Стали конструкционные низколегированные для сварных конструкций. Сталь 09Г2; Сталь 17Г1С; Сталь 16Г2АФ; Сталь 15Г2АФД п.с.; Сталь 35ГС

Стали низкоуглеродистые (0,1…0,35 % С). Основные легирующие элементы – Si, Mn, Al, V, Cu.

Из стали 09Г2 изготовляют стойки ферм, хребтовые балки, двутавры, детали экскаваторов, вагонов. sв = 440 МПа, d = 21 %, HB = 2000 …3000 МПа.

Из стали 10Г2С1 изготовляют сварные конструкции, работающие при температуре от –70 °С до +475 °С (сосуды и части паровых котлов). sв = 430 …530 МПа, d = 21 %.

Стали конструкционные подшипниковые. Шарикоподшипни-

ковые стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, высокой прочностью и иметь высокий предел выносливости, так как детали подшипника (шарики, ролики, кольца) воспринимают значительные знакопеременные нагрузки. К шарикоподшипниковым сталям предъявляются высокие требования по минимальному содержанию неметаллических включений, различных дефектов (пор, пузырей и др.) и карбидной неоднородности. Эти дефекты являются концентратами напряжений, вызывающими образование трещин и выкрашивание металла, что приводит к разрушению, подшипника.

Для подшипников применяют следующие марки стали: ШХ6, ШХ9, ШХ15, и ШХ15СГ, которые содержат углерода от 0,95 до 1,15 %, хрома от 0,4 до 1,65 %, марганца от 0,20 до 1,20 %, кремния от 0,17 до 0,65 %. Во всех указанных сталях серы < 0,020 %, фосфора < 0,027 %, никеля < 0,3 % и меди <0,25 %.

Термическая обработка указанных сталей включает операции отжига, закалки и отпуска. Отжиг необходим для снижения твердости и получения зернистого перлита. Закалка с температуры нагрева 830 – 840 °С, охлаждение в масле, отпуск при 150 – 160 °С в течение 1 – 2 ч. Структура – мелко-игольчатый мартенсит с равномерно распределенными карбидами. Твердость HRC > 62.

Для крупных подшипников диаметром 0,5 – 2 м применяют цементную сталь 20Х2Н4А.

Сталь Х18 (0,9 – 1,0 % С, 17 – 19 % Сr, другие элементы в обычных пределах) применяется для подшипников, работающих в химически агрессивных средах (морская вода, растворы кислот и солей, органические среды и т. д.).

Высокое содержание хрома придает стали повышенную коррозионную стойкость. Термическая обработка для получения высокой твердости и стабильности в размерах состоит из закалки при температуре 1000 – 1050 °С с охлаждением в масле, обработки холодом при температуре 203 К ( –70 °С) и отпуска при 150 – 160 °С. Твердость после обработки HRC 60 – 61. Подшипники, работающие при температуре 400 – 500 °С, изготовляют из быстрорежущей стали.

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сечений обычно используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15 (0,95 …1,0 % С и 1,3…1,65 % Cr), а больших сечений - хромомарганцевую сталь ШХ15СГ (0,95…1,05 % С; 0,9…1,2 % Cr; 0,4…0,65 % Si и 1,3…1,65 % Mn), прокаливающуюся на большую глубину. Эти стали обладают высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. К ним предъявляются высокие требования по содержанию неметаллических включений, вызывающих преждевременное усталостное разрушение.

Из стали ШХ15 изготовляют шарики до Æ 150мм, ролики Æ до 23мм, втулки плунжеров, корпуса распылителей, где требуется высокая износостойкость и контактная прочность. sв = 590 …730 МПа, d = 15…25 %, HB = 1790 …2070 МПа.

Из стали ШХ15СГ изготовляют крупногабаритные кольца шарико- и роликоподшипников, шарики и ролики.

Для изготовления деталей подшипников качения, работающих при высоких динамических нагрузках, применяют цементируемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ. После газовой цементации, высокого отпуска, закалки и отпуска детали подшипника из стали 20Х2Н4А имеют на поверхности 58 …62 HRC и в сердцевине 35 …45 HRC.

В сталях ШХ15-Ш, ШХ20СГ-Ш, ШХ4-Ш буква Ш означает шлаковый электропереплав, обеспечивающий содержание вредных примесей в пределах: S < 0,01 %, P < 0,025 %.

Сталь ШХ15-ШД используется для прецизионных подшипников. Сталь получают методом переплава в вакуумно-дуговой печи (буква Д) электродов из стали ШХ15, изготовленных из металла электрошлакового переплава (буква Ш). Механические свойства стали: после отжига - sв = 590 …735 МПа, d = 15 …25%, HB = 1790…2070 МПа. После термообработки: закалка + низкотемпературный отпуск): sв = 1700…2160 МПа, d = 0, HRС = 61…65.

Сталь 95Х18 является коррозионно-стойкой подшипниковой сталью и применяется при изготовлении деталей нефтяного оборудования, деталей, работающих в морской воде, растворах кислот, щелочей, солей и т.д.

Рессорно-пружинные стали. Обычно для изготовления пружин и рессор используют легированные стали. Эти стали должны обладать высоким пределом упругости и пределом выносливости. Этим условиям удовлетворяют углеродистые стали с содержанием 0,5 – 0,7 % С, дополнительно легированные кремнием, марганцем, хромом, ванадием и вольфрамом.

