Лекция 17 Инструментальные стали и сплавы

Стали, применяющиеся для изготовления различного инструмента, называются инструментальными. Высокую твердость, прочность, износостойкость они приобретают в результате термообработки.

Инструментальные стали подразделяются по структуре, химическому составу, свойствам и назначению.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали.

Классификация по свойствам учитывает теплостойкость (красностойкость) сталей, характеризующую предельные температуры нагрева в процессе резания, штамповки.

Инструментальные стали подразделяются на три группы:

1) нетеплостойкие (до 200°C) – эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые и легированные стали с 3...5% легирующих элементов;

2) полутеплостойкие (до 200...280°C) – главным образом ледебуритные легированные стали с содержанием 1...2,2% С и 3...18% Cr;

3) теплостойкие (до 600...650°C) – высоколегированные ледебуритные стали с содержанием 1% С и более 5% легирующих элементов (W, Мо, V и др.).

Углеродистые инструментальные стали в состоянии поставки плохо обрабатываются резанием. Перлит в них имеет пластинчатое строение.

Из сталей марок У7, У8, У7А, У8А изготавливают деревообрабатывающий инструмент (пилы, отвертки, стамески, буравы, топоры, долота), слесарный и кузнечный инструмент (кернеры, зубила, клейма, кузнечные штампы), другие изделия, подвергающиеся ударным нагрузкам.

Стали марок У9, У10, У11, У9А, У10А, У11А идут для изготовления инструмента, не подвергающегося ударным нагрузкам, требующего высокой твердости режущей грани (фрезы, зенкеры, сверла, метчики, развертки, плашки, резцы, ленточные пилы, медицинский инструмент, ножи для резки кожи, листовые и вытяжные штампы и т. д.).

Стали марок У12, У13, У12А, У13А применяются для инструментов высокой твердости и износостойкости, не подвергающихся ударным нагрузкам (напильники, резцы, шаберы, гравировальный и измерительный инструмент, зубила для насечки напильников, волочильный инструмент, ручные метчики, сверла и др.).

Задача легирования инструментальных сталей – повысить твердость, прокаливаемость и теплостойкость. В качестве легирующих элементов применяют карбидообразующие элементы, т.к. именно специальные карбиды при повышенных температурах обладают высокой твердостью.

Очень важно, что легирование позволяет понизить критическую скорость закалки, а следовательно, расширяет выбор охлаждающих сред. Легирование позволяет в ряде случаев значительно увеличить и прокаливаемость стали. По этому параметру различают стали небольшой и повышенной прокаливаемости.

Стали повышенной твердости В2Ф, ХВ4 (соответственно HRC 62...65 и 65...67) хорошо сохраняют остроту режущей кромки, что обеспечивает чистую поверхность обрабатываемого металла. Из них изготавливают инструмент, работающий без динамических нагрузок: ножовочные полотна (стойкость в 1,5...2 раза выше, чем у полотен из стали 11Х и 13Х)

Полутеплостойкие стали. Эти стали содержат 5...18%Cr или Cr+3...4% V, отличаются высокой твердостью и износостойкостью. Все стали этой группы имеют повышенную прокаливаемость. В основном стали повышенной твердости идут для производства фрез, ножей, пуансонов вырубных штампов, накатного инструмента, для прессования абразивных материалов, вырубных штампов. Из стали повышенной вязкости изготовляют штампы горячей деформации и работающие при динамических нагрузках.

Теплостойкие стали. Эти стали называются быстрорежущими за способность обрабатывать металлы резанием со скоростями в 2...4 раза выше, чем нетеплостойкие инструментальные стали. При этом в 10...40 раз повышается стойкость инструмента. Названные преимущества обусловлены подбором легирующих элементов, обеспечивающих термическую стабильность мартенсита и термообработкой.

Стали Р18, Р12, Р6М5 применяются для производства шлифуемого инструмента (протяжки, метчики, фрезы, резцы и др.) размером 15...40 мм, предназначенного для обработки резанием сталей и чугунов с твердостью 250...280 НВ (2500...2800 МПа).

Инструмент из сталей Р18Ф2К5, Р10М4Ф3К10 (твердость HRC 67...69) имеет стойкость в 3...5 раз выше, чем из стали Р18. Из них изготавливают зенкеры, метчики, фрезы, резцы, развертки, сверла с укороченной рабочей частью и другой инструмент для обработки вязких аустенитных жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, конструкционных улучшаемых сталей с твердостью HRC 35.,.45 и др.

Стали для измерительного инструмента. Кроме высокой твердости (HRC 63...64) и износостойкости, они должны сохранять постоянство линейных размеров и формы в течение длительного времени. Выполнение последнего требования неизбежно вносит коррективы в параметры термической обработки и в выбор сталей.

Для изготовления измерительного инструмента применяются в основном эвтектоидные хромистые (до 1,5% Cr) стали.

Тик, измерительные плитки делают из сталей X, 12X1. Закалку производят с возможно более низких температур (850...860°C – X, Нвб.. 870°C – - 12X1), чтобы уменьшить склонность к выкрашиванию при шлифовании и эксплуатации. Охлаждение проводят в масле, подогретом до 40.,.вОвС, Не позднее чем через 0,5 ч после закалки проводят Обработку холодом при - 70°C и отпуск при 120...130°C в течение 24 4Н ч (чем больше толщина, тем больше время). Для инструмента высокого класса точности проводится многократная (2...6 раз) обработка по схеме: охлаждение до – 70°C, отпуск при 120...125°C, 2,,.3 ч. После первых операций шлифования отпущенного инструмента проводят отпуск при 100...120°C в течение 1...2 ч для снятия шлифовочных напряжений, затем чистовое шлифование и полирование

Плоские измерительные инструменты – скобы, лекала, шкалы, шаблоны, линейки изготавливаются из листовой стали марок 15Х, 20, 20Х, 50, 50Г, 55.

Низкоуглеродистые стали подвергают цементации, закалке с 790°C в воде (15, 20) или в масле (15Х, 20Х), и отпуску при 150...180°C.

Инструменты из сталей 50, 50Г, 55 закаливают с индукционным нагревом, отпускают 2...3 ч при при 150...180°C

 

Вопросы для самопроверки.

1. Что такое легированная сталь, цель легирования?
2. Какое влияние оказывает легирование различными элементами на положение критических точек А1, А3, А4?
3. Какие фазы образуют легирующие элементы с железом и углеродом?
4. Как классифицируются легированные стали по структуре, составу, назначению?
5. Запишите марку стали, имеющую следующий состав: 0,42-0,45%С, до 0,8%Mn, до 1% Cr, 1,3-1,8% Ni, 0,2-0,3%Mo, высококачественная.
6. Определите приблизительный состав стал марки 08Х14Г14Н2М.
7. Какие требования предъявляют к конструкционным материалам? Что такое конструктивная прочность?
8. Что такое рациональное легирование стали?
9. Какие свойства наиболее важны для изготовления и экплуатации изделий из низколегированных сталей? Перечислите области применения этих сталей.
10. Какие стали относятся к конструкционным машиностроительным сталям? Основные марки, области применения.
11. Какие стали относятся к износостойким сталям, где их применяют?
12. Какие стали считаются высокопрочными? Какие способы достижения высокой прочности используются сегодня?
13. Основные виды коррозии, наблюдаемые при работе материалов в агрессивной среде?
14. Какие стали относятся к коррозионностойким, какие группы сталей этого класса используются в промышленности?
15. Какие стали называют жаропрочными? Характеристики жаропрочности.
16. Какие способы повышения жаропрочности используют при создании жаропрочных материалов?