Інструментальна сталь: Оцінка, Властивості та програми

Інструментальна сталь є основою сучасного виробництва, де потрібна точність і довговічність.

Це спеціальний тип сталі, розроблений для того, щоб витримувати суворі виробничі та промислові процеси.

Відомий своєю винятковою твердістю, Опір зносу, і сила, Інструментальна сталь має вирішальне значення в різних галузях промисловості, від автомобільної та аерокосмічної до електроніки та споживчих товарів.

У цій статті ми розповімо про види інструментальної сталі, властивості, та програми, пропонуючи уявлення про його значення та фактори, які слід враховувати під час вибору правильного класу для ваших потреб.

1. Що таке інструментальна сталь?

Інструментальна сталь — спеціальна категорія вуглецевих і легованих сталей, розроблений спеціально для виготовлення інструментів. Ось що робить його унікальним:

• Вуглець є основою інструментальної сталі, сприяючи його твердості та міцності. Типово, інструментальні сталі містять між 0.7% до 1.5% вуглець.
• Легуючі елементи як хром, вольфрам, молібден, і ванадій додають для посилення специфічних властивостей:

• • Хром підвищує загартовуваність, Опір зносу, і корозійна стійкість. Наприклад, Сталі типу D2 можуть містити до 12% хром.
  • Вольфрам і молібден підвищити міцність і термостійкість, має вирішальне значення для високошвидкісних і гарячих робіт. сталь М2, звичайна швидкорізальна сталь, має навколо 6% вольфрам.
  • Ванадій утворює тверді карбіди, підвищення зносостійкості. AISI A11, наприклад, містить 1.5% ванадій.

Історія інструментальної сталі починається з кінця 19 століття, коли потреба в більш міцних інструментах призвела до розробки швидкорізальної сталі.

З часом, еволюція інструментальної сталі бачила впровадження різних марок, Кожен з урахуванням конкретних програм:

• W1, W2 (Водогартівні сталі): Простий, недорогі варіанти основних інструментів, часто містить 0.90-1.40% вуглець.
• A2, D2, O1 (Сталі для холодної обробки): Призначений для застосувань, де інструмент не нагрівається, з A2 забезпечує високу зносостійкість завдяки своїй 5% вміст хрому.
• H13, H19 (Гарячі сталі): Вони можуть витримувати температуру до 1200°F, з вмістом H13 5% хром і 1.5% молібден.

2. Види інструментальної сталі

Інструментальна сталь є універсальною категорією сталі, кожен тип створений для задоволення конкретних промислових потреб завдяки унікальній комбінації легуючих елементів і термічній обробці.

Ось детальне дослідження різних типів:

Таблиця порівняння: Види інструментальної сталі

Тип	Основні особливості	Заявки
W-тип (Загартовування водою)	Економічний, висока твердість	Ручні інструменти, деревообробний інструмент
Холодна робота (О, A, Д)	Висока зносостійкість, стабільність розмірів	Плашки для штампування, інструменти для обрізки, різальні ножі
S-тип (Ударостійкий)	Висока міцність, ударний опір	Стамески, біти відбійного молотка, удари руками
H-Тип (Гаряча робота)	Опір термічній втомі, висока сила	Прес-форми для лиття під тиском, інструменти для гарячого кування
HSS (М, Т)	Термостійкість, високі швидкості різання	Свердла, Кінцеві млини, точні ріжучі інструменти
Особливого призначення	Пристосований для конкретних завдань	Пластикові форми, нішеві промислові інструменти

3. Властивості інструментальної сталі

Властивості інструментальної сталі – це те, що робить її незамінною у світі виробництва та виготовлення інструментів. Ось детальний огляд ключових властивостей:

Твердість і міцність:

• • Твердість: Твердість інструментальної сталі - це її здатність протистояти вдавленню, дряпання, або деформація. Ця властивість має вирішальне значення для інструментів, які повинні підтримувати гостру ріжучу кромку або протистояти зносу. Наприклад:

• • • сталь Д2 може досягти твердості Роквелла С 57-62, що робить його ідеальним для застосувань, які вимагають високої зносостійкості.

