Обрабатываемая поверхность, ее размеры, твердость, пластичность, степень нагрева – все это значимо, если речь идет об обработке деталей. Отсюда требования к материалу, из которого создают инструменты: твердость, сохранность режущей части, износоустойчивость, теплостойкость и т.п. Именно для инструментария, обладающего небольшим сечением, в частности, обрабатывающих станков, когда резец нагревается до 900°С, и выпускаются стали инструментальные – углеродистые и легированные. Их ценность в том, что при наличии требуемых качеств, они относятся к числу дешевых, и не дефицитных.

Особенности углеродистых инструментальных сталей

Наличие углерода (С), увеличение которого в структуре металла ведет к уменьшению пластичности, ударной вязкости при одновременном возрастании прочности, твердости (до достижения 1%) и порога хладоемкости (теплоемкости) – базовый ориентир этого материала. Влияет С также на электросопротивление данной стали, магнитную проницаемость и др. Вместе с тем, излишнее повышение содержания С в стали снижает ее литейные качества, свариваемость, ухудшает проведение обработки металла резанием и давлением.

По ГОСТ 1435 в стали этой категории содержится 0,65-1,35% углерода. Маркировка указывает на количество минерала в процентном соотношении. Так, из марок У7, У7А, У8, У8А, где буква «У» означает «углеродистая», а цифры соответствуют десятым долям процента, производятся инструменты ударного действия и обслуживающие производство деревянных изделий.

При необходимости повысить ударную вязкость, углеродистые стали подвергаются отпуску при 280-300°С. Марки У9—У13 (У9А—У13А) с большей твердостью применяются в сверлильном оборудовании, изготовлении фрез, плашек и метчиков. При всех достоинствах углеродистые инструментальные стали из-за низких прокаливаемости и теплостойкости не могут эксплуатироваться при нагреве более 200°С, поскольку в этом случае снижается твердость материала.

Улучшение качеств инструментальных сталей

Легирующие элементы или добавки способствуют изменению необходимых в каждом конкретном случае определенных устойчивых свойств аустенита, в частности, прокаливаемости. В качестве присадок используются: хром, ванадий, вольфрам, марганец, кремний и др., общее количество которых не должно превышать пяти процентов. Содержание углерода колеблется от 0,9 до 1,4%. Изготовленные из легированного металла инструменты закаливаются при температуре до 860°С, отпуск – при 150-200°С.

Если речь идет о режущих инструментах, то для их изготовления применяются марки 9ХС, ХВСГ, ХВГ с добавками кремния, которые имеют более высокий уровень прокаливаемости и особую твердость, способствующую повышению износоустойчивости. Кроме того, в данных марках увеличено содержание марганца, который снижает деформирование инструмента во время закалки. В итоге получается инструмент, надолго сохранивший остроту кромки: фасонные резцы, инструменты для гравирования и др.

Новые разработки инструментальной стали связаны с интерметаллидами (Ni3Ti, NiTi, FeMo2 и др.), способствующими значительному упрочению металла.

Собственно, само название «конструкционная сталь» раскрывает возможности ее применения в различных отраслях производства, где требуются прочные конструкции, детали, механизмы с заданными физическими, химическими, механическими признаками, которые в значительной степени зависят от наличия в ней примесей и присадок.

Качество конструкционного металла определяет присутствие вредных примесей: фосфора (Р) и серы (S), придающих материалу хрупкость и красноломкость. Их наличие позволяет определить его качественные характеристики: обыкновенная с наличием до 0.05 % этих примесей; качественная – до 0.035 %; высококачественная – 0.025 %; особовысококачественная – не более 0.015 %.

Классификация конструкционных сталей

В основу систематизации стали заложены ее основные характеристики и возможность использования в той или иной отрасли машиностроения или строительных технологиях, а также степень обрабатываемости. Различают стали конструкционные:

• по химическим составляющим – углеродистые и легированные
• по возможностям обработки – цементрируемые, улучшаемые
• по предназначению – пружинные, шарикоподшипниковые

Внутри каждой группы данной классификации происходит дальнейшая градация сталей конструкционных. Наиболее важной для характеристик произведенного металла представляется первая группа.

Стали углеродистые

К этой группе металла относятся:

• низкоуглеродистые (марки 05кп, 08, 10). Основное их достоинство – высокая пластичность. Применяются для деталей, не испытывающих больших нагрузок, термически не обрабатываются
• среднеуглеродистые (марки 35,430,45). Обладают большей прочностью, но меньшей пластичностью. Применяются после термического улучшения
• высокоуглеродистые (марки 60,65,70,75) используются для валков, шпинделей, как рессорно-пружинные после термической обработки. К достоинствам углеродистых сталей следует отнести их технологичность и невысокие цены. Однако, из-за низкой прокаливаемости они не могут обеспечивать требуемых механических качеств при изготовлении деталей с сечением большим, чем 20 мм

Легированные конструкционные стали

Легирование – добавки, присадки – это дополнительное введение в состав металла компонентов, необходимых для придания ему требуемых механических свойств: прочности с высоким уровнем предела текучести стали, сохранением пластичности, вязкости, коррозийной стойкости. В зависимости от преобладающей добавки легированные стали могут быть:

