Что такое теплостойкость сплава

ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

I. Цель работы

Изучение теплостойкости сплавов различного химического состава, применяемых для изготовления режущего инструмента.

II. Теоретическое обоснование

Основные требования, предъявляемые к материалам для режущего инструмента — это высокая твердость и износостойкость. От этих характеристик зависит прежде всего качество обрабатываемой поверхности. Кроме того, при тяжелых условиях резания (высокие значения скорости резания, а также — прочности, твердости или вязкости обрабатываемых изделий), когда режущая кромка может разогреваться до температур красного каления и выше, материал инструмента должен обладать теплостойкостью — способностью сохранять высокую твердость (износостойкость) при длительном нагреве. Величина теплостойкости оценивается предельной температурой, при которой сохраняется высокое значение твердости (обычно 58. 59 HRC_э), обеспечивающей работоспособность инструмента. В дальнейшем эту температуру, характеризующую теплостойкость, будем обозначать t₅₈.

По теплостойкости сплавы для режущего инструмента подразделяют на следующие группы:

1) углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью t₅₈»200 °С;

2) высоколегированные быстрорежущие стали с t₅₈»600. 640 °С;

3) твердые сплавы с t₅₈»800. 1000 °С[44].

Высокая твердость сталей для режущего инструмента обеспечивается большим содержанием углерода — обычно 0,9. 1,2 %, иногда до 1,3. 1,5 %.

Углеродистые стали (У9, У10, У11, У12, У13, ГОСТ 1435-90) после неполной закалки (см. работу 6) и низкого отпуска имеют структуру мартенсита с мелкозернистыми включениями вторичного цементита и высокую твердость HRC_э 62. 64. Недостаток этих сталей — пониженная прокаливаемость, поэтому из них изготавливают металлообрабатывающий инструмент небольшого размера (метчики, сверла, напильники, пилы и др.). Закалку проводят в воде или солевых растворах.

Низколегированные инструментальные стали(ГОСТ 5950-2000) содержат такое же количество углерода и до 5 % легирующих элементов. Основным легирующим элементом является хром.

Стали этой группы, как и инструментальные углеродистые, подвергаются закалке и низкому отпуску, имеют аналогичную структуру и практически такую же твердость (см. табл. 8.1). Их теплостойкость лишь незначительно выше (t₅₈

По ГОСТ 3882-74 выпускают твердые сплавы трех групп:

1) вольфрамовые (ВК3, ВК6, . ВК25);

2) титановольфрамовые (Т30К4, Т15К6, . Т5К12);

3) титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6, . ТТ20К9).

В группе ВК цифры показывают содержание кобальта в процентах, остальное карбид вольфрама WC. В группе ТК цифры после букв Т и К- содержание карбида титана TiC и Со соответственно, остальное WC. В группе ТТК цифры после букв ТТ и К — содержание карбидов титана и тантала в сумме (TiC+TaC) и Со соответственно, остальное WC. Например, ВК6 – 6 % Co, 94 % WC; T30K4 – 30% TiC, 4% Co, 66 % WC; TT7K12 – 7 % (TiC+TaC), 12 % Co, 81 % WC.

Твердые сплавы применяются для высокоскоростного резания сталей, а также черновой и чистовой обработки труднообрабатываемых материалов (чугуна, жаропрочных сталей и сплавов, керамики).

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы

Характерным для сталей этой группы является большое содержание вольфрама, молибдена и кобальта, а так же низкое содержание углерода, ванадия и хрома. Суммарное содержание W и Мо в этих сплавах обычно составляет не менее 15-18 %; содержание кобальта находится в пределах 22-30 %; углерода — не более 1%, ванадия — 0,5-0,7 %; хрома не более 1 %, в среднем Сr=0,05 %. В сплавах этой группы в качестве присадок в небольшом количестве находится титан (Тi=0,15-0,25 %), а иногда — алюминий.

Рассмотренные ранее быстрорежущие стали принадлежат к сталям с карбидным упрочнением; их упрочнение достигается за счет карбидов вольфрама, молибдена, ванадия и хрома. Теплостойкость этих сталей не превышает 650°С. Это объясняется происходящей при температуре 600-650°С коагуляцией карбидной фазы, являющейся фазой — упрочнителем, а также интенсивным разупрочнением матрицы (твердого раствора), так как температуры фазового превращения этих сталей не превышают 800-850°С.

