Инструментальные материалы в машиностроении

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ 
МАТЕРИАЛЫ 
В МАШИНОСТРОЕНИИ

А.М. АДАСКИН

2-е издание, переработанное и дополненное

Москва
ИНФРА-М
2024

УЧЕБНИК

УДК 621(075.8)
ББК 34.43я73
 
А28

Р е ц е н з е н т ы:

Г.А. Околович, доктор технических наук, профессор кафедры маши-

ностроительных технологий Алтайского технологического университета 
им. И.И. Ползунова;

Ю.Е. Седов, кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры 

«Металловедение и химия» Московского государственного технологического 
университета «СТАНКИН», заслуженный работник высшей школы Российской 
Федерации;

И.Ю. Сапронов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник 

Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской 
академии наук (ИМЕТ РАН)

ISBN 978-5-16-017722-9 (print)
ISBN 978-5-16-110387-6 (online)

© Адаскин А.М., 2015
© Адаскин А.М., 2024, с изменениями

Адаскин А.М.

А28  
Инструментальные материалы в машиностроении : учебник / 

А.М. Адаскин. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 
2024. — 391 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/1870562.

ISBN 978-5-16-017722-9 (print)
ISBN 978-5-16-110387-6 (online)
В учебнике представлены материалы для изготовления режущего, 

штампового, слесарно-монтажного, вспомогательного, контрольно-измерительного 
инструмента: инструментальные, быстрорежущие и штамповые 
стали, твердые сплавы, режущая керамика, сверхтвердые материалы. 
Во втором издании дополнительно рассмотрены карбидостали, керметы, 
жаропрочные сплавы для изготовления штампов горячего деформирования. 
Глава, посвященная методам определения свойств инструментальных 
материалов, дополнена методикой, устанавливающей взаимосвязь между 
микро- и макротвердостью. Рассмотрены эксплуатационные и технологические 
свойства материалов и области их рацио нального применения, 
износостойкие покрытия инструмента и конструкционные материалы 
для сборных, сварных и паяных инструмен тов. В приложениях приведены 
рекомендации государственных стандартов по использованию различных 
инструментальных материалов.

Соответствует требованиям Федерального государственного образова-

тельного стандарта последнего поколения.

Предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся 

по направлениям подготовки «Технология, оборудование и автоматизация 
машиностроительных производств», «Конструкторско-технологическое 
обеспечение машиностроительных производств», «Автоматизированные 
технологии и производства», «Материаловедение и технология металлов». 
Будет полезен для инженеров и аспирантов машиностроительных специальностей.


УДК 621(075.8)

ББК 34.43я73

Введение

Роль инструмента в машиностроительном производстве трудно 
переоценить. Инструмен  ты различного назначения используются 
во всех областях машиностроения.
Прежде всего, именно инструмен том выполняют все формообразующие 
операции, придавая заготовке, детали необходимую 
форму и размеры. Развитие этих инструментальных материалов 
во многом определило прогресс в машиностроении, позволило повысить 
производительность обработки, повлияло на конструкцию 
металло обрабатывающего оборудования, определило возможность 
создания автоматизированного производства. Характерно, что 
бурное развитие инструментальных материалов произошло в исторически 
короткий период — менее чем за 100 лет в ХХ в. — и обеспечило 
возможность промышленной революции.
В качестве инструментальных материалов в начале XX в. использовались 
инструментальные углеродистые и легированные 
стали. Эти стали не обладают теплостойкостью, их разупрочнение 
происходит при нагреве до 200–250°C. Поэтому допустимые скорости 
резания не превосходят 10–15 м/мин. При таких скоростях 
наибольшие затраты времени при обработке заготовок приходятся 
на основное (машинное) время (до 70%). Автоматизация технологического 
процесса в этом случае нецелесообразна, так как она 
позволяет сократить только вспомогательное время, доля которого 
невелика.
Основные исследования ХХ в. в области инструментальных 
материалов были посвящены созданию новых материалов, позволяющих 
производить обработку с высокими скоростями резания.
В начале ХХ в. была изобретена первая быстрорежущая сталь 
(типа Р18). Важно, что при этом была разработана технология 
термической обработки, без которой невозможно реализовать высокие 
свойства стали. Применение инструмента из быстрорежущих 
сталей позволило повысить скорость резания и производительность 
обработки в 3–5 раз.
Следующий важнейший этап — разработка и внедрение в производство 
твердых сплавов. После десятилетий исследований к началу 
30-х гг. ХХ в. были созданы промышленные твердые сплавы. Это 
позволило до 10 раз повысить скорость резания и производительность 
обработки по сравнению с инструмен том из быстрорежущих 
сталей (рис. В1) и вызвало сенсацию. Причем первые твердые 

сплавы использовали для изготовления волок, т.е. инструмен та 
для пластической деформации.

