Инструментальные стали представляют собой критически важный элемент в машиностроении, производстве режущего, штампующего и измерительного инструмента. От их свойств напрямую зависит срок службы инструмента, точность обработки, устойчивость к износу и стабильность геометрических параметров в условиях термомеханических нагрузок.
Классификация инструментальных сталей по системе AISI-SAE предоставляет инженерам и технологам единый подход к выбору материала в зависимости от специфики производственной задачи. В данной статье рассматриваются ключевые физико-механические свойства инструментальных сталей, включая твердость, прокаливаемость, склонность к короблению, сопротивление обезуглероживанию, а также поведение материала при нагреве, охлаждении и динамических нагрузках.
История развития инструментальных сталей тесно связана с индустриализацией и эволюцией технологии термообработки. Уже в начале XX века металлурги начали систематизировать химический состав и методы упрочнения стали, чтобы добиться оптимального сочетания прочности, твердости и устойчивости к износу.
Одним из важнейших этапов стала разработка системы классификации AISI (American Iron and Steel Institute) и SAE (Society of Automotive Engineers), которая позволила стандартизировать свойства сталей для различных отраслей промышленности. Особое внимание при этом уделялось режущим инструментам, штампам и формующим элементам, где критична каждая микронная деформация.
Появление быстрорежущих сталей в 1910-х годах стало революцией — впервые был достигнут баланс между высокой твердостью и термостойкостью. В дальнейшем стали серии H, S, D, O получили широкое распространение благодаря своей способности работать в специфических условиях: от ударных нагрузок до высокотемпературной эксплуатации.
Инструментальные стали можно сравнивать по их твердости и эксплуатационным характеристикам. Характеристиками твердости являются глубина закалки (как мера прокаливаемости), опасность растрескивания во время операции закалки, величина коробления и сопротивление обезуглероживанию (сталь, нагретая до температуры закалки, может терять углерод из поверхностных слоев, что ведет к нагреву поверхности).
Изменение в эксплуатации таких характеристик, как износостойкость, ударная вязкость и обрабатываемость на станках, противодействует размягчающему нагреву при температурах, появляющихся во время применения инструмента.
B Таблице 1 производится сравнение этих свойств для инструментальных сталей. B Таблице 2 даны значения твердости инструментальных сталей при их охлаждении и нагреве, типичные для каждой марки.
Инструментальные стали марок D и O подвержены в основном меньшему короблению, чем другие марки, особенно коробление может сохраняться низким у марки О.
Стали марки S обладают прочностью в условиях эксплуатации при наличии ударов.
Стали марки Н разработаны для использования при повышенных температурах.
Быстрорежущие стали обладают твердостью, указанной в Таблице; они сохраняют ее, хотя режущая кромка при резании с высокой скоростью разогревается.
Таблица 1. Сравнение свойств инструментальных сталей
| AISI | Среда
закалки |
Глубина
затвер-девания |
Риск
растрес-кивания |
Короб-ление | Сопротив-ление
обезуглеро-живанию |
Сопротив-ление
размягче-нию |
Износос-тойкость | Проч-ность | Обрабаты-ваемость
на станках |
| Закалка в воде | |||||||||
| W1 | W | р | H | H | VH | L | F | H | VG |
| W2 | W | р | H | H | VH | L | F | H | VG |
| W5 | W | р | H | H | VH | L | F | H | VG |
| СопротивлеHие ударHой Hагрузке | |||||||||
| S1 | O | M | L | M | M | M | F | VG | F |
| S2 | W | M | H | H | L | L | F | VG | F |
| S5 | O | M | L | M | L | L | F | VG | F |
| S7 | А | G | VL | L | M | H | F | VG | F |
| Закалка в масле | |||||||||
| O1 | O | M | L | L | H | L | M | M | G |
| O2 | O | M | L | L | H | L | M | M | G |
| O6 | O | M | L | L | H | L | M | M | VG |
| O7 | O | M | L | L | H | L | M | M | G |
| Закалка Hа воздухе | |||||||||
| A2 | A | G | VL | VL | M | H | G | M | F |
| А3 | А | G | VL | VL | M | H | VG | M | F |
| А4 | А | G | VL | VL | M/H | M | G | M | P/F |
| А6 | А | G | VL | VL | M/H | M | G | M | P/F |
| А7 | А | G | VL | VL | M | H | VG | L | P |
| А8 | А | G | VL | VL | M | H | F/G | H | F |
| А9 | А | G | VL | VL | M | H | F/G | H | F |
| А10 | А | G | VL | VL | M/H | M | G | M | F/G |
| Высокоуглеродистые высокохромистые стали | |||||||||
| D2 | А | G | VL | VL | M | H | VG | L | P |
| D3 | O | G | L | VL | M | H | VG | L | P |
| D4 | А | G | VL | VL | M | H | VG | L | P |
| D5 | А | G | VL | VL | M | H | VG | L | P |
| D7 | А | G | VL | VL | M | H | VG | L | P |
| Хромистые стали для работы при высоких температурах | |||||||||
| H10 | А | G | VL | VL | M | H | F | G | F/G |
| H11 | А | G | VL | VL | M | H | F | VG | F/G |
| H12 | А | G | VL | VL | M | H | F | VG | F/G |
| H13 | А | G | VL | VL | M | H | F | VG | F/G |
| H14 | А | G | VL | L | M | H | F | G | G |
| H19 | А | G | L | L | M | H | F/G | G | G |
| Вольфрамовые стали для работы при высоких температурах | |||||||||