• • Жорсткість: Тоді як твердість має важливе значення, міцність гарантує, що сталь може поглинати енергію без руйнування. Баланс між твердістю і міцністю є вирішальним:

• • • сталь А2 забезпечує хороший баланс, з твердістю 55-59 HRC після гарту, але з більш високою міцністю порівняно з D2, що робить його придатним для інструментів, які зазнають ударних навантажень.

Опір зносу:

• • Ця властивість життєво важлива для інструментів, які піддаються абразивному зносу, як ріжучі інструменти, штамп, і удари.
    Наявність твердих карбідів, утворений такими елементами, як хром, ванадій, і вольфраму, значно підвищує зносостійкість:

• • • Високошвидкісні сталі як М2, з 6% вольфраму і 5% молібден, можуть зберігати край навіть після тривалого використання завдяки утворенню твердих карбідів під час термообробки.

Теплостійкість:

• • Для інструментів, що працюють у високотемпературному середовищі, термостійкість є ключовою для запобігання розм'якшенню або деформації:

• • • Інструментальні сталі для гарячої обробки як H13 підтримувати 90% їх твердості при 1100°F, що робить їх придатними для лиття під тиском, кування, і екструзія, де інструмент стикається з високими температурами.

Обробка:

• • Деякі інструментальні сталі призначені для відносної легкої обробки, зменшення зносу інструменту в процесі формування:

• • • Сталь О1 відомий своєю хорошою оброблюваністю, що полегшує формування складних форм перед твердінням.

Розмірна стабільність:

• • Для точних інструментів потрібні матеріали, які зберігають свою форму під впливом навантажень або змін температури:

• • • сталь А2 має відмінну стабільність розмірів, забезпечення того, щоб такі інструменти, як калібри та вимірювальні прилади, зберігали свою точність з часом.

Додаткові властивості:

• Корозійна стійкість: Деякі інструментальні сталі, особливо ті, що мають високий вміст хрому, як нержавіюча інструментальна сталь, забезпечують стійкість до іржі та корозії,
  що має вирішальне значення для інструментів, які використовуються у вологому або корозійному середовищі.
• Теплопровідність: Ця властивість впливає на те, як тепло передається через інструмент, впливають на швидкість охолодження та теплове розширення:

• • Сталь Н13 має відносно високу теплопровідність, що допомагає розсіювати тепло під час гарячих робіт.

• Втома: Інструменти, які зазнають циклічного навантаження, виграють від сталей з високою стійкістю до втоми:

• • сталь S7 перевершує в цьому плані, що робить його придатним для інструментів, що піддаються повторним ударам.

• Модуль пружності: Це вимірює жорсткість сталі, вказуючи, наскільки він деформується під навантаженням:

• • Високошвидкісні сталі зазвичай мають вищий модуль пружності, дозволяючи їм зберігати свою форму під дією сил різання.

Властивості балансування:

• Компроміси: Досягнення оптимального балансу між цими властивостями часто є проблемою. Наприклад:

• • Збільшення твердості зазвичай зменшує міцність, робить сталь більш крихкою.
  • Підвищення зносостійкості може погіршити оброблюваність.

• Термічна обробка: Властивості інструментальної сталі можна істотно змінити за допомогою термічної обробки:

• • Гасіння підвищує твердість, але може зробити сталь крихкою, якщо не слідувати загартуванням.
  • Загартовування зменшує крихкість, дозволяючи частині мартенситу перетворюватися на більш міцні мікроструктури, але ціною деякої твердості.

• Легуючі елементи: Додавання певних елементів, таких як хром, вольфрам, молібден, а ванадій змінює властивості сталі:

• • Хром підвищує прогартовуваність, Опір зносу, і корозійна стійкість.
  • Ванадій утворює тверді карбіди, підвищення зносостійкості.
  • Вольфрам і молібден підвищення міцності і термостійкості.

