Сталі для вимірювального інструменту

Сталі для вимірювального інструменту (плиток, калібрів, шаблонів) повинні мати високі твердість і зносостійкість та зберігати постійні розміри. Звичайно застосовують високовуглецеві хромисті сталі X (0,95…1,10 % С; 1,30…1,65 % Сr), ХВГ і 12X1 (1,15…1,25 % С; 1,30…1,65% Сr). Вимірювальний інструмент піддають гартуванню в маслі з 840…850 °С для сталей X і ХВГ та з 850…880 °С для сталі 12X1 з метою отримання мінімальної кількості залишкового аустеніту. У загартованій високовуглецевій сталі при нормальній кімнатній температурі протягом довгого часу спонтанно відбувається процес старіння, який полягає в частковому розпаді мартенситу і перетворенні деякої кількості залишкового аустеніту на мартенсит. Старіння викликає невелику зміну об'єму і лінійних розмірів виробу, неприпустиму для вимірювальних інструментів високих класів точності.

Для попередження подібного старіння вимірювальні інструменти тривалий час (12…60 год) піддають відпуску при 120…140 °С. Твердість після вказаної обробки становить 62…64 HRC. Іноді після гартування проводять обробку холодом при –50…–80 °С для більш повного перетворення залишкового аустеніту.

Вимірювальні скоби, шкали, лінійки та інші плоскі і довгі інструменти виготовляють з листових сталей 15 і 15Х. Для отримання робочої поверхні з високими твердістю і зносостійкістю інструменти піддають цементації і гартуванню.

Штампові сталі

11.3.1. Штампові сталі для деформації в холодному стані.Сталі, що використовуються для виготовлення штампів, які пластично деформують метал при нормальних температурах, повинні мати високі твердість, зносостійкість і міцність у поєднанні з достатньою в’язкістю. У процесі деформування з великою швидкістю штампи розігріваються до 200…350 °С, тому сталі цього класу повинні бути і теплостійкими до 400…500 °С. Для великих штампів необхідно забезпечити високу прогартовуваність і якнайменші об'ємні зміни під час гартування. Якщо в процесі термічної обробки відбувається спотворення складної конфігурації штампа, то необхідно додатково проводити його механічну обробку для надання необхідних розмірів, що не завжди здійсненно. Найчастіше застосовують сталі, склад яких і термічна обробка наведені в табл. 11.2.

Високохромисті сталі Х12Ф1 і Х12М належать до ледебуритного класу і містять 16…17 % карбідів (Cr, Fe)₇С₃. Вони мають високу зносостійкість і після гартування в маслі мало деформуються, що важливо для штампів складної форми.

Молібден і ванадій в сталях Х12Ф1 і Х12М сприяють збереженню дрібного зерна. Обидві сталі мають високу стійкість переохолодженого аустеніту, а отже, високу прогартовуваність. Сталь Х12Ф1 прогартовується до 150…180 мм, а Х12М – до 200 мм під час охолоджування в маслі. Недоліками високохромистих сталей є важкість обробки різанням у загартованому стані (207…269 НВ) і зниження механічних властивостей у разі різко вираженої карбідної неоднорідності у вигляді великих скупчень, сіток та смужкуватості карбідів). Менша неоднорідність карбіду властива сталі Х6ВФ, яку використовують для інструментів з високою механічною міцністю та опором зносу (накатні плашки, накатники для холодного накатування зубчастих коліс і т. ін.). Прогартовуваність сталі Х6ВФ менша і не перевищує 70…80 мм.

Сталь 7ХГ2ВМ поєднує високу прогартовуваність і загартовуваність з мінімальними об'ємними змінами під час гартування. Вона набуває твердості 59…60 HRC в перерізах до 100…110 мм при охолоджуванні в маслі, гарячих середовищах і на повітрі.

Зносостійкість і стійкість проти нагрівання можуть бути підвищені азотизацією при 520…560 °С, виконуваною перед гартуванням.

У тих випадках, коли потрібна сталь з підвищеним опором пластичній деформації, застосовують сталь 6Х6В3МФС (див. табл. 11.2). Сталь піддають гартуванню з високих температур для більш повного розчинення карбідів хрому М₇С₃ і М₂₃С₆. Сталь чутлива до росту зерен аустеніту. Відпуск проводять при 520…540 °С. Після відпуску в структурі немає залишкового аустеніту, що забезпечує більш високий опір пластичній деформації (2000…2100 МПа) при достатній в'язкості. Сталі властива висока зносостійкість, особливо при роботі з динамічними навантаженнями, а також вона не схильна до неоднорідності карбіду.

