Инструментальные стали.

Наиболее важные в практическом применении являются инструментальные стали, которые разделяются следующим образом.

1. Режущие стали
2. Стали для измерительных инструментов.
3. Стали для штампов холодного деформирования
4. Стали для штампов горячего деформирования

Номенклатура и условия работы инструментов каждого типа отличаются большим разнообразием. Характерными условиями работы режущего и штампового инструмента являются высокие контактные давления на рабочую кромку и длительное трение об обрабатываемую поверхность, приводящее к изнашиванию. Поэтому все эти стали должны обладать хорошим сопротивлением износу, а также сопротивлениям высоким давлениям на режущую кромку. В процессе работы инструмента может происходить разогрев до нескольких сотен градусов (до красного каления), поэтому стали должны обладать высокой теплостойкостью (красностойкостью). Под теплостойкостью понимают способность материала сохранять высокую твердость и износостойкость, микроструктуру при повышенных температурах (600-800°С). Теплостойкость оценивают наибольшей температурой нагрева, до которой сохраняется мартенсит и присущие ему высокая твердость и износостойкость.
Для режущих инструментов часто применяют высокоуглеродистые заэвтектоидные ледебуритные стали сложного состава, термообрабатываемые на твердость 60-69 HRC, а для штампового инструмента используют заэвтектоидные стали, термообрабатываемые на более низкую твердость 35-45 HRC.

Стали режущие

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым материалом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурация и свойства режущей стали.

Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (> 60-62 HRC) и износостойкостью, и эти свойства должны сохраняться длительное время.

По теплостойкости инструментальные материалы делятся на несколько групп:

1. Углеродистые и низколегированные стали с теплоемкостью до 200°С

2. Высоколегированные быстрорежущие стали с теплоемкостью 600-640°С

3. Твердые сплавы, с теплоемкостью 800-1000°С

1. Углеродистые качественные стали: У7, У8…У13; У7А-У13А.
Самые дешевые стали, нестабильная малая прокаливаемость. Используются для инструментов малого размера, Дкр = 10-12мм.

Используются при работе от комнатной температуры до 200°С, т.е. имеют низкую теплостойкость.

Термообработка: неполная закалка в воде, отпуск низкотемпературный 150-180°С.

Структура: мартенсит или мартенсит + карбидные фазы, сердцевина не закаленная. Инструменты из углеродистых сталей при нагревах выше 200°С теряют свою твердость, начинается распад мартенсита с образованием двухфазных Ф-Ц структур.

Эти заэвтектоидные стали могут также использоваться для измерительных инструментов, для небольших штампов. У7, У8,У9 обладают более высокой вязкостью и применяются для инструментов, работающих с ударными нагрузками (пуассоны, матрицы).

2. Низколегированные стали – стали, содержащие ЛЭ в сумме до 5%, с повышенной прокаливаемостью. Основной ЛЭ – хром. Для повышения прокаливаемости добавляют 1-2% марганца. Марки Х, 9ХС, ХГСВФ, ХВ5, ХГ, ХВГ и другие. Содержание С до 1%.

По структуре эти стали относятся к сталям заэвтектоидного перлитного класса. Используются взамен углеродистых сталей для деталей большего размера. Пример: для стали ХВГ Дкр = 45мм, для стали Х Дкр = 35мм.

Термообработка: неполная закалка в масле или ступенчатая в соли. Если в масле, то – меньшая опасность образования трещин, короблений, деформаций. Структура: мартенсит или мартенсит + карбидные фазы. Отпуск низкий. Твердость: 62-69 HRC. Прокаливаемость, как правило, насквозь. Работают стали при нагреве до 260°С.

3. Быстрорежущие стали.

Марки сталей: Р9, Р12, Р18,Р6М3; Р6М5; Р10К5Ф, Р18К5Ф2. Твердость: 64 HRC, теплостойкость 500-640°С. Применяются для режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Стали отличают большой теплостойкостью, для этого их легируют: W (2-18%), Mo (2-9%), Cr (3-4%), V (2-5%). Углерод меняется в пределах 0.7-1.5%. Для повышения красностойкости вводят Со. Cr вводят для повышения прокаливаемости. W, Mo, V – карбидообразующие элементы, их вводят в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в карбиды: W₆C, (W, Mo)₆C, VC, которые при нагреве под закалку частично растворяются в аустените, т.е. переходят в него и далее обеспечивают получение после закалки мартенсита, легированного W и Mo. Часть карбидов не растворяется и сохраняется после закалки, что соответственно повышает износостойкость. Если в этих сталях образуется карбид VC, он наиболее твердый и также способствует повышению износостойкости (при содержании V≈2-5%)/
Окончательные высокие эксплуатационные свойства быстрорежущих сталей достигаются после термообработки.

Рассмотрим на примере стали Р18 (рис.).

Для стали Р18 проводится закалка и 3-х кратный отпуск. Нагрев под закалку осуществляется в 3 этапа, во избежание образования трещин при нагреве.

I. Нагрев до 500-650°С
II. Нагрев до 900°С
III. Нагрев в соляных ваннах (BaCl₂) до 850-1280°С, с высокой скоростью, для предотвращения обезуглероживания.

Максимальная температура выбирается исходя из условия, чтобы при растворении карбидов W и Mo в аустенит перешло 7-8% этих элементов. Закалочное охлаждение проводят в масле, т.е. с более высокой скоростью охлаждения (чтобы карбиды перешли в раствор). Для сложных деталей проводят ступенчатую закалку в горячих средах.

Структура после закалки М + К(т.к. они не полностью растворились при нагреве) + А_ост.(в составе аустенита С,W,V,Cr). Присутствие А_ост (для стали Р18 А_ост ≈ 30%) – не желательно.

А(C, W, V,Cr)→M(C, W, V,Cr)

Высокая теплостойкость обеспечивается высоколегированным мартенситом M(C, W, V,Cr)). Остаточный аустенит присутствует после закалки из-за того, что реакция мартенситного образования не идет до конца (Мк лежит ниже комнатной температуры). Для превращения А_ост в мартенсит и уменьшения напряжения проводят обработку холодом или отпуск 560°С. Если нет обработки холодом, то нагревают закаленную сталь до 560°С, при этом из аустенита выделяются карбиды типа М₂С.

Для более полного превращения А_ост используют многократный отпуск. Структура после отпуска: Мартенсит отпуска + карбиды (VC - высокотвердые и крупные) + мартенсит (А_ост → М) + остаточный аустенит (2-3%). Твердость до отпуска 60 HRC, после 3-х отпусков 64-66 HRC, т.е. повышается.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: