Маркировка инструментальных сталей

– углеродистые У8, У9 и т.д.

– легированные инструментальные х, 9х, 9хс, 6хвг. Первая цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если содержание углерода ~1%, то цифра чаще отсутствует.

– быстрорежущие – буквой «Р»

 

Стали для режущего инструмента

Легированные стали повышенной прокаливаемости, не обладающие
теплостойкостью

Содержат 0,9…1,4 % углерода. В качестве легирующих элементов содержат хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний и другие. Общее содержание легирующих элементов до 5%.

Высокая твердость и износостойкость в основном определяются высоким содержанием углерода. Легирование используется для повышения закаливаемости и прокаливаемости, сохранения мелкого зерна, повышения прочности и вязкости.

Термическая обработка включает закалку и низкотемпературный отпуск, при температуре 150…200^oС, что обеспечивает твердость HRC 61…66. Иногда, для увеличения вязкости, температуру отпуска увеличивают до 300^oС, но при этом наблюдается снижение твердости HRC 55…60.

Хром увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.

Для деревообрабатывающего инструмента из сталей 6ХС и 9ХФ рекомендуется изотермическая закалка, значительно улучшающая вязкость.

Повышенное содержание кремния (сталь 9ХС) способствует увеличению прокаливаемости до 40 мм и повышению устойчивости мартенсита при отпуске. Недостатками сталей, содержащих кремний, являются чувствительность их к обезуглероживанию при термообработке, плохая обрабатываемость резанием и деформированием из-за упрочнения феррита кремнием.

Повышенное содержание марганца (стали ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при закалке. Это особенно важно для инструмента, имеющего большую длину при малом диаметре, например, протяжек.

Стали используются для изготовления инструмента и ударного, и режущего.

“Алмазная ” сталь ХВ5 содержит 5% вольфрама. Благодаря присутствию вольфрама, в термически обработанном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу. Твердость составляет HRC 65…67. Сталь используется для изготовления инструмента, сохраняющего длительное время острую режущую кромку и высокую размерную точность (развертки, фасонные резцы, граверный инструмент).

Быстрорежущие стали

Стали получили свое название за свойства. Вследствие высокой теплостойкости (550…650^oС), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания. При указанных температурах стали сохраняют мартенситную структуру.

Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного легирующего элемента – вольфрама, ~4% хрома, до 5 % молибдена, до 10 % кобальта. Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, за счет образования очень твердых частиц VC, но ухудшает щлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650^oС и вторичную твердость HRC 67…70.

Маркировка быстрорежущих сталей:

Маркируют буквой «Р». Следующая за буквой цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента – вольфрама в процентах; «М» – молибден, «К» – кобальт, «Ф» – ванадий. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4% и поэтому в марке не указывается.

Наиболее часто применяемые стали Р9, Р18, Р6М5 (0,9%C, 4%Cr, 6%W, 5%Mo). Для обработки высокопрочных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов применяют стали, содержащие кобальт: Р9К5, Р6М5К5, Р18К5Ф2.

Термическая обработка быстрорежущих сталей

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 отжиг стали при температуре 860…900^oС. 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 1280^oС. Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного Cr, W, Mo, V. Для снижения термических фазовых напряжений нагрев осуществляют ступенчато: замедляют нагрев при температурах 600…650^oС и при 850…900^oС. (см. рисунок).

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 560^oС. При нагреве под отпуск выше 400^oС наблюдается увеличение твердости. Это объясняется тем, что из легированного остаточного аустенита выделяются легированные карбиды. Менее легированный аустенит (вследствие выделения карбидов) при охлаждении от температуры отпуска превращается в мартенсит отпуска (М_н ~150°С), что вызывает прирост твердости. Увеличению твердости содействуют и выделившиеся при температуре отпуска мелкодисперсные карбиды легирующих элементов. Максимальная твердость достигается при температуре отпуска 560^oС.

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 … — 100^oС, после этого проводят однократный отпуск при температуре 560^oС для снятия напряжений.

Иногда для повышения износостойкости быстрорежущих сталей применяют низкотемпературное цианирование.

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

 

Стали для штампов

Стали для штампов холодного деформирования

Стали, используемые для изготовления штампов, работающих при нормальной температуре, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением пластическим деформациям, глубокой прокаливаемостью и малой деформируемостью при закалке (так как если в процессе термической обработки происходит искажение сложной конфигурации штампа, то необходимо проводить доводку, что не всегда возможно).

Термическая обработка – закалка + низкий отпуск.

Для штампов небольших размеров (до 25 мм) используют углеродистые инструментальные стали У10, У11, У12 после закалки и низкого отпуска на твердость 57…59 HRC. Это позволяет получить хорошую износостойкость и ударную вязкость.