Стали высокой теплостойкости после закалки и отпуска имеют в своей структуре низкоуглеродистый мартенсит и упрочняющую интерметаллидную фазу как избыточную, так и выделившуюся из твёрдого раствора. Кроме того, присутствуют карбиды легирующих элементов, а в сталях с добавками алюминия — феррит. Фазовые превращения в этих сталях происходят при более высоких температурах (920-960°С), чем у остальных быстрорежущих сталей; в результате выделения интерметаллидной фазы эти стали приобретают высокую теплостойкость (700-720°С) и твердость (HRC 65-70), так как интерметаллиды устойчивее карбидов. Упрочняющий эффект в результате выделения интерметаллидов при дисперсионном твердении значительно больше: от HRC 45-47 после закалки до HRC 67-68 — после отпуска (580-600°С). Причиной этого является большое различие в кристаллографическом строении металлической основы и упрочняющей фазы, а также ее выделение в повышенном количестве при отпуске.

Прочность и вязкость сталей этой группы определяется в основном содержанием вольфрама и молибдена. Эти характеристики достигают максимальных значений при содержании W+Mo=14% (соответственно, 2,4-2,6 гПа и равно 0,14 мДж/м 2 ). Прочность и вязкость несколько снижается (соответственно, до 2,3-2,5 гПа и 0,12мДж/м 2 ), при увеличении суммарного содержания W+Mo до 18 %, что объясняется увеличением количества избыточной фазы. Но при содержании W+Mo до 18 % обеспечиваются максимальные значения теплостойкости и вторичной твердости сталей этой группы.

Легированность твердого раствора после закалки несколько увеличивается при увеличении содержания кобальта свыше 23 %. Это объясняется тем, что кобальт усиливает эффект дисперсного твердения. При этом увеличивается и теплостойкость стали. Однако увеличение содержания кобальта свыше 23-25 % заметно ухудшает механические свойства сталей. Прочность и вязкость стали с 33 % кобальта, не превышает 2-2,2 гПа и 0,06 мДж/м 2 соответственно. Это обстоятельство вызвано ростом количества избыточной упрочняющей фазы и увеличением концентрации твердого раствора.

Алюминий наиболее значительно повышает теплостойкость и уменьшает интенсивность разупрочнения стали при повышенном нагреве. Этот эффект достигается даже при небольшом его содержании, порядка 1-2 %. Но при этом вторичная твердость стали уменьшается на 1-2 единицы HRC, прочность снижается до 2-2,2 гПа, вязкость до 0,07 мДж/м 2 (сталь типа В11М7К23Ю). Обозначение этих сталей такое же, как и обычных быстрорежущих сталей, за исключением буквы В (вольфрам). Стали этой группы по своим режущим свойствам занимают промежуточное положение между обычными быстрорежущими сталями и твердыми сплавами. При прерывистом резании обычных конструкционных сталей дисперсионные сплавы близки по своим режущим свойствам к быстрорежущей стали Р9М4К8; наибольшее повышение производительности в этих условиях резания имеет место при обработке сплавов титана, литых высокомарганцовистых сталей, высокопрочных ста­лей и некоторых жаропрочных сплавов.

При условии сохранения равной теплостойкости наибольшее влияние на свойства сталей этой группы оказывает легирование молибденом. При повышении его содержания появляется возможность уменьшить содержание вольфрама и таким образом обеспечить повышение экономичности, улучшение вязкости и прочности.

Стали В3М12К23 и В11М7К23 имеют более широкий интервал температур отпуска (580-620°C) по сравнению с быстрорежущими сталями с карбидным упрочнением, не сохраняют в структуре остаточного аустенита после закалки. Это позволяет применять однократный отпуск вместо двух- и трехкратного отпуска, применяемого обычно для быстрорежущих сталей нормальной и повышенной теплостойкости.

Сплавы с интерметаллидным упрочнением благодаря хорошему распределению упрочняющих фаз лучше шлифуется, чем волъфрамомолибденовые стали типа Р6М5; изменения формы и размеров заготовки после термообработки почти в три раза меньше, чем у стали Р18, что может оказать существенное влияние на выбор инструментального материала для изготовления инструментов сложной формы.

Стоимость стали В3М12К23 примерно в четыре раза выше стоимости стали Р18. Однако применение этой стали может обеспечить получение экономического эффекта за счет повышения производительности обработки и стойкости инструмента. Области преимущественного использования дисперсионно-твердующих быстрорежущих сталей: обработка сплавов титана, аустенитных жаропрочных сплавов повышенной прочности; обработка марганцовистых, а также нержавеющих ферритных сталей с более высокими подачами (при точении) и дополнительными нагрузками (при фрезеровании), по сравнению с допустимыми для быстрорежущих сталей на вольфрамомолибденовой основе. Использование их при обработке углеродистых и умеренно легированных конструкционных материалов в экономическом отношении нецелесообразно.