Зведена таблиця: Основні властивості інструментальної сталі

Майно	Опис	Ключові оцінки
Твердість	Стійкість до деформації під тиском	D2, O1, H13
Жорсткість	Здатність витримувати удари без розтріскування	S7, A2
Опір зносу	Довговічність в абразивних умовах	D2, M2
Теплостійкість	Зберігає властивості при високих температурах	H13, H21
Обробка	Легкість різання та формування	O1, A2
Розмірна стабільність	Мінімальна деформація під час використання або термічної обробки	A2, H13
Корозійна стійкість	Стійкість до окислення та іржі	A2, D2
Ударний опір	Витримує сильні механічні удари	S1, S7
Теплопровідність	Ефективне тепловідведення під час роботи	Н-серія
Втома	Ефективність при повторюваних циклах навантаження	О-серія, S-серія

4. Термічна обробка інструментальної сталі

Термічна обробка є критично важливим процесом у виробництві інструментальної сталі, трансформація мікроструктури сталі для досягнення бажаних механічних властивостей.

Ось детальний огляд процесів термічної обробки:

Важливість термічної обробки:

• • Термічна обробка підвищує твердість інструментальної сталі, міцність, і носійне опір, налаштування цих властивостей відповідно до конкретних застосувань.
    Наприклад, свердло вимагає високої твердості для ефективного різання, тоді як молоток потребує міцності, щоб витримувати удари.

Основні процеси термічної обробки:

• • Гасіння: Це передбачає нагрівання сталі до температури, що перевищує її критичну точку трансформації, з подальшим швидким охолодженням у середовищі гарту, наприклад воді, нафта, або повітря.
    Швидке охолодження затримує вуглець у твердому шарі, крихка мартенситна структура. Наприклад, Сталь O1 може бути загартована в олії для досягнення твердості 60-64 HRC.
  • Загартовування: Після гасіння, сталь крихка. Гартування передбачає повторний нагрів сталі до більш низької температури, зазвичай від 300°F до 600°F, щоб зменшити крихкість, зберігаючи частину твердості.
    Загартування при 400°F для сталі A2, наприклад, може давати твердість 55-59 HRC з підвищеною міцністю.
  • Зміцнення корпусу: Цей процес ускладнює роботу, зносостійкий зовнішній шар, зберігаючи міцність серцевини.
    Це робиться шляхом цементації, азотування, або ціанування, де атоми вуглецю або азоту дифундують у поверхневий шар. Сталь M2 може досягти поверхневої твердості понад 70 ПЦ за допомогою цього методу.
  • Кріогенне лікування: Крім традиційної термічної обробки, кріогенна обробка передбачає охолодження сталі до дуже низьких температур (часто нижче -300°F)
    для подальшого підвищення твердості та зносостійкості шляхом зменшення залишкового аустеніту, більш м'яка фаза в сталі.

Вплив термічної обробки:

• • Твердість: Термічна обробка значно підвищує твердість сталі, завдяки чому він здатний зберігати гострий край або протистояти поглибленню.
    Наприклад, Сталь D2 може досягти твердості С за Роквеллом 57-62 після відповідної термічної обробки.
  • Жорсткість: При цьому твердість підвищується, міцність може бути скомпрометована, якщо неправильно збалансована.
    Тут вирішальне значення має загартування, оскільки він зменшує крихкість, дозволяючи частині мартенситу перетворюватися на більш міцні мікроструктури, такі як загартований мартенсит.
  • Опір зносу: Утворення твердих карбідів при термообробці, особливо у швидкорізальних сталях, значно підвищує зносостійкість,
    дозволяючи інструментам різати або формувати матеріали протягом тривалого часу.
  • Розмірна стабільність: Правильна термічна обробка гарантує, що інструменти збережуть свою форму під впливом стресу або зміни температури,
    що є життєво важливим для точних інструментів, таких як калібри та вимірювальні прилади.

Ключові міркування:

• Атмосфера термічної обробки: Атмосфера під час термообробки може впливати на властивості сталі.
  Наприклад, багата азотом атмосфера може підвищити твердість поверхні шляхом азотування.
• Середнє гасіння: Вибір середовища для гарту впливає на швидкість охолодження і, отже, кінцеві властивості сталі.
  Вода забезпечує найшвидше охолодження, але масло або повітря можна використовувати для меншого спотворення та розтріскування.
• Контроль температури: Точний контроль температур нагрівання та охолодження є важливим для досягнення бажаних властивостей без внесення дефектів, таких як розтріскування або викривлення.
• Післятермічна обробка: Після термічної обробки, інструменти часто проходять додаткові процеси, такі як зняття стресу,
  що може зменшити внутрішні напруги, або обробка поверхні, як-от покриття або полірування для подальшого підвищення продуктивності.

