Инструментальная углеродистая сталь

Сортамент углеродистых инструментальных сталей по ГОСТ 1133-71 (кованая круглая и квадратная); ГОСТ 2879-88 (горячекатаная шестигранная); ГОСТ 4405-74 и ГОСТ 103-2006 (полосы кованые и горячекатаные); ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75 и ГОСТ 8560-78 (калиброванная), ГОСТ 14955-77 (со специальной отделкой).

Назначение углеродистых инструментальных сталей приведено в таблице ниже.

Сталь	Назначение
У7, У7А	Инструменты для обработки дерева - топоры, колуны, стамески, долота; пневматические инструменты небольших размеров - зубила, обжимки, бойки. Слесарно-монтажные инструменты - кусачки, плоскогубцы, острогубцы, молотки, кувалды, отвертки, бородки и др.
У8, У8А	Инструменты для обработки дерева - фрезы, зенковки, цековки, топоры, стамески, долота, продольные и дисковые пилы. Накатные ролики. Плиты и стержни для форм литья под давлением оловянно-свинцовых сплавов. Обжимки, кернеры, бородки, отвертки, плоскогубцы, острогубцы, боковые кусачки
У9, У9А	Инструменты для обработки дерева, слесарно-монтажные инструменты, калибры простой формы и пониженных классов точности
У10, У10А	Столярные пилы ручные и машинные, ручные ножовки, спиральные сверла; слесарные шаберы, напильники, накатные ролики; штампы для холодной штамповки деталей небольших размеров и простой формы; калибры простой формы и пониженных классов точности
У11, У11А	То же, а также ручные метчики, холодновысадочные пуансоны и штампы мелких размеров, калибры простой формы и пониженных классов точности
У12, У12А	То же, а также небольшие пресс-формы для пластмасс
У13, У13А	Инструменты повышенной износостойкости, работающие при умеренных и значительных давлениях без разогрева режущей кромки (напильники, бритвенные ножи, лезвия, острые хирургические инструменты, шаберы, гравировальные инструменты)

Химический состав углеродистых инструментальных сталей стандартизирован по ГОСТ 1435-99 .

Углеродистые стали применяют для изготовления режущих инструментов, работающих в условиях, не вызывающих нагрева рабочей кромки свыше 150-200 °С. Они используются также для штамповых и измерительных инструментов.

Основные достоинства углеродистых сталей - получение высокой твердости в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины. Это в ряде случаев обеспечивает минимальную поводку инструмента и повышение его механических свойств; низкую твердость в отожженном состоянии НВ 1800-2000 МПа, позволяющую использовать высокопроизводительные методы изготовления инструмента (накатку, насечку); закалку с низких температур (770-820 °С); получение после закалки малых количеств остаточного аустенита, что обеспечивает им повышенное сопротивление пластической деформации; сохранение чистой поверхности при закалке вследствие охлаждения в воде, что упрощает очистку инструментов; низкую стоимость.

Вместе с тем недостатки углеродистых сталей существенно ограничивают область их применения: вследствие низкой теплостойкости - способности сохранять твердость лишь при нагреве до температур, не превышающих 170-200 °С. Меньшая прочность по сравнению с быстрорежущими сталями связана с получением более крупного зерна (8-9 балл) при оптимальных температурах закалки. Склонность к росту зерна при незначительных перегревах при закалке приводит к понижению механических свойств. Ограниченная технологическая закаливаемость требует применения высоких скоростей охлаждения в перлитном интервале, что приводит к неоднородной твердости, особенно у инструментов небольшой толщины, а также к большой поводке и термическим трещинам. Стали нельзя применять для относительно крупных инструментов (диаметром или толщиной больше 30 мм), если они предназначены для работы при повышенных давлениях. Стали склонны к отпуску поверхностных слоев при нагреве во время шлифования и заточки.