Твердые сплавы

Твердые сплавы являются основными инструментальными материалами, обеспечивающими высокопроизводительную обработку резанием. Общее количество твердосплавного инструмента в металлообрабатывающей промышленности не превышает 25-28 %, однако этим инструментом производят съем до 65 % стружки благодаря использованию скоростей резания, в 2-3 раза превышающих уровень скоростей, принятых для инструмента из быстрорежущей стали.

Спеченные твердые сплавы состоят из твердых, тугоплавких соединений (карбиды, карбонитриды титана, вольфрама, тантала и др.) и цементирующей (связующей) фазы (кобальт-никель-молибден). Твердые сплавы, применяемые для оснащения режущего инструмента, по составу и областям применения можно разделить на 4 группы: вольфрамовые (WC-Co), титано-вольфрамовые (WC-TiC-Co), титано-тантало-вольфрамовые (WC-TiC-TaC-Co), безвольфрамовые (TiC-Ni-Mo, TiCN-Ni-Mo).

Твердые сплавы обладаютвысокой твердостью (82-92 HRA), которая сохраняется при нагреве до температуры 700-1100°С, имеют высокие значения модуля упругости (500-700 гПа) и предела прочности при сжатии (s_сж -5 Дж/м 2 ) несколько ограничивают возможности твердосплавного инструмента, однако его способность сохранять высокие твердость и сопротивляемость деформированию при температурах резания обеспечивает им заметное преимущество по сравнению с инструментом из быстрорежущих сталей.

Области применения твердых сплавов в соответствии с рекомендациями международной организации стандартов ISO P513-66 определены основными свойствами каждой марки сплава и условиями обработки (режимы резания, характер операции, обрабатываемыйматериал, тип формируемой стружки и т.д.). В соответствии с указанным, твердые сплавы классифицируют на шесть основных групп применения — К, М, Р, S, H, N, которые, в свою очередь, подразделяют на подгруппы применения (табл.2.2). Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость), подача и глубина резания. Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется повышенная износостойкость при сравнительно невысоких требованиях к прочности и вязкости, большие индексы соответствуют черновым операциям, когда твердый сплав должен быть прочным и вязким. Поэтому каждая марка сплава имеет свою предпочтительную область применения, в которой обеспечиваются максимальные работоспособность инструмента и производительность обработки.

Границы групп применения марок твердых сплавов определяются ориентировочно и неоднозначно, поэтому допускается использовать одну и ту же марку в двух-трех подгруппах или даже в разных группах применения (табл.2.3). Например, сплав Т15К6 можно использовать в подгруппах Р10 (основная), Р15, Р20, а сплав ВК8 в подгруппах К30 (основная), К40, М30.

Классификация групп применения твердых сплавов

Подгруппа применения	Обрабатываемый материал. Тип стружки	Вид обработки	Ограничивающие условия
Группа резания Р
Р01	Сталь. Сливная стружка	Чистовое точение, растачивание, развертывание.	s£0,1. 0,3 мм/об t£0,5. 2 мм
Р10	Точение, нарезание резьбы, чистовое фрезерование, рассверливание, растачивание.	s£0,2. 0,5 мм/об t£2. 4 мм
Р20	Сталь, ковкий чугун, цветные металлы. Сливная стружка.	Точение, фрезерование, чистовое строгание.	s£0,4. 1 мм/об t£4. 10 мм
Р25	Сталь нелегированная, низко и среднелегированная	Фрезерование
Р30	Сталь, ковкий чугун. Сливная стружка.	Черновое точение, фрезерование, строгание.	s=1 и более мм/об t=6. 20 мм
Р40	Сталь с включением песка и раковин. Стружка сливная и надлома.	Черновое точение, строгание в неблагоприятных условиях*	¾¾¾
Р50	Сталь со средней и низкой прочностью с включением песка и раковинами. Стружка сливная и надлома.	Точение, строгание в особо тяжелых условиях.	¾¾¾
Группа резания М
М10	Сталь аустенитная жаропрочная труднообрабатываемая, серый, ковкий и легированный чугуны. Стружка сливная и надлома.	Точение и фрезерование.	s£0,2. 0,5 мм/об t£2. 4 мм
М20	Жаропрочная сталь, труднообрабатываемые сплавы, серый и ковкий чугуны. Стружка сливная и надлома.	Точение и фрезерование	s£0,4. 1 мм/об t£4. 10 мм
М30	Аустенитная нержавеющая сталь, жаропрочные труднообрабатываемые стали и сплавы, серый и ковкий чугуны. Стружка сливная и надлома.	Точение, фрезерование, строгание, в том числе в неблагоприятных условиях*	s>1 мм/об t£6. 20 мм