Стали 60С2ХФА и 65С2ВА, имеющие высокие прокаливаемость, прочность и релаксационную стойкость, применяют для изготовления крупных высоконагруженных пружин и рессор. (Сталь 65С2ВА – s0,2 = 1700 МПа, sв = 1900 МПа, d = 5 %, y = 20 %). Когда упругие элементы работают в условиях сильных динамических нагрузок, применяют сталь с никелем 60С2Н2А.

Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА, которая по техническим свойствам превосходит кремнистые стали. Для клапанных пружин рекомендуется сталь 50ХФА, не склонная к перегреву и обезуглероживанию.

Область применения сталей 60Г, 65ГА, 70Г – рессоры, пружинные кольца, шайбы Гравера; 60С2А – спиральные пружины из проволоки в станкостроении; 50ХФА, 55С2ГФ – рессоры легковых автомобилей; 70С2ХА – пружины часовых механизмов; 60С2Н2А – особо высокоответственные и высоконагруженные пружины и рессоры.

Наилучшие пружинные стали: сталь 12Х18Н9Т, из которой изготовляют пружины, работающие в агрессивных средах (станкостроение); из стали 36НХТЮ изготовляют упругие чувствительные элементы приборов и деталей в агрессивных средах (станкостроение).

Для получения наиболее высокого предела упругости рессорные листы и пружины после закалки отпускают при температуре 400 – 500 °С.

Для увеличения срока службы готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью. При этом в наклепанном слое возникают напряжения сжатия и уменьшается вредное действие поверхностных дефектов (грубых рисок, трещин, обезуглероживание и др.).

Наиболее высокими механическими свойствами обладают стали марок: 50ХФА, 70СЗА, 60С2ХА, 60С2Н2А.

Пружины также изготовляют из шлифованной холоднотянутой проволоки – серебрянки. Чаще применяют углеродистые стали марок: У8, У10, Сталь 65Г.

Быстрорежущие инструментальные стали. Быстрорежущие стали – наиболее характерны для режущих инструментов при механической обработке различными методами. Они сочетают высокую теплостойкость (600…650 °С) с высокой рабочей твердостью (HRС 68…70), износостойкостью при повышенных температурах и повышенным сопротивлением пластической деформации.

Быстрорежущие стали позволяют повысить скорость резания в 2…4 раза по сравнению со скоростями, применяемыми при обработке инструментами из углеродистых и легированных инструментальных сталей.

Высокие режущие свойства быстрорежущих сталей обеспечиваются легированием сильными карбидообразующими элементами (W-Mo-V), а также (Co-Al) для оптимизации режимов термообработки.

В зависимости от химического состава, а следовательно и уровня основных свойств, быстрорежущие стали подразделяются на стали нормальной теплостойкости (производительности), которые содержат не более 2 % V (Р18, Р9, Р6М5) и стали повышенной теплостойкости (производительности), которые содержат свыше 2 % V и дополнительно легированы Co (Р12Ф3, Р6М5Ф3, Р18К5Ф2Ю Р9К2, Р6М5К5).

Высокованадиевые стали обладают повышенной износостойкостью из-за наличия высокотвердого карбида MC (V > 1,5 %). Введение кобальта повышает теплостойкость и теплопроводность. Вольфрам и молибден образуют карбид M6C, который и обеспечивает основу всех свойств данных сталей.

Быстрорежущие стали нормальной теплостойкости. Р9 – 0,8…0,95 % С; 3,8…3,4 % Cr; 8,5…9,5 % W; 2,3…2,7 % V. Применяется для изготовления инструмента, для обработки обычных конструкционных сталей. HRC62.

Р18 – 0,7…0,8 % С; 3,8…4,4 % Cr; 17…18 % W; 1,0…1,4 % V. изготовляют резцы, сверла, фрезы, долбяки, развертки, зенкеры, метчики, протяжки для обработки конструкционных материалов с прочностью до 1000 МПа при сохранении режущих свойств (твердости HRC62) до 600 °С.

Р6М5 – 0,8…0,9 % С; 3,8…4,4 % Cr; 5,5…6,5 % W; 5…5,5 % Mo; 2,3…2,7 % W; 0,05…0,1 % N. Используют для инструмента при обработке конструкционных сталей прочностью до 1000 МПа. HRC 64.

Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости. Р6М5Ф3 – 0,95…1 % С; 3,8…4,3 % Cr; 5,7…6,7 % W; 5,5…6,0 % Mo; 2,3…2,7 % V. Используют для чистового и получистового инструмента (фасонные резцы, развертки, фрезы) при обработке на повышенных скоростях углеродистых и легированных инструментальных сталей. HRС64.

для изготовления всех видов инструментов для обработки не упрочненных сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов применяют следующие стали: 11Р3АМ3Ф2 – 1,0…1,1 % С; 3,8…4,3 % Cr; 2,5…3,3 % W; 2,3…3,0 % Mo; 2,2…2,6 % V; 0,05…0,1 % N и сталь 9Х4М3Ф2АГСТ – 0,87…0,97 % C; 0,55…0,75 % Mn; 0,5…0,75 % Si; 4,0…4,5 % Cr; до 0,6 % W; 1,6…2,1 % V; 2,7…3,2 % Mo; 0,04…0,1 % N; доп. сод. 0,15…0,25 % Ti, до 0,003 % B, до 0,08 % P3M, до 0,08 % Ca. Средняя твердость после термообработки HRC 62…63.