| H21 | А/O | G | L | L | M | H | F/G | G | G |
| H22 | А/O | G | L | L | M | H | F/G | G | G |
| H23 | А/O | G | L | L | M | VH | F/G | F | G |
| H24 | А/O | G | L | L | M | VH | G | F | G |
| H25 | А/O | G | L | L | M | VH | F | G | G |
| H26 | А/O | G | L | L | M | VH | G | F | G |
| МолибдеHовые стали для работы при высоких температурах | |||||||||
| H42 | А/O | G | L | L | M | VH | G | F | G |
| Вольфрамовые быстрорежущие стали | |||||||||
| Т1 | O | G | L | M | H | VH | VG | L | F |
| Т1 | А/S | G | L | L | H | VH | VG | L | F |
| Т2 | O | G | L | M | H | VH | VG | L | F |
| Т2 | А/S | G | L | L | H | VH | VG | L | F |
| Т4 | O | G | M | M | M | VH | VG | L | F |
| Т4 | А/S | G | M | L | M | VH | VG | L | F |
| Т5 | O | G | M | M | L | VH | VG | L | F |
| Т5 | А/S | G | M | L | L | VH | VG | L | F |
| Т6 | O | G | M | M | L | VH | VG | L | P/F |
| Т6 | А/S | G | M | L | L | VH | VG | L | P/F |
| МолибдеHовые быстрорежущие стали | |||||||||
| M1 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M1 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M2 | O | G | M/H | M | M | VH | VG | L | F |
| M2 | А/S | G | M/H | L | M | VH | VG | L | F |
| M4 | O | G | M/H | M | M | VH | VG | L | P/F |
| M4 | А/S | G | M/H | L | M | VH | VG | L | P/F |
| M6 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M6 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M7 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M7 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M10 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M10 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M30 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M30 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M33 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M33 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M34 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M34 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M36 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M36 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M41 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M41 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M42 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M42 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M43 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M43 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M44 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M44 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M46 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M46 | А/S | G | M/H | L | L | VH | VG | L | F |
| M47 | O | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
| M47 | А/S | G | M/H | M | L | VH | VG | L | F |
Примечание:
Среда закалки:W — вода, О — масло, A — воздух, S — соль. Глубина затвердевания: G — большая, M — средняя, Р — маленькая. Риск растрескивания: Н — высокий, M — средний, L — низкий.
Коробление во время закалки: Н — высокая степень, M — средняя, L — низкая, VL — очень низкая.
Сопротивление обезуглероживанию: VН — очень высокое, Н — высокое, M — среднее, L — низкое или несущественное.
Сопротивление эффектам размягчения при нагреве: VН — очень высокое, Н — высокое, M — среднее, L — низкое.
Сопротивление износу: VG — очень хорошее, G — хорошее, M — среднее, F — порядочное, L — низкое или несущественное.
Прочность: Vн — очень высокая, Н — высокая, M — средняя, L — низкая.
Обрабатываемость на станках: VG — очень хорошая, G — хорошая, F — порядочная, Р — низкая.
Таблица 2. Значения твердости инструментальных сталей
| Тип инструментальной стали | AISI | Твердость HRс | |
| при 20°С | при 560°С | ||
| Закаленная в воде | W1 | 63 | 10 |
| Сопротивление ударной нагрузке | S1 | 60 | 20 |
| Закаленная в масле | O1 | 63 | 20 |
| Закаленная на воздухе | А2 | 63 | 30 |
| Bысокоуглеродистая
высокохромистая |
D1 | 62 | 35 |
| Быстрорежущая вольфрамовая | Т1 | 66 | 52 |
| Быстрорежущая молибденовая | M10 | 65 | 52 |
Выбор инструментальной стали — это компромисс между множеством факторов: прочность, устойчивость к износу, термостойкость, прокаливаемость, устойчивость к короблению и даже технологичность при механообработке. Система AISI-SAE предоставляет производственникам удобный и научно обоснованный способ сравнения и подбора материала для конкретной задачи.
Каждая серия сталей — будь то ударопрочные стали S-серии, высокотемпературные H-стали или мало коробящиеся O-стали — рассчитана на строго определённый режим работы. Актуальные данные по их твердости, поведению при термообработке и износостойкости позволяют оптимизировать производственные процессы, повысить точность обработки и увеличить срок службы инструмента.
Таким образом, знание свойств и особенностей инструментальных сталей по системе AISI-SAE является не просто академическим интересом, а необходимым условием инженерной эффективности в современном машиностроении, металлообработке и инструментальном производстве.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.