Инструментальные материалы

 
 
 
 
 
А. Н. Коротков, Л. П. Короткова 
 
 
 
 
 
 
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.9.025.6/.7 
ББК 34.6 
К68 
 
 
 
 
Рецензенты: 
заведующий кафедрой «Автоматизации производственных процессов и АСУ»  
Кемеровского государственного университета доктор технических наук,  
доцент А. Л. Майтаков;  
профессор кафедры «ТПОВН» Кузбасского государственного технического университета 
им. Т. Ф. Горбачева, доктор технических наук Т. Н. Теряева 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Коротков, А. Н. 
К68  
Инструментальные материалы : учебник / А. Н. Коротков, Л. П. Короткова. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 188 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1997-0 
 
Рассмотрены основные группы инструментальных материалов, применяемых 
для изготовления режущих лезвийных, абразивных и алмазных инструментов, штамповых инструментов холодного и горячего деформирования, а также мерительных инструментов. Сформулированы условия эксплуатации инструментальных материалов, 
требования, предъявляемые к ним по основным и технологическим свойствам, формирование этих свойств за счет легирования, технологии изготовления и технологии 
термической обработки. Изложена общая методика контроля качества инструментальных материалов. 
Для студентов машиностроительных направлений подготовки. 
 
УДК 621.9.025.6/.7 
ББК 34.6 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1997-0 
” Коротков А. Н., Короткова Л. П., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ....................................................................................................................... 5 
Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ  
СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ 
............................................................................................... 6 
1.1. Классификация инструментальных материалов ............................................... 6 
1.1.1. Инструментальные стали  
................................................................................. 6 
1.1.2. Порошковые инструментальные материалы 
................................................ 10 
1.2. Условия эксплуатации инструментальных сталей и сплавов,  
требования к ним ....................................................................................................... 11 
1.3. Методы контроля качества инструментальных материалов  ........................ 16 
1.3.1. Методы контроля основных механических свойств ................................... 17 
1.3.2. Методы контроля технологических свойств ................................................ 20 
1.3.3. Методы контроля параметров структуры 
..................................................... 22 
Глава 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ: ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ,  
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ПРИМЕНЕНИЕ ................................................. 23 
2.1. Нетеплостойкие стали 
........................................................................................ 23 
2.1.1. Нетеплостойкие стали высокой твердости ................................................... 23 
2.1.2. Нетеплостойкие стали повышенной ударной вязкости .............................. 33 
2.2. Полутеплостойкие стали ................................................................................... 36 
2.2.1. Штамповые стали холодного деформирования ........................................... 36 
2.2.2. Штамповые стали горячего деформирования .............................................. 42 
2.3. Теплостойкие инструментальные стали .......................................................... 53 
2.4. Контроль качества инструментальных сталей ................................................ 65 
2.4.1. Структура методов испытаний при контроле качества  
инструментальных сталей ........................................................................................ 65 
2.4.2. Методика контроля качества структуры 
....................................................... 68 
2.4.3. Технические требования к инструментальным сталям 
............................... 73 
2.4.4. Дефекты инструментальных сталей и способы их устранения 
.................. 83 
Глава 3. ПОРОШКОВЫЕ БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ 
..................................... 93 
3.1. Технология производства, химический состав, термическая  
обработка, применение ............................................................................................. 93 
3.2. Контроль качества порошковых быстрорежущих сталей 
............................ 103 
3.2.1. Методика контроля ....................................................................................... 103 
3.2.2. Технические требования 
............................................................................... 107 
3.3. Карбидостали .................................................................................................... 112 
Глава 4. МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ  
МАТЕРИАЛЫ 
.......................................................................................................... 115 
4.1. Технология производства, химический состав, термическая  
обработка, применение ........................................................................................... 115 
4.2. Контроль качества металлокерамических инструментальных 
материалов ............................................................................................................... 122 
4.2.1. Методика контроля качества твердых сплавов, технические  
требования к ним ..................................................................................................... 122 
3 