Быстрорежущие стали широко применяются для режущих инструментов, работающих в условиях значительного нагружения и нагрева рабочих кромок. Обладая достаточно высокой стабильностью механических и эксплуатационных свойств, данный инструмент является основой создания гибкого автоматизированного производства.

Конструкционные цементируемые (нитроцементируемые) легированные стали. Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0,15…0,25 % С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

Хромистые стали 15Х, 20Х. предназначены для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых на глубину 1,0…1,5 мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при меньшей пластичности в сердцевине и большей прочности в цементируемом слое, чувствительны к перегреву, прокаливаемость их невелика. Сталь 20Х – sв = 800 МПа, s0,2 = 650 МПа, d = 11 %, y = 40 %.

Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0,1…0,2 %) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Их используют только для изготовления сравнительно небольших деталей.

Хромоникелевые стали. применяются для крупных деталей ответственного значения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Эти стали обеспечивают повышенную прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. Они малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом.

Сталь 12Х2Н4А – sв = 1150 МПа, s0,2 = 950 МПа, d = 10 %, y = 50 %.

Хромомарганцевые стали. применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми. В автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.

Сталь 25ХГМ – sв = 1200 МПв, s0,2 = 1100 МПа, d = 10 %, y = 45 %.

Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. На ВАЗе широко применяют стали 20ХГНМ, 19ХГН и 14ХГН. После цементации эти стали имеют высокие механические свойства.

Сталь 15ХГН2ТА – sв = 950 МПа, s0,2 = 750 МПа, d = 11%, y = 55 %.

Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву. В промышленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяют сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР.

Сталь 20ХГНР – sв = 1300 МПа, s0,2 = 1200 МПа, d = 10%, y = 09 %.

Конструкционные улучшаемые легированные стали. Стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений в изделиях, работающих при многократном приложении нагрузок, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали обладают хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению - низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины КСТ и вязкость разрушения К1с.

Хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяют для средненагруженных деталей небольших размеров. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей не высокая.

Сталь 30Х - sв=900 МПа, s0,2=700 МПа, d=12%, y=45%.

Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом (0,9…1,2 %) и марганцем (0,9…1,2 %) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью (40ХГ). Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от 20 до – 60°С), склонность к отпускной хрупкости и росту зерна аустенита при нагреве.

Сталь 40ХГТР – sв = 1000 МПа, s0,2 = 800 МПа, d = 11%, y = 45 %.

Хромокремнемарганцевые стали. комплексом высоких свойств обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил применяют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (самолетостроение). Эти стали склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

Сталь 30ХГС – sв = 1100 МПа, s0,2 = 850 МПа, d = 10 %, y = 45 %.

Хромоникелевые стали обладают высокими прокаливаемостью, прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.

Сталь 40ХН – sв = 1000 МПа, s0,2 = 800 МПа, d = 11%, y = 45 %.

Хромоникелемолибденовые стали. Хромоникелевые стали обладают склонностью к обратимой отпускной хрупкости, для устранения которой детали небольших размеров охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали - в воде. Кроме того, стали дополнительно легируют молибденом (40ХН2МА) или вольфрамом.

Сталь 40ХН2МА – sв = 1100 МПа, s0,2 = 950 МПа, d = 12 %, y = 50 %.

Хромоникелемолибденованадиевые стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Недостатками сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин.

Сталь 38ХН3МФА – sв = 1200 МПа, s0,2 = 1100 МПа, d = 12 %, y = 50 %.

Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы. Жаростойкие стали и сплавы. Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)2O3, (Al, Fe)2O3.

Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие жаропрочностью.

Сталь 12Х17 – sв = 520 МПа, s0,2 = 350 МПа, d = 30 %, y = 75 %.

Коррозионно-стойкие стали устойчивы к электрохимической коррозии. Стали 12Х13 и 20Х13 применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие слабоагрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот).

Стали 30Х13 и 40Х13 используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д.

Стали 15Х25Т и 15Х28 применяют чаще без термической обработки для изготовления сварных деталей, работающих в более агрессивных средах и не подвергающихся действию ударных нагрузок, при температуре эксплуатации не ниже – 20 °С.

Сталь 12Х18Н10Т наиболее часто применяют для работы в окислительных средах (азотная кислота).

Сталь 12Х13 – sв = 750 МПа, s0,2 = 500 МПа, d = 20 %, y = 65 %.

Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Сплав 04ХН40МДТЮ предназначен для работы при больших нагрузках в растворах серной кислоты.

Для изготовления аппаратуры, работающей в солянокислых средах, растворах серной и фосфорной кислот, применяют никелевый сплав Н70МФ. Сплавы на основе Ni-Mo имеют высокое сопротивление коррозии в растворах азотной кислоты.

для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, солянокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах часто используют сплав ХН65МВ.

Сплав Н70МФ – sв = 950 МПа, s0,2 = 480 МПа, d = 50 %.

Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т. д., работающих при высоких температурах.Способность стали сопротивляться окислению при высокой температуре ( > 550 °С) называется жаростойкостью.

