Інструментальні сталі

Лабораторна робота №4

Основні властивості та класифікація інструментальних сталей. Матеріали для ріжучих інструментів. Ріжучі інструменти з вуглецевих і низьколегованих сталей. Швидкорізальні сталі. Штампові сталі.

Основними властивостями інструментальних сталей, що мають значення практично для всіх видів інструментів, є: твердість, в'язкість, зносостійкість,прогартовуваність. Твердість є головним показником якості інструменту. Твердість інструменту залежить від вмісту вуглецю і від одержуваної структури: надлишкова карбідна фаза і мартенсит збільшують твердість, а залишковий аустеніт зменшує. Зносостійкість інструментальної сталі є характеристикою довговічності роботи інструменту. Теплостійкість або красностойкость інструментальної сталі характеризується температурою, до якої зберігається задана висока твердість, міцність і зносостійкість сталі.

За теплостійкістю сталі поділяють на нетеплостійкі(зберігають високу твердість і інші властивості до температури нагріву 200... 300 º С), напівтеплостойкі (до 400... 500 º С), теплостійкі (вище 550... 600 º С). За складом інструментальні сталі підрозділяють на вуглецеві, низьколеговані, леговані та високолеговані. За структурою в рівноважному стані: доевтектоїдні, заевтектоїдні та ледебуритні. За призначенням інструментальні сталі поділяють на сталі для ріжучих інструментів, штампові стали для холодного деформування і для гарячого деформування, стали для вимірювальних інструментів. Умови роботи інструментів залежать від режимів різання і властивостей оброблюваного матеріалу. Чим більше швидкість різання, перетин стружки, що знімається, а також міцність і в'язкість оброблюваного матеріалу, тим вище температура нагріву ріжучої кромки інструментів. Працездатність інструментів визначається здатністю матеріалу зберігати високу твердість при тривалому нагріванні, тобто теплостійкість. За теплостійкостю матеріали поділяють на такі групи: вуглецеві й низьколеговані сталі (до 200 º С), високолеговані сталі (до 600... 640 º С), тверді сплави (до 800... 1000 º С) і надтверді матеріали (до 1200 º С).

Сталь У7 Сталь У8 Сталь У10

Вуглецеві сталі виробляють якісними У7, У8, У9,... У13 і високоякісними У7А, У8А, У9А,... У13А. Через низьку загартовуваність (10... 12 мм) вуглецеві сталі придатні для дрібних інструментів або інструментів з поперечним перерізом до 25 мм з незагартованою вузькою серцевиною, в яких ріжуча частина припадає на поверхневий шар (мітчики, напилки тощо). Ріжучі інструменти (дрібні мітчики, сверла, пили та ін) виготовляються з заевтектоідних сталей У10... У13. Їх піддають неповному гартуванню і низькому відпуску при 150... 180 ° С на структуру мартенситу з включеннями цементиту. Такі інструменти мають підвищену зносостійкість і високу твердість (62... 64 HRC). Однак твердість сильно знижується при нагріванні понад 200 ° С.

Заевтектоідні сталі використовують також для виготовлення вимірювальних інструментів (калібри простої форми і невисоких класів точності) і невеликих штампів холодної висадки.

Стали У7, У8, У9 застосовують для інструментів, що піддаються ударам: деревообробних, слюсарних, ковальських, пуансонів, матриць і ін Після повної гарту їх відпускають на структуру троостита при 275... 325 º С (48... 55 HRC) або при 400... 450 º С (38... 45 HRC).

За структурою низьколеговані сталі (ХВ4, 9ХС, ХВГ, ХВСГ) відносяться до заевтектоідних сталей перлітного класу. Їх піддають неповному загартуванню від температури трохи вище точки А1 і низькому відпуску. Структура мартенситу та надлишкових карбідів (легований цементит) забезпечує їм твердість (62... 69 HRC) і високу зносостійкість. Їх застосовують для інструментів, що працюють при невеликих швидкостях різання, що не викликають нагрівання понад 200... 260 ° С. На відміну від вуглецевих ці ​​стали менше схильні до перегріву і дозволяють виготовляти інструменти великих розмірів і більш складної форми. Сталь ХВ4 відрізняється особливо високою твердістю (67... 69 HRC) і зносостійкістю (алмазна сталь) завдяки тому, що в ній крім легованого цементиту присутній карбід вольфраму (застосовується для чистової обробки твердих матеріалів). Сталь ХВГ характеризується малою деформацією при загартування, її застосовують для довгих стрижневих інструментів (сверла, розгортки, протяжки тощо) з поперечним перерізом до 45 мм