4.3. Керамико-металлические инструментальные материалы ........................... 130 
4.3.1. Особотвердые инструментальные материалы ........................................... 132 
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ  
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ..................................................................... 133 
5.1. Предварительная термическая обработка 
...................................................... 133 
5.1.1. Ковка 
............................................................................................................... 133 
5.1.2. Отжиг заготовок ............................................................................................ 135 
5.2. Упрочняющая термическая обработка........................................................... 140 
5.2.1. Закалка инструмента. Требования к структуре закаленной стали 
........... 141 
5.2.2. Отпуск инструмента.  Влияние отпуска на структуру  
и свойства инструментальных сталей ................................................................... 144 
5.3. Методы поверхностного упрочнения инструмента 
...................................... 147 
Глава 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ  
МАТЕРИАЛОВ ....................................................................................................... 150 
6.1. Выбор сталей и сплавов для режущих инструментов .................................. 150 
6.2. Выбор сталей для штампов холодного деформирования ............................ 153 
6.3. Выбор сталей для штампов горячего деформирования ............................... 156 
Глава 7. АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АЛМАЗЫ И СВЕРХТВЕРДЫЕ  
МАТЕРИАЛЫ (СТМ)  ............................................................................................ 160 
7.1. Естественные абразивные материалы 
............................................................ 160 
7.2. Искусственные абразивные материалы ......................................................... 162 
7.2.1. Электрокорунды ............................................................................................ 162 
7.2.2. Карбиды кремния .......................................................................................... 165 
7.2.3. Карбид бора 
.................................................................................................... 165 
7.2.4. Техническое стекло ....................................................................................... 166 
7.3. Маркировка искусственных абразивных отечественных  
и зарубежных материалов ...................................................................................... 166 
7.4. Алмазы 
............................................................................................................... 167 
7.5. Сверхтвердые инструментальные материалы (СТМ)  ................................. 168 
Глава 8. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ 
................ 171 
8.1. Форма шлифовальных зерен и ее оценка ...................................................... 171 
8.2. Контроль прочности шлифовальных зерен ................................................... 174 
8.3. Контроль режущей способности абразивных материалов 
........................... 177 
8.4. Контроль прочности шлифовальных кругов 
................................................. 179 
Литература ............................................................................................................... 182 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по машиностроительным направлениям подготовки. В частности, им могут пользоваться студенты, обучающиеся по программам среднего профессионального образования, 
а также высшего образования. В том числе:  
– студенты бакалавриата, обучающиеся по направлению подготовки 
15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных 
производств», профиль 02 «Металлорежущие станки и комплексы»; 
– студенты магистратуры, обучающиеся по направлению подготовки 
15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных 
производств», профиль 02 «Конструкторское обеспечение машиностроительных производств»; 
– студенты специалитета, обучающиеся по направлению подготовки 
15.05.01 «Проектирование технологического оборудования», профиль 11 «Проектирование механообрабатывающих и инструментальных комплексов в машиностроении». 
Учебник может оказаться полезным также аспирантам научной специальности 2.5.5 «Технология и оборудование механической и физико-технической 
обработки». 















