Краткие теоретические сведения. Основными свойствами инструментальных сталей, имеющими значение практически для

Основными свойствами инструментальных сталей, имеющими значение практически для всех видов инструментов, являются: твердость, вязкость, износостойкость, прокаливаемость. Твердость является главным показателем качества инструмента. Твердость инструмента зависит от содержания углерода и от получаемой структуры: избыточная карбидная фаза и мартенсит увеличивают твердость, а остаточный аустенит уменьшает. Износостойкость инструментальной стали является характеристикой долговечности работы инструмента. Теплостойкость или красностойкость инструментальной стали характеризуется температурой, до которой сохраняется заданная высокая твердость, прочность и износостойкость стали. Теплостойкость также определяет стойкость стали против отпуска.

По теплостойкость стали разделяют на нетеплостойкие (сохраняют высокую твердость и другие свойства до температуры нагрева 200…300ºС), полутеплостойкие (до 400…500ºС), теплостойкие (выше 550…600ºС).

По составу инструментальные стали подразделяют на углеродистые, низколегированные, легированные и высоколегированные.

По структуре в равновесном состоянии: доэвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.

По назначению инструментальные стали делят на стали для режущих инструментов, штамповые стали для холодного деформирования и для горячего деформирования, стали для измерительных инструментов.

Углеродистые стали производят качественными У7, У8, У9, …У13 и высококачественными У7А, У8А, У9А, …У13А. Из-за низкой прокаливаемости (10 – 12 мм) углеродистые стали пригодны для мелких инструментов или инструментов с поперечным сечением до 25 мм с незакаленной вязкой сердцевиной, в которых режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, напильники и т.п.).

По структуре низколегированные стали (ХВ4, 9ХС, ХВГ, ХВСГ) относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают неполной закалке от температуры несколько выше точки А1 и низкому отпуску. Структура мартенсита и избыточных карбидов (легированный цементит) обеспечивает им твердость (62…69 HRC) и высокую износостойкость. Их применяют для инструментов, работающих при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрева свыше 200…260ºС. В отличие от углеродистых эти стали меньше склонны к перегреву и позволяют изготавливать инструменты больших размеров и более сложной формы. Сталь ХВ4 отличается особо высокой твердостью (67…69 HRC) и износостойкостью (алмазная сталь) благодаря тому, что в ней кроме легированного цементита присутствует карбид вольфрама (применяется для чистовой обработки твердых материалов). Сталь 9ХС имеет повышенные эксплуатационные свойства (разупрочняется при отпуске до 260ºС), ее применяют для изготовления фрез, сверл и других инструментов с поперечным сечением до 35 мм. Сталь ХВГ характеризуется малой деформацией при закалке, ее применяют для длинных стержневых инструментов (сверла, развертки, протяжки и т.п.) с поперечным сечением до 45 мм. Из сложнолегированной стали ХВСГ, сочетающей в себе лучшие свойства сталей 9ХС и ХВГ, изготавливают инструменты большого поперечного сечения (до 100 мм).

К быстрорежущим сталям (Р18, Р9, Р6М5, порошковая Р6М5Ф3-МП и др.) относятся высоколегированные стали, предназначенные для изготовления инструментов высокой производительности. Основное свойство этих сталей – высокая теплостойкость, которая обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами – молибденом, хромом, ванадием и специальной термической обработкой. Выделение дисперсных карбидов при повышенных температурах отпуска (500 – 600ºС) вызывает дисперсионное твердение мартенсита – явление вторичной твердости. В результате комплексного легирования инструменты из быстрорежущих сталей сохраняют высокую твердость до 560 – 640ºС и допускают в 2…4 раза более производительные режимы резания, чем инструменты из углеродистых и низколегированных сталей. Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, после которой стоит число, указывающее содержание вольфрама в % – основного легирующего элемента (например, Р18 – W ~18%). Содержание ванадия (до 2%) и хрома (~4% во всех сталях) в марке не указываются. Стали, легированные дополнительно молибденом, кобальтом или имеющие повышенное количество ванадия, содержат в марке соответственно буквы М, К, Ф и числа, показывающие их содержание в процентах (например, Р6М5, Р10К5Ф5).