Швидкорізальні сталі До швидкорізальної сталі (Р18, Р9, Р6М5, порошкова Р6М5Ф3 -МП та ін) Відносяться високолеговані сталі, призначені для виготовлення інструментів високої продуктивності. Основна властивість цих сталей - висока теплостійкість, яка забезпечується введенням великої кількості вольфраму спільно з іншими карбидоутворюючими елементами - молібденом, хромом, ванадієм і спеціальною термічною обробкою. Виділення дисперсних карбідів при підвищених температурах відпуску (500... 600 ° С) викликає дисперсне твердіння мартенситу - явище вторинної твердості. У результаті комплексного легування інструменти з швидкорізальних сталей зберігають високу твердість до 560... 640 º С і допускають в 2... 4 рази більш продуктивні режими різання, ніж інструменти з вуглецевих і низьколегованих сталей. Швидкорізальні стали позначають буквою Р, після якої стоїть число, яке вказує вміст вольфраму в % - основного легуючого елемента (наприклад, Р18 - W ~ 18 %). Вміст ванадію (до 2 %) і хрому (~ 4 % у всіх сталях) в марці не вказуються. Стали, леговані додатково молібденом, кобальтом або мають підвищену кількість ванадію, містять в марці відповідно букви М, К, Ф і числа, що показують їх вміст у відсотках (наприклад, Р6М5, Р10К5Ф5). За структурою після відпалу швидкорізальні стали вцідносяться до ледебуритного класу. Деформовану сталь для зниження твердості (до 207... 255 НВ) піддають ізотермічному відпалу. Загальна кількість карбідів в сталі Р18 становить приблизно 28 %, в ​​сталі Р6М5 - 22 %. Основним карбідом стали Р18 є складний карбід вольфраму Fe3W3C (Me6C), який розчиняє в собі частину ванадію та хрому. В інших сталях крім Me6C і невеликої кількості карбіду (Fe, Cr) 23C6, присутній карбід VC (MEC). Високі експлуатаційні властивості інструменти з швидкорізальної сталі набувають після гартування з високою температурою нагріву (для сталі Р18 - 1270... 1290 º С, для сталі Р6М5 - 1210... 1230 º С) і триразового відпуску. Через низьку теплопровідність швидкорізальні стали при загартовуванні нагрівають повільно з прогріву при 450 º с (при складній формі інструменту) і 850 º С, щоб виключити виникнення трпіщин і викривлення. Висока температура нагріву (особливість гартування швидкорізальних сталей) необхідна для забезпечення теплостійкості - максимальне розчинення в аустеніті вторинних карбідів і отримання після гартування високолегованого мартенситу. Первинні карбіди не розчиняються і гальмують зростання зерна аустеніту.

Р18

Стали за структурою після нормалізації відносяться до мартенситному класу. Сучасні технології передбачають обробку інструменту з швидкорізальних сталей у вакуумних печах (на заводах зустрічається гартуванння в соляних ваннах). Після гартування досягається максимальна твердість сталей, т.к. в структурі крім мартенситу і первинних карбідів міститься 30... 40% залишкового аустеніту. Залишковий аустеніт перетворюється в мартенсит при відпуску або обробці холодом. Відпуск проводять при 550... 570 º С. У процесі витримки при відпуску з мартенситу і залишкового аустеніту виділяються дисперсні карбіди Me6C. Одноразового відпуску недостатньо для перетворення всього залишкового аустеніту. Застосовують триразовий відпуск з витримкою 1 год і охолодженням на повітрі. При цьому кількість аустеніту знижується до 3... 5 %. Застосування обробки холодом після гарту скорочує цикл термічної обробки (застосовують одноразовий відпуск). У термічно обробленому стані швидкорізальні сталі мають структуру, що складається з мартенситу відпуску і карбідів, твердість 63... 65 HRC. Для усунення карбідної неоднорідності, характерною для деформованих швидкорізальних сталей, застосовують порошкові швидкорізальні сталі (наприклад, Р6М5Ф3 -МП), які отримують розпиленням рідкої швидкорізальної сталі в азоті і наступним гарячим компактуванням.