250...300 м/мин

150

60

40
36
25 м/мин

1
2
3

1900 г.
1900 г.
1927 г.1931 г.1933 г. и далее

Скорость резания, м/мин (стойкость — 1 час)

Рис. В1. Производительность при точении стали в зависимости 
от инструментального материала:
1 — инструментальные стали; 2 — быстрорежущая сталь; 3 — твердые сплавы

Следующим этапом развития инструментальных материалов 
и очередной сенсацией стало появление режущей керамики. 
Первый патент на режущий материал из оксида алюминия (Al2O3) 
с небольшим количеством оксида хрома (Cr2O3) был получен 
в Германии в 1913 г. В 1937 г. на Лейпцигской ярмарке были продемонстрированы 
режущие пластинки из керамики на основе оксида 
алюминия. Однако применение керамики в промышленности 
задержалось на несколько десятилетий. Это связано с низкой прочностью 
керамики и недостаточной жесткостью металлорежущих 
станков. Устранение этих причин позволило в настоящее время 
занять керамике место в металлообработке, ее применение в несколько 
раз повысило скорость резания по сравнению с твердыми 
сплавами.
Следующий этап развития — использование для обработки 
резанием и давлением синтетических сверхтвердых материалов 
на основе алмаза и кубического нитрида бора — самых твердых веществ. 
Синтез определил экономическую возможность их приме-

нения. Синтетические сверхтвердые вещества нашли применение 
в промышленности для обработки труднообрабатываемых черных 
и цветных металлов. Появилась возможность лезвийной обработки 
закаленных сталей и даже твердых сплавов, возможность получения 
тончайшей проволоки.
Научные основы получения алмазов из графита были заложены 
советским ученым О.И. Лейпунским, который впервые (в 1939 г.) 
построил диаграмму состояния «графит — алмаз» в координатах: 
Р (давление) — Т (температура), «Р — Т-диаграмма». Синтез алмаза 
стал возможным в середине 50-х гг. ХХ в. в результате развития 
технологии высоких давлений.
Первое сообщение об успешном синтезе алмазов было получено 
из Швеции (фирма «ASEA») в 1953 г. В 1954 г. синтез алмазов был 
осуществлен американской компанией «Дженерал электрик», которая 
создала первое специальное предприятие по синтезу алмазов. 
Несколько позже, в 1960-е гг., был синтезирован кубический нитрид 
бора. В настоящее время синтез алмаза и кубического нитрида 
бора освоен во многих странах, в том числе и в России.
Попытки получения алмаза из графита делались давно, сопровождались 
мистификациями и курьезами. Первого положительного 
результата якобы удалось достичь в 1880 г. Б. Ханнею. Его алмазы 
(размеры 0,4х0,2х0,1 мм, плотность 3,54 г/см 3) хранятся в Британском 
музее естественной истории в Лондоне под этикеткой «Искусственные 
алмазы Ханнея». Последующие попытки повторить его 
опыт не приносили успеха. Рентгеноструктурный анализ, выполненный 
в 1940-е гг. английским ученым Лонсдейлом (его именем 
названа одна из модификаций углерода), подтвердил подлинность 
этих алмазов (10 образцов были алмазами, 11-й — стекляшка). Однако 
возникло обоснованное подозрение в их искусственном происхождении, 
так как давление в опытах Б. Ханнея было низким 
и не превышало 200 МПа.
Работы по усовершенствованию инструментальных материалов 
активно проводились начиная с 50–60-х гг. ХХ столетия и продолжаются 
до сегодняшнего дня. Разработаны промышленные технологии 
нанесения на инструмент износостойких покрытий карбидов, 
нитридов, оксидов. Это позволило получить градиентные 
материалы, сочетающие высокую твердость, удовлетворительные 
прочностные свойства. Начиная с 1960-х гг. промышленность широко 
использует инструмен  ты с покрытиями.
Развитие инструментальных материалов привело к изменению 
металлообрабатывающего оборудования. Использование инструментальных 
материалов высокой твердости и, таким образом, 

хрупких потребовало создания станков и прессового оборудования 
нового поколения, обладающих высокой жесткостью и виброустой-
чивостью.
Определилась не только целесообразность, но и необходимость 
автоматизации технологических процессов обработки резанием, 
так как оператор уже не в состоянии правильно вручную управлять 
быстро перемещающимся инструмен том или обрабатываемой заготовкой.

