Лекция 11 - 3.4. Инструментальные стали

Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твёрдостью, износостойкостью, прочностью и используемые для изготовления различного инструмента. Среди множества классификационных признаков инструментальных сталей наиболее важными являются классификация по назначению и по свойствам, в частности, по теплостойкости. Инструментальные легированные стали по назначению делятся на три основные группы:

• для режущего;

• для штампового;

• для измерительного инструмента.

Кроме того, благодаря высокой износостойкости, прочности они могут использоваться для изготовления деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен, ходовых винтов, червяков и др. Такое разнообразие изделий, зачастую работающих в различных условиях, требуют использования широкого круга инструментальных сталей. В этой связи, для правильного выбора марки сталей и режимов термической обработки важно знать условия работы инструмента, требования, предъявляемые к нему.

Износостойкость – одна из главных характеристик режущего инструмента. В процессе изнашивания меняется геометрия инструмента и теряются его режущие свойства. Для уменьшения скорости изнашивания режущего, измерительного и штампового инструмента необходимо, чтобы используемые для его изготовления стали обладали достаточной износостойкостью, обеспечивающей длительное сохранение неизменными размеров и формы рабочей части. Износостойкость стали прежде всего определяется ее твердостью (увеличивается с ее ростом) и микроструктурой. Стабильность микроструктуры в процессе эксплуатации в свою очередь зависит от теплостойкости стали. Исследованиями установлено, что при твердости, равной 60…65 НRС, наиболее износостойка сталь, состоящая из мартенсита и равномерно расположенных в нем карбидов V, W, Cr и других элементов. В процессе резания с повышенными скоростями или при горячем деформировании рабочая часть инструмента нагревается. Чтобы инструмент не терял при этом работоспособность, не должны меняться его структура и свойства, полученные в результате термической обработки. Такая особенность определяется теплостойкостью инструментального материала.

Способность стали сохранять структуру и эксплуатационные свойства при повышенных температурах называется теплостойкостью или красностойкостью. Теплостойкость определяется по максимальной температуре, при нагреве до которой сталь сохраняет твердость в течение определенного времени (обычно в течение 4 ч.). При нагреве выше этой температуры закалённая сталь начинает интенсивно терять свою твёрдость, а значит, и износостойкость. Теплостойкость стали повышается при ее легировании W, Mo и V. По теплостойкости различают три группы сталей: не теплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.

Не теплостойкими являются углеродистые или легированные высокоуглеродистые стали, которые после закалки имеют высокую твёрдость и износостойкость в результате мартенситного превращения. При нагреве этих сталей до 200…300 °С основное количество углерода выделяется из мартенсита и начинается коагуляция карбидов цементитного типа. В результате сталь теряет твёрдость и износостойкость.

Полутеплостойкими являются средне- и высоколегированные (в основном Сr) стали. Твёрдость этих сталей также достигается закалкой на мартенсит. Твёрдости также способствует образование при отпуске более легированного цементита и специальных карбидов. Благодаря такой структуре сталь сохраняет повышенную твёрдость до 300…500 °С.

Теплостойкими являются высоколегированные стали, которые приобретают твёрдость за счёт мартенситного превращения и дисперсионного твердения при высоком отпуске, когда из твёрдого раствора выделяются дисперсные фазы – карбиды типа WC, MoC, VС.

Для обеспечения процесса резания инструмент должен обладать также высокими прочностью и твердостью. Поэтому инструментальные стали содержат не менее 0,6 % С и подвергаются закалке с низким отпуском на необходимую твердость (исключение составляют стали, подвергающиеся горячему деформированию и содержащие 0,3…0,6 % С). В результате названной термической обработки достигаются твердость стали 60…65 НRС и предел прочности ее при изгибе s_и = 250…350 МПа.

Следующей важной характеристикой стали является прокаливаемость, которая может быть повышена за счет легирования ее Cr и Mn. В этом случае увеличивается интервал устойчивости переохлажденного аустенита стали и снижается критическая скорость охлаждения V_кр. Стали, легированные Сr и Mn, можно использовать для изготовления крупного инструмента. Тонкий и сложный по форме инструмент, изготовленный из таких сталей, можно закаливать в менее интенсивных, чем вода, охлаждающих средах.

