Nástroje a díly odolné proti opotřebení, na jejichž pevnost jsou kladeny zvýšené nároky, vyžadují použití nástrojových ocelí, které mají od konstrukčních ocelí řadu důležitých odlišností.
Kulaté polotovary z nástrojové oceli
Oblasti použití nástrojových ocelí
Nástrojová ocel je slitina s obsahem uhlíku minimálně 0,7 %. Jeho struktura může být hypoeutektoidní, ledeburitová nebo hypereutektoidní. Nástrojové oceli s různou strukturou se vyznačují přítomností sekundárních karbidů. Ve slitinách s hypoeutektoidní strukturou nejsou žádné sekundární karbidy. Mezitím jsou v každé z těchto struktur nutně přítomny karbidy: vznikají při eutektoidních modifikacích nebo jsou výsledkem rozkladu martenzitu.
Schéma-klasifikace instrumentálních materiálů
V moderním průmyslu se široce používají nástrojové oceli. Používají se k výrobě:
- pracovní části zápustek pracující na principu deformace za studena a za tepla;
- vysoce přesné výrobky;
- řezací nástroj;
- měřící nástroje;
- odlévací formy, které pracují pod tlakem.
V závislosti na oblasti použití nástrojových ocelí jsou na ně kladeny určité požadavky. Existují však kritéria shody společná pro všechny značky:
- dostatečná úroveň viskozity (tato charakteristika je zvláště důležitá pro části vystavené nárazům během provozu);
- vysoká pevnost;
- opotřebení;
- vysoká úroveň tvrdosti.
Značky slitin určené pro použití v podmínkách deformace za studena musí mít navíc hladkou pracovní část, schopnost zachovat si velikost a tvar a také mít různé meze kluzu a pružnosti. A nástrojová ocel, vhodná pro práci v podmínkách deformace za tepla, musí mít vysokou tepelnou vodivost, odolávat popouštění a být odolná vůči teplotním výkyvům. Třídy oceli používané pro výrobu řezných nástrojů musí také splňovat zvláštní požadavky.
Požadavky na nástrojové oceli
Všechny uhlíkové nástrojové oceli podléhají následujícím požadavkům:
- dobrá obrobitelnost řezáním kovů;
- nízká citlivost na přehřátí;
- nízká náchylnost k procesům adheze a svařování k obrobkům;
- dobrá brousitelnost;
- náchylnost ke kalcinaci;
- horká plasticita;
- schopnost odolávat dekarbonizaci;
- odolnost proti praskání.
Druhy nástrojových ocelí
Všechny třídy oceli pro výrobu nástrojů jsou rozděleny do 5 hlavních skupin.
Tepelně odolný a viskózní
Zpravidla se jedná o hyper- a hypoeutektoidní oceli, které obsahují molybden, wolfram a chrom. Obsah uhlíku v takto legovaných nástrojových ocelích odpovídá středním a nízkým hodnotám.
Vysoce tvrdý a viskózní, tepelně odolný
Takové slitiny se vyznačují nízkým obsahem legovaných prvků a středním obsahem uhlíku. Vyznačují se také nízkou prokalitelností.
Vysoká tvrdost, tepelná odolnost a odolnost proti opotřebení
Tyto třídy zahrnují rychlořezné legované oceli (obsah legujících prvků v nich je velmi vysoký), stejně jako slitiny se strukturou ledeburitu obsahující více než 3% uhlíku.
Odolnost proti opotřebení, vysoká tvrdost a střední tepelná odolnost
Jedná se o oceli s hypereutektoidní a ledeburitovou strukturou, které obsahují 2-3 % uhlíku a 5 až 12 % chromu.
Vysoká tvrdost a tepelná odolnost
Složení takových nástrojových ocelí s hypereutektoidní strukturou buď vůbec neobsahuje legované prvky, nebo je obsahuje v nepatrném množství. Úroveň tvrdosti těchto slitin je zajištěna velkým množstvím uhlíku v jejich složení.
Klasifikace nástrojové oceli ve formě diagramu
Důležitým parametrem nástrojových ocelí je jejich úroveň tvrdosti. Pro výrobu nástrojů, které jsou při provozu vystaveny rázovému zatížení, je zpravidla nežádoucí používat oceli s vysokou tvrdostí. To se vysvětluje skutečností, že takové slitiny mají nízkou viskozitu a významnou křehkost, což může vést k rozbití nástroje, který je z nich vyroben.
Na základě úrovně tvrdosti lze rozlišit dvě kategorie nástrojových ocelí:
- s vysokou úrovní viskozity (obsah uhlíku v rozmezí 0,4-0,7%);
- s vysokou odolností proti opotřebení a tvrdostí (obsahují více uhlíku: 0,7-1,5 %).
Část hydraulického kladiva z vysoce tvrdé oceli
Třídy oceli jsou také klasifikovány podle stupně jejich prokalitelnosti. Podle tohoto kritéria se rozlišují legované oceli se zvýšenou (možný průměr kalení 80-100 mm), vysokou (50-80 mm) a nízkou (10-25 mm) prokalitelností.