• хромистые (марки 30Х, 40Х,50Х) для средненагруженных деталей, склонные к хрупкости, нуждающиеся в быстром охлаждении после высокого отпуска. Для вязкости в них добавляется ванадий, а для прокаливаемости – бор
• хромокремнистые (33ХС) и хромокремниймарганцевые (хромансил) (25ХГСА) – высокопрочные, умеренно вязкие, обладающие отличной свариваемостью. Они применяются в автомобиле- и самолетостроении, используются в крепежных узлах и деталях
• хромистоникелевые (марки 45 ХН, 30 ХН3А), которых отличает высокая прокаливаемость. Для уменьшения хрупкости в эти стали добавляют молибден или вольфрам, для измельчения структуры зерна – ванадий

Сплав марки ХВГ считается самым популярным среди легированных инструментальных сталей, поскольку ему присущи относительно высокие механические характеристики. Высокая прочность, износоустойчивость, твердость и коррозионная стойкость – всё это позволяет использовать сталь ХВГ в ответственных узлах сложных механизмов. Добиться таких показателей удалось за счёт использования высокого содержания трех элементов, обозначения которых и входят в название сплава ХВГ (Х – хром, В – ванадий, Г – марганец). Полный химический состав данного сплава выглядит следующим образом:

• Fe – около 94,0%
• Cr – 0,9-1,2%
• W – 1,2-1,6%
• Mn – 0,8-1,1%
• C – 0,9-1,05%
• Si – 0,1-0,4%
• Ni – не более 0,35%
• Mo – не более 0,3%
• Cu – не более 0,3%
• S – не более 0,03%
• P – не более 0,03%

Сталь ХВГ: ГОСТы и виды проката

ХВГ сталь достаточно широко востребована в современной промышленности, которая нуждается в высококачественном режущем и измерительном инструменте. Ассортимент изделий, производимых из сплава ХВГ, начинается со свёрл, метчиков и резьбовых калибров и заканчивается пуансонами, холодновысадочными матрицами и  прочей сложной технологической оснасткой, к которой предъявляются повышенные требования по надежности.

Инструментальная легированная сталь хвг выпускается по следующим ГОСТам:

• ГОСТы 5950-2000, 2591-2006, 2590-2006 – общие стандарты фасонного проката
• ГОСТы 8560-78, 8559-75, 7417-75, 5950-2000 – калиброванный пруток
• ГОСТы 1133-71, 7831-78, 5950-2000 – поковки
• ГОСТ 4405-75 – полосы
• ГОСТы 14955-77, 5950-2000 – серебрянка и шлифованные прутки

Физические и механические свойства стали ХВГ

Физические и механические свойства стали ХВГ представлены в следующих таблицах:

ХВГ сталь: применение, закалка готовых изделий

При изготовлении свёрл с применением стали ХВГ используется особая технология закалки готовых изделий: для нагрева рабочей части сверла применяется свинцовая или соляная ванна. В некоторых случаях нагрев продолжается в камерной печи, где готовые изделия помещаются на специальную огнеупорную подставку. Чтобы охладить закаленные свёрла их переносят в масляную или селитровую ванну (t=150-180°, продолжительность 1-2 часа), после чего оставляют остывать на воздухе.

Закалка готовых метчиков осуществляется при помощи нагрева изделий в свинцовой ванне с наименьшей выдержкой. Это позволяет в полной мере закалить лишь саму поверхность метчика, оставив сердцевину относительно вязкой. В результате, удаётся значительно снизить вероятность деформации резьбы при работе, что означает увеличение стойкости и прочности метчика.

Для изготовления концевых фрез сталь ХВГ нагревают, после чего осуществляют постепенное охлаждение: расплавленная селитра (t=450 – 500°), масло (t=150-200°), воздух. Это позволяет добиться твёрдости зуба Rc=62-65, в то время как хвостовая часть фрезы, изготовленная из стали 45, проходит термическую обработку и наделяется твёрдостью Rc=30-45.

ЛС59 (ЛС59-1) – это латунь свинцовая, поскольку в ней присутствует 1% свинца. Основными же компонентами данного сплава являются медь и цинк, соотношение которых подобрано с таким расчетом, чтобы получить латунь, хорошо подвергающуюся обработке давлением. Полный химический состав латуни ЛС59 выглядит так (по ГОСТ 15527):

• Cu – 57,0-60,0%
• Zn – 37,35-42,2%
• Pb – 0,8-1,9%
• Fe – не более 0,5%
• P – не более 0,02%
• Sb – не более 0,01%
• Bi – не более 0,003%

Такое сочетание позволяет добиться от сплава достаточно высокой прочности и отличной износостойкости. При этом латунь ЛС59 хорошо обрабатывается путём снятия тонкого слоя мелкой сыпучей стружки.

