Инструментальные стали повышенной прокаливаемости

Инструментальные стали повышенной прокаливаемости (легированные инструментальные стали) В эту классификационную группу входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3 % и поэтому обладающие повышенной прокаливаемостью. Инструмент из этих сталей закаливается в масле (при ступенчатой закалке в соли) и прокаливается, как правило, насквозь. Меньшая скорость охлаждения при закалке уменьшает опасность образования трещин, деформации и коробления, к чему склонны углеродистые инструментальные стали. Это важно для многих видов инструментов, имеющих сложную конфигурацию. Эти стали используют для инструмента, не подвергающегося при работе нагреву свыше 200 250 оС.

Инструментальные стали пониженной прокаливаемости

Углеродистые инструментальные стали У8, У10, У11,У12 вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшуюпрокаливаемость, их применяют для инструментов небольших размеров.

Стали У10, У11, У12 применяют для режущего инструмента (сверла, напильники), У7 и У8 – для деревообрабатывающего инструмента. Стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания с малой скоростью, так как их высокая твердость (У10-У12-62-63НРС) сильно снижается при нагреве выше 190–200 °C.

Быстрорежущие стали

Стали получили свое название за свойства. В следствии высокой теплостойкости (550…650oС), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания.

Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного легирующего элемента – вольфрама, до 5 % хрома и молибдена, до 10 % кобальта

Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает щлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650oС и вторичную твердость HRC 67…70.

Микроструктура быстрорежущей стали в литом состоянии имеет эвтектическую структурную составляющую. Для получения оптимальных свойств инструментов из быстрорежущей стали необходимо по возможности устранить структурную неоднородность стали – карбидную ликвацию. Для этого слитки из быстрорежущей стали подвергаются интенсивной пластической деформации (ковке). При этом происходит дробление карбидов эвтектики и достигается более однородное распределение карбидов по сечению заготовки.

Затем проводят отхиг стали при температуре 860…900oС. Структура отожженной быстрорежущей стали – мелкозернистый (сорбитообразный) перлит и карбиды, мелкие эвтектоидные и более крупные первичные. Количество карбидов около 25 %. Сталь с такой структурой хорошо обрабатывается резанием. Подавляющее количество легирующих элементов находятся в карбидной фазе. Для получения оптимальных свойств стали в готовом инструменте необходимо при термической обработке обеспечить максимальное насыщение мартенсита легирующими элементами. При закалке быстрорежущие стали требуют нагрева до очень высоких температур, около 1280oС. Нагрев осуществляют в хорошо раскисленных соляных ваннах BaCl2/, что улучшает равномерность прогрева и снижает возможность обезуглероживания поверхности. Для снижения термических фазовых напряжений нагрев осуществляют ступенчато: замедляют нагрев при температурах 600…650oС и при 850…900oС. График режима термической обработки быстрорежущей стали представлен на рис. 19.1.

Охлаждение от закалочной температуры производится в масле. Структура стали после закалки состоит из легированного, очень тонкодисперсного мартенсита, значительного количества (30…40 %) остаточного аустенита и карбидов вольфрама. Твердость составляет 60…62 HRC. Наличие аустенита остаточного в структуре закаленной стали ухудшает режущие свойства.

Для максимального удаления аустенита остаточного проводят трехкратный отпуск при температуре 560oС. При нагреве под отпуск выше 400oС наблюдается увеличение твердости. Это объясняется тем, что из легированного остаточного аустенита выделяются легированные карбиды. Аустенит при охлаждении от температуры отпуска превращается в мартенсит отпуска, что вызывает прирост твердости. Увеличению твердости содействуют и выделившиеся при температуре отпуска мелкодисперсные карбиды легирующих элементов. Максимальная твердость достигается при температуре отпуска 560oС.

После однократного отпуска количество аустенита остаточного снижается до 10%. Чтобы уменьшить его количество до минимума, необходим трехкратный отпуск.

Твердость стали после отпуска составляет 64…65 HRC. Структура стали после термообработки состоит из мартенсита отпуска и карбидов.

При термической обработке быстрорежущих сталей применяют обработку холодом. После закалки сталь охлаждают до температуры — 80 … — 100oС, после этого проводят однократный отпуск при температуре 560oС для снятия напряжений.

Иногда для повышения износостойкости быстрорежущих сталей применяют низкотемпературное цианирование.

Основными видами рехущих инструментов из быстрорежущей стали являются резцы, сверла, долбяки, протяжки, метчики машинные, ножи для резки бумаги. Часто из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента.

Штамповые стали

Штамповые стали — стали, применяемые для изготовления инструментов, необходимых для обработки металлов давлением, таких как штампы, ролики, валики, пуансоны.

Сталь для штамповки в холодном состоянии обычно должна обладать высокой твёрдостью, обеспечивающей устойчивость стали против истирания,вязкостью.