5 

Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ  
СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ 
1.1. Классификация инструментальных материалов 
К инструментальным сталям и сплавам относятся стали нетеплостойкие, 
полутеплостойкие, теплостойкие и порошковые стали, твердые сплавы, керметы. Сравнительная характеристика по механическим и технологическим свойствам основных групп инструментальных сталей и сплавов, используемых в 
машиностроении, приведена в табл. 1.1, классификация представлена 
 на рис. 1.1. 
1.1.1. Инструментальные стали 
Классифицируют инструментальные стали чаще всего по назначению и 
свойствам [1]. 
По назначению инструментальные стали подразделяют в зависимости от 
вида инструментов: 
 режущие инструменты; 
 инструменты штампового холодного деформирования; 
 инструменты штампового горячего деформирования; 
 мерительные инструменты. 
Наиболее важной является классификация по основному свойству инструментальных сталей – по теплостойкости (см. рис. 1.1). Такая классификация позволяет объединять стали по принципу легирования, структуре, упрочняющей термической обработке. 
По теплостойкости различают три группы инструментальных сталей: 
 нетеплостойкие стали с теплостойкостью 200÷250 °С; 
 полутеплостойкие стали с теплостойкостью 300÷400 °С; 
 теплостойкие стали с теплостойкостью 600 °С и выше. 
К нетеплостойким относятся углеродистые У7, У8, У9, У10, У11, У12, 
У13 и низколегированные стали 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 13Х, ХВГ, ХВ4, В2Ф, 9Х1, Х, 
12Х1, 9ХС, ХСГ, 9ХВГ, ХВСГФ, 9Г2Ф. Это стали повышенной твердости, термически обрабатываемые на структуру мартенсит с твердостью 62÷67 HRCЭ.  
В эту группу входят также стали повышенной вязкости í 4ХС, 6ХС, 5ХВ2СФ, 
6ХВ2С, 6ХВГ, 6Х3МФС, которые термически обрабатываются на структуру 
троостит или бейнит с твердостью 40÷50 HRCЭ. Их теплостойкость не превышает 250 °С. 
К полутеплостойким относятся штамповые стали холодного и горячего 
деформирования. 
6 

ˑ̨̣̬̽̍,
̸̛̭̣̱̯̌̏,̛̛̭̥̯
ʶ̬̖̥̖̦̽
ʶ̛̬̼̌̍̔
̡̛̬̖̥̦́
ʰ̡̭̱̭̭̯̖̦̦̼̖̏
̣̥̼̌̌̚
ʻ̡̙̌̔̌
ʫ̭̯̖̭̯̖̦̦̼̖̏
̣̥̼̌̌̚
ʶ̨̬̱̦̔
ˑ̡̨̡̨̣̖̯̬̬̱̦̔
ʤ̛̛̬̦̼̜̥̯̖̬̣̍̌̏̌̌̚
ʤ̸̡̛̛̛̛̛̣̥̼̭̦̯̖̯̖̭̖̥̯̖̬̣̼̌̌̌̚
ʫ̛̛̭̯̖̭̯̖̦̦̼̖̬̦̼̖̥̯̖̬̣̼̏̌̍̌̏̌̌̚
ʰ̡̛̛̭̱̭̭̯̖̦̦̼̖̬̦̼̖̥̯̖̬̣̼̏̌̍̌̏̌̌̚
ʥ̴̨̖̣̬̏̽̌̚Ͳ
̨̥̼̖̏
7 
ʶ̖̬̥̖̯̼
ʿ̨̨̡̨̬̹̼̖̏
̛̭̯̣̌
(ʦʶ,˃ʶ,˃˃ʶ)
˃̖̬̼̖̭̪̣̼̏̔̌̏
ʦ̴̨̨̣̬̥̼̖̽̌̏
ʰ̛̦̭̯̬̱̥̖̦̯̣̦̼̖̥̯̖̬̣̼̌̽̌̌
Рис. 1.1. Классификация инструментальных материалов
ʦ̨̡̨̼̭̜
̨̨̡̨̛̯̖̪̣̭̯̜̭̯
ʿ̨̨̼̹̖̦̦̜̏
̡̨̛̭̯̏́̚
ʿ̨̼̹̖̦̏Ͳ
̨̡̨̛̦̜̭̯̏́̚
ʿ̨̨̛̦̙̖̦̦̜
̨̨̡̨̛̯̖̪̣̭̯̜̭̯
˃̨̨̡̛̖̪̣̭̯̜̖
ʿ̨̨̼̹̖̦̦̜̏
̨̨̡̨̛̯̖̪̣̭̯̜̭̯
ʻ̨̨̡̛̖̯̖̪̣̭̯̜̖
ʦ̨̡̨̼̭̜
̨̛̯̖̬̭̯̏̔
ʿ̨̨̨̡̛̣̱̯̖̪̣̭̯̜̖
Высокой 
̨̛̯̖̬̭̯̏̔
ʰ̛̦̭̯̬̱̥̖̦̯̣̦̼̖̭̯̣̌̽̌
ʿ̨̨̡̨̬̹̼̖̏
̛̦̭̯̬̱̥̖̦̯̣̦̼̖̌̽
˄̨̥̖̬̖̦̦̜
̨̨̡̨̛̯̖̪̣̭̯̜̭̯
 