5. Застосування інструментальної сталі

Руточні інструменти

• Свердла: Використовується для створення отворів у різних матеріалах. Швидкорізальна сталь (HSS) свердло, наприклад М2, зазвичай використовуються для свердління твердих металів.
• Розгортки: Використовується для збільшення та згладжування наявних отворів. Розгортки HSS забезпечують точну та гладку обробку.
• Пильні леза: Використовується для різання деревини, метал, та інші матеріали. Інструментальна сталь для холодної роботи, така як D2, часто використовується для пилкових полотен через їх високу зносостійкість.

Плашки та пуансони

• Штампування: Використовується для формування певної форми з листового металу. Інструментальні сталі для холодної роботи, такі як D2 і A2, ідеально підходять для штампувань через їх високу твердість і зносостійкість.
• Кування: Використовується для формування металу шляхом його стиснення під високим тиском. Інструментальні сталі для гарячої роботи, такі як H13, придатні для штампів завдяки їхній чудовій термостійкості.
• Екструзія: Використовується для проштовхування металу через матрицю для створення певних профілів поперечного перерізу.
  Інструментальна сталь для гарячої роботи часто використовується для екструзійних штампів через її здатність витримувати високі температури.

Форми

• Підприємство для ін'єкцій: Використовується для виготовлення пластикових деталей шляхом уприскування розплавленого пластику у форму.
  Інструментальні сталі спеціального призначення типу Р20 і 718 зазвичай використовуються для лиття під тиском завдяки їхній добрій здатності до полірування та стійкості до корозії.
• Кастинг: Використовується для виготовлення металевих деталей шляхом нагнітання розплавленого металу в форму. Інструментальна сталь для гарячих робіт, наприклад H13, ідеально підходить для форм для лиття під тиском завдяки своїй високій міцності та термостійкості.

Манометри та вимірювальні прилади

• Супорти: Використовується для вимірювання розмірів предметів. Інструментальна сталь для холодної роботи, як-от A2, часто використовується для супортів завдяки стабільності розмірів.
• мікрометри: Використовується для вимірювання точних відстаней. Для мікрометрів ідеально підходять холодні інструментальні сталі з високою стабільністю розмірів.
• Манометри: Використовується для перевірки розмірів деталей. Інструментальна сталь для холодної роботи, така як D2, зазвичай використовується для калібрів через їх високу зносостійкість.

Інструменти для гірничої промисловості та нафтових свердловин

• Свердла: Використовується для буріння отворів у камені та ґрунті. Швидкорізальна сталь, як-от M2, часто використовується для свердел через їх здатність різати на високих швидкостях.
• Свердловинний інструмент: Використовується при видобутку нафти і газу. Інструментальні сталі для гарячих робіт, такі як H13, підходять для свердловинних інструментів завдяки їхній чудовій термостійкості та міцності.

Інші інструменти

• Ножі: Використовується для різання різних матеріалів. Інструментальні сталі для холодної роботи, такі як D2 і A2, часто використовуються для ножів через їх високу твердість і зносостійкість.
• Ножиці: Використовується для різання паперу, тканина, та інші тонкі матеріали. Інструментальна сталь для холодної роботи, як-от A2, ідеально підходить для ножиць завдяки балансу між твердістю та міцністю.
• Стамески: Використовується для різьблення та формування дерева та каменю. Ударостійкі інструментальні сталі, такі як S7, підходять для долот завдяки своїй високій міцності та здатності витримувати удари.

6. Вибір правильної інструментальної сталі

Фактори, які слід враховувати

• Тип операції: Різання, формування, або інші специфічні операції.
• Умови експлуатації: Температура, стрес, і фактори навколишнього середовища.
• Опрацьовуваний матеріал: Властивості матеріалу, що обробляється.
• Вартість проти. Аналіз ефективності: Збалансування вартості інструментальної сталі з вимогами до продуктивності.