Легированные инструментальные стали по прокаливаемости делятся на стали с небольшой прокаливаемостью, с повышенной прокаливаемостью и с высокой прокаливаемостью. При этом наибольший эффект достигается комплексным легированием инструментальных сталей такими карбидообразующими элементами, как V, W, Мо, Сr, Мn. Последние не только повышают износостойкость и теплостойкость стали, но и, растворяясь в аустените, уменьшают растворимость углерода в нем. Иначе говоря, они сдвигают линию ЕS диаграммы состояния системы Fе – Fе₃С. Особенно сильно влияют на положение линии ЕS такие ЛЭ как W и Cr. Например, углеродистая сталь с 0,7 % С по структуре в отожженном состоянии (П+Ф) является доэвтектоидной; сталь с 0,7 % С и 5 % W – заэвтектоидной. Сталь с 12 % W относят к ледебуритному классу, так как в процессе ее кристаллизации при эвтектической температуре образуется ледебурит. Карбидную эвтектику в сталях принято называть ледебуритом.

Для рационального выбора сталей для инструментов целесообразно воспользоваться классификацией по свойствам и назначению.

Классификация инструментальных сталей по свойствам была разработана Ю. А. Геллером, схема которой приведена в приложении 14. За основное свойство при этой классификации принята теплостойкость стали, так как она определяет природу упрочнения стали при термообработке и во многих случаях условия использования стали.

Приведённые классификации (по назначению и по свойствам) при выборе сталей следует рассматривать совместно, поскольку они дополняют друг друга. Сказанное означает, что нельзя выбирать стали только по назначению без учёта их свойств. Поскольку понятно, что штамп или другой инструмент для горячего деформирования необходимо изготавливать из стали с достаточной теплостойкостью, а инструмент для холодного деформирования этого не требует. Но, в тоже время для режущего и мерительного инструмента (по классификации по назначению) может потребоваться сталь любой из трёх групп по теплостойкости. Действительно, для резания мягких материалов при малых скоростях и малых сечениях снимаемой стружки можно использовать стали, не обладающие теплостойкостью. А при черновых режимах резания, когда происходит разогрев рабочей кромки инструмента до высоких температур, эти стали не пригодны. В случае выбора сталей для измерительных инструментов для контроля геометрии горячего проката требуются теплостойкие, а для холодных деталей можно использовать более дешёвые стали, не обладающие теплостойкостью.

Приведённую классификацию следует рассматривать как попытку облегчить выбор нужной марки инструментальной стали из множества существующих, исходя из различных условий работы (характер нагрузок на инструмент, нагрев и т. д.) и свойств инструментальных сталей. Так, для штампов холодного деформирования, работающих в условиях больших степеней и скоростей деформации, иногда приходится применять быстрорежущие стали, обладающие высокой теплостойкостью. Для крупного инструмента, не требующего по температурным условиям работы теплостойкости, может быть необходимым использование высоколегированной (следовательно, полу- или теплостойкой) стали, с тем, чтобы обеспечить нужную прокаливаемость. И наоборот, инструмент при высокой твёрдости поверхности должен иметь достаточно вязкую, мягкую сердцевину и тогда целесообразно использовать сталь низкой прокаливаемости (углеродистую или малолегированную), поступаясь теплостойкостью. Выбор марки материала инструментальной стали и режима её упрочнения всегда является поиском компромисса между эксплуатационными свойствами (высокой твёрдостью, прочностью, вязкостью, износостойкостью, теплостойкостью, разгаростойкостью (в случае “горячих” штампов), коррозионной стойкостью и технологическими свойствами – обрабатываемостью резанием, давлением, устойчивостью против роста зёрен, обезуглероживания и окисления, против поводок, коробления и растрескивания при термической обработке и т. д.

3.4.1. Инструментальные стали для режущего инструмента. С помощью режущего инструмента изделиям придаётся требуемая форма. При контакте инструмента с обрабатываемым материалом в процессе резания выделяется тепло и происходит разогрев режущей кромки. Причём количество выделяющегося тепла и разогрев кромки увеличивается с повышением скорости резания. В зависимости от интенсивности режимов резания режущие инструменты изготовляют из не теплостойких (углеродистых, малолегированных) или теплостойких высоколегированных (быстрорежущих) сталей.