Роль инструмента в машиностроении не ограничивается 
только формообразованием. Наряду с режущим и штамповым 
инструмен том предприятиям необходим контрольно-измерительный 
вспомогательный, слесарно-монтажный инструмент.
Контрольно-измерительный инструмент применяют для определения 
линейных и угловых размеров, а также свойств материалов 
(например, твердости), он необходим для обеспечения необходимой 
точности как детали, так и машины в целом, а также для оценки ресурса 
детали, узла.
Слесарно-монтажный инструмент используют при выполнении 
слесарных операций, а также при сборке узлов и машины в целом.
Такой широкий спектр использования инструмен тов определяет 
необходимость применения самых разнообразных материалов 
для изготовления инструмен тов различного назначения.
Традиционно инструментальными называют материалы, используемые 
для изготовления формообразующего, т.е. режущего 
и штампового, инструмента. В настоящее время для изготовления 
инструмента используются не только традиционные инструментальные 
материалы — стали, твердые сплавы, режущая керамика, 
но и неметаллические, а также композиционные материалы. 
Многие инструмен ты представляют собой достаточно сложные 
конструкции, в которых, помимо собственно инструментальных 
материалов, непосредственно контактирующих с материалом заготовки (
режущий, штамповый инструмент), необходимо применение 
конструкционных материалов.
При изготовлении инструмен тов используют операции механической 
обработки, а также сварки, пайки, т.е. необходимо учитывать 
технологичность материалов при различных операциях. 
Выбор материала для изготовления инструмента определяется, 
в первую очередь, условиями его эксплуатации. Однако при этом 
следует учитывать целый ряд факторов, определяющих рациональный 
выбор материала: технологию изготовления инструмента; 
серийность производства как самого инструмента, так и изделий; 
стоимость инструментального материала и т.п.

В учебнике рассмотрен весь спектр инструментальных материалов — 
для режущего, штампового, слесарно-монтажного, контрольно-
измерительного и вспомогательного инструмента. Ранее 
таких учебников не издавалось.
При написании книги был использован большой научный и педагогический 
опыт кафедры «Металловедение» Московского технологического 
университета «СТАНКИН».
Кафедру в разное время возглавляли ведущие ученые в области 
инструментальных сталей: Ю.А. Геллер — основатель школы металловедов-
инструментальщиков, Л.С. Кремнев, разработавший 
теорию легирования инструментальных сталей. На базе этой 
теории был создан ряд инструментальных сталей — быстрорежущих, 
штамповых, в том числе вошедших в государственные стандарты. 
Коллектив кафедры удостоен первой премии Д.К. Чернова 
за работу «Исследование, промышленное опробование и внедрение 
новых инструментальных сталей повышенной производительности 
для резания труднообрабатываемых материалов».
На кафедре «Металловедение» разработан курс «Инструментальные 
материалы и термическая обработка инструмента».
При написании книги также использованы фундаментальные 
труды, выполненные во Всесоюзном научно-исследовательском 
институте твердых сплавов.
Изложение книги построено следующим образом. В основу положено 
рассмотрение строения и свойств материала, из которого 
изготавливают инструмент, и затем использование этого материала 
для различного назначения (например, твердые сплавы для обработки 
резанием, давлением, для слесарного и измерительного инструмента).
В результате освоения дисциплины «Инструментальные материалы 
в машиностроении» обучающийся должен демонстрировать 
следующие результаты образования (компетенции):
знать
 
• области применения современных материалов для изготовления 
инструмен тов различного назначения: режущих, штамповых, измерительных;
 
• 
физическую сущность явлений, происходящих в инструментальных 
материалах под воздействием внешних факторов в процессе 
их эксплуатации (при нагреве, охлаждении, давлении 
и т.д.), их влияние на структуру и свойства инструментальных 
материалов;
уметь
 
• аргументированно, с учетом эксплуатационных требований 
типа производства и технологических возможностей применять 
знания при назначении:

— инструментальных и конструкционных материалов для цельного 
сборного и сварного инструмента;
— технологий упрочняющей и разупрочняющей обработки 
для получения необходимых эксплуатационных свойств инструмен-
 тов и технологических свойств заготовок;
владеть
 
• методиками оценки качества термической обработки инструментальных 
и конструкционных сталей; качества сварки инструментальных 
и конструкционных материалов по данным металлографического 
анализа и механических свойств;
 
• методами оптимизации режимов резания при обработке материалов 
разной обрабатываемости;
 
• принципами назначения инструментальных материалов в зависимости 
от условий эксплуатации и конструкции инструмента;
 
• методами проектирования технологических процессов термической 
и химико-термической обработки инструмен  тов и оснастки.