Степень жаростойкости зависит от количества находящихся в стали легирующих элементов: хрома, кремния, алюминия, причем, чем больше содержится в стали этих элементов, тем выше жаростойкость. Например, сталь 12X17 с содержанием хрома 17% жаростойка до температуры 900 °С, сталь 15X28 (28 % Сr) – до температуры 1150 °С.

Жаропрочность характеризуется пределом ползучести (напряжением, вызывающим деформацию заданной величины, например от 0,1 до 1 % за 100, 300, 500, 1000 ч при заданной температуре) и пределом длительной прочности (напряжением, вызывающим разрушение при данной температуре, за данный интервал времени). Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по температуре эксплуатации. Например, для работы при температурах 400 – 550 °С применяют стали перлитного класса (15ХМ, 12Х1МФ). Эти стали подвергаются нормализации с температуры 950 – 1050 °С и отпуску при 650 – 750 °С с получением структуры сорбита и карбидов пластинчатой формы

Жаропрочные стали благодаря невысокой стоимости широко применяются в высокотемпературной технике, их рабочая температура 500…750°С.

Механические свойства сталей перлитного класса (12К, 15К, 18К, 22К, 12Х1МФ): sв = 360…490 МПа, s0,2 = 220…280 МПа, d = 24…19 %. Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность.

Стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов (15Х11МФ, 40Х9С2, 40Х10С2М) применяют для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок.

Стали аустенитного класса (10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н18В2БР) предназначены для изготовления пароперегревателей и турбоприводов силовых установок высокого давления.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе находят широкое применение в различных областях техники (авиационные двигатели, стационарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и т. д.).

Часто используют сплав ХН70ВТЮ, обладающий хорошей жаропрочностью и достаточной пластичностью при 700…800°С.

Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергают алитированию.

Строительные стали. низколегированные стали.Низколегированными называют стали, содержащие не более 0,22 % С и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов: до 1,8 % Mn, до 1,2 % Si, до 0,8 % Cr и другие.

К этим сталям относятся стали 09Г2, 09ГС, 17ГС, 10Г2С1, 14Г2, 12ГС, 15ХСНД, 10ХНДП и многие другие. Стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки. Низколегированные низкоуглеродистые стали хорошо свариваются.

Для изготовления труб большого диаметра применяют сталь 17ГС (s0,2 = 360 МПа, sв = 520 МПа).

Арматурные стали.Для армирования железобетонных конструкций применяют углеродистую или низкоуглеродистую сталь в виде гладких или периодического профиля стержней марки……….

Автоматные стали. Автоматные стали А12, А20, А30, А40Г (0,08 – 0,45 % С) имеют повышенное содержание серы (0,08 – 0,30 %) и фосфора (0,08 – 0,06 %) и отличаются хорошей обрабатываемостью на металлорежущих станках. Причиной этого является образование сульфида марганца MnS, способствующего образованию короткой и ломкой стружки, что повышает стойкость инструмента и увеличивает скорость резания. Фосфор, повышая твердость и снижая пластичность стали, способствует получению гладкой блестящей поверхности при резании, но, улучшая обрабатываемость резанием, сера и фосфор ухудшают качество стали. Автоматные стали имеют пониженные вязкость и пластичность в поперечном направлении, усталостную прочность и коррозионную стойкость. Автоматные стали применяют для малоответственных деталей (крепежные детали, втулки и др.).

В последнее время применяют качественные углеродистые и легированные стали с добавками свинца (0,15 – 0,30 %), улучшающего обрабатываемость.

Высокомарганцовистая сталь. Высокомарганцовистая сталь Г13Л (сталь Гатфильда) содержит 1,2 % С и 13 % Мn, имеет высокую износостойкость в условиях ударных нагрузок, вызывающих поверхностный наклеп, высокую прочность 785 – 981 МПа (80 – 100 кгс/мм2) при низкой твердости (НВ 180 – 220).

Сталь закаливается в воде с температуры 1050 – 1100 °С с образованием аустенитной структуры. Сталь применяют для изготовления трамвайных стрелок, черпаков экскаваторов, траков гусениц тракторов, деталей – камнедробилок и др.

 

ГЛАВА V ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Инструментальные стали по назначению подразделяются на три группы: стали для режущего инструмента, стали для измерительного инструмента и стали для штампов и пресс-форм.

 

§ 5.1. Стали для режущего инструмента

Стали для режущего инструмента (резцов, сверл, метчиков, фрез и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью.

Режущий инструмент изготовляют из углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей.

Углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А, стоящая за цифрами, указывает, что сталь высококачественная, содержащая серы и фосфора не более 0,025%. Углеродистые инструментальные стали подразделяются на марки: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. Для улучшения обрабатываемости эти стали отжигают на зернистый перлит при температуре несколько выше точки Ас3 т. е. при температуре 760 – 780 °С. Для получения высокой твердости HRC 60 – 64 сталь закаливают с охлаждением в воде или водных растворах щелочей, так как она имеет малую устойчивость переохлажденного аустенита. Температура закалки углеродистых сталей показана на рис. 5.1. Эти стали обладают небольшой прокаливаемостью, поэтому они применяются только для инструментов небольшого сечения (критический диаметр 10 – 12 мм).

Структура сталей У7 – У9 в закаленном состоянии состоит из мартенсита, сталей У10А – У13А – из мартенсита и избыточных карбидов.