Механические и физические свойства

Латунь ЛС 59 (или ЛС59-1) отличается относительно высокой твёрдостью – HB 10-1=150-160 МПа, в то время как температура плавления сплава находится на уровне 900°C. Остальные свойства этого материала представлены в таблице:

Поскольку этот латунный сплав изначально предназначен для обработки давлением, вид и характеристики последнего могут предопределить последующие эксплуатационные свойства латунного изделия. Так, особенности горячей деформации, а именно величины давления, могут сделать сплав твёрдым, полутвёрдым или мягким. Применение горячего отжига дополнительно придает сплаву большей коррозионной стойкости и износостойкости.

Несмотря на то, что мы имеем дело с многокомпонентным веществом, обрабатываемым давлением, основное практическое название латуни марки ЛС59 – автоматный сплав. Это объясняется присущими материалу хорошими электро- и теплопроводностью. Что касается коррозионной стойкости, то после должной технологической обработки благодаря свинцу сплав ЛС59-1 становится более устойчивым к растрескиваниям, возникающим по причине повышения влажности или температуры окружающего воздуха. В этом отношении данная марка значительно превосходит сплавы Л68 и Л63.

Латунь лс59-1: применение

Из данного сплава получают широкий ассортимент различных метизов: болты, гайки, втулки, шестеренки, зубчатые колеса. Благодаря превосходным технологическим и эксплуатационным свойствам латуни из неё также получают всевозможные декоративные элементы и полуфабрикаты для их изготовления. На производство латунь ЛС59 поставляется в виде чушек, блоков, слитков или шашек круглого сечения любого размера.

Латунному сплаву марки ЛС59 присущи хорошие антифрикционные свойства, поэтому из этого материала часто делают мелкие детали, работающие при высоком трении. Примером таких изделий являются подшипники скольжения.

Ассортимент изделий из латуни ЛС59-1 также включает следующую продукцию:

• прутки
• круги
• ленты
• полосы
• листы
• профили
• плиты
• проволоку
• трубы и пр.

Бронзой называется сплав меди, в составе которого имеются присадки: олово, алюминий, кремний, марганец, бериллий. В небольших количествах в сплаве всегда присутствуют цинк, фосфор, свинец. Благодаря антифрикционным свойствам бронзы (низкий коэффициент трения), ее устойчивости к коррозии, она широко применяется при изготовлении деталей, работающих в определенных агрессивных средах. В среднем, плотность этого вещества составляет 7800-8700 кг/м³; температура плавления бронзы – 930-1140°C.

Классификация бронзы

Свойства, которые приобретает бронза в зависимости от легирующих добавок, заложены в основе ее классификации:

• оловянная
• безоловянная (алюминиевая, кремниевая, бериллиевая и др.)
• фосфористая
• многокомпонентная

В зависимости от способа производства полученный металл можно подразделять на литейную бронзу или обрабатываемую давлением.

Бронза оловянная относится к числу наиболее древнего сплава, освоенного человечеством. В ее составе преобладает медь, а сам металл легкоплавок и прочен. Оловянным он назван по второму легирующему компоненту (второй по количеству), хотя в этом сплаве присутствуют цинк, свинец или мышьяк (не более 10%).

Бронза с содержанием олова (Sn) относится к литейному металлу, поскольку наличие основной добавки не позволяет обрабатывать сплав давлением. Он не поддается ковке, резанью, заточке, и т.д. У оловянной бронзы очень низкий коэффициент усадки — 1 %, поэтому сплав используется для получения разнообразных отливок, включая художественное литье.

Сегодняшние разработки привели к созданию марок бронзы, в которых не содержится олово – они называются двойными или многокомпонентными. Это Сu + AL, Cu + Mn, Cu + Be, Сu + Fe и другие. Величина усадки у них более высокая, нежели у оловянных. Однако по некоторым характеристикам безоловянные сплавы меди превосходят их, в частности, по механическим свойствам – почти все, кремнецинковые – по текучести, а бериллиевая – по прочности и стойкости. Кроме того, ряд сплавов можно улучшить термообработкой.

Фосфористая бронза относится к сорту машинной, поскольку обладает повышенной износоустойчивостью и сопротивляемостью к агрессивным средам. Однако фосфор играет в сплаве важную роль не как легирующий элемент, а как очиститель сплава от вредных примесей.

Маркировка бронзы

Маркировка этих сплавов не сложна для расшифровки. Буквенные обозначения указывают на то, что это именно бронза – Бр. Затем также начальными буквами демонстрируются легирующие компоненты и их процентная величина, например, БрО19 (добавлено 19% олова). При наличии иных присадок марка может выглядеть следующим образом: БрОЦ8-4, что указывает на содержание в данном сплаве 8% олова и 4% цинка. В марках многокомпонентного сплава указываются все составляющие БрО3Ц7С5Н1.

Марки оловянных бронз регламентируются ГОСТ613-79, а безоловянных – ГОСТ 493-79. Кроме того, существуют ГОСТы применения бронзы для производства определенных деталей, например, БрО3Ц7С5Н1 – рекомендуется для деталей, работающих в масле, паре и в пресной воде; а БрО6Ц6С3 – для арматуры, антифрикционные деталей, вкладышей подшипников.