 
 
 

Т а б л и ц а  1.1 
Сравнительная характеристика свойств основных групп инструментальных  
сталей и сплавов 
Основные свойства 
Технологические 
свойства 
Инструментальный 
материал 
Твердость 
Прочность 
ıизг, МПа 
Плотность, кг/м3 
Шлифуемость 
Ударная  
вязкость 
KСU, МДж/м2 
Теплостойкость,  
°С 
Обрабатываемость 
 резанием, К* 
Обрабатываемость 
давлением 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
62÷67 
HRCЭ 
0,2÷1,0 
200÷250 
Нетеплостойкие 
стали высокой 
твердости 
Хорошая 
Хорошая 
Хорошая, 
К = 0,8 
2000÷3500 
7800÷7850 
300÷400 
0,15÷0,5 
Полутеплостойкие 
стали высокой 
твердости 
7800÷8800 
2200÷3000 
60÷63 HRCЭ 
Хорошая или  
удовлетворительная, 
К = 0,6÷0,8 
Хорошая или 
удовлетворительная 
Хорошая или 
удовлетворительная 
0,3÷0,7 
500÷720 
Полутеплостойкие 
стали высокой 
вязкости 
7750÷7850 
1200÷1800 
40÷50 HRCЭ 
Хорошая или 
удовлетворительная 
Хорошая или 
удовлетворительная 
Хорошая или  
удовлетворительная, 
К = 0,3÷0,7 
0,2÷0,5 
600÷630 
Теплостойкие 
стали 
(быстрорежущие) 
8000÷8800 
2500÷3500 
62÷68 HRCЭ 
Хорошая, 
удовлетворительная 
или пониженная 
Удовлетворительная 
Хорошая или 
удовлетворительная, 
К = 0,5÷0,6 
0,3÷0,6 
630÷650 
Теплостойкие 
порошковые 
быстрорежущие стали 
Хорошая 
Хорошая 
2800÷4400 
7600÷9000 
Хорошая, 
К = 0,6÷0,8 
66÷70 HRCЭ 

8 

О к о н ч а н и е  т а б л и ц ы  1.1 
Основные свойства 
Технологические 
свойства 
Инструментальный 
материал 
Ударная  
вязкость 
ıизг, МПа 
Твердость 
Прочность 
Плотность, кг/м3 
Шлифуемость 
KСU, МДж/м2 
Теплостойкость,  
°С 
Обрабатываемость 
 резанием, К* 
Обрабатываемость 
давлением 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
– 
Твердые сплавы 
(вольфрамовые) 
800÷1000 
1000÷2000 
82÷90 HRA 
11000÷15000 
Не обрабатывают 
Не обрабатывают 
– 
1000 
Твердые сплавы 
(безвольфрамовые) 
800÷1700 
5500÷6000 
87÷92 HRA 
Не обрабатывают 
Не обрабатывают 
Только алмазным инструментом 
– 
Керметы 
400÷650 
4200÷4700 
1000÷1200 
92÷93 HRA 
Не обрабатывают 
Не обрабатывают 
Примечание: К* – коэффициент обрабатываемости по отношению к стали 45 резцами из 
стали Р18. 
 