Для уменьшения коробления углеродистые стали подвергают ступенчатой закалке. Отпускают инструмент из углеродистых сталей при разных температурах в зависимости от назначения и требуемой твердости.

Сталь У7 применяется для изготовления инструментов, подвергающихся ударам и требующих повышенной вязкости при умеренной твердости (зубила, кузнечные штампы, клейма). Температура отпуска 250 – 325 °С, твердость HRC 48 – 55. Сталь У8 применяется для изготовления инструментов, требующих высокой твердости и хорошей вязкости (матрицы, пуансоны, ножи). Температура отпуска 200 – 220 °С, твердость HRC 60 – 62. Стали У9А и У10А отпускают при температуре 150 – 200 °С, твердость HRC 60 – 62 (метчики, сверла, фрезы и др.). Стали У12А, У13А применяются для изготовления напильников, ножовок, бритв и т. д., требующих высокой износостойкости и твердости. Эти стали отпускают при температуре 150 – 180 °С, твердость HRC 62 – 64.

Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют следующие преимущества: большую прокаливаемость, меньший рост зерна при нагреве под закалку, возможность применения при закалке масла и горячих сред. Критический диаметр достигает40 – 80 мм.

Меньшая скорость охлаждения при закалке уменьшает опасность образования трещин, деформации и коробления. Химический состав некоторых легированных сталей, применяемых для изготовления режущих инструментов, приведен в табл. 5.1. Режимы термической обработки инструментальных легированных сталей даны в табл. 5.2.

Сталь X применяют для изготовления токарных, строгальных и долбежных резцов. Прокаливается в сечении до 25 мм. Сталь 9ХС применяют для изготовления сверл, фрез, метчиков, плашек, разверток. Прокаливается в сечении до 35 мм. Сталь 13Х применяется для изготовления мелких инструментов, бритвенных ножей, лезвий, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов. Критический диаметр при закалке в масле 10 – 15 мм. Сталь 11ХФ применяется для изготовления метчиков и других режущих инструментов диаметром до 30 мм. Сталь 9ХФ применяется для изготовления пил, ножей, кернеров, пуансонов для холодной обрезки заусенцев. Сталь ХВГ применяется для изготовления плашек, клейм, разверток.

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 С,%

 

Рис 5.1. Температура закалки углеродистых сталей

Таблица 5.1.

Химический состав некоторых легированных сталей для режущих инструментов (ГОСТ 5950 – 73), %

Марка стали Элементы
С Mn Si Cr W – V
Х 9ХС 13Х 11ХФ 9ХФ ХВГ ХВСГ   0,85 – 0,95 1,25 – 1,40 1,05– 1,15 0,80 – 0,90 0,90 – 1,05 0,95 – 1,05   0,30 – 0,60 0,30 – 0,60 0,40 – 0,70 0,30 – 0,60 0,80 – 1,10 0,60 – 0,90   1,20 –1,60 <0,35 <0,35 <0,35 <0,35 0,65 – 1,10   0,95 – 1,25 0,40 – 0,70 0,40 – 0,70 0,40 – 0,70 0,90 – 1,20 0,60 – 1,10   ВЗЯТЬ С ГОСТА

 

Таблица 5.2.

Режимы термической обработки инструментальных легированных сталей

Марка стали Отжиг Закалка Отпуск
Т, °С НВ, не более Т, °С Среда охлаждения HRC Т, °С HRC
Х 9ХС 13Х 11ХФ 9ХФ ХВГ ХВСГ   790 – 810 750 – 790 750 –790 760 – 790 780 – 800 790 – 810     840 – 860 810 – 830 840 – 860 850 – 880 830 – 850 840 – 860   Масло Масло Масло Масло Масло Масло   62 – 63 62 – 64 62 – 64 61 – 64 62 – 63 62 – 63   180 – 250 150 – 170 150 – 170 200 – 2150 150 – 200 140 – 160   58 – 62 62 – 65 62 – 65 58 – 60 60 – 62 60 – 62

 

Таблица 5.3.

Химический состав (%) и теплостойкость быстрорежущих сталей (ГОСТ 19265 – 73)

Марка стали Элементы
C Cr W V Mo Co Теплостойкость
Р18 Р9 Р6М5 Р14Ф4 Р10К5Ф5   0,7 – 0,8 0,85–0,95 0,80–0,88 1,20-1,30 1,45-1,55   3,8-4,4 3,5-4,4 3,8-4,4 4,0-4,6 4,0-4,6 17,0-18,5 8,5-10,0 5,5-6,5 13,0-14,5 10,0-11,5 1,0-1,4 2,0-2,6 1,7-2,1 3,4-4,1 4,3-5,1 1,0 1,0 5,0-5,5 1,0 1,0 – – – – 5,0-6,0  

 

 

 

Рис. 5.2. Схема режимов термической обработки инструментов из быстрорежущей стали: а) – без обработки холодом, б) – с обработкой холодом.

 

изготовления протяжек, длинных метчиков, разверток и других изделий. Сталь ХВСГ применяется для изготовления плашек, клейм, разверток.

Легированные инструментальные стали, так же как и углеродистые, не обладают теплостойкостью, и инструменты, изготовленные из них, могут быть использованы только для резания с небольшой скоростью.

Быстрорежущие стали обозначают буквой Р (рапид – скорость), цифры после этой буквы указывают содержание основного легирующего элемента – вольфрама в процентах.