Окончание табл. 2.2

М40	Низкоуглеродистая сталь с пониженной прочностью, автоматная сталь, другие металлы и сплавы. Стружка сливная и надлома.	Точение, фасонное точение, отрезание преимущественно на станках-автоматах.	¾¾¾
Группа резания К
К01	Серый чугун высокой твердости, алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния, закаленная сталь, конструкционные пластмассы, керамика, стекло. Стружка, надлома и элементная.	Чистовое точение, растачивание, фрезерование, шабрение.	s£0,1. 0,3 мм/об t£0,5. 2 мм
К05	Легированные чугуны, закаленные стали, коррозионностойкие, высокопрочные и жаропрочные стали и сплавы. Стружка надлома и элементная.	Чистовое и получистовое точение, растачивание, развертывание, нарезание резьбы.	s£0,2. 0,5 мм/об t£2. 4 мм
К10	Серый и ковкий чугуны повышенной твердости, закаленная сталь, алюминиевые и медные сплавы, стекло, керамика. Стружка надлома.	Точение, растачивание, фрезерование, сверление
К20	Серый чугун, цветные металлы, пластмассы. Стружки надлома и элементная.	Точение, фрезерование, строгание, сверление, растачивание.	s£0,4. 1 мм/об t£4. 10 мм
К30	Серый чугун низкой твердости и прочности, сталь низкой прочности, цветные металлы, пластмассы. Стружки надлома и элементная.	Точение, фрезерование, строгание, сверление. Работа в неблагоприятных условиях*	s£1 мм/об t£6. 20 мм
К40	Цветные металлы, древесина, пластмассы. Стружки надлома и элементная.	Точение, фрезерование, строгание	¾¾¾
Группа резания S
S01-S40	Жаропрочные специальные сплавы на основе железа, никеля, кобальта, титана. Титановые сплавы.	Точение, растачивание, фрезерование, сверление	_______
Группа резания H
Н01-Н40	Закалённая сталь, упрочнённые чугуны, отбелённый чугун	Точение, растачивание, фрезерование.	_______
Группа резания N
N01-N40	Цветные сплавы на основе алюминия и меди, дерево, пластмасса	Точение, растачивание, фрезерование, сверление	_______

* Работа с переменной глубиной резания, с прерывистой подачей, с ударами, вибрациями, с наличием литой корки и абразивных включений в обрабатываемом материале.

|	следующая лекция ==>
Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости	|	Группы применения твердых сплавов

Дата добавления: 2017-12-05 ; просмотров: 664 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

По характеру работы инструменты можно разде­лить на несколько групп:

Условия работы инструментов различных групп раз­личаются существенно, поэтому и изготавливают их из различных сталей с нужными свойствами.

СТАЛИ ДЛЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Выбор инструментальной стали производят в зави­симости от свойств обрабатываемого материала, усло­вий резания, требований к точности размеров и каче­ству обрабатываемой поверхности, экономических сооб­ражений и т. д.

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, обеспечивающей сохра­нение режущей кромки инструмента, достаточной проч­ностью и вязкостью (для инструментов ударного дей­ствия).

Режущие кромки инструмента могут нагревать­ся до 500—900° С. В этих случаях основным свойством инструментальных материалов является теплостойкость (красностойкость), т.е. способность сохранять высо­кую твердость и режущую способность при продолжи­тельном нагреве,

Этот комплекс свойств обеспечивается выбором ста­ли и оптимальным режимом термической обработки. При этом важное значение имеет прокаливаемость ста­ли. В зависимости от сечения инструмента его изготав­ливают из сталей небольшой, повышенной прокалива­еммости или из быстрорежущих сталей.

Углеродистые инструментальные стали

Эти стали по ГОСТ 1435 содержат 0,65— 1,35% С.

Они маркируются У7, У7А . У13, У13А. Буква У обозначает что сталь углеродистая, число показывает содержание углерода в десятых долях процента (при­ложение табл. 9).

Углеродистые инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью, хорошо шлифуются при изготовлении инструмента, дешевы и недефицитны.

Стали У7, У7А, У8, У8А, содержащие 0,7—0,8% С, применяют для инструментов по дереву и инструментов ударного действия, когда требуется повышенная вяз­кость,— пуансонов, кернов, зубил, кузнечных штампов и т.д.

Стали У9—У13 (У9А—У13А), содержащие 0,9— 1,3% С, обладают более высокой твердостью и износо­стойкостью. Из этих сталей изготавливают сверла, мет­чики, развертки, фрезы, плашки и др. Из стали У13, имеющей максимальную твердость (HRC 62—64) и из­носоустойчивость, изготавливают напильники, гравер­ный инструмент и т. п.