Сталь для «горячих штампов» должна иметь низкую чувствительность к местным нагревам.

От стали, из которой изготавливаются штампы больших размеров, требуется повышеннаяпрокаливаемость. Должна мало деформироваться при закалке.

Из углеродистых стали марок У10,У11,У12 изготавливают штампы для холодной штамповки небольших размеров и несложной конфигурации. Их следует применять для относительно лёгких условий работы.

Валки станов холодной прокатки изготавливают из хромистых сталей с 1 или 2 % хрома.

Металл, применяемый для горячих штампов, должен обладать определёнными свойствами, такими как: жаропрочность, красностойкость, термостойкость, вязкость, прокаливаемость, отпускная хрупкость, слипаемость

Для штампов, работающих в лёгких условиях, применяют углеродистые стали с содержанием углерода от 0,6 до 1,0 %, то есть У7, У8, У9. Наибольшее применение для изготовления таких штампов имеет сталь У7.

Твердые сплавы

Твердыми называют сплавы, изготовленные методом порошковой металлурги и состоящие из карбидов тугоплавких металлов. (WC, TiC, TaC), соединенных кобальтовой связкой.твердые сплавы подразделяются на три группы:

вольфрамовые ( ВК3, ВК6, ВК8, ВК10);

титановольфрамовые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12);

титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б,ТТ20К9).

В марках первые буквы обозначают группу, к которой относится сплав (ВК - вольфрамовая, Т - титановольфрамовая, ТТ - титанотанталовольфрамовая); цифры в вольфрамовой группе - количества кобальта; первые цифры в титановольфрамовой группе - количества карбида титана, а вторые цифры - количества кобальта; первые цифры в сплавах титанотанталовольфрамовой группы - количество карбидов титана и тантала, а вторые цифры - количество кобальта. Если в марке стоит буква "М" (ВК6- М), сплавы изготовлены из мелких порошков, если буква "В" (ВК4-В) - из крупнозернистого карбида вольфрама. Если в марке присутствует буквы "ОМ" - сплавы изготовлены из особо мелких порошков, а "ВК" - из особо крупного карбида вольфрама.

Структура тугоплавких сплавов представляют частицы карбидов связанных кобальтом.

Чем меньше в сплаве ВК кобальта и мельче карбидные частицы, тем выше износостойкость, но ниже прочность и сопротивление ударам. Чем больше кобальта в стали, тем выше износостойкость ( 89,5-90 HRB и sизг = 1100- 1650 МПа), допускают высокую скорость резания при обработке чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. Данные сплавы рекомендуют для чернового точения, фрезерования, рассверливания, зенкерования при обработке чугуна, жаропрочных сплавов, цветных металлов.

Наивысшей для титановольфрамовых сплавов износостойкостью и допустимой скоростью резания при пониженной эксплуатационной прочности (sизг= 950 МПа) обладает сплав Т30К4, и наоборот у сплавов Т16К6, Т5К10 эксплуатационная прочность выше, а износостойкость и допустимая скорость резания ниже. Титановольфрамовые сплавы применяются для чистового чернового точения, фрезерования и строгания стали. Твердость сплава 92-87 HRB.

Сталь ТТ10К8-Б, при умеренной износостойкости, обладает высоким сопротивлением удару и хорошей эксплуатационной прочностью (sизг = 1300 МПа)

. Титанотанталовольфрамовые сплавы применяются для черновой и чистовой обработке, трудно обрабатываемых , материалов, в том числе и жаропрочных сплавов и сталей.

Выпускаются также пластины, которые модно припаивать к державке инструмента, покрывая их тонким слоем карбидов и нитридов, повышающие срок службы в 3 - 4 раза.

Наибольший эффект покрытие дает при точении стали и чугуна твердостью 230-1240 НВ. При тяжелых условиях обработки эффективность пластин с износостойким покрытием снижается. Для чистовой обработки трудно обрабатываемых материалов и закаленной стали ( і 55HRC) применяют режущий инструмент, оснащенный пластинами из синтетических поликристаллических сверхтвердых материалов на основе нитрида бора – композитов. В исходный нитрид бора вводят различные легирующие добавки и наполнители и получают прочно связанные мельчайшие кристаллы (поликристаллы). К группе сверхтвердых материалов относят композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (беолобор) композит 10 (гексанит-Р), а также поликристаллический нитрид бора.

Нитрид бора обладает очень высокой твердостью, теплостойкостью. Скорость резания при обработке закаленной стали 70 -150 м/мин. Применение нитрида бора позволяет повысить производительность труда при точении и фрезеровании с получением высокого качества поверхности.

Твердые сплавы изготовляют методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, выполняющего роль связки, прессуют и спекают при 1400-1550°С. При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится. В результате получается плотный материал 1, структура которого на 80-95% состоит из кар бидных частиц, соединенных связкой. Увеличение содержания связки вызывает снижение твердости, но повышение прочности и вязкости.