По структуре после отжига быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. В литом виде они имеют ледебуритную эвтектику, которую устраняют горячей деформацией – ковкой. Деформированную сталь для снижения твердости (до 207 – 255 НВ) подвергают изотермическому отжигу. Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перлита, вторичных и более крупных первичных карбидов. Общее количество карбидов в стали Р18 составляет примерно 28%, в стали Р6М5 – 22%. Основным карбидом стали Р18 является сложный карбид вольфрама Fe3W3C (Me6C), который растворяет в себе часть ванадия и хрома. В остальных сталях кроме Me6C и небольшого количества карбида (Fe,Cr)23C6 , присутствует карбид VC (MeC).

Высокие эксплуатационные свойства инструменты из быстрорежущей стали приобретают после закалки с высокой температуры нагрева (для стали Р18 – 1270 – 1290ºС, для стали Р6М5 – 1210 – 1230ºС) и трехкратного отпуска. Из-за низкой теплопроводности быстрорежущие стали при закалке нагревают медленно с прогревами при 450ºс (при сложной форме инструмента) и 850ºС, чтобы исключить трещинообразование и коробление.

Высокая температура нагрева (особенность закалки быстрорежущих сталей) необходима для обеспечения теплостойкости – максимальное растворение в аустените вторичных карбидов и получение после закалки высоколегированного мартенсита. Первичные карбиды не растворяются и тормозят рост зерна аустенита.

Быстрорежущие стали по структуре после нормализации относятся к мартенситному классу. После закалки не достигается максимальная твердость сталей, т.к. в структуре кроме мартенсита и первичных карбидов содержится 30 – 40% остаточного аустенита. Остаточный аустенит превращается в мартенсит при отпуске или обработке холодом. Отпуск проводят при 550…570ºС. В процессе выдержки при отпуске из мартенсита и остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды Me6C. Однократного отпуска недостаточно для превращения всего остаточного аустенита. Применяют трехкратный отпуск с выдержкой по 1 ч и охлаждением на воздухе. При этом количество аустенита снижается до 3 – 5%.

Применение обработки холодом после закалки сокращает цикл термической обработки (применяют однократный отпуск). В термически обработанном состоянии быстрорежущие стали имеют структуру, состоящую из мартенсита отпуска и карбидов, и твердость 63…65 HRC. Вариант режима термической обработки этих сталей представлен на рис. 2.1.

Краткие теоретические сведения. Основными свойствами инструментальных сталей, имеющими значение практически для - student2.ru

Рис. 2.1. График режима термической обработки быстрорежущей стали

Для устранения карбидной неоднородности, характерной для деформированных быстрорежущих сталей, применяют порошковые быстрорежущие стали (например, Р6М5Ф3-МП), которые получают распылением жидкой быстрорежущей стали в азоте и последующим горячим компактированием.

Штамповые стали применяют для изготовления инструмента, предназначенного для изменения формы материала деформированием без снятия стружки. По условиям работы штамповые стали делят на стали для холодного деформирования и стали для горячего деформирования. Универсальных по назначению штамповых сталей нет. Необходима специализация сталей по назначению в соответствии с условиями эксплуатации инструментов.

Штамповые стали легируют такими элементами, как хром, вольфрам, молибден, ванадий, кремний, реже марганец, никель, кобальт, титан. Содержание углерода в штамповых сталях может меняться от 0,3 до 2,0%, иногда и выше. Хром в штамповых сталях может изменяться от 0,5 до 13% и выше. Увеличение содержания хрома и других легирующих элементов в аустените благоприятно влияет на прокаливаемость, на склонность к дисперсионному твердению и теплостойкость. В комплексно легированных штамповых сталях хром способствует протеканию дисперсионного твердения при высоком отпуске закаленных сталей. Оптимальное содержание хрома в комплексно легированных штамповых сталях составляет 4,4 – 5,5%. В штамповых сталях высокой износостойкости содержание хрома составляет около 12%. В штамповых сталях горячего деформирования умеренной теплостойкости и повышенной вязкости содержание хрома ограничивается 1 – 2%, а необходимый уровень прочностных свойств и прокаливаемость сталей достигается комплексным легирование никелем, молибденом и ванадием.