Дополнительное легирование быстрорежущих сталей молибденом, кобальтом, ванадием обозначается в марке буквами М, К, Ф и цифрами, показывающими их количество.

Содержание ванадия (до 2%) и хрома (примерно 4% во всех сталях) в марке не указывается.

Быстрорежущие стали предназначены для изготовления высокопроизводительного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Имеют высокую теплостойкость (красностойкость) (до 620 – 640 °С) и износостойкость.

Теплостойкость (сохранение высокой твердости при нагреве до температуры 500 – 620 °С) достигается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием).

В литом состоянии в быстрорежущей стали имеются три типа карбидов: первичные (ледебуритная эвтектика), вторичные, выделившиеся при охлаждении из аустенита, и эвтектоидные в результате перлитного превращения, т. е. распада аустенита на легированный феррит и мелкие (эвтектоидные) карбиды.

Для разрушения эвтектики на отдельные карбиды и устранения хрупкости литую быстрорежущую сталь подвергают горячей обработке (ковке, прокатке) и отжигу при температуре 830 – 850 °С. Твердость после отжига 207 – 255 НВ.

При закалке быстрорежущие стали нагреваются до высоких температур (значительно выше Ас3), что обеспечивает получение высоколегированного аустенита, который при закалке превращается в мартенсит с тем же содержанием легирующих элементов,

Закалка осуществляется таким образом: медленный нагрев до 800 – 850 °С, выдержка при этой температуре (для выравнивания температуры по сечению), быстрый нагрев до температуры закалки, кратковременная выдержка и охлаждение в масле.

Структура после закалки: мартенсит + карбиды + остаточный аустенит, количество которого весьма значительно – до 30%, так как при столь высоких температурах нагрева его устойчивость растет. Твердость после закалки HRC ~ 62.

После закалки быстрорежущую сталь подвергают отпуску при температуре 560 – 580 °С. При этом происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение из мартенсита мелкодисперсных карбидов ванадия и вольфрама. Твердость быстрорежущей стали повышается до HRC ~ 64.

Для наиболее полного превращения аустенита в мартенсит дается двух-трехкратный отпуск по 1 ч (рис. 5.2, а)

Микроструктура быстрорежущей стали после закалки и отпуска показана на рис. 5.3.

Температура конца превращения аустенита в мартенсит (Мк) быстрорежущей стали ниже нуля. Поэтому для более полного превращения аустенита в мартенсит сталь можно обрабатывать холодом при температуре 198 – 193 К (от –75 до – 80 °С) (рис. 5.2, б). Применение обработки холодом сокращает длительность цикла термической обработки.

В плохо отожженной быстрорежущей стали после закалки при нормальной твердости и нормальном количестве остаточного аустенита наблюдается грубозернистый чешуйчатый излом, напоминающий по виду нафталин. Сталь оказывается очень хрупкой. Этот вид брака называется нафталиновым изломом.

При недостаточной проковке наблюдается карбидная ликвация, что увеличивает хрупкость стали и понижает стойкость инструмента.

 
 

Для улучшения режущих свойств некоторые инструменты дополнительно обрабатывают в жидких цианистых солях при температуре 520 – 580 °С. На поверхности быстрорежущей стали образуется цианированный тонкий слой 0,02 – 0,07 мм, имеющий высокую твердость (1000 – 1100 НV) и повышенную теплостойкость ~ 650 °С. Иногда после шлифования и заточки инструмента из быстрорежущей стали для повышения режущих свойств, антикоррозионной стойкости и улучшение товарного вида применяется обработка паром при температуре отпуска 550 – 570 °С. При такой обработке в результате реакции железа с паром на поверхности образуется пленка окиси железа Fe3O4 темно-синего цвета, имеющая большую прочность сцепления с металлом. Эффект повышения стойкости инструмента при этом объясняется добавочным отпуском и снятием

напряжений, возникших при заточке и шлифовании.

 

§ 5.2. Стали для измерительного инструмента

Стали для измерительных инструментов должны иметь высокую твердость, износостойкость и сохранять свои размеры в процессе эксплуатации. Для изготовления измерительных инструментов применяют стали следующих марок: X, ХВГ, У10А – У12А, 15, 15Х, 9ХС, 50, 50Х, 4X13 и др.

Для нагрева под закалку измерительного инструмента широко используют нагрев в соляных ваннах и токами высокой частоты

Для уменьшения деформации применяется ступенчатый нагрев. Для охлаждения применяют воду, масло, расплавленные соли и щелочи. Охлаждение в горячих средах при температуре 150 – 180 °С обеспечивает снижение деформаций, отсутствие трещин и более высокие механические свойства. Крупный инструмент охлаждают в воде с переносом в масло.

В закаленной высокоуглеродистой и легированных сталях с течением времени протекает процесс старения, при котором происходит частичный распад мартенсита и превращение остаточного аустенита в мартенсит. Это вызывает изменения объема и линейных размеров.

Для предупреждения старения измерительный инструмент после закалки обрабатывают холодом при температуре 223 – 203 К (от – 50 до –70 °С), а затем подвергают отпуску при 120 – 130 °С в течение 24 – 60 ч. Обработка холодом повышает твердость и стабилизирует размеры.

Отпуск уменьшает хрупкость, повышает вязкость и уменьшает внутренние напряжения.