Не теплостойкие стали. Не теплостойкие инструментальные стали согласно классификации Геллера Ю. А. (см. приложение 14) подразделяются ещё по твёрдости и вязкости (высокой твёрдости или повышенной вязкости). В свою очередь стали с высокой твёрдостью подразделяются на стали небольшой, повышенной и высокой прокаливаемости, а стали сповышенной вязкостью – на стали небольшой и повышенной прокаливаемости.

К не теплостойким сталям относят углеродистые и низколегированные инструментальные стали, используемые для изготовления инструмента, который в процессе работы не разогревается выше 250 °С. Дальнейший нагрев инструмента приводит к распаду мартенсита и коагуляции частиц карбидов, обусловливающих разупрочнение стали. Из таких сталей изготовляют в основном деревообрабатывающие инструменты, ножовочные полотна, напильники, зубила, метчики, плашки и другой слесарный инструмент.

По микроструктуре в равновесном состоянии они, в зависимости от содержания углерода, являются доэвтектоидными (со структурой феррита и перлита), эвтектоидными (перлит), заэвтектоидными (перлит и цементит вторичный).

К не теплостойким инструментальным сталям небольшой прокаливаемости относятся углеродистые У7…У13 (ГОСТ 1435-74), низколегированные стали 7ХФ…11ХФ, 13Х, ХВ4Ф, В2Ф и др. (ГОСТ 5950-73). Из-за малой устойчивости переохлажденного аустенита стали имеют небольшую прокаливаемость. Поэтому их применяют для изготовления инструмента диаметром менее 12…15 мм, простой формы. В случае закалки изделий в масле (приложение 15) сквозная прокаливаемость достигается в очень тонких сечениях изделий (до 5 мм). При больших размерах деталей в результате закалки в воде и в масле достигается высокая твердость только поверхностного слоя, металл в сердцевине детали остается мягким, с повышенной вязкостью. Перед обработкой резанием изделия подвергают отжигу на зернистый перлит.

Стали марок У7А и У8А с пониженным содержанием углерода (0,7…0,8 %) и с небольшой прокаливаемостью применяют для изготовления инструмента, испытывающего при работе толчки и удары (зубила, ножи и ножницы по металлу, отвертки, топоры, матрицы для хо­лодной штамповки и др.). Такие инструменты должны обладать некоторой вязкостью сердцевины. Их закаливают с нагревом до температуры выше Ас₁ (на 30…50 °С), затем подвергают отпуску (250…450 °С) на требуемую твердость 58...45 НRС (мартенсит или троостит). Наличие, после окончательной термической обработки, у некоторого режущего инструмента из углеродистой стали вязкой не прокалившейся сердцевины при твёрдой поверхности является преимуществом для многих инструментов.

Примеры использования инструментальных сталей приведены в приложении 16.

Для изготовления мелкого инструмента высокой износостойкости и с острой режущей кромкой (сверла, метчики, фрезы, напильники, хирургический и измерительный инструмент и пр.) применяют стали с повышенным содержанием С (более 0,8 %). Такая сталь после закалки с температуры А_с1 + (30…50) °С и низкого отпуска при 150…200 °С имеет структуру мартенсита, твердость 60…64 НRС.

Низколегированные инструментальные стали с неглубокой (небольшой) прокаливаемостью могут легироваться Mn (У8Г), Cr (9Х, 11Х) или Cr и V (7ХФ-11ХФ – с содержанием 0,4…0,7 % Сr; 0,15…0,20 % V), которые применяют главным образом для изготовления деревообрабатывающего инструмента. Они имеют одинаковые с углеродистыми режущие свойства, также хорошо обрабатываются резанием и давлением после отжига, но благодаря легированию Cr (0,4…0,7 %) получают лучшую закаливаемость и прокаливаемость. Дополнительное легирование V (0,15…0,30 %) уменьшает также чувствительность сталей к перегреву и способствует сохранению более мелкого зерна при закалке. Ванадий не применяют в качестве единственного ЛЭ, поскольку он, связывая часть C в труднорастворимом карбиде, снижает прокаливаемость. Сталь У8Г имеет более однородную структуру с равномерным распределением карбидов, в ней отсутствуют избыточные карбиды. Марганец замедляет превращение переохлажденного аустенита, увеличивает количество аустенита в стали. Эта сталь используется для изготовления пил по дереву. Сталь 11ХФ используют, кроме того, для инструментов диаметром 5…15 мм (метчики, развёртки) из-за возможности охлаждения при закалке в горячих средах или в масле, что уменьшает деформацию. Сталь 9ХФ используется для инструментов небольшого сечения в виде пил по дереву, напильников, бритв. Все перечисленные стали имеют небольшую прокаливаемость и относятся к не теплостойким сталям высокой твёрдости.