К группе полутеплостойких высокой твердости относятся штамповые 
стали холодного деформирования марок Х12, Х12Ф1, Х12МФ, Х12ВМФ, 
Х12Ф4М, Х6ВФ, Х6Ф4М, 8Х6НФТ. Это высокохромистые (3÷18 % Cr) стали с 
высоким содержанием углерода (1÷2,2 % С). Они приобретают твердость  
60÷63 HRCЭ после упрочняющей термической обработки на мартенсит. Их теплостойкость не превышает 400 °С. 
К группе полутеплостойких повышенной вязкости относятся штамповые 
стали горячего деформирования марок 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, 4ХМФС, 
4Х5МФС, 4Х5В2МФС, 3Х2В8Ф, 5Х3В3МФС, 3Х3М3Ф. Это стали с содержанием углерода до 0,5 % низко- и среднелегированные хромом, никелем, молибденом, вольфрамом, ванадием. Термообрабатываются на троостит с твердостью 
40÷50 HRCЭ. Их теплостойкость составляет 500÷720 °С. 
9 

К теплостойким относятся высоколегированные стали, содержащие 
вольфрам, молибден, хром, ванадий, 0,8÷1,2 % углерода. Это быстрорежущие 
стали марок Р2АМ9К5, Р6М3, Р6М5, P6М5Ф3, Р6М5К5, Р9, Р9К5, Р9М4К8, 
Р12, Р12Ф3, Р18, Р18К5Ф2, 11Р3АМ3Ф2 и др. с теплостойкостью 610÷630 °С. 
Быстрорежущие стали приобретают высокую твердость и теплостойкость в результате двойного упрочнения: закалки на мартенсит и дисперсионного твердения в процессе последующего двух-, трехкратного отпуска при температурах  
550÷560 °С [2, 3, 4, 5, 6, 7].  
Инструментальные стали в результате легирования и термической обработки приобретают высокую твердость, прочность, износостойкость и теплостойкость. Из сравнительной характеристики основных групп инструментальных материалов (см. табл. 1.1) следует, что повышение теплостойкости за счет 
увеличения легированности твердого раствора и увеличения объемной доли 
карбидной фазы положительно влияет на такие основные свойства, как твердость и прочность. Однако, одновременно вызывает снижение ударной вязкости и некоторое ухудшение технологических свойств: обрабатываемости давлением, резанием, шлифуемости. В промышленности находят применение инструментальные стали, которые обладают удовлетворительным или хорошим 
комплексом как основных, так и технологических свойств одновременно. 
Инструментальные стали имеют специализированное применение. В настоящее время быстрорежущие стали – это самый универсальный инструментальный 
материал для режущего инструмента, т. к. наряду с самым высоким комплексом 
основных свойств они обладают хорошим или удовлетворительным комплексом 
технологических свойств. Использование теплостойких инструментальных сталей 
для режущего инструмента позволяет на порядок увеличить скорости резания по 
сравнению с нетеплостойкими инструментальными сталями.  
Полутеплостойкие стали являются основными для изготовления штампов 
холодного и горячего деформирования, работающих в тяжелых условиях деформирования. 
Нетеплостойкие применяют для штампов холодного деформирования, 
слесарного, мерительного и деревообрабатывающего инструментов и некоторых металлорежущих инструментов.  
При выборе стали для конкретного инструмента учитываются такие факторы, как: условия эксплуатации инструмента, его сложность в изготовлении, 
себестоимость. 
 
1.1.2. Порошковые инструментальные материалы 
К ним относятся твердые сплавы, керметы и порошковые инструментальные стали (см. рис. 1.1, табл. 1.1). 
Методом порошковой металлургии из распыленных порошков изготавливают высоколегированные порошковые быстрорежущие стали Р12М3К5Ф2-МП, 
Р12М3К10Ф3-МП, 15Р10Ф3К8М6-МП, 22Р10Ф6К8М3-МП и др. Они отличаются высокой теплостойкостью (до 700 °С), вторичной твердостью (до 70 
HRС), повышенной прочностью, вязкостью. При этом они обладают хорошими 
10