Углеродистые и легированные инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью и износостойкостью, но эти свойства сохраняются лишь при нагреве до невысоких температур (не свыше 200-300° С). Поэтому такие материалы применяют для резания сравнительно мягких, малопрочных материалов и обрабатывают с невысокой скоростью резания.

Для получения высокой твердости инструментальные стали имеют повышенное содержание углерода: от 0,7 до 1,4%. Они содержат также сравнительно небольшое количество других элементов, которые называют легирующими.

Введение в сталь легирующих элементов придает стали специальные свойства.

В настоящее время в качестве легирующих элементов используются хром, кобальт, никель, молибден, титан, вольфрам, бор, азот, алюминий, ванадий, цирконий, ниобий и др.

В инструментальных сталях количество легирующих элементов сравнительно невелико, обычно до 3-4%.

Углеродистые инструментальные стали в соответствии с процентом содержания в стали углерода делятся на марки: У7Л, У8Л, У9Л, У10А, У11А, У12А, У13А. Маркировка этих сталей расшифровывается так: буква У означает углеродистая , следующая за буквой У цифра указывает содержание в стали углерода, выраженное в десятых долях процента, т. е. 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3%. Буква А в конце маркировки указывает на то, что сталь высококачественная, т. е. содержит мало вредных примесей (серы и фосфора).

Легированные стали имеют также свою маркировку, причем каждый легирующий элемент обозначается определенной буквой:

Хром - X Вольфрам - В Алюминий - Ю

Никель - И Кремний - С Титаи - Т

Молибден - М Ванадий - Ф Цирконий - Ц

Марганец - Г Ниобий - Б Фосфор - П и т. д

Медь - Д Азот - А

Содержание легирующего элемента (в процентах) указывается цифрами после буквы; если его содержание меньше или равно (в среднем) 1%, то после буквы цифра не проставляется. Так, хромо-кремнистая сталь 9ХС содержит 0,95-1,10% С (углерод); 0,95-1,25% Сг (хром); 1,20-1,60% Si (кремний). Иногда в марке содержание углерода не указывается: например, сталь Х12Ф1 содержит 11,0-12,5% хрома, 0,7-0,9% ванадия и 1,2-1,4% углерода.

В производстве режущих инструментов из инструментальных легированных сталей наибольшее применение находят две стали: хромокремнистая 9ХС и хромовольфрамомарганцовистая ХВГ.

Если процент легирующих элементов в стали увеличить: вольфрама до 8,5-19%, хрома до 3,8-4,6%, а также ввести молибден

и ванадий, то можно повысить теплостойкость до 600° С без существенного снижения стойкости. Такие стали называют быстрорежущими.

По сравнению с инструментами из углеродистой стали инструменты из быстрорежущей стали допускают более высокую скорость резания при одинаковой стойкости.

Основной маркой быстрорежущей стали является Р18, которая содержит 17,5-19,0% W, 3,8-4,4% Сг, 0,7-0,8%С и 1,0-1,4%V.

Из этой стали изготовляют большинство режущих инструментов, так как в закаленном состоянии она обладает стабильными высокими режущими свойствами и весьма повышенной износостойкостью. Инструменты из стали Р18 хорошо переносят ударные нагрузки при работе и их легко можно перетачивать по мере затупления и износа.

Многие инструменты делают составными: рабочая часть (принимающая непосредственное участие в резании) выполняется из быстрорежущей стали, а нерабочая (корпус, хвостовая часть и т. д.) - из менее дорогой - конструкщюнной стали.

Низковольфрамовая быстрорежущая сталь марки Р9 содержит 8,5-Юо вольфрама, т. е. в два раза меньше по сравнению со сталью Р18, и 2-2,6% ванадия вместо 1,0-1,4%, что позволило почти выравнять режущие свойства, но привело к ухудшению ее шлифуемости. Поэтому при заточке вследствие повышенного содержания ванадия могут возникать прижоги - поверхностные дефекты, ведущие к понижению твердости. В последнее время широко стали использоваться быстрорежущие стали марок Р12 и Р6МЗ.

Помимо сталей нормальной производительности, применяются также быстрорежущие стали повышенной производительности.

Ванадиевая сталь Р9Ф5 имеет увеличенное содержание ванадия (до 4,3-5,1%) и углерода (до 1,4-1,5%) и обладает высокой износостойкостью в инструментах с небольшой толщиной стружки и малыми скоростями (развертки, метчики, протяжки и т. п.).

Быстрорежущие стали Р18Ф2 и Р14Ф4 с меньшим количеством ванадия (1,8-2,4% и 3,4-4,1% соответственно) занимают по своим свойствам промежуточное положение.

Кобальтовые быстрорежущие стали повышенной производительности Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2 и Р10К5Ф5 обладают более высокой износостойкостью, красностойкостью и твердостью по сравнению со сталью Р18 и могут применяться для изготовления инструментов, нагревающихся при работе до высоких температур (обработка нержавеющих, жаропрочных сплавов и сталей, а также при обработке легированных сталей твердостью НВ 300-350). Кобальтовые стали используются при изготовлении фрез, резцов, сверл и других инструментов.

Инструментальные углеродистые и легированные стали после соответствующей термической обработки могут иметь твердость

HRC 58-64. Твердость быстрорежущих сталей обычной производительности HRC 63-65, для быстрорежущих сталей повьш1ен-ной производительности HRC 64-66.

Инструменты с низкой твердостью очень быстро изнащиваются и становятся неприспособленными для работы, так как теряют свою форму и размеры. С повышением твердости палифуемость стали при изготовлении и при переточках ухудшается. Однако чрезмерное повышение твердости может вызывать преждевременное выкрашивание режущих кромок и быть причиной поломки инструмента.

В настоящее время для производства режущих инструментов очень широко используются твердые сплавы. Эти инструментальные материалы содержат чрезвычайно твердые и тугоплавкие ме-таллоподобные вещества, называемые карбидами, нитридами, бо-ридами и силицидами. Они представляют собой соединения углерода, азота, бора, кремния с металлами - вольфрамом, титаном, танталом, ниобием, молибденом. Температура плавления карбидов очень высокая в пределах 2000-3800° С, а по твердости они приближаются к самому твердому веществу - алмазу.

Твердые сплавы изготовляются по особому технологическому процессу, называемому порошковой металлургией. Порошки карбидов смешиваются с порошками некоторых металлов, из них формируются и прессуются изделия или пластинки, которые затем подвергаются термической обработке - спеканию при температуре ниже температуры плавления исходных материалов.

Такой процесс позволяет получать инструменты и детали сложной формы, с особой структурой. Обычно это очень мелкозернистые соединения частиц карбидов размером 0,5-10 мкм, соединенных цементирующей средой. Цементирующим металлом в твердых сплавах обычно являечся кобальт.

Использование для изготовления инструментов твердых ме-таллокерамических сплавов позволяет существенно повысить производительность обработки (почти в 2-3 раза) в основном за счет использования более высоких скоростей резания (до 150-200м/мин вместо 40-50 м/мин для инструментов из быстрорежущих сталей).

Теплостойкость твердых сплавов достигает 750-1100° С, а их твердость находится в пределах HRA 87-92, г. е. выше твердости быстрорежущей стали на 5-8 единшх по HRC.

В СССР стандартизовано три шкалы (В; С: А) измерения твердости на приборах типа Роквелла. При по/Н!Зовании шкалой С алмазный конус внедряется в поверхность детали под нагрузкой 150 кГ, а при определении твердости деталей из твердых сплавов по шкале Л нагрузка уменьшается до 60 кГ, так как большие нагрузки в этом случае могут повредить алмаз. При определении твердости по шкале В берется стальной шарик и груз в 100 кГ. .

Для изготовления режущих инструментов применяются три группы твердых сплавов.