Углеродистые стали используют для инструментов, не подвергаемых в процессе работы нагреву до температур свыше 150-200 °С и не требующих в процессе изготовления значительного шлифования (напильники, метчики, развертки, ножовки, топоры, колуны, стамески, слесарно-монтажные и хирургические инструменты, а также для некоторых штамповых и измерительных инструментов.

Высокая твердость углеродистых сталей (HRC 62-63) достигается уже при 0,6 % С в инструменте диаметром (толщиной) 1-5 мм.

В инструменте большей толщины такую твердость на поверхности можно получить лишь при 0,8-0,9 % С. С увеличением содержания углерода более 0,9-1,0 % твердость повышается до HRC 65.

Критические точки и режимы отжига углеродистых инструментальных сталей (t °С)
Сталь	Ас1	Ас3 (Асм)	Аr3 (Arm)	Аr1	Mн	Mк	Температура отжига *
У7, У7А	723	765	-	700	280	-	730-750
У8, У8А	720	740	-	700	245	-	730-750
У9, У9А	740	760	-	700	190	-	740-750
У10, У10А	730	800	-	700	210	-	740-750
У11, У11А	730	810	-	700	200	-	750-780
У12, У12А	730	820	-	700	200	-20	750-780
У13, У13А	730	830	-	700	190	-	750-780
* После выдержки при 730-780 °С охлаждение со скоростью 50°/ч до 620-660°С, далее на воздухе.

Оптимальное содержание углерода определяется особенностями работы инструмента, его формой и технологией изготовления. Если инструмент подвергается в основном ударным нагрузкам (деревообрабатывающий инструмент, зубила, некоторые штампы), целесообразно применять доэвтектоидные стали с 0,6-0,7 % С с трооститной структурой. Для остального режущего инструмента более целесообразна мартенситная структура с избыточными карбидами, образующаяся в заэвтектоидных сталях, содержащих 0,9- 1,3% С. Эти стали имеют высокую твердость и износостойкость и удовлетворительные механические свойства. Сталь эвтектоидного состава (0,8 % С) более склонна к росту зерна (перегреву), обладает меньшей стабильностью свойств и в связи с этим находит ограниченное применение.

Предварительная термическая обработка углеродистых инструментальных сталей. Неполный отжиг (нагрев 690-710 °С) с непрерывным охлаждением и сфероидизацию рекомендуется проводить в шахтных или камерных печах (стали У7, У7А, У8, У8А). Продолжительность выдержки после прогрева всей садки до температуры отжига 3-4 ч.

Изотермический отжиг целесообразен для печей непрерывного действия (конвейерных, толкательных). Продолжительность выдержки после прогрева всей садки до температуры отжига 1-2 ч. Изотермическая выдержка при охлаждении 1-2 ч. Отжиг с полной перекристаллизацией (стали У7, У7А, У8, У8А) проводят при необходимости одновременного измельчения структуры. Сфероидизацию (маятниковый отжиг) применяют для получения структуры зернистого перлита.

Высокий отпуск (650-700 °С) следует использовать для снятия наклепа после холодной пластической деформации (так называемый рекристаллизационный отжиг), а также для снятия внутренних напряжений от обработки резанием, предшествующей закалке, перед повторной закалкой изделий, имеющих пониженную твердость после термообработки. Продолжительность выдержки при высоком отпуске 2-3 ч после прогрева всей садки.

Нормализацию применяют для измельчения зерна перегретой стали и для получения небольших параметров шероховатости поверхности при обработке, резанием в тех случаях, когда сталь в отожженном состоянии имеет твердость меньше НВ 1830 МПа. Продолжительность выдержки при нагреве в печах 20-30 мин после прогрева всей садки; при нагреве в соляных ваннах - равняется расчетной выдержке для нагрева под закалку. Режимы отжига, механические и физические свойства углеродистых инструментальных сталей приведены в таблицах ниже.

Нагрев под закалку углеродистых инструментальных сталей осуществляется как в воздушных печах, так и в соляных ваннах. Для соляных ванн выдержка 20-25 с, для воздушных печей 60-80 с на 1 мм толщины.

