Краткая теоретическая часть
Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие хорошими служебными свойствами: высокой твердостью (60–65 HRCЭ), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента: режущего, измерительного и штампового. Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость) т. е. способность стали сохранять высокую твердость при нагреве (устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы). По теплостойкости все инструментальные стали делятся на три группы: нетеплостойкие, полутеплостойкие, теплостойкие.
Нетеплостойкими являются углеродистые и низколегированные высокоуглеродистые стали типа У8, У10А, У12, ХВ4, ХВГ и др., содержащие до 3–4 % легирующих элементов. Данные стали после закалки имеют высокую твердость и износостойкость в результате мартенситного превращения. При нагреве таких сталей после закалки до 200–300 °С основное количество углерода выделяется из мартенсита и начинается коагуляция карбидов цементитного типа. В результате сталь теряет твердость, износостойкость.
Полутеплостойкими являются средне – и высоколегированные (в основном хромом) стали: Х12Ф1, Х12, 9Х5Ф, 5ХНВ, 5ХГМ и др. Твердость этих сталей достигается закалкой на мартенсит. Однако при отпуске также образуется цементит (более легированный) и специальные карбиды, благодаря чему сталь сохраняет повышенную твердость до 300 – 500 °С.
Теплостойкими являются высоколегированные стали Р12, Р18, Р6М5 и др., которые приобретают большую твердость (60 – 65 HRCЭ ) в результате: а) мартенситного превращения при закалке и б) дисперсионного твердения при высоком отпуске (500 – 625 о С) за счет выделения дисперсных фаз-упрочнителей. Этими фазами являются сложные карбиды вольфрама, молибдена, ванадия. Такие стали относятся к ледебуритному классу и получили название быстрорежущих.*
На рис. 3 представлены кривые изменения твердости в зависимости от температуры отпуска нетеплостойкой стали У12 (1,2 % С), полутеплостойкой стали Х12Ф1 (1,3 % С, 12 % Сr, 1 % V) и теплостойкой стали Р18 (0,8 % С, 18 % W, 0,7 % Мо, 4 % Сr, 1,2 % V).
Рис. 3. Изменение твердости инструментальных сталей в зависимости от температуры отпуска
Кроме служебных свойств для инструментальных сталей большое значение имеют технологические свойства: прокаливае-мость, малые объемные изменения при закалке, обрабатываемость давлением, резанием, шлифуемость и др.
Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой «У» (углеродистая); следующая за ней цифра (У8, У10, У12 и т. д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква «А» в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная.
Легированные инструментальные стали Х, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т. д. маркируют цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание <1 %. Если содержание углерода ~1 % и более, то цифра чаще отсутствует. Буквы означают легирующие элементы, а следующие за ними цифры - содержание (в целых процентах) соответствующего элемента.
Быстрорежущие стали маркируют буквой «Р» («рапид» - скорость). Далее за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама (в процентах). Среднее содержание (в процентах) молибдена, кобальта и ванадия в стали обозначают цифрой, проставленной, соответственно, за буквой «М», «К» и «Ф». Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и по- этому в обозначении марки стали не указывается.
В данной работе изучается строение углеродистой стали У12 и быстрорежущей стали Р18 после различных технологических операций. Состав исследуемых сталей приведен ранее на стр. 14.
Структура стали У12.В литом состоянии структура стали состоит из зерен грубого пластинчатого перлита, окруженных цементитной сеткой. Наличие цементитной сетки делает сталь хрупкой, поэтому грубые выделения цементита раздробляются путем пластической деформации.
Для улучшения обрабатываемости резанием сталь отжигают, при этом пластинчатый перлит становится зернистым. В этом состоянии в структуре стали имеется феррит с большим числом мелких округлых включений цементита. Наряду с мелкими зернами цементита имеется небольшое число более крупных частиц цементита – это раздробленный при горячей деформации вторичный цементит.
Структура зернистого перлита наиболее благоприятна с точки зрения обрабатываемости резанием, а также для последующей термической обработки-закалки.
В закаленном состоянии сталь состоит из мартенсита, остаточного аустенита и вторичного цементита. Для снятия внутренних напряжений и превращения остаточного аустенита в мартенсит инструмент подвергается низкому отпуску.
После окончательной термообработки структура стали состоит из отпущенного мартенсита и вторичного цементита. Такое структурное состояние обеспечивает высокую твердость и износостойкость и хорошие режущие свойства при небольших скоростях резания.
Структура стали Р18.Основным легирующими элементами быстрорежущей стали являются хром и вольфрам – оба активные карбидообразующие элементы. Красностойкость быстрорежущей стали создается именно этими элементами. Количество карбидообразующих элементов таково, что они связывают почти весь углерод в специальные карбиды типа Me6C.
Процесс кристаллизации Р18 завершается образованием ледебуритной эвтектики. После окончания кристаллизации быстрорежущая сталь состоит из аустенита и ледебурита и имеет структуру аналогичную белому чугуну. Эвтектика высоко- вольфрамовых сплавов имеет скелетное строение. При дальнейшем охлаждении из аустенита выделяются вторичные карбиды, а затем происходит эфтектоидный распад аустенита на феррит и карбиды.
Таким образом, в структуре литой стали Р18 при комнатной температуре находятся перлит, вторичные карбиды и ледебурит.
Для раздробления крупных карбидов эвтектики быстрорежущую сталь проковывают. После ковки и последующего отжига структура стали состоит из сорбитоподобного зернистого эвтектоида, на фоне которого видны крупные вторичные карбиды и еще более крупные первичные карбиды, полученные путем дробления ледебурита.
Окончательными операциями термообработки являются закалка и отпуск. Эти операции у стали Р18 имеют некоторые особенности:
1. С целью растворения в аустените максимального количества вторичных карбидов, нагрев под закалку проводят до очень высокой температуры – 1280 °С. При таком нагреве получается очень высоколегированный аустенит, который закаливается даже при охлаждении на воздухе.
В закаленном состоянии сталь состоит из мартенсита, первичных карбидов и остаточного аустенита, количество которого достигает 30 – 35 %.
2. Низкий отпуск быстрорежущей стали для более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит проводят при температуре 560 °С трехкратно. После такого отпуска структура стали состоит из высоколегированного отпущенного мелко-игольчатого мартенсита и карбидов.
В таком состоянии сталь имеет твердость HRCЭ 62 – 64, высокую износостойкость из–за наличия избыточных специальных карбидов и хорошую красностойкость, т. е. способность сохранять режущие свойства при нагревании благодаря высокой легированности мартенсита.
Режущий инструмент из быстрорежущей стали сохраняет режущие свойства при нагревании до 560 – 580 °С.