Таблиця 11.2. Склад, термічна обробка і призначення штампових сталей для деформації в холодному стані

Марка сталі	Вміст елементів, %	Температура, ºС	ТвердістьHRC	Призначення
C	Cr	W	Інші елементи	гарту-вання (у маслі)	від-пуску
Х12Ф1   Х12М	1,25…1,45   1,45…1,65	11,0…12,5   11,0…12,5	0,70…0,90   0,15…0,30	–   0,4…0,6 Mo			61…63   52…64	Холодні штампи високої стійкості проти тертя, для волочильні дошки і валки, згинальні і формувальні штампи, матриці і пуансони вирубних просічних штампів, секції кузовних штампів складних форм; складні діркопробивні матриці при формуванні листового металу, накатних плашок і т. ін.
Х6ВФ	1,05…1,15	5,5…6,5	0,50…0,80	1,2…1,5 W			61…63	Різенакатувальний інструмент (ролики і плашки), матриці, пуансони, зубонакатні та інші інструменти, призначені для холодної деформації; згинальні рихтувальні штампи
7ХГ2ВМ	0,68…0,76	1,5…1,8	0,10…0,25	1,8…2,3 Mn; 0,5…0,9 W			61…63	Штампи та інструмент для вирубування деталей складної конфігурації; виготовлення виробів з кольорових металів та низькоміцних конструкційних сталей
6Х6В3МФС	0,50…0,60	5,5…6,5	0,50…0,80	0,6…0,9 Si; 2,5…3,2 W; 0,6…0,9 Mo		(2–3 рази)	60…61	Різенакатувальні ролики, зубонакатники, обрізні матриці, пуансони та інші інструменти для деформації металів підвищеної міцності; ножі труборозрубних машин, стосовно до різання високоміцних сталей та сплавів та інших аналогічних інструментів

Для витяжних штампів невеликого розміру (діаметр пуансона до 25 мм) застосовують сталі У10, У11 та У12, а для штампів великого розміру — 11ХФ, X, ХВСГ, яким притаманна краща прогартовуваність.

11.3.2. Штампові сталі для деформації в гарячому стані (напівтеплостійкі і теплостійкі). Сталі, які застосовуються для штампів, що деформують метал у гарячому стані, повинні мати високі механічні властивості (міцність і в’язкість) при підвищених температурах та окалиностійкість і розпалостійкість, тобто здатність витримувати багаторазові нагрівання й охолоджування без утворення тріщин розпалу. Крім того, сталі повинні мати високі зносостійкість і теплопровідність для кращого відведення теплоти, що передається від оброблюваної заготовки.

Багато штампів мають великі розміри, тому сталі для їх виготовлення повинні мати високу прогартовуваність. Це забезпечує високі механічні властивості по всьому перерізу штампа. Важливо, щоб сталь не була схильна до оборотної відпускної крихкості, оскільки швидким охолоджуванням великих штампів її усунути не можна.

Склад і термічна обробка найчастіше застосовуваних штампових сталей наведені в табл. 11.3. Великі кувальні штампи, а також інструмент кувальних машин і пресів, що нагріваються до t < 500…550 °С при помірних навантаженнях, виготовляють з напівтеплостійких сталей 5ХНМ і 5ХГМ (замість нікелю в них міститься 1,2…1,6 % Мn), які мають підвищену в'язкість. Присутність у сталі 5ХНМ молібдену підвищує теплостійкість, прогартовуваність і зменшує схильність до оборотної відпускної крихкості. Сталь 5ХНМ, маючи високу стійкість переохолодженого аустеніту, прогартовується повністю в блоках розміром 400´300´300 мм і більше. Гартування штампів проводять у маслі. Відпуск великих штампів виконують при 550…580 °С (35…38 HRC), а дрібних – при 500…540 °С (40…45 HRC). Структура сталі після відпуску – троосто-сорбіт. Механічні властивості сталі 5ХНМ при 500 °С: σ_в = 900 МПа, σ_0,2 = 650 МПа, δ = 20…22 % і ψ = 70 %.