Глава 1. 

ТРЕБОВАНИЯ К СВОЙСТВАМ 
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ. 
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ

1.1. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ 
МАТЕРИАЛОВ

В машиностроении инструментальные материалы используют 
для изготовления режущего, штампового, измерительного и слесарно-
монтажного и вспомогательного инструмента.
Принципиально выбор материала изделия определяется, 
во-первых, условиями эксплуатации — материал должен обеспечить 
работоспособность изделия; во-вторых, технологическими 
свойствами материала и, в-третьих, стоимостью.
Все инструмен ты должны обладать высокой износостойкостью. 
Кроме того, в зависимости от их назначения и условий эксплуатации 
инструмен  ты должны обладать рядом специальных свойств.
В наиболее тяжелых условиях работают формообразующие — режущие 
и штамповые — инструмен ты. Для многих операций резания 
и штамповки характерны большие напряжения, высокие температуры. 
Условия эксплуатации слесарно-монтажных, измерительных 
и вспомогательных инструмен тов легкие, как правило, они работают 
без нагрева, в условиях меньших изнашивающих воздействий.
Поэтому остановимся на требованиях к инструментальным материалам, 
предназначенным для изготовления режущего и штампового 
инструмента.
В процессе резания и штамповки инструмент находится под 
воздействием очень высоких контактных напряжений, их значения 
могут превосходить 4000 МПа. При этом создаются условия, 
близкие к всестороннему неравномерному сжатию, для которого 
характерна высокая доля касательных напряжений. Это способствует 
развитию пластической деформации, особенно при повышенных 
температурах. Сопротивление материала большим пластическим 
деформациям характеризуется твердостью. Таким образом, 
высокая твердость — необходимое свойство, определяющее принципиальную 
возможность использования материала в качестве инструментального.

Высокая твердость характерна для простых веществ (алмаз), 
химических соединений (карбиды, нитриды, оксиды), у сталей она 
достигается в результате термической обработки. Именно из этих 
мате риалов изготавливают инструмен ты.
При резании и горячей штамповке происходит нагрев инструмента. 
Способность материала сохранять твердость при нагреве — 
теплостойкость — является важной характеристикой инструментальных 
материалов. При обработке резанием теплостойкость 
во многом определяет производительность. Чем выше теплостойкость 
инструментального материала, тем больше допустимая температура 
нагрева инструмента и скорость резания. Для штамповых 
сталей теплостойкость должна быть тем выше, чем выше температуры 
нагрева заготовки под штамповку, при этом следует учитывать, 
что в процессе самой штамповки происходит дополнительный 
нагрев заготовки. Температура в зоне обработки зависит не только 
от режимов резания, штамповки, но также от свойств инструментального 
материала — теплопроводности и теплоемкости. Чем 
выше теплопроводность, тем интенсивнее отвод тепла из зоны обработки. 
При более высокой теплоемкости инструментального материала 
для его нагрева до определенной температуры требуется 
большее количество теплоты. Поэтому при одинаковых условиях 
инструмент нагревается тем меньше, чем выше теплопроводность 
и теплоемкость инструментального материала.
В процессе резания и штамповки инструмен ты подвергаются 
воздействию разнообразных напряжений (изгиба — многолезвийный 
режущий инструмент, кручения — осевой режущий 
инструмент и реже растяжения — протяжки; штамповый инструмент 
испытывает напряжения растяжения и сжатия), а также 
динамических нагрузок. Поэтому инструментальный материал 
должен обладать достаточно высокими механическими характеристиками — 
пределом прочности и ударной вязкостью. При этом 
надо иметь в виду, что инструментальные материалы, обладающие 
высокой твердостью, имеют хрупкий характер разрушения (
т.е. практически без пластической деформации), по это му 
рост твердости сопровождается, как правило, снижением других 
механических свойств. Следовательно, твердость должна быть 
максимально допустимой, т.е. такой, при которой предел прочности 
и ударная вязкость обеспечивают работу инструмента без 
поломок и сколов.
Чем выше модуль упругости инструментального материала, тем 
больше его жесткость, соответственно, меньше упругие отжатия 
инструмента при обработке, это обеспечивает большую точность