Особенно высокой твёрдостью и износостойкостью отличаются высокоуглеродистые стали, легированные V, W (В2Ф, ХВ4Ф), также имеющие небольшую прокаливаемость. В этих сталях при содержании W в пределах 3,5…4,5 % в микроструктуре, кроме цементита, присутствуют карбиды W₆С высокой твёрдости, которые связывают очень мало углерода (всего 1 % С на каждый процент W). Карбид W₆С способствует сохранению мелкого зерна, так как он не растворяется при температурах закалки инструмента. Кроме того, в присутствии карбидов при одновременно высокой концентрации С в мартенсите сталь после закалки получает твёрдость до 68…70 НRС и высокую износостойкость. Однако при этом оказываются более низкими прочность (1600…2000 МПа) и вязкость.

Стали с содержанием с 1,5…1,8 % W имеют несколько меньшую твёрдость (65…66 НRС), но лучшую пластичность. Они в основном применяются для ножовочных полотен (В2Ф, ХВ4Ф). Стойкость сталей, легированных W и V в 1,5…2 раза выше, чем у сталей 11Х и 13Х.

Стали марок У7…У9 используются для изготовления инструмент, используемого при ударных нагрузках (зубила, клейма по металлу, деревообрабатывающий инструмент, в частности топоры, пилы и др.)

Стали марок У10…У13 обладают высокой твердостью и они идут на изготовление инструментов, не испытывающих толчков (напильники, шаберы, острый хирургический инструмент и т.п.).

Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух операций: предварительной и окончательной термической обработок.

Предварительная термообработка включает отжиг при 740…760 °С с целью получения зернистого перлита, обеспечивающего пониженную твердость и при последующей термообработке – однородные свойства.

Окончательная термообработка состоит из закалки и низкого отпуска. Закалка проводится с температур 780…810 °С в воде. При этом следует иметь ввиду, что эти стали имеют очень высокую критическую скорость закалки (V _k= 200…300 ^°С/с). Поэтому недопустимо даже малейшее замирение охлаждения при закалке, так как это может привести к частичному распаду аустенита и к появлению мягких пятен в инструменте.

Достоинством этих сталей является низкая стоимость, хорошая обрабатываемость резанием и давлением. Но они имеют низкую прокаливаемость, невысокие скорости резания из-за низкой теплоемкости и деформируются при закалке.

Не теплостойкие стали повышенной прокаливаемости подразделяются на три группы. К первой группе относятся легированные инструментальные стали с содержанием 1,0…1,5 % Cr, обеспечивающего повышение прокаливаемости. Основным элементом, увеличивающим прокаливаемость и закаливаемость, у этих сталей является только Cr. Поэтому устойчивость переохлаждённого аустенита, по сравнению с низколегированными сталями небольшой прокаливаемости с 0,40…0,70 % Cr, возрастает лишь немного.

Ко второй группе относятся стали, подвергнутые комплексному легированию небольшим количеством Cr, Mn, Si (W). Такое легирование значительно повышает прокаливаемость и закаливаемость, уменьшает чувствительность к перегреву, даёт возможность получать высокую твёрдость при закалке в более умеренных охладителях (масле, горячих средах). При этом уменьшается деформация инструмента. Благодаря указанным преимуществам из сталей марок 9ХС, ХГС, 9ХВГ, ХВГ, ХВСГФ можно изготавливать массивные инструменты больших размеров, более сложной формы и ответственного назначения, чем из углеродистых и легированных сталей неглубокой прокаливаемости. При закалке в масле изделия из таких сталей мало подвержены трещинообразованию.