Посібник щодо вибору на основі конкретних потреб

1. Визначте програму: Визначте конкретне використання засобу.
2. Оцініть умови експлуатації: Оцініть температуру, стрес, і фактори навколишнього середовища.
3. Розглянемо властивості матеріалу: Зрозумійте властивості матеріалу, з яким працюєте.
4. Оцініть вартість і ефективність: Порівняйте вартість різних інструментальних сталей з їх перевагами в роботі.
5. Зверніться до експертів: Зверніться за порадою до металургів або постачальників інструментальної сталі, щоб забезпечити найкращий вибір.

8. Виклики та міркування

Вартість

• Дорогий матеріал: Інструментальна сталь може бути дорогою, особливо для високопродуктивних сортів.
  Однак, початкові інвестиції часто окупаються з точки зору довшого терміну служби інструменту та скорочення часу простою.
• Економічний вплив: Розгляньте загальну економічну ефективність використання інструментальної сталі у вашому застосуванні.
  Наприклад, тоді як сталь D2 може бути дорожчою за сталь W1, його чудова зносостійкість може призвести до зниження витрат на обслуговування з часом.

Технічне обслуговування

• Регулярний огляд: Регулярно перевіряйте інструменти на наявність ознак зносу та пошкоджень, щоб запобігти несподіваним поломкам.
• Правильне зберігання: Зберігайте інструменти в сухому місці, контрольоване середовище для запобігання іржі та корозії. Правильне зберігання може продовжити термін служби ваших інструментів.
• Очищення та змащення: Очищайте та змащуйте інструменти, щоб підтримувати їх ефективність. Регулярне технічне обслуговування може значно подовжити термін служби ваших інструментів.

Вплив на навколишнє середовище

• Переробка: Розгляньте можливість переробки старої інструментальної сталі, щоб зменшити відходи та вплив на навколишнє середовище. Багато виробників інструментальної сталі пропонують програми переробки.
• Утилізація: Дотримуйтеся правил утилізації, щоб мінімізувати шкоду навколишньому середовищу. Належна утилізація гарантує безпечне поводження з небезпечними матеріалами.

9. Майбутні тенденції

Досягнення металургії інструментальної сталі

• Нові сплави: Розробка нових сплавів з підвищеними властивостями, наприклад покращена зносостійкість і термостійкість.
  Наприклад, дослідники досліджують використання нанотехнологій для створення наддрібнозернистих структур в інструментальних сталях.
• Контроль мікроструктури: Передові методи контролю мікроструктури інструментальної сталі для оптимізації продуктивності.
  Мікролегування та контрольовані швидкості охолодження використовуються для досягнення специфічних мікроструктур.

Розробка нових сплавів або способів обробки

• Поверхневі обробки: Нова обробка поверхні для підвищення зносостійкості та стійкості до корозії. Плазмове азотування та алмазоподібний вуглець (DLC) покриття набирають популярності.
• Виробництво добавок: Використання 3D-друку для створення складних деталей з інструментальної сталі з точною геометрією.
  Адитивне виробництво дозволяє створювати складні конструкції, яких важко досягти за допомогою традиційних методів виробництва.

10. Висновок

Інструментальна сталь є життєво важливим матеріалом у виробництві та промисловості, забезпечує виняткову твердість, Опір зносу, і сила.
Розуміння різних типів інструментальної сталі, їх властивості, і їх застосування має вирішальне значення для вибору правильного матеріалу для ваших конкретних потреб.
З огляду на такі фактори, як тип операції, умови експлуатації, і властивості матеріалу, ви можете приймати обґрунтовані рішення, які забезпечують оптимальну продуктивність і економічну ефективність.
Оскільки технологія продовжує розвиватися, майбутнє інструментальної сталі виглядає багатообіцяючим, з новими сплавами та обробкою, що ще більше покращує його можливості.

Ми сподіваємося, що ця стаття надала цінну інформацію про світ інструментальної сталі та заохотила вас досліджувати її потенціал у своїх проектах.
Якщо у вас виникли запитання або потрібна додаткова допомога, не соромтеся зв'яжіться з нами.