Для снижения твердости и создания благоприятной структуры все стали до изготовления инструмента под­вергают предварительной термической обработке — от­жигу. Поскольку наличие сетки вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инструмента, заэвтектоидные стали подвергают сфероидизирующему от­жигу, нагревая стали У9 и У10 до 740—750° С, а У11 и У12 до 750—780° С. В результате такого отжига пла­стины Ц_II делятся (на этот процесс положительно вли­яет наличие субграниц и скоплений дислокаций). Регу­лируя скорость охлаждения можно получать глобули Пи различного размера.

Окончательная термическая обработка — закалка и отпуск.

Температура закалки доэвтектоидных сталей Ас₃ + 30° С, заэвтектоидных сталей Ас₁+(40-50 ° С).

Структура закаленной стали — мелкоигольчатый мартенсит или мелкоигольчатый мартенсит с мелкими карбидами. Температуру отпуска выбирают в зависи­мости от твердости, необходимой для данного вида ин­струмента.

Для инструментов ударного действия (У7, У8), ког­да требуется повышенная вязкость, применяют отпуск при температурах 280—300° С (HRC 56—58). Для на­пильников, метчиков, плашек и т.п. (стали У10—У13) производят низкотемпературный отпуск при 150—200° С, что обеспечивает инструменту максимальную твердость (HRC 62—64).

Основные недостатки углеродистых сталей — их не­большая прокаливаемость, примерно до 5—10 мм, и низкая теплостойкость. При нагреве выше 200° С их твердость резко снижается. Инструменты из этих ста­лей могут работать лишь при небольших скоростях ре­зания.

Легированные инструментальные стали

Эти стали обычно содержат 0,9— 1,4 % С. Суммарное содержание легирующих элементов (Cr, W, Mn, Si, V и др.) не превышает 5%. Состав и свойства наиболее распространенных сталей указаны в приложении, табл. 10.

Легирующие элементы, увеличивая устойчивость аустенита, уменьшают критическую скорорь закалки и увеличивают прокаливаемость (инструменты из сталей повышенной прокаливаемости, как правило, прокалива­ются насквозь). Инструменты закаливают в масле, что уменьшает возможность коробления и образования за­калочных трещин.

Термическая обработка таких инструментов заклю­чается в закалке с 800—860° С в масло или ступенчатой закалке (температура закалки определяется составом). Отпуск проводят низкотемпературный — при 150— 200° С. Твердость после термической обработки состав­ляет HRC 61—66. Иногда для увеличения вязкости по­вышают температуру отпуска до 300° С, но при этом твердость понижается до HRC 55—60.

Малолегированные стали, содержащие 1 —1,5% ле­гирующих элементов (Х05, 7ХФ, 8ХФ), относятся к сталям небольшой прокаливаемости.

Применяемые для режущего инструмента стали 9ХС, ХВСГ, ХВГ и др. по сравнению с углеродистыми сталями имеют более высокую прокаливаемость, повы­шенную твердость и износоустойчивость.

Повышенное содержание кремния (9ХС, ХВСГ) способствует увеличению прокаливаемости (критичес­кий диаметр для стали 9ХС равен 40 мм, а для стали ХВСГ 100 мм при закалке в масле) и устойчивости мар­тенсита при отпуске.

Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Поэтому эти стали часто применяют для изго­товления инструмента, имеющего большую длину при относительно небольшом диаметре, например протяжек. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.

Из сталей этой группы изготавливают различные инструменты — от ударного до режущего. Теплостой­кость инструментов, как правило, не превышает 300° С, поэтому эти стали не используют для обработки с боль­шими скоростями резания.

Так называемая «алмазная» сталь ХВ5 (5% W) бла­годаря присутствию вольфрама в термически обрабо­танном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу и твердость HRC 65—67. Из этой ста­ли изготавливают инструмент, сохраняющий длитель­ное время острые кромки и высокую размерную точ­ность (развертки, фасонные резцы, граверный инстру­мент и т. п.).

К сталям повышенной прокаливаемости относятся и стали с кар­бидным упрочнением, например 6Х6ВЗМФС и 8Х4В2С2МФ. После термической обработки (закалка с 1050—1080° С, отпуск — старе­ние при 520—540° С) инструмент из этих сталей за счет выделения дисперсных карбидов М₂₃С₆ и М₇С₃ приобретает высокую твердость HRC 61—63, имея повышенную вязкость и прочность. Кроме того, он обладает высоким сопротивлением пластической деформации.