Условия охлаждения при закалке определяются сечением инструмента.

Поскольку быстрое охлаждение в воде или водном растворе солей и щелочей нежелательно, инструмент небольшого сечения охлаждают в масле или расплавленных солях при 160- 200 ^oС. Для уменьшения возможности образования трещин и деформаций при закалке в ряде случаев целесообразно проводить охлаждение сначала в воде с последующим переносом в масло.

Механические свойства углеродистых инструментальных сталей после предварительной обработки (отжига)
Сталь	HB, МПа, не более	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	ψ, %	Феррит, %	Карбиды, % *
У7, У7А	1870	630	390	21	38	88-90	10-12
У8, У8А	1870	600	-	-	-	87-89	11-13
У9, У9А	1920	600	-	-	-	-	-
У10, У10А	1970	600	-	23	60	84-86	14-16
У11, У11А	1970	-	-	-	-	83-84	16-17
У12, У12А	2070	600-700	350-450	28	45-55	83-83,5	16,5-17
У13, У13А	2170	-	-	-	-	80-81,5	18,5-20
* Карбидная фаза представляет собой цементит Fe3C.

Физические свойства углеродистых инструментальных сталей после отжига
Сталь	Нс·10-2, А/м	μmax·10-5, Гн/м	4πJs, Тл	Р1·10-6, Ом·м	Р, т/м3
У7, У7А	3-10	94	2	0,13	7,83
У8, У8А	4-10	91	2	0,14	7,83
У9, У9А	-	-	-	-	-
УЮ, У10А	5-13	88	1,95	-	7,81
У11, У11А	-	-	1,8	-	7,81
У12, У12А	6-8	85	1,9	-	7,81
У13, У13А	-	-	-	-	7,80

Режимы отжига углеродистых сталей на зернистый перлит
Сталь	Температура, oС нагрева	Температура, oС изотермической выдержки при охлаждении
У7, У7А У8, У8А У9, У9А У10, У10А У11, У11А У12, У12А У13, У13А	730-750 730-750 740-750 740-750 750-780 750-780 750-780	600-650 600-650 600-650 600-650 620-660 620-660 620-660

Отпуск для сохранения высокой твердости и получения оптимальной прочности и вязкости рекомендуется проводить при 150-160 °С для инструмента толщиной более 5 мм и при 170-180°С для инструмента меньшего сечения. Такой отпуск сохраняет твердость выше HRC 62 без разложения остаточного аустенита. Для деревообрабатывающего инструмента рекомендуется более высокий отпуск: 275-290 °С для HRC 55-58 (стамески) и 400-450°С для HRC 44-48 (пилы).

Отпуск проводят в воздушных печах или в жидкостных ваннах продолжительностью 1 ч с последующим охлаждением на воздухе. Для предотвращения трещинообразования отпуск должен быть осуществлен непосредственно после закалки. После шлифования и заточки для снятия напряжений полезен отпуск при 140-160 °С продолжительностью 30-45 мин,

Механические свойства и прокаливаемость углеродистых инструментальных сталей после закалки и отпуска приведены в таблице ниже.

Сталь	Т °С закалки	Т °С отпуска	Содержание Fe3C, %	HRC	σи, МПа	Прокаливаемость (критический диаметр d, мм)
У7, У7А	800-820	150-160 200-220	0	61-63 57-59	2000	15-20
У8, У8А	780-800	150-160 200-220	-	63-65 57-59	1950	15-20
У9, У9А	760-780	150-160 200-220	-	62-63 58-59	-	15-20
У10, У10А	760-780	150-160 200-250	2-4	62-63 58-59	2400	15-20
У11, У11А	760-780	150-160 200-250	4-6	62-63 58-59	2900	15-20
У12, У12А	760-780	150-160 200-250	5-7	62-63 58-59	3500	10-20
У13, У13А	760-780	150-160 200-250	6,5-8	62-63 58-59	2150	10-20