Измерительный инструмент, изготовленный из цементируемых сталей (15, 20Х и др.), подвергают цементации на глубину 0,3 – 1,5 мм. После цементации производят закалку с температуры 780 – 800 °С с охлаждением в воде или в масле (20Х и др.) и последующим отпуском при 150 – 180 °С в течение 1 – 3 ч. После шлифования проводится процесс старение при 120 – 130 °С в течение 6 ч.

Инструмент повышенной точности из цементируемых марок стали после закалки подвергается обработке холодом при температуре 223 К ( – 50 °С),

Инструменты большого размера и сложной формы из стали 38ХМЮА подвергают азотированию.

 

§ 5.3. Стали для штампов

Для штампов холодной штамповки применяют стали марок: У10, У11, У12 (штампы простой формы, диаметром 25 – 30 мм, работающие в легких условиях); X, ХВГ (штампы более сложной формы, диаметром 75 – 100 мм, работающие в более тяжелых условиях). Стали повышенной износостойкости Х12Ф1 и другие приме­няют для изготовления вырубных и просечных штампов, пуансонов, матриц холодного выдавливания и др.).

Закаливают эту сталь с температуры 1080 – 1100 °С, охлаждают в масле или в соляной ванне с температурой 400 – 475 °С, а затем на воздухе. Для доводки штампов до требуемых размеров проводят одно или многократный отпуск при температуре 475 – 500 °С.

Стали повышенной вязкости 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С и другие применяют для ударных инструментов (зубила, обжимки, ножницы и др.). Закалка этих сталей производится в масле с температуры 840 – 900 °С, отпуск при температуре 240 – 270 °С; после термообработки HRC 52 – 59.

Стали для инструмента горячего деформирования должны обладать высокой прочностью, теплостойкостью (обеспечивающей сохранение необходимых прочностных свойств при нагреве), вязкостью (для предупреждения поломок и выкрашивания), устойчивостью против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении (разгаростойкостью), износостойкостью, окалиностойкостью, теплопроводностью (для лучшего отвода тепла от рабочей поверхности штампа), прокаливаемостью.

Штамповые инструменты нагреваются под закалку в соляных ваннах или камерных электрических и газовых печах в зависимости от размеров инструмента.

Для молотовых штампов широко применяют стали марок 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, а для вытяжных и высадочных штампов, а также форм для литья под давлением – стали ЗХ2В8Ф, 5ХЗВЗМФС повышенной теплостойкости.

Прочность при нагреве молотовых штампов сохраняется до 350 – 375 °С. Стали для молотовых штампов имеют высокую прокаливаемость и закаливаемость. Заготовки из стали 5ХНМ и 5ХГМ прокаливаются в сечениях до 300 мм, из стали 5ХНВ – в сечениях до 150 – 180 мм.

Структура после высокого отпуска – пластинчатый перлит и избыточный феррит.

Для предохранения от окисления и обезуглероживания рабочую поверхность штампа при нагреве засыпают отработанным карбюризатором (рис. 5.4.).

Штампы с высотой 250 – 700 мм нагревают до температуры закалки 11 – 23 ч, выдерживают 2 – 5,5 ч; для уменьшения напряжений и деформации штампы подстуживают на воздухе до 750 – 780 °С в течение 15 – 40 мин и охлаждают в масле или на воздухе.

Во время охлаждения штамп все время находится в подвешенном состоянии. Штамп выдерживают в масле от 30 мин до 2 ч, пока температура нагретой поверхности штампа не понизится до 150 – 200 °С.

 

Огнеупорная масса

Рис. 5.4. Защита молотовых штампов от окисления при нагреве

 

После закалки штампы немедленно подвергают отпуску. Штампы помещают в печь, нагретую до температуры не выше 400 °С, а затем нагревают до заданной температуры, выдерживают 1,5 – 5 ч.

Хвостовая часть штампа должна иметь повышенную вязкость, поэтому после общего отпуска производят дополнительно отпуск хвостовика.

Химический состав некоторых штамповых сталей для горячего деформирования приведены в таблице 5.4. Режимы предварительной и окончательной термической обработки штамповых сталей для горячего деформирования даны в табл. 5.5. и 5.6.

Таблица 5.4.

Химический состав некоторых штамповых сталей для горячего деформирования, %

 

Марка стали Элементы
C Si Mn Cr Mo Ni W V Ni
5ХНМ   5ХГМ   5ХНВ   5ХНВС   3Х2В8Ф   5Х3В3МФС   0,50 –0,60 0,50 –0,60 0,50 –0,60 0,50 – 0,60 0,30 – 0,40 0,45 – 0,52 0,15 – 0,35 0,25 – 0,60 0,15 – 0,35 0,60 – 0,90 0,15 – 0,40 0,50 – 0,80 0,50 – 1,20 1,60 – 0,90 0,50 – 0,80 0,30 – 0,60 0,15 – 0,40 0,30 – 0,60 0,50 – 0,80 0,60 – 0,90 0,50 – 0,80 1,30 – 1,60 2,20 – 2,70 2,50 – 3,20   0,15 – 0,30 0,15 – 0,30 –   –   –   0,8 – 1,10   1,40 –1,80 –   1,40 – 1,80 0,80 – 1,20 –   – –   –   0,40 – 0,70 0,40 – 0,70 7,5 – 8,5 3,0 – 3,6   –   –   –   –   0,20 – 0,50 1,50 – 1,80 –   –   –   –   –   0,05 – 0,15

 

Таблица 5.5.