В последние годы для инструментов используются также стали с ннтерметаллидным упрочнением. Интерметаллиды (Ni₃Ti, NiTi, FeMo₂ и др.) оказывают даже более сильное упрочняющее влияние, чем карбиды. Это объясняется очень высокой дисперсностью образующихся частиц (50—200 А), которые коагулируют при 650— 675° С. Отсюда — высокая теплостойкость инструмента из таких ста­лей. Интерметаллидные фазы присутствуют в теплостойких сталях с повышенным содержанием Со и W (при низком содержании углеро­да), а также в мартенситностареющих сталях (см. гл. 9), которые также теперь используются для изготовления инструмента, например сталь Н10Х11М2Т2 (ЭП 853), которая после термической обработки приобретает твердость HRC 55—58, сохраняющуюся до температур 350—400° С. Мартенситностареющие стали рационально применять для медицинского инструмента небольшого сечения с очень тон­кой режущей кромкой. Эти стали, как правило, коррозионностойки, а мелкодисперсные выделения упрочняющей фазы исключают раз­рушение тонкого (<0,05—0,1 мм) лезвия инструмента.

БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ

Быстрорежущие стали получили такое название за свои свойства. Вследствие высокой теплостойкости (550—650° С) инструменты могут работать со скоростя­ми резания, в три-четыре раза большими, чем инстру­менты из углеродистых и легированных сталей.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73) содержат 0,7—1,5% С, до 18% W, являющегося основным легиру­ющим элементом, до 4,5% Сr, до 5% Мо, до 10% Со. В обозначе­нии марок стоит буква Ρ от слова «рапид» — скорость, цифры за этой буквой показывают среднее содержание вольфрама (Р18, Р9 и т.д.).

Высокая теплостойкость быстрорежущей стали объ­ясняется следующими ее особенностями. При нагреве углеродистой закаленной стали происходит выделение из мартенсита дисперсных частиц карбидов (Fe_хC), ко­торые уже при 300—400° С коагулируют. Твердость по­нижается. Для сохранения твердости при нагреве (теп­лостойкости) сталь необходимо легировать такими элементами, карбиды которых образуются и коагулируют при более высоких температурах. Такими элементами являются вольфрам, хром и др.

Добавление ванадия повышает износостойкость ин­струмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повы­шает теплостойкость до 650° С и вторичную твердость до HRC 67—70. Наиболее высокую теплостойкость име­ют стали Р14Ф4, Р10К5Ф5 и Р8М4К8 (до 640—650°С).

По структуре в равновесном состоянии эти стали от­носятся к ледебуритному классу. Отливки из быстроре­жущей стали подвергают ковке, а затем отжигу, нагре­вая до 860—900° С. После отжига структура быстроре­жущей стали состоит из сорбита, куда входят очень мелкие эвтектоидные карбиды, мелких вторичных кар­бидов, выделившихся при охлаждении из аустенита, и более крупных обособленных первичных карбидов, входящих в состав эвтектики. Суммарное количество кар­бидов достигает 30—35%· После окончательной терми­ческой обработки быстрорежущая сталь приобретает теплостойкость. Чем выше температура закалки, тем большее количество легирующих элементов растворяет­ся в аустените, а следовательно, тем более легирован­ным получается мартенсит, который обладает большей теплостойкостью.

При нагреве до 1250—1280° С в аустените стали Р18 содержится около 0,3% С,

1 % V и 7— 8% W. Инструмент из стали Ρ18 подвергают закалке с 1280° С. Нагрев под закалку до более высоких темпе­ратур приводит к оплавлению режущих кромок инстру­мента и появлению карбидной эвтектики. Закалку про­водят в масле.

Температура закалки из стали Р9 составляет 1240° С, причем в этом случае требуется более точное соблюдение режима.

Инструмент под закалку нагревают обычно в соля­ных ваннах, что улучшает равномерность прогрева и уменьшает возможность обезуглероживания поверхно­сти. Вследствие малой теплопроводности быстрорежу­щей стали нагрев осуществляется ступенчато: инстру­мент вначале подогревают в первой ванне до 500— 600° С, а затем переносят в ванну с температурой 800° С и после этого в третьей ванне нагревают до 1280° С.

Микроструктура закаленной быстрорежущей стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита (до 30%) и большого числа рассеянных зернышек первичных карбидов. Количество остаточного аустенита и положе­ние точек М_н и М_к также зависят от температуры за­калки. Твердость закаленной быстрорежущей стали до­стигает HRC 60—62.

Остаточный аустенит ухудшает режущие свойства, поэтому закаленный инструмент обязательно подверга­ют отпуску. Установлено, что при нагреве до темпера­тур ниже 560° С никаких существенных изменений не происходит. Если же нагревать при отпуске до 560° С, то при последующем охлаждении часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. После трехкратного отпуска при 560 С с выдержкой в течение часа количество остаточного аустенита уменьшается до 2— 3%, твердость увеличивается до HRC 64—65.

