Инструментальная сталь широко используется в промышленности для изготовления режущего и измерительного инструмента. В быту мы тоже часто сталкиваемся с изделиями из этого материала: стамески, молотки, напильники. Давайте разберемся, что представляет собой инструментальная сталь, в чем ее особенности и где она применяется.
Общая характеристика инструментальной стали
Инструментальная сталь - это легированная или углеродистая сталь, предназначенная для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов, оснастки, а также деталей, испытывающих повышенный износ.
Основное отличие инструментальной стали от конструкционной - повышенное содержание углерода (от 0,7%) и легирующих элементов. Это придает стали высокую твердость и износостойкость.
По химическому составу инструментальные стали подразделяют на:
- Углеродистые
- Легированные
Качество инструментальной стали регламентируется ГОСТами 1435-99 и 5950-2000. В них определены требования к химическому составу, механическим свойствам, качеству поверхности.
Углеродистая инструментальная сталь
Углеродистая инструментальная сталь содержит 0,7-1,4% углерода. Легирующие элементы отсутствуют или их очень мало (до 0,3%).
Повышенное содержание углерода обеспечивает высокую твердость стали после закалки. Но есть и недостатки:
- Низкая прочность
- Плохая свариваемость
- Низкая теплостойкость (250-300°C)
По качеству углеродистая инструментальная сталь делится на:
- Качественную
- Высококачественную
Высококачественная содержит меньше примесей серы и фосфора. Это повышает ее механические характеристики.
Маркировка углеродистой инструментальной стали выглядит так: У8, У10, У10А. Расшифровка:
- У - углеродистая сталь
- Цифра - содержание углерода в десятых долях процента
- Буква А - высококачественная сталь
Из углеродистой инструментальной стали изготавливают простой режущий инструмент, работающий на невысоких скоростях резания.
Легированная инструментальная сталь
Легированная инструментальная сталь содержит от 0,8 до 1,4% углерода и легирующие элементы.
К легирующим элементам относят хром, вольфрам, молибден, ванадий. Они повышают:
- Твердость
- Износостойкость
- Теплостойкость
- Коррозионную стойкость
По составу легирующих элементов инструментальные стали делят на 5 групп:
- Высокотвердые, теплостойкие и износостойкие
- Высокотвердые и нетеплостойкие
- Высокотвердые и вязкие, нетеплостойкие
- Износостойкие, высокотвердые и средней теплостойкости
- Теплостойкие и вязкие
Маркировка легированной инструментальной стали выглядит так: 5ХНМ. Расшифровка:
- Цифра - содержание углерода в десятых долях процента
- Буквы - легирующие элементы
- Цифры после букв - содержание легирующих элементов в %
Из легированной инструментальной стали делают более сложный режущий инструмент, работающий на высоких скоростях и нагрузках.
Быстрорежущая инструментальная сталь
Быстрорежущая инструментальная сталь отличается повышенной теплостойкостью и износостойкостью. Это достигается за счет легирования вольфрамом, ванадием, кобальтом в количестве до 10%.
Быстрорежущая сталь может быть как легированной, так и углеродистой. Ее теплостойкость достигает 600-650°C. Это позволяет применять такую сталь для высокоскоростной обработки металлов.
Маркировка быстрорежущей инструментальной стали выглядит так: Р6М5К5. Расшифровка:
- Р - быстрорежущая сталь
- Цифра - содержание вольфрама в %
- М, К - наличие молибдена и кобальта
Из быстрорежущей инструментальной стали делают режущий инструмент для токарных, сверлильных и других станков.
Применение инструментальной стали
Основное применение инструментальной стали - производство режущего инструмента разных типов:
- Сверла
- Фрезы
- Резцы
- Ножи
- Пилы
- Развертки
Кроме того, инструментальная сталь используется для изготовления:
- Штампов
- Пресс-форм
- Измерительных инструментов
- Хирургического инструмента
Выбор конкретной марки стали зависит от условий работы инструмента и требуемых свойств.
Производство инструментальной стали
Производство инструментальной стали включает следующие этапы:
- Выплавка стали заданного химического состава
- Разливка в слитки или непрерывную заготовку
- Прокатка, ковка или штамповка заготовок
- Термическая и химико-термическая обработка
- Механическая обработка
- Контроль качества
На всех этапах осуществляется строгий контроль химического состава, структуры и свойств стали в соответствии с требованиями ГОСТ.
