Инструментальные стали: классификация AISI

По стандартизации Американского института чугуна и стали (AISI) инструментальные стали подразделяет на следующие основные серии:
1) стали «W» — углеродистые, с закалкой в воде;
2) стали «L» — низколегированные;
3) стали «S» — ударостойкие;
4) стали «О» — с закалкой в масле;
5) стали «А» — с закалкой на воздухе;
6) стали «D» — высокоуглеродистые, высокохромистые;
7) стали «Н» — с высокой твердостью, теплостойкие;
8) стали «М» — быстрорежущие легированные молибденом;
9) стали «Т» — быстрорежущие легированные вольфрамом.

Американские инструментальные стали (AISI)

Каждый из этих типов инструментальных сталей подразделяется далее на конкретные стали. В обозначении стали к букве добавляется цифра, например, W2. Каждая такая серия сталей включает до десятки, иногда больше, различных сталей. Например, серия W включает стали от W1 до W7. В таблице 1 для ясности классификации представлены по 1-2 представителя всех серий инструментальных сталей со средним химическим составом.

klassifikaciya-instrumentalnyx-staleyТаблица 1 – Классификация AISI инструментальных сталей (средний химический состав)

Рейтинг инструментальных сталей по износостойкости, вязкости и теплостойкости

Наиболее важными свойствами инструментальных сталей считаются износостойкость, вязкость и теплостойкость. В таблице 2 приведены рейтинги этих трех основных свойств для каждой из сталей, указанных в таблице 1. Этот рейтинг представляет собой число от 1 до 10: число 10 обозначает самый высокий рейтинг.

reyting-instrumentalnyx-staleyТаблица 2 – Рейтинг износостойкости, вязкости и теплостойкости инструментальных сталей

В общем случае основные «рычаги» достижения высокого уровня трех основных свойств инструментальных сталей сводятся к следующему:
1) выше износостойкость – больше карбидов;
2) выше вязкость – ниже содержание углерода;
3) выше теплостойкость – больше легированных карбидов.

Инструментальные стали серии «W»

Буква «W» обозначает закалку водой (water). Эти стали аналогичны обыкновенным углеродистым сталям и имеют очень низкую закаливаемость. Как показано в таблице 2, вязкость этой стали повышается, если сталь получает поверхностную закалку. Это значит, что сталь закаливают со скоростью, которая обеспечивает образование мартенсита только вблизи поверхности, позволяя сердцевине оставаться не упрочненной и поэтому вязкой. Низкая теплостойкость по сравнению с другими сталями объясняется тем, что другие стали содержат легированные карбиды, такие как M3C, а не обычные Fe3C. Легированные карбиды сопротивляются укрупнению и растворяются при высоких температурах, что и дает сталям повышенную теплостойкость.

В последнем столбце таблицы 1 указано суммарное содержание легирующих элементов в стали. Это суммарное содержание легирующих элементов при движении по таблице сверху вниз возрастает. А это означает, что объемная доля карбидов тоже увеличивается.

Инструментальные стали серии «L»

Буква «L» досталась этой серии от слова «low» — все эти стали являются низколегированными и похожи на обычные низколегированные стали. Например, по существу сталь L6 очень близка к стали 4340 с содержанием углерода от 0,4 до 0,7 %.

Инструментальные стали серии «S»

Буква «S» у этих сталей от слова «shock» — удар, так как все они являются ударостойкими. Высокая вязкость, которая необходима для ударостойкости, достигается снижением содержания углерода в этих сталях до весьма низкого уровня. Однако это же является причиной низкой изностойкости и теплостойкости, характерных для этих сталей.

Инструментальные стали серии «O»

Буква «О»  в обозначении этих сталей от слова «oil» — масло, так как все они получают закалку охлаждением в масле. Ключевые легирующие элементы в таблице 1 выделены зеленым цветом. В сталях серии «О» — это марганец и ванадий. Эти элементы дают сталям «О» повышенную закаливаемость по сравнению со сталями серии «W», что позволяет им получать закалку при охлаждении в масле.

Инструментальные стали серии «А»

Буква «А» обозначает закалку на воздухе (air). Закаливаемость этих сталей улучшена до такой степени, что они способных закаливаться при охлаждении на воздухе. Ключевыми легирующим элементами, которые обеспечивают высокую закаливаемость, являются хром и молибден.

Инструментальные стали серии «D»

Эти стали называют высокоуглеродистыми и высокохромистыми. Стали способны закаливаться на воздухе. Как видно в таблице 2, комбинация высокого содержания углерода с высоким содержанием легирующих элементов обеспечивает высокую износостойкость, довольно высокую теплостойкость, но весьма низкую вязкость.

Инструментальные стали серии «Н»

Буква «Н» обозначает здесь «hot hardness» — сохранение твердости при повышенных температурах, теплостойкость. Из этих сталей обычно изготавливают матрицы и другой прессовый инструмент для горячего прессования алюминия и его сплавов. Комбинация низкого содержания углерода и довольно высокое содержание легирующих элементов дает хорошую вязкость и теплостойкость, но весьма умеренную износостойкость.

Инструментальные стали серий «M» и «Т»

Буквы «М» и «Т» обозначают молибден и вольфрам (tungsten) в этих быстрорежущих сталях. Оба карбида этих элементов являются стабильными до весьма высоких температур. Поэтому высокий уровень этих легирующих элементов дает большую объемную долю карбидов в этих сталях. Это обеспечивает им хорошую износостойкость и теплостойкость, но слабую вязкость. Высокоуглеродистая сталь Т15 дает пример разработки инструментальной стали для максимального уровня износостойкости и теплостойкости в ущерб вязкости.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007