Для более крупных изделий применяют легированные стали Х, Х9, Х6ВФ. Для повышения износостойкости инструмента после термической обработки проводят цианирование или хромирование рабочих поверхностей.

Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то используют стали, обладающие большей вязкостью (стали 4ХС4, 5ХНМ, 7ХГ2ВМ). Это достигается снижением содержания углерода, введением легирующих элементов и соответствующей термической обработкой. После закалки проводят высокий отпуск при температуре 480…580^oС, что обеспечивает твердость 38…45 HRC.

6Х6В3МФС (0,6%С, 6%Cr, 3%W, 0,8%V, 0,9%Si) применяют в тех случаях, когда требуется сталь с повышенным сопротивлением пластической деформации, после закалки и трехкратного отпуска от температуры 540°С.

Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

Стали для штампов горячего деформирования

Дополнительно к общим требованиям, от сталей этой группы требуется устойчивость против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении, окалиностойкость, высокая теплопроводность для отвода теплоты от рабочих поверхностей штампа. Многие штампы имеют большие размеры, поэтому сталь должна обладать высокой прокаливаемостью. Важно, чтобы сталь не была склонна к отпускной хрупкости.

Крупные ковочные штампы, а также инструмент ковочных машин и прессов, нагревающихся до температур 500–550°С изготавливают из полутеплостойких сталей 5ХНМ, 5ХГМ (во втором случае вместо дорого никеля добавлен марганец), 4ХСМФ. Вольфрам и молибден добавляют для снижения склонности к отпускной хрупкости.

Стали повышенной теплостойкости 3х2в8ф, 5х3в3мфс используют для штампов, претерпевающих при работе разогрев поверхности до 600–700°С. Повышенное содержание хрома и кремния значительно увеличивает окалиностойкость стали. Из них изготавливают пресс-формы для литья под давлением медных сплавов, тяжелонагруженный прессовый инструмент при деформации легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов. Превращения, протекающие при термической обработке этих сталей, во многом сходны с превращениями в быстрорежущей стали.

 

Твердые сплавы

В качестве материалов для инструментов используются твердые сплавы, которые состоят из твердых карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC) и связующей фазы (кобальтовая связка). Они изготавливаются методами порошковой металлургии.

В зависимости от состава карбидной основы твердые сплавы подразделяются на:

– вольфрамовые ВК3, ВК6, ВК8, ВК10 (цифры означают количество кобальта, остальное – карбид вольфрама). Например ВК6 (6%Co, 94%WC). Чем выше содержание кобальта, тем меньше износостойкость, но более высокая эксплуатационная прочность.

– титановольфрамовые Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12 (первые цифры указывают на количество карбида титана, вторые количество кобальта, остальное – карбид вольфрама). Например: Т14К8 (14% TiC, 8%Co, 78%WC). Сплавы этой группы лучше противостоят изнашиванию, обладают большей твердостью, тепло- и жаростойкостью, стойкостью к коррозии, но меньшей теплопроводностью и большей хрупкостью. Используются на средних и высоких скоростях резания.

– титанотанталовольфрамовые ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 (первые цифры – количество карбидов титана и тантала, вторые – количество кобальта, остальное – карбид вольфрама).

Характерной особенностью твердых сплавов является очень высокая твердость 87…92 HRC при достаточно высокой прочности (при сжатии – до 6000 МПа). Твердые сплавы отличаются большой износостойкостью и теплостойкостью (до 1000°С). Главными недостатками твердых сплавов являются их хрупкость и трудность механической обработки.

Твердые сплавы в виде пластин механическим способом или латунным припоем крепят на режущем инструменте. Инструменты с твердосплавными пластинами применяют в наиболее тяжелых условиях резания с максимальными скоростями при обработке чугунов, жаропрочных сталей и сплавов.

 

Алмаз как материал для изготовления инструментов

80 % добываемых природных алмазов и все синтетические алмазы используются в качестве инструментальных материалов.

Основное количество алмазов используется в виде алмазного порошка для изготовления алмазно-абразивного инструмента – шлифовальных кругов, притиров, хонов, надфилей и др., для обработки особо твердых металлов и горных пород. Большое значение имеют заточные круги для твердосплавного инструмента, это увеличивает производительность труда и срок службы инструмента. Повышение стойкости твердосплавного инструмента обеспечивается высокой чистотой (отсутствие зазубрин, мелких трещин) лезвия инструмента.

Алмазный инструмент изготовляется в виде алмазосодержащих кругов с бакелитовой или металлической связкой.

Также изготавливают алмазные резцы (для обработки корпусов часов), фильеры (для волочения проволоки из высокотвердых и драгоценных металлов) и др.

ТЕМА 9

Коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы.

9.1. Коррозия электрохимическая и химическая.

9.2. Коррозионно-стойкие стали и сплавы.

9.3. Жаростойкость, жаростойкие стали.

9.4. Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы.