних напряжений
• Карбиды (цементит, карбиды хрома, ванадия, вольфрама и др.) повышают износостойкость; мелкие равномерные карбиды полезны, крупные скопления ухудшают вязкость

У высоколегированных ледебуритных сталей (например, Х12МФ) доля карбидов велика, что обеспечивает высокую износостойкость, но повышает склонность к хрупким разрушениям. У быстрорежущих сталей большое количество легированных карбидов сочетается с особым режимом отпуска, дающим вторичную твердость и красностойкость.

Основные свойства и ограничения инструментальных сталей

Ключевые эксплуатационные свойства:

• Твердость
  После закалки и отпуска инструментальные стали достигают 55–65 HRC и более, что позволяет им резать и деформировать другие материалы без пластической деформации рабочей кромки. Конструкционные стали на этом фоне значительно мягче.
• Прочность и вязкость
  Инструментальные стали должны выдерживать высокие нагрузки, в том числе ударные и циклические. При этом высокая твердость неизбежно снижает ударную вязкость, поэтому в реальных изделиях твердость подбирают с учетом конкретных условий работы, а не стремятся к максимуму.
• Износостойкость
  За счет твердой матрицы и карбидов инструментальные стали хорошо сопротивляются абразивному и адгезионному износу. Легированные и быстрорежущие стали значительно более износостойки, чем простые углеродистые за счет легированных карбидов.
• Теплостойкость
  Углеродистые инструментальные стали начинают отпускаться уже при 200–250°C и теряют твердость при перегреве режущей кромки. Легированные инструментальные стали выдерживают более высокие температуры, а быстрорежущие сохраняют твердость при нагреве до 600–650°C.

Вместе с преимуществами у инструментальных сталей есть и ограничения:

• Повышенная хрупкость по сравнению с конструкционными сталями, особенно у высокоуглеродистых и высоколегированных марок
• Чувствительность к режимам термообработки: перегрев, неправильная среда охлаждения или недостаточный отпуск резко ухудшают свойства
• Склонность к коррозии – большинство инструментальных сталей без специальной защиты ржавеют во влажной среде
• Плохая свариваемость из-за высокого углерода
• Более высокая стоимость легированных и быстрорежущих марок

Маркировка инструментальных сталей в российской системе

В отечественной системе обозначений (ГОСТ) марка инструментальной стали отражает ее состав и качество.

Углеродистые инструментальные стали

Обозначаются буквой «У» и цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента. 

 Например:

• У8 – около 0,8% C
• У10 – около 1,0% C
• У12 – около 1,2% C

Если сталь высококачественная, в конце марки добавляют букву «А» (пониженное содержание серы и фосфора), например У8А. Повышенное содержание марганца обозначают буквой «Г»: У8Г, У8ГА.

Легированные инструментальные стали

У легированных инструментальных сталей в начале марки обычно стоит цифра (содержание углерода в десятых долях процента), затем буквы легирующих элементов и цифры их массовой доли:

• Х – хром
• Г – марганец
• С – кремний
• М – молибден
• В – вольфрам
• Ф – ванадий
• Н – никель и др.

Например:

• 9ХС – около 0,9% C, ~1% Cr, ~1% Si
• Х12МФ – около 1% C, 12% Cr, с добавками Mo и V

Отсутствие цифры после буквы обычно означает около 1% данного элемента.

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали обозначаются буквой «Р». Цифра после нее показывает содержание вольфрама (в процентах), далее указывают другие легирующие элементы:

• Р6М5 – около 6% W, ~5% Mo, с Cr и V
• Р6М5К5 – тот же состав, плюс около 5% Co
• Р18 – около 18% W и другие легирующие элементы

По марке можно судить о группе стали и ее назначении: углеродистая, легированная штамповая, горячештамповая, быстрорежущая и т.д.

Как выбирать инструментальную сталь

Выбор марки инструментальной стали всегда связан с условиями работы инструмента. Оценивают:

• Характер нагрузки: статическая, ударная, наличие вибраций
• Наличие и уровень нагрева (отсутствие, умеренный нагрев, высокие температуры)
• Размеры и форму инструмента, требуемую глубину закалки
• Необходимый ресурс и частоту переточек
• Допустимую стоимость материала и сложности обработки

Для небольшого ручного инструмента, работающего без нагрева и ударов, часто достаточно недорогой углеродистой стали. Для холодных штампов с высокой нагрузкой выбирают легированные марки с карбидами хрома и ванадия. Для горячей объемной штамповки нужна жаропрочная сталь с хромом, молибденом и никелем. Для высокоскоростного резания почти неизбежен выбор быстрорежущей стали или твердых сплавов.

 Даже при оптимальном выборе марки решающим остается качество термообработки: именно оно превращает заготовку в полноценно работающий инструмент.

 Итак, инструментальная сталь – это специальная группа высокоуглеродистых и легированных сталей, адаптированных для работы в самых жестких условиях: при давлениях, ударах, износе и нагреве. Высокое содержание углерода и легирующих элементов, чистый состав и правильно подобранная термообработка дают сочетание твердости, прочности, износостойкости и, при необходимости, теплостойкости.

 От конструкционных и нержавеющих сталей инструментальные отличаются прежде всего задачами: они созданы не для несущих конструкций и не для защиты от коррозии, а для надежной работы режущих кромок, штампов и измерительного инструмента.

В каталоге на сайте СПб Металл вы можете ознакомиться с ассортиментом стали разных марок, в том числе и инструментальной. Наша продукция применяется для самых ответственных задач, где важны высокая прочность, износостойкость и другие характеристики. Если вам потребуется консультация, вы всегда можете обратиться к нашим специалистам по телефону или с помощью форм обратной связи на сайте.