Штампові сталі застосовують для виготовлення інструменту, призначеного для зміни форми матеріалу деформуванням без зняття стружки. За умовами роботи штампові сталі поділяють на сталі для холодного деформування і сталі для гарячого деформування. Універсальних за призначенням штампових сталей немає. Необхідна спеціалізація сталей за призначенням відповідно до умов експлуатації інструментів. Штампові стали легують такими елементами, як хром, вольфрам, молібден, ванадій, кремній, рідше марганець, нікель, кобальт, титан. Зміст вуглецю в штампових сталях може змінюватися від 0,3 до 2,0 %, іноді і вище. Хром в штампових сталях може змінюватися від 0,5 до 13 % і вище. Збільшення вмісту хрому та інших легуючих елементів в аустеніті сприятливо впливає на загартовуваність, на схильність до дисперсійного твердніння і теплостійкість. У комплексно легованих штампових сталях хром сприяє протіканню дисперсного твердіння при високому відпуску загартованих сталей. Оптимальний вміст хрому в комплексно легованих штампових сталях становить 4,4... 5,5 %. У штампових сталях високої зносостійкості вміст хрому становить близько 12 %. У штампових сталях гарячого деформування помірної теплостійкості і підвищеної в'язкості вміст хрому обмежується 1... 2 %, а необхідний рівень міцності властивостей і загартовуваність сталей досягається комплексним легування нікелем, молібденом і ванадієм. У штампових сталях для холодного деформування застосовують вольфрам (2,0... 3,0 %) для підвищення теплостійкості і механічних властивостей. Молібден сприятливо впливає на зменшення схильності до відпускної крихкості і додатково посилює дисперсне твердіння при відпуску. Вольфрам і молібден в штампових сталях можуть входити до складу твердого розчину і карбідів (спільно з хромом) Ме23С6, Ме6С, а також утворювати карбіди типу Ме2С і МеС. Ванадій в штампових сталях присутній в карбіду VC і твердому розчині, підвищує їх теплостійкість, посилює інтенсивність дисперсного твердіння. Теплостійкість штампових сталей типу 5Х3В3МФС зростає при збільшенні відношення V: С до 0,25... 0,30. Збільшення вмісту вуглецю до 0,45... 0,50 призводить до підвищення теплостійкості. Кремній і кобальт входять до складу деяких штампових сталей. Кремній значно зміцнює феритної матрицю, підвищує окалиностойкость. Кобальт в низьковуглецевих сталях і сплавах збільшує кількість інтерметаллідної фази, тому що зменшує розчинність вольфраму і молібдену, що призводить до додаткового зміцнення. Нікель і марганець використовують для підвищення загартовуваності великогабаритного штампового інструменту.

4Х3ВМФ 3Х2В8Ф

Штампові леговані сталі для холодного деформування можуть бути підвищеної (високої) зносостійкості, їх твердість після гартування і низького відпуску 61... 64 HRC (Х12М, Х12Ф1, Х12ВМ, Х12Ф4М та ін), Дисперсно - твердіючими (8Х4В2С2МФ, Х5В2С4Ф2НМ та ін) З високим опором зминанню, високоміцними з підвищеною ударною в'язкістю (7ХГ2ВМ - гартування і низького відпуску, 6Х4М2ФС - гартування і високий відпуск).

Штампові сталі для гарячого деформування призначені для виготовлення інструментів (штампів), що працюють при підвищених температурах, багаторазових теплозмінах (нагрівання та охолодження), динамічних навантаженнях, а форми лиття під тиском - при коррозійному впливі оброблюваного металу. У ряді випадків в якості штампових можуть застосовуватися мартенсито- старіючі сталі з інтерметалідним зміцненням. Зміст вуглецю в штампових сталях для гарячого деформування знижений і складає 0,3... 0,5 %. За основними властивостями штампові сталі для гарячого деформування поділяють на сталі помірної теплостійкості і підвищеної в'язкості (5ХНМ, 4ХМФС, 5Х2МНФ та ін), Сталі підвищеної теплостійкості і в'язкості (4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х3ВМФ тощо) і стали високої теплостійкості (3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС та ін.) Стали помірної теплостійкості і підвищеної в'язкості містять невелику кількість карбідоутворюючих елементів, їх твердість після гартування на мартенсит і високого відпуску HRC 42... 44. Стали підвищеної теплостійкості і в'язкості дисперсно -твердіючі, максимум твердості досягається після гартування в маслі та відпуску при 500... 550 º С, HRC 47... 49. Стали високої теплостійкості відрізняються більш високим вмістом карбідоутворюючих елементів: вольфраму, молібдену і ванадію, деякі з цих сталей додатково легують кобальтом в кількості 8... 15 % (наприклад, 2Х6В8М2К8). Зміцнюючими фазами в цих сталях є карбіди Ме6С і МеС, а при легуванні кобальтом карбіди і інтерметаліди. Після гартування і відпуску на твердість HRC 45... 47 сталі мають найбільш задовільний комплекс властивостей.

Лаболаторна робота №5

Дата добавления: 2015-05-06