Рис 1. Схемы режимов термической обработки инструментов из быстрорежущей стали без обработки холодом (а) и с обработкой холодом (б)

В настоящее время при термической обработке бы­строрежущей стали широко применяют обработку хо­лодом. Закаленную сталь охлаждают до (—80) — (—100)°С, т.е. до температур ниже точки М_к этой стали. Затем для снятия внутренних напряжений сталь подвергают однократно отпуску (560° С, 1 ч). Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 приведены на рис. 1, а, б.

Иногда для повышения износостойкости инструмен­та применяют низкотемпературное цианирование при 520—560° С в течение 10—15 мин. На поверхности об­разуется слой, насыщенный азотом и углеродом, тол­щиной 0,03—0,06 мм. Для уменьшения прилипания стружки и повышения коррозионной стойкости прово­дят обработку паром (при температуре отпуска). На поверхности образуется тонкая пленка предотвращаю­щая прилипание стружки.

Ввиду высокой стоимости и дефицитности вольфра­ма из быстрорежущей стали изготавливают только ра­бочую часть инструмента, которую прикрепляют к дер­жавке из обычной углеродистой инструментальной ста­ли.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Металлокерамические сплавы значительно превосхо­дят быстрорежущие и другие инструментальные стали по твердости (HRC 70—80 см, рис.2), износостойко­сти, а также по теплопрочности (900—1000°С), но ус­тупают сталям по проч­ности на изгиб и являют­ся хрупкими. Структура сплавов состоит из час­тиц очень твердых и ту­гоплавких карбидов WC, TiC, ТаС, равномерно распределенных в мягкой эвтектике на основе ко­бальта. С увеличением содержания кобальта снижаются твердость и износостойкость, но по­вышается прочность сплавов.

Рис. 2. Зависимость твердости различных инструментальных ма­териалов от температуры:

1 — углеродистая сталь; 2—быстро­режущая сталь; 3 — твердый сплав

В зависимости от на­значения и условий ра­боты инструментов при­меняют однокарбидные сплавы системы WC—Со(ВКЗ, ВК6 и др.); двухкарбидные сплавы WC— TiC—Со (Т30К4, Т15К6 и др.); трехкарбидные сплавы WC—TiC—ТаС—Со (ТТ7К12 и др.) В обозначении марок сплавов бук­ва В означает WC, Τ с последующим числом — % TiC; ТТ с цифрой—%TiC+TaC; К с цифрами—% Со. Со­держание WC не указывают: % WC= 100— % Со — % TiC—% (TiC+TaC).

По сравнению со сплавами типа ВК двухкарбидные сплавы имеют повышенную вязкость, трехкарбидные — повышенную износоустойчивость, вязкость, хорошо со­противляются вибрациям.

Металлокерамические сплавы получают методами порошковой металлургии. Карбиды и кобальт разма­лывают до порошкообразного состояния, составляют смесь, тщательно перемешивают, прессуют в преесформах и спекают при 1400—1500° С. Полученные пластин­ки шлифуют и припаивают к державкам инструментов или крепят механическим способом.

Материалы особо высокой твердости

Кубический нитрид бора (боразон, эльбор) — новый и перспек­тивный очень твердый материал (

ΗV 8500—9000). Его использу­ют для резания и шлифования сталей высокой твердости, например стали ШХ15 с твердостью HRC 62—63.

Гексанит — твердый сплав на основе нитрида бора, использует­ся для обработки закаленных и твердых сплавов. Резец, изготовлен­ный из гексанита, повышает производительность труда почти в де­сять раз.

СТАЛИ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Измерительные инструменты должны сохранять свою форму и размеры в течение продолжительного времени. Поэтому их следует изготавливать из сталей, имеющих высокую твердость и износостойкость (после соответствующей термической обработки). В этих ста­лях с течением времени не должны совершаться струк­турные превращения, вызывающие изменение разме­ров инструмента. Такие стали должны иметь минималь­ный коэффициент линейного расширения.

С учетом этих требований выбирают соответствую­щие стали и назначают определенный режим термиче­ской обработки. Хорошее сопротивление износу обес­печивается высокой твердостью поверхности (HRC 62— 65).

Малым коэффициентом теплового расширения обла­дают стали с мартенситной структурой. Для измери­тельных инструментов чаще всего используют высоко­углеродистые стали У8—У12, Χ, Х9, ХГ, Х12Ф1, це­ментуемые (сталь 15, сталь 20) и азотируемые (38ХМЮА).

Структура высокоуглеродистых сталей после обыч­ной термической обработки не является стабильной и всегда содержит какое-то количество остаточного аус­тенита. Тетрагональность мартенсита со временем уменьшается. Поэтому после закалки применяют ста­билизирующий низкотемпературный отпуск — старение (нагрев до 120—170° С с выдержкой 10—30 ч). Иногда после закалки инструмент подвергают обработке холо­дом, а затем отпуску — старению.

ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ

Инструмент, применяемый, для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валики и т.д.), изготавливают из штамповых сталей. Так как ме­таллы можно подвергать деформации в холодном, а так­же в горячем состояниях (до 900—1200°С), то различа­ют стали для штампов холодного деформирования и стали для штампов горячего деформирования. Химиче­ский состав, механические свойства и назначение штам­повых сталей приведены в ГОСТ 5950-73

Стали для штампов холодного деформирования.

Стали для изготовления инструментов этой группы дол­жны обладать высокой износостойкостью (высокой по­верхностной твердостью), прочностью, вязкостью (что­бы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением деформации.

Для изготовления штампов небольших размеров (диаметром до 25 мм) используют углеродистую ин­струментальную сталь марок У10, У11, У12. После за­калки и низкого отпуска инструмент из этих сталей бу­дет обладать нужным комплексом свойств.

Широко используют легированные стали марок X, Х9, ХГ, 9ХС, Х12М, Х6ВФ (фильеры, плашки и др.). Для повышения износостойкости инструмента после, его термической обработки применяют иногда циани­рование или хромирование рабочей поверхности. Для штампов, работающих в условиях износа и давления, применяют легированные стали глубокой прокаливаемости, например Х12, Х12Ф, ХГ3СВ и т.д.

Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то для его изготовления используют стали, обладающие большой вязкостью (стали 4ХС4, 4ХВС, 5ХНМ, 5ХГМ и т. д.). Это достигается уменьшени­ем содержания углерода, введением легирующих эле­ментов, увеличивающих прокаливаемость, и соответст­вующей термической обработкой — закалка с высоким отпуском (480—580°С). Окончательная твердость HRC 38—45.

Стали для штампов горячего деформирования.

Штампы для горячего деформирования работают в бо­лее сложных условиях. Поэтому, кроме перечисленных свойств, стали для таких штампов должны обладать жаропрочностью, теплостойкостью, термостойкостью Они должны быть также минимально чувствительными к отпускной хрупкости, так как в процессе эксплуата­ции может неоднократно происходить нагрев штампов до высоких температур. Кроме того, эти стали должны обладать и хорошей теплопроводностью, чтобы тепло быстро отводилось от рабочей поверхности и т.д.

Если штампы испытывают большие ударные нагруз­ки (например, ковочные штампы), то для их изготовле­ния используют стали, содержащие 0,5—0,6% С, леги­рованные элементами, увеличивающими прокаливае­мость и вязкость (хром, никель, марганец). Для умень­шения склонности к отпускной хрупкости II рода вводят молибден или вольфрам. Это стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХНСВ и т. д.

Закалку осуществляют с 760—820° С, охлаждающая среда зависит от размеров штампов. Температура от­пуска составляет 460—580° С, твердость HRC 35—45.

Инструмент для горячей протяжки, высадки и прес­сования нагревается в работе до более высоких температур. Для такого инструмента используют стали с по­вышенным содержанием вольфрама, обладающие тер­мостойкостью до 650—670° С. Это стали марок ЗХ2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4В4ФМ, 6ХВ2С и др.

В настоящее время для изготовления деталей ис­пользуют также метод литья под давлением. Таким об­разом делают детали как из металлов, так и из пласт­масс. Используемые для этой цели прессформы подвер­гаются износу, коррозии, а также образованию на ра­бочей поверхности сетки разгарных трещин. В зависи­мости от условий работы для изготовления прессформ применяют различные марки сталей.

Для литья металлов с высокими температурами плавления прессформы изготавливают из сталей ЗХ2В8, 4ХВ2С.

Для литья металлов с низкой температурой плавле­ния (например, цинк и его сплавы) прессформы дела­ют из сталей 30ХГС, 40Х и даже сталей 45 и 50.

Для штампов и форм литья под давлением алюми­ниевых и магниевых сплавов, особенно для штампов сложных по конфигурации, небольших по размерам и работающих с большими ударными нагрузками, при­меняют мартенситностареющие стали.

Литье и прессование пластмасс связаны с износом и коррозией. Поскольку в этом случае температуры со­ставляют порядка 150—200° С, то для изготовления прессформ можно использовать как легированные, так и углеродистые улучшаемые или цементуемые стали. Применяют также и азотируемые стали. Иногда рабо­чую поверхность подвергают хромированию диффузи­онной металлизацией. Для коррозионностойкого ин­струмента используют стали 9X18, Х18МФ, Х14М, 30X13, 40X13.

Источник:
Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф. и др. Технология металлов и материаловедение М.: Металлургия, 1987