В штамповых сталях для холодного деформирования применяют вольфрам (2,0 – 3,0%) для повышения теплостойкости и механических свойств. Молибден благоприятно влияет на уменьшение склонности к отпускной хрупкости и дополнительно усиливает дисперсионное твердение при отпуске. Вольфрам и молибден в штамповых сталях могут входить в состав твердого раствора и карбидов (совместно с хромом) Ме23С6, Ме6С, а также образовывать карбиды типа Ме2С и МеС.

Ванадий в штамповых сталях присутствует в карбиде VC и твердом растворе, повышает их теплостойкость, усиливает интенсивность дисперсионного твердения. Теплостойкость штамповых сталей типа 5Х3В3МФС растет при увеличении отношения V:C до 0,25 – 0,30. Увеличение содержания углерода до 0,45 – 0,50 приводит к повышению теплостойкости.

Кремний и кобальт входят в состав некоторых штамповых сталей. Кремний значительно упрочняет ферритную матрицу, повышает окалиностойкость. Кобальт в низкоуглеродистых сталях и сплавах увеличивает количество интерметаллидной фазы, т.к. уменьшает растворимость вольфрама и молибдена, что приводит к дополнительному упрочнению. Никель и марганец используют для повышения прокаливаемости крупногабаритного штампового инструмента.

Штамповые легированные стали для холодного деформирования могут быть повышенной (высокой) износостойкости, их твердость после закалки и низкого отпуска 61 – 64 HRC (Х12М, Х12Ф1, Х12ВМ, Х12Ф4М и др.), дисперсионно-твердеющими (8Х4В2С2МФ, Х5В2С4Ф2НМ и др.) с высоким сопротивлением смятию, высокопрочными с повышенной ударной вязкостью (7ХГ2ВМ – закалка и низкий отпуск, 6Х4М2ФС – закалка и высокий отпуск).

Штамповые стали для горячего деформирования предназначены для изготовления инструментов (штампов), работающих при повышенных температурах, многократных теплосменах (нагрев и охлаждение), динамических нагрузках, а формы литья под давлением – при коррозионном воздействии обрабатываемого металла.

Сопротивление термической усталости (разгаростойкость) – специфическое свойство штамповых сталей, характеризует устойчивость стали к образованию поверхностных трещин при многократных теплосменах. Разгаростойкость тем выше, чем больше вязкость стали и меньше коэффициент теплового расширения.

Большинство штамповых сталей являются сталями с карбидным упрочнением (упрочняются путем закалки на мартенсит и отпуска). По основным свойствам штамповые стали для горячего деформирования подразделяют на стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости (5ХНМ, 4ХМФС, 5Х2МНФ и др.), стали повышенной теплостойкости и вязкости (4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х3ВМФ и др.) и стали высокой теплостойкости (3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС и др.). Стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости содержат небольшое количество карбидообразующих элементов, их твердость после закалки на мартенсит и высокого отпуска HRC 42 – 44. Стали повышенной теплостойкости и вязкости дисперсионно-твердеющие, максимум твердости достигается после закалки в масло и отпуска при 500 – 550ºС, HRC 47 – 49. Стали высокой теплостойкости отличаются более высоким содержанием карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена и ванадия. Упрочняющими фазами в этих сталях являются карбиды Ме6С и МеС, а при легировании кобальтом карбиды и интерметаллиды. После закалки и отпуска на твердость HRC 45 – 47 стали имеют наиболее удовлетворительный комплекс свойств.

Наши рекомендации