O značení nástrojových ocelí
Pro určení typu nástrojové oceli je nutná znalost značení, které zahrnuje jak abecední, tak i číselné označení. Není těžké na to přijít. Velmi často se ve značení slitin nachází písmeno „U“. To znamená, že se jedná o uhlíkovou ocel. Čísla za tímto písmenem označují obsah uhlíku ve slitině, počítaný v desetinách procenta. Písmeno „A“ se také nachází v označení uhlíkových nástrojových ocelí, což naznačuje, že slitina je vysoce kvalitní.
Označení nástrojové oceli (příklad s použitím uhlíku) s uvedením obsahu přídavných prvků
Velkou kategorii nástrojových ocelí tvoří rychlořezné slitiny, které jsou označeny písmenem „P“. Za tímto písmenem následují čísla, pomocí kterých lze určit obsah hlavního legujícího prvku pro oceli této kategorie – wolframu.
Obsah ostatních prvků ve složení rychlořezných ocelí (molybden, vanad a kobalt) je určen čísly za odpovídajícími písmeny v jejich označení – „M“, „F“ a „K“. Složení rychlořezných slitin musí zahrnovat chrom, ale jeho množství je standardně určeno – ne více než 4%.
Velmi často začíná značení nástrojových ocelí číslem (například 9ХС, 9Х, 6ХГВ), které udává obsah (v desetinách) uhlíku v jejich složení, pokud nepřesahuje 1 %. Pokud slitina obsahuje asi 1% uhlíku, pak se číslo na začátku jejich označení vůbec neumisťuje. Obsah zbývajících prvků (v celých frakcích) je označen čísly, která se objevují ve značení za písmeny označujícími příslušný legující prvek.
Kalení a popouštění uhlíkových nástrojových ocelí
GOST 1435 specifikuje jak složení uhlíkových ocelí, tak jejich hlavní charakteristiky. Obsah uhlíku v takových slitinách (který může být určen jejich jakostí) se pohybuje od 0,65 do 1,35 %. Pro získání optimální struktury a požadované tvrdosti jsou tyto slitiny před zahájením výroby nástroje žíhány. V tomto případě se u nástrojových ocelí s hyperefektoidní strukturou provádí žíhání sférodizačního typu. Tepelné zpracování prováděné touto technologií vede ke vzniku zrnitého cementitu. A rychlost chlazení, kterou lze snadno upravit, umožňuje získat zrna požadované velikosti.
Výrobní proces kalení oceli
Po vyrobení nástroje je nástrojová ocel podrobena kalení a následnému popouštění. To umožňuje získat materiál požadované tvrdosti. Je také docela snadné regulovat tvrdost hotového nástroje, toho je dosaženo volbou určité teploty pro operaci popouštění.
Pro nástroje, které jsou během provozu vystaveny systematickému rázovému zatížení, je tedy optimální tvrdost od 56 do 58 HRC, která se získá popouštěním při teplotě 290 stupňů Celsia. Nejpřísnější požadavky jsou kladeny na tvrdost razidel, gravírovacích zařízení a pilníků (62-64 jednotek na stupnici HRC). Dosahuje se popouštěním při teplotě 150 až 200 stupňů Celsia.
Kalení zvyšuje tvrdost uhlíkových ocelí z toho důvodu, že právě s jeho pomocí je možné získat optimální strukturu slitiny železa a uhlíku. Varianty této konstrukce:
- karbidy s martenzitem;
- pouze martenzit.
Nástrojová lisovací ocel
Kovové výrobky vyrobené deformací lze zpracovávat za tepla nebo za studena. V souladu s tím mohou být zápustky, kterými jsou takové díly zpracovávány, deformovány za studena nebo za tepla. Výroba různých typů zápustek přirozeně vyžaduje použití různých jakostí nástrojové oceli.
Pro zápustky za studena deformovaného typu a malé tloušťky (do 25 mm) se tedy používají uhlíkové oceli U10, U11 a U12. Tvrdost slitin těchto jakostí se pohybuje od 57 do 59 jednotek HRC, vyznačují se dostatečnou houževnatostí, dobrou odolností proti plastické deformaci a schopností odolávat opotřebení během provozu. Pro větší nástroje (tloušťka větší než 25 mm), které jsou během provozu vystaveny většímu zatížení, se používají oceli s vysokým obsahem chrómu (X9, X, X6VF).
Nástrojová ocel skladem
Výrobky, které jsou během provozu pravidelně vystaveny rázovému zatížení, musí mít vysokou viskozitu (například 4ХС4 a 5ХНМ). Aby byl tento požadavek splněn, jsou při výrobě používány legované oceli, jejichž složení je obohaceno o speciální prvky a úroveň obsahu uhlíku je výrazně snížena. Kromě toho je nutné speciální tepelné zpracování takových nástrojových ocelí.
Zápustky deformované za tepla jsou při svém provozu vystaveny nejen značnému mechanickému, ale i tepelnému zatížení. Na nástrojové oceli pro výrobu těchto zápustek (například 5ХНМ a 4ХСМФ) jsou přirozeně kladeny speciální požadavky, jako jsou:
