Некоторых быстрорежущих сталей
| Сталь | Температура закалки, °С | Состав твердого раствора, % (атомн.) | К4р58, °С | Остаточный аустенит, % | ||||
| W | Мо | V | Сr | Со | ||||
| Р18 | – | – | ||||||
| Р9 | 2,5 | – | 1,5 | – | ||||
| Р6М5 | – | |||||||
| Р6М5К5 | ||||||||
| Р0М2ФЗ | – | – | ||||||
| Р3М3Ф2 | – |
Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали (он повышает красностойкость), но кобальт очень дорогой элемент.
Температурные режимы термической обработки инструментов из быстрорежущих сталей приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Температурные режимы термической обработки инструментов
Из быстрорежущих сталей
| Марка стали | Закалка | Отпуск | ||||
| Температура, °С | Твердость HRC | Количество аустенита, % | Температура, °С | Число отпусков | Твердость HRC | |
| Р18 | 1270–1290 | 62–64 | 63–65 | |||
| Р12 | 1240–1260 | 62–64 | 63–65 | |||
| Р9 | 1220–1240 | 62–64 | 63–65 | |||
| Р6М5 | 1210–1230 | 62–64 | 2-3 | 63–65 | ||
| Р0М2ФЗ | 1190–1220 | 62–63 | 63–65 |
Остаточный аустенит – нежелательная структурная составляющая в инструментальных сталях. Он снижает твердость, уменьшает теплопроводность (поэтому при прочих равных условиях режущая кромка инструмента нагревается до более высокой температуры).
Выдержка при температуре закалки, способствуя переводу карбидов в раствор, действует аналогично повышению температуры закалки.
Охлаждение при закалке быстрорежущей стали следует производить в масле. В результате медленного охлаждения с высоких температур (например, на воздухе) могут выделиться карбиды, что ухудшает режущие свойства.
Весьма хорошие результаты (в смысле уменьшения закалочной деформации) дает ступенчатое охлаждение.
Для превращения остаточного аустенита в мартенсит производят обработку холодом или отпуск.
При обработке холодом продолжается мартенситная реакция и после охлаждения до –70…+80°С, все же аустенит сохраняется примерно 10%(допустимо более глубокое охлаждение вплоть до температуры жидкого азота (–196°С), но это не ведет к уменьшению количества остаточного аустенита, его сохраняется примерно еще 10%. Для уменьшения напряжения и отпуска мартенсита и после обработки холодом дается отпуск при 560°С.
Без обработки холодом остаточный аустенит может быть превращен в мартенсит отпуском. Для этого закаленную сталь нагревают до 560°С, при этом из аустенита выделяются карбиды типа М2С. Для более полного превращения операцию отпуска повторяют два или три раза (так называемый «многократный отпуск»).
Графики термообработки быстрорежущей стали с обработкой холодом или многократным отпуском приведены на рис. 3.10 и 3.11.
Рис. 3.10. Режим термической обработки инструментов из быстрорежущей стали с обработкой холодом
Рис. 3.11. Режим термической обработки с многократным отпуском
Исследование структуры хорошо иллюстрирует изменение в ее строении.
На рис. 3.12 показана структура стали Р6М5 после закалки от разных температур. На рис. 3.12, а – недогрев; видно большое количество нерастворившихся карбидов; на рис. 3.12, в – перегрев, крупное зерно, на рис. 3.12, б структура правильно закаленной стали.
Рис. 3.12. Структура (×500) закаленной быстрорежущей стали Р6М5
при температуре закалки, °С:
а – 1150; б – 1200; в – 1250
На рис. 3.13 показана структура отпущенной стали. Низкий отпуск против оптимального нагрева не вызвал способности превращения аустенита в мартенсит. На рис. 3.13, а белые поля – остаточный аустенит; после многократного отпуска остаточного аустенита нет (рис. 3.13, б).
Перед термической обработкой быстрорежущая сталь должна быть хорошо отожжена.
Обычно проводят изотермический отжиг, т. к. это ускоряет процесс. В этом случае сталь нагревают до 860–900°С и после выдержки охлаждают до 700–750°С. В этом интервале температур сталь выдерживают до окончания превращения аустенита, которое заканчивается за 1,5–2,0 ч.
Твердость поcлe такой обработки должна составлять 207–255 НВ. Структура состоит из сорбита с включениями первичных и вторичных карбидов.
Рис. 3.13. Структура ( × 600) отпущенной быстрорежущей стели Р6М4
при температуре отпуска, °С:
а – 500; б – 600
Качество быстрорежущей стали в значительной степени определяется также степенью ее прокованности. При недостаточной проковке наблюдается так называемая карбидная ликвация (рис. 3.14), представляющая собой остатки участков ледебуритной эвтектики, не разбитых ковкой. Чем резче выражена карбидная ликвация, тем ниже качество быстрорежущей стали (понижается стойкость инструмента в работе, увеличивается его хрупкость и т. д.).
Рис. 3.14. Карбидная ликвация быстрорежущей стали, полученной по обычной технологии (а) и методом порошковой металлургии (б)
Разумеется, в быстрорежущей стали, изготовленной методами порошковой металлургии, карбидная ликвация отсутствует.