Сварка инструментальной стали
Свариваемость инструментальной стали зависит от ее химического состава.
Легированные инструментальные стали обладают хорошей свариваемостью. Для сварки применяют электроды типа Э-09Х1М.
Углеродистые инструментальные стали свариваются хуже из-за высокого содержания углерода. Рекомендуются электроды типа Э-42.
После сварки требуется термообработка для снятия внутренних напряжений. Контроль качества сварных соединений проводят методами визуального, ультразвукового и радиографического контроля.
Безопасность при работе с инструментальной сталью
При работе с инструментальной сталью возможно воздействие опасных факторов:
- Порезы от острых кромок заготовок
- Вдыхание пыли и паров вредных веществ
- Ожоги от брызг расплавленного металла
- Поражение электрическим током
Для защиты работников применяют:
- Защитные очки и перчатки
- Спецодежду
- Вентиляцию
- Изоляцию токоведущих частей оборудования
Также должны соблюдаться правила пожарной безопасности и охраны окружающей среды.
Экономические аспекты производства инструментальной стали
Стоимость инструментальной стали зависит от ее марки и качества. Углеродистые марки дешевле легированных. Высококачественная сталь дороже качественной.
Основные затраты при производстве инструментальной стали:
- Сырье и материалы
- Энергоресурсы
- Заработная плата
- Амортизация оборудования
При увеличении объемов производства себестоимость 1 тонны снижается за счет эффекта масштаба.
Импортозамещение инструментальной стали в России
В России инструментальную сталь производят предприятия:
- НЛМК
- Северсталь
- ОМК
- ММК
Однако имеет место импортная зависимость от зарубежных производителей:
- Bohler (Австрия)
- Hitachi (Япония)
- ThyssenKrupp (Германия)
Для импортозамещения реализуются программы по локализации производства легированных инструментальных сталей и освоению новых марок.
Перспективные разработки в области инструментальных сталей
Основные направления разработок:
- Повышение износостойкости
- Улучшение обрабатываемости
- Разработка новых составов для экстремальных условий
- Наноструктурирование
- Применение порошковых и композиционных технологий
Актуальны разработки инструментальных сталей для высокоскоростного резания, работы без СОЖ, обработки труднообрабатываемых материалов.
Сравнение российских и импортных марок инструментальных сталей
Российские производители предлагают полный спектр углеродистых и легированных инструментальных сталей, сопоставимых по качеству с импортными аналогами.
Например, отечественные марки 5ХНМ и 9ХФ можно сравнить с зарубежными SW7M и S6-5-2 соответственно. Российские стали не уступают им по свойствам, но имеют более низкую цену.
В области быстрорежущих сталей ведутся разработки импортозамещающих марок с улучшенными характеристиками.
Требования к качеству инструментальной стали
Качество инструментальной стали определяется рядом показателей:
- Химический состав в соответствии с ГОСТом
- Механические свойства (твердость, прочность)
- Структура металла
- Чистота поверхности
- Точность геометрических размеров
Контроль качества осуществляется на всех этапах производства с использованием лабораторных и инструментальных методов.
Упаковка и транспортировка инструментальной стали
Готовая продукция из инструментальной стали поступает к потребителю в виде:
- Прутков
- Листов
- Полос
- Профилей различных сечений
Для упаковки используют деревянные ящики, картонную тару, плотно обернутые пластиковой пленкой. Это предохраняет сталь от повреждений.
Транспортируют металлопрокат железнодорожным, автомобильным транспортом, а также морским путем. Соблюдаются правила перевозки грузов для предотвращения деформаций.
Хранение инструментальной стали
Хранение осуществляется в сухих отапливаемых помещениях, исключающих контакт с влагой и химически активной средой.
Рекомендованная температура хранения +5...+20°C, относительная влажность воздуха не более 60%.
Материал укладывают на стеллажи или поддоны, принимая меры против смещения, деформации и образования конденсата.
Срок хранения инструментальной стали составляет до 1 года при соблюдении условий.
Утилизация отходов инструментальной стали
Отходы инструментальной стали (обрезь, стружка, брак) подлежат полной утилизации и переработке.
Возможные способы утилизации:
- Повторное использование в производстве
- Переплавка в металлургических печах
- Измельчение для нужд порошковой металлургии
Утилизация отходов позволяет снизить расход сырья, энергоресурсов и вредное воздействие на окружающую среду.