Таблиця 11.3. Склад, термічна обробка і призначення штампових сталей для деформації в гарячому стані

Марка сталі	Вміст елементів, %	Температура, ºС	Твердість, HRC	Призначення
C	Cr	W	Інші елементи	гартування (у маслі)	відпуску
5ХНМ   5ХНВ	0,50…0,60   0,50…0,60	0,6…0,8   0,6…0,8	–   0,4…0,7	1,4…1,8 Ni; 0,15…0,3 Mo     1,4…1,8 Ni	830…860   840…860	500…580   500…580	45…38   –	Молотові штампи пароповітряних і пневматичних молотів з масою падаючих частин понад 3 т (5ХНМ) і до 3 т (5ХНВ)
4Х3ВМФ   4Х5И2ФС	0,40…0,48   0,37…0,45	2,8…3,5   4,5…5,5	0,6…1,1   1,0…2,2	0,6…0,9 V; 0,4…0,6 Mo     0,8…1,2 Si; 0,6…0,9 V		400…420 440…460     580…620	45…41	Дрібні молотові штампи; молотові і пресові вставки (товщиною або діаметром до 300…400 мм), інструмент горизонтально-кувальних машин при деформації конструкційних і жароміцних сталей Прес-форми лиття під тиском цинкових, алюмінієвих і магнієвих сплавів; мелені і пресовані вставки (товщиною або діаметром до 200…250 мм) при деформації конструкційних сталей; інструмент для висадки заготовок з легованих конструкційних і жароміцних матеріалів на горизонтально-кувальних машинах
4Х5МФ1С	0,37…0,44	4,5…5,5	–	0,8…1,2 Si; 0,8…1,1 V		560…580
3Х2В8Ф	0,30…0,40	2,2…2,7	7,5…8,5	0,2…0,5V			42…45	Інструмент гарячого пресування мідних сплавів; прес-форми лиття під тиском мідних сплавів
4Х2В5МФ	0,30…0,40	2,2…2,3	4,5…5,5	0,6…0,9 V; 0,6…0,9 Mo		600…610 630…640		Важконавантажений пресовий інструмент (дрібні вставки, дрібні вставні знаки, матриці і пуансони для видавлювання і т. п.) при деформуванні легованих конструкційних сталей і жароміцних сплавів

Сталь помірної теплостійкості 4Х3ВМФ (див. табл.11.3) з основним карбідом М₂₃С₆ унаслідок низького вмісту Мо і W зберігає високі механічні властивості (σ_в = 900…1000 МПа і 45 HRC) тільки при нагріванні до 500…525 °С. Сталь застосовують замість 5ХНМ (5ХГМ) для виготовлення штампів невеликих розмірів.

Середньонавантажений інструмент, що працює з розігріванням поверхні до 600 °С, а також інструмент з великою поверхнею, що працює при 400…500 °С, виготовляють із сталей 4Х5В2ФС і 4Х5МФ1С. Фазовий склад цих сталей у відпаленому стані – легований ферит (α) і карбіди М₂₃С₆ і М₆С. Сталі теплостійкі, малочутливі до різкої зміни температур, стійкі проти дії корозії в рідкому алюмінії, мають підвищену окалиностійкість та високу міцність при достатній в'язкості. Сталі підвищеної теплостійкості 3Х2В8Ф і 5Х3В3МФС використовують для штампів, поверхні яких розігріваються до 600…700 °С. З них виготовляють інструмент, наприклад прошивні пуансони, виштовхувачі для глибоких отворів, матриці прес-форм для відливання під тиском мідних та алюмінієвих сплавів і т. ін. Фазовий склад цих сталей у відпаленому стані – легований ферит і карбіди М₂₃С₆ та М₆С.

Перетворення у сталях 4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф і 5Х3В3МФС, що відбуваються при термічній обробці, багато в чому схожі з перетвореннями у швидкорізальній сталі. Ці сталі під час гартування нагріваються до високих температур для розчинення більшої кількості карбідів та отримання після гартування високолегованого дрібнозернистого мартенситу. Оскільки при температурі гартування карбіди повністю не розчиняються, сталі зберігають дрібне зерно. При відпуску твердість додатково підвищується внаслідок дисперсійного твердіння мартенситу, але одночасно знижуються пластичність і в'язкість. Для отримання достатньої в'язкості відпуск проводять при підвищених температурах на твердість 45…50 HRC, що відповідає утворенню структури трооститу.

ПОРОШКОВІ СПЛАВИ

Перспективним та розповсюдженим класом матеріалів є порошкові сплави, які отримують методами порошкової металургії. Це, насамперед, тугоплавкі матеріали, складнолеговані жароміцні сплави, псевдосплави, композиції з металів та неметалів, пористі матеріали і вироби з них. При використанні технологій порошкової металургії суттєво зменшується матеріаломісткість виробів, збільшується коефіцієнт використання матеріалу, підвищується продуктивність праці, знижуються енерговитрати.