Режимы предварительной термической обработки штамповых сталей для горячего деформирования

Марка стали Операция Температура нагрева, °С Охлаждение до температуры, °С/ч. Скорость охлаждения, °С/ч НВ
5ХНМ 5ХГМ 5ХНВ 5ХНВС 3Х2В8Ф 5Х3В3МФС Высокий отпуск. Высокий отпуск Отжиг Отжиг 700 – 720 680 – 700 700 – 720 730 – 750 840 – 860 840 – 880 40 – 50 40 – 50

 

Таблица 5.6.

Режимы окончательной термической обработки штамповых сталей для горячего деформирования

Марка стали Закалка Отпуск Теплостойкость, °С
Т, °С подогрева Т, °С закалки Среда охлаждения НRC Т, °С НRC
5ХНМ   5ХГМ   5ХНВ   5ХНВС   3Х2В8Ф 5Х3В3МФС 700 – 750   700 – 750   700 – 750   700 – 750   700 – 750 700 – 750 840 – 860   820 – 850   840 – 860   800 – 880   1130 – 1150 1120 – 1150 Масло   Масло   Масло   Масло   Масло Масло   ≥ 56   ≥ 50   ≥ 56   ≥ 56   49–52 53–56 500 – 550 400 – 480 480 – 540 410 – 440 530 – 550 400 – 520 560 – 600 500 – 550 640 –660 660 – 680 38 – 41 42 – 46 38 – 41 42 – 46 38 – 41 42 – 46 38 – 41 42 – 46 42 – 46 42 – 46   –      

Примечание. Продолжительность выдержки при двух подогревах при закалке определяют из расчета 20 – 25 мин на 25 мм высоты штампа (наименьшей стороны).


ГЛАВА VI. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ.

К этой группе относят стали с особыми химическими свойствами (нержавеющие стали) и с особыми физическими свойствами (магнитные, сплавы с высоким электросопротивлением и др.).

 

§ 6.1. Стали с особыми химическими свойствами

Нержавеющие (коррозионностойкие) стали обладают стойкостью против электрохимической коррозии. Коррозией называют разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Коррозия приводит к потере металла и приносит большие убытки.

Защита от коррозии производится: легированием (получение сталей, стойких против коррозии), металлическими покрытиями (цинкование, алитирование, лужение, хромирование, никелирование и др.), неметаллическими покрытиями (оксидирование – окисные пленки, фосфатирование, покрытие краской и лаком), распылением металла (кадмия, цинка и др.) на поверхность детали.

Нержавеющие стали содержат большое количество хрома или хрома и никеля.

Хромистые нержавеющие стали содержат не менее 12 % хрома. К этим сталям относятся, например, стали марок: 12X13 (0,09 – 0,15 % С, 12 – 14 % Сr); 40X13 (0,36 – 0,45 % С, 12 – 14 % Сr).

Закаливают сталь 12X13 в масле с температуры 1000 °С, отпускают при 700 °С. После полировки сталь имеет наибольшую коррозионную стойкость в слабоагрессивных средах (воздух, вода, пар). Твердость 200 – 250 НВ. Структура – феррит и карбиды хрома. Применяется для лопаток гидравлических и паровых турбин, клапанов гидравлических устройств, предметов домашнего обихода и др.

Сталь 40X13 применяют после закалки в масле с температуры 1050 °С и отпуска при температуре 180 – 200 °С со шлифовкой и полировкой поверхности. Твердость 52 – 55 HRC. Структура – мартенсит. Применяется для хирургического и бытового инструмента, шарикоподшипников и пружин, работающих в коррозионных средах.

Хромоникелевые нержавеющие стали содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода.

Нержавеющие аустенитные стали с 18 % хрома и 9 % никеля получили широкое промышленное применение. К этим сталям относятся, например, стали 12Х18Н9 (0,12 % С, 17 – 19 % Сr и 8 – 10 % Ni); 04Х18Н10 ( ≤0,4 % С, 17–19 % Сr, 9 – 11 % Ni).

Хромоникелевые стали подвергают закалке с 1100 – 1150 °С в воде. При нагреве карбиды хрома растворяются в аустените, а быстрое охлаждение фиксирует состояние пересыщенного твердого раствора. Весь хром сохраняется в твердом растворе, что обусловливает высокую коррозионную стойкость. После закалки сталь имеет низкую прочность, но высокую пластичность; 540 – 569 МПа (55 – 58 кгс/мм2) σ = 40 ÷ 45%, ψ = 55 ÷ 60%.

Холодной деформацией (наклепом) можно повысить прочность закаленной аустенитной стали до 1177 – 1275 МПа (120 – 130 кгс/мм2), но при этом снижается пластичность σ ~ 5%.

Для уменьшения склонности к межкристаллитной (или интеркристаллитной) коррозии (коррозионное разрушение по границам зерен) в сталь вводят карбидообразующие элементы титан, ниобий или уменьшают количество углерода до 0,04 %.

Титан или ниобий в процессе кристаллизации связывают углерод в тугоплавкие карбиды (TiC, NbC), которые не растворяются в аустените при нагреве стали для закалки. Это исключает возможность образования карбидов хрома и уменьшение его концентрации в аустените.