Чем легируют инструментальные стали?

Основа инструментального сплава- это железо с долей углерода от 0,7% и выше. Такой дуплекс обеспечивает твёрдость, но не даёт нужной прокаливаемости, износостойкости или сопротивления нагреву. Именно поэтому в шихту вводят дополнительные химические легирующие компоненты.

Каждая добавка решает конкретную технологическую задачу. Одни повышают твёрдость и абразивную стойкость, другие отвечают за вязкость и ударную прочность, третьи обеспечивают красностойкость. Разберём по порядку, какой элемент для чего служит и как это отражается на марках.

Основные легирующие элементы

Хром (Cr)

Самый распространённый компонент. Вводят для увеличения прокаливаемости и сопротивления истиранию. При содержании 1-1,5% формирует карбиды, упрочняющие структуру после закалки. В высокохромистых вариантах появляется коррозионная стойкость, что важно для измерительного инструмента, работающего в средах с влажностью.

Пример: марка 9ХС содержит 0,95-1,25% Cr и идёт на свёрла, метчики, развёртки.

Вольфрам (W)

Ключевой элемент быстрорежущих сплавов (серия Р). Образует сложные твёрдые карбиды, которые сохраняют жёсткость при нагреве до 600-700 °C - это позволяет работать на высоких скоростях резания. В марках без буквы «Р» вольфрам часто сочетается с хромом и марганцем.

Ванадий (V)

Работает в паре с углеродом, создавая сверхтвёрдые карбиды ванадия. Даже малая концентрация от 0,1% до 0,3% заметно повышает износостойкость и сопротивление динамическим нагрузкам. Кроме того, ванадий измельчает зерно, что улучшает вязкость без потери твёрдости.

Молибден (Mo)

Часто заменяет часть вольфрама (эквивалент 1:1 по массе) в быстрорезах и штампах. Улучшает прокаливаемость и теплостойкость, снижает склонность к отпускной хрупкости. В некоторых марках, например 27Х2Н2М1Ф, дополнительно повышает коррозионную стойкость.

Никель (Ni)

В инструментальных сталях встречается реже, но в ударно-стойких вариантах (типа 27Х2Н2М1Ф) повышает вязкость и сопротивление усталости, не снижая твёрдости.

Марганец (Mn) и кремний (Si)

Обязательные технологические добавки. Марганец улучшает прокаливаемость и частично раскисляет расплав. Кремний в повышенных количествах (до 1,6% в 9ХС) увеличивает сопротивление отпуску и упругость.

Классификация по применению

Нормативная база делит эти материалы на несколько групп по условиям эксплуатации.

Режущий и измерительный инструмент. Здесь выделяют две подгруппы по прокаливаемости.

• Неглубокая - марки 7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11Х, 13Х, ХВ5, В1, Ф. Идут на слесарный инструмент небольшого сечения: плашки, развёртки, метчики, шаберы, зубила. Теплостойкость таких сплавов не превышает 250-350 °С.
• Глубокая - Х, 9ХС, ХВГ, 9ХВГ, ХВСГ, 9Х5Ф, 9Х5ВФ, 8Х4В4Ф1. Применяются для ответственного инструмента: фасонные резцы, фрезы, пилы по металлу, спиральные свёрла, зенкеры, протяжки, резьбонарезные гребенки, долбяки. Работают при скоростях резания до 25 м/мин.

Для измерительного инструмента (скобы, линейки, шаблоны, калибры) используют марки Х, Х8Г, 12Х1 - они дают стабильность размеров.

Штамповые стали разделяются на две ветви.

• Для холодного деформирования - 9Х, Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12Ф1. Применяются для дыропрошивных матриц и пуансонов, штампов для пластмасс, ножниц для резки листа. Твёрдость после закалки достигает 58-62 HRC.
• Для горячего деформирования - 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС, 4ХМФС, 27Х2Н2М1Ф. Идут на крупные ковочные штампы, прошивные пуансоны, матрицы пресс-форм для литья под давлением. Сохраняют работоспособность при нагреве до 400-500 °С, твёрдость после отпуска - 42-48 HRC, с высокой ударной вязкостью.

Сравнительная таблица легирующих элементов

Вывод

Выбор конкретной марки диктуется условиями работы - резание, штамповка, измерение. Базовая углеродистая сталь даёт недорогую твёрдость, но именно легирование превращает её в специализированный материал, способный выдерживать высокие температуры, ударные нагрузки и абразивный износ.