Штамповые стали
Для обработки металлов давлением применяют инструменты, деформирующие металл, – штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповым (по виду наиболее распространенного инструмента).
Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в горячем состоянии. Условия работы стали при различных видах штамповки сильно различаются между собой.
При штамповке в горячем состоянии штампуемый металл под действием сближающихся половинок штампа деформируется и заполняет внутреннюю полость штампа. В работе внутренняя полость штампа («фигура»), которая деформирует металл, соприкасается с нагретым металлом, поэтому штамповая сталь для горячей штамповки должна обладать не только определенными механическими свойствами в холодном состоянии, но и достаточно высокими механическими свойствами в нагретом состоянии. Особенно желательно иметь высокий предел текучести (упругости), чтобы при высоких давлениях штамп не деформировался. Для кузнечных штампов большое значение имеет и вязкость, чтобы штамп не разрушился во время работы при ударах по деформируемому металлу. Устойчивость против износа во всех случаях очень важна, т. к. она обеспечивает сохранение размеров «фигуры» – долговечность работы штампа.
Для прессового инструмента, работающего без ударов, большое значение имеет износостойкость в горячем состоянии и относительно меньшее - вязкость. Поэтому для молотовых штампов и для прессового инструмента применяют стали различных марок.
Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой изготавливают штампы, обычно должна обладать высокой твердостью, обеспечивающей устойчивость стали к истиранию, хотя и вязкость, особенно для пуансонов, имеет также первостепенное значение.
Сталь для «горячих штампов» должна иметь как можно меньшую чувствительность к местным нагревам. В недостаточно вязкой (пластичной) стали, например в плохо отпущенной, местный нагрев может привести к образованию трещин.
Еще в более тяжелых условиях работы находится сталь в штампах (прессформах) для литья под давлением. Нагрев рабочей поверхности формы расплавленным металлом и охлаждение водой внутренних частей формы вызывают значительные напряжения. Сталь, применяемая для прессформ, должна быть также достаточно износостойкой, иметь высокие механические свойства в нагретом состоянии и хорошо сопротивляться разъеданию поверхности формы расплавленным металлом.
Кроме перечисленных свойств, от стали, из которой изготавливают штампы больших размеров, требуется повышенная прокаливаемость. Сталь, применяемая для штампов и пуансонов сложных конфигураций, должна мало деформироваться при закалке.
Ввиду многочисленных и разнообразных требований, предъявляемых кштампам в зависимости от их назначения, применяют стали различных марок, начиная от простых углеродистых и заканчивая сложнолегированными.
Рассмотрим отдельно стали для холодных и для горячих штампов.
Инструмент для деформирования металла в холодном состоянии должен иметь высокую твердость (>58 HRC). В ряде случаев высокая твердость (>62 HRC) обеспечивает и более высокую стойкость в работе. Поэтому для такого рода инструмента применяют стали с содержанием углерода не менее 1%в состоянии низкоотпущенного мартенсита.
Из углеродистой стали марок У10, У11, У12 изготавливают штампы небольших размеров и простой конфигурации; ввиду неглубокой прокаливаемости их следует применять для относительно легких условий работы (малая степень деформации, невысокая твердость штампуемого материала).
Для более сложных конфигураций штампов и более тяжелых условий работы применяют легированные закаливаемые в масле (глубоко прокаливающиеся) стали – чаще всего сталь X (ШХ15).
Валки станов холодной прокатки, которые тоже можно считать инструментом, деформирующим металл в холодном состоянии, изготавливают из хромистых сталей с 1 или 2% Сr (9Х: 0,95–1,10% С, 1,4–1,7% Сr; 9X2: 0,85–0,95% С, 1,7–2,1% Сr). Ввиду большого сечения валки закаливают в воде и затем подвергают низкому отпуску при 100–120°С.
Это делают для того, чтобы поверхность валка (на глубине от 10–15 мм) имела максимально высокую твердость (64–66 HRC), т. к. это наряду с другими условиями (отсутствием перегрева, равномерностью распределения карбидов и т. д.) обеспечивает высокую стойкость в работе.
Наоборот, для инструмента некоторых видов, деформирующего металл в холодном состоянии, но с ударом (например, клейма, инструмент для пневматических молотков, зубила и т. д.), твердость должна быть ограничена некоторым верхним пределом порядка 52–58 HRC (в зависимости от вида инструмента и условий работы).
При относительно легких условиях работы (легкие удары, малая деформация металла, например ручные клейма, ручные зубила) применяют углеродистую сталь У7, У8, У9. Необходимая твердость (58 HRC) получается путем закалки и отпуска при 250–350°С. Степень разогрева при самоотпуске контролируется или строго регламентированными по времени условиями охлаждения, или по цветам побежалости. При этих способах термической обработки получается неравномерная твердость - высокая в рабочей части и постепенно снижающаяся к нерабочей; это обстоятельство и обеспечивает большую стойкость в работе такого инструмента. Состав штамповых сталей наиболее распространенных марок приведен в табл. 3.5. Закалку этих сталей проводят в масле.
Таблица 3.5