Хромокремнистая сталь 9ХС (0,85…0,95 % С; 0,95…1,25 % Сr; 1,2…1,6 % Si) получила очень широкое распространение для изготовления фрез, развёрток, свёрл, поскольку наличие Si в твёрдом растворе способствует устойчивости её карбидов, обеспечивает её глубокую прокаливаемость, и даёт малую деформацию при закалке. В структуре этой стали после отжига наблюдается более равномерное распределение карбидов внутри зёрен из-за меньшего содержания С (~ 0,9 %). Однако, карбидная сетка в целом в стали остаётся неоднородной, поскольку по границам наблюдается чётко выраженная сетка цементита (рис. 3.8, а). Легирование стали по сравнению с углеродистыми позволяет повысить прокаливаемость из-за повышения устойчивости переохлаждённого аустенита. Сталь имеет хорошие режущие свойства. Прокаливаемость этой стали составляет в воде до 60…80 мм, в масле до 40 мм и до 25…30 мм при охлаждении в горячих средах. В качестве недостатков этой стали можно отнести её склонность к обезуглероживанию при нагреве, по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями худшую обрабатываемость резанием и давлением из-за повышенной твёрдости после отжига.

У стали ХВГ (0,9…1,05 % С; 0,9…1,2 % Сr; 1,2…1,6 % W; 0,8…1,1 % Мn) и ХГ прокаливаемость достигает до 70…80 мм, а у более совершенной стали ХВСГ - до 90…100 мм. Сталь ХВГ имеет более равномерное распределение карбидов благодаря более сложному легированию, чем в стали 9ХС (рис. 3.8, б). Указанная группа сталей подвержена слабой деформации при термической обработке из-за значительного количества аустенита в закалённой стали. Известно, что изменение объёма этих сталей вызывается структурными превращениями. Например, образование мартенсита при закалке с содержанием в нём 1 % C приводит к изменению исходного перлита на 1 %. Поэтому для устранения увеличения объёма и вызываемой им деформации при закалке инструмента необходимо, чтобы его структура после закалки состояла не только из одного мартенсита, имеющего большой удельный объём, но и из остаточного аустенита, имеющего меньший удельный объём. Сохранение при закалке остаточного аустенита компенсирует увеличение объёма стали, закаляющейся в масле. Отсюда следует, что до закалки для получения требуемой исходной микроструктуры необходима предварительная термическая обработка, которая в основном заключается в закалке в масле и высоком отпуске при 700 °С. Такая термическая обработка снижает деформацию при окончательной закалке с низким отпуском.

Эти стали 2-й группы используют для изготовления калибров, длинных метчиков, бритвенных ножей и лезвий и другого инструмента, для которого весьма важно сохранение размеров в процессе термической обработки, а также для изготовления деталей точных приборов. При выборе стали ХВГ, как инструментального материала следует учесть её особенности. Ей свойственны значительные колебания в прокаливаемости и закаливаемости разных плавок. При охлаждении в масле отдельные плавки стали ХВГ прокаливаются в сечении не более 30…40 мм и получают пониженную твёрдость, тогда как стали других плавок прокаливаются в сечении до 75…80 мм. Эти колебания связаны с разным соотношением цементитного карбида и карбида типа Ме₆С в разных плавках, вызванных различными условиями охлаждения слитка, ликвации и режима отжига. Установлено, что с увеличением доли карбида М₆С понижается прокаливаемость.

а б Рис. 3.8. Карбидная неоднородность заэвтектоидных инструментальных сталей 9ХС и ХВГ после отжига при 1000 ºС, х 400: а - сталь 9ХС; б – сталь ХВГ.

К третьей группе относятся стали, легированные W (более 1 %), обладающие высокой твёрдостью. Сталь ХВ5 (1,25…1,50 % С) называется даже алмазной, поскольку обладает исключительно высокой твердостью в закаленном состоянии (67…69 НRС). Столь высокая твёрдость объясняется большим содержанием в мартенсите карбидов вольфрама Ме₆С и легированного цементита Ме₃С. Применяется для изготовления фильер холодного волочения, отделочного инструмента, снимающего стружку с твердых материалов (белый чугун, стекло, камень).

К сталям высокой прокаливаемости относятся сложнолегированные стали марок ХГСВФ, ХВСГ и др. Сквозная прокаливаемость в изделиях диаметром до 100 мм достигается за счет легирования Cr и дополнительно Si. Такие стали применяют для изготовления массивного штампового инструмента сложных форм, шариков и колец подшипников качения и др. Сталь 6ХС после соответствующей термической обработки (см. приложение 15) используют для изготовления пневматических зубил и ряда инструментов, работающих при ударных нагрузках и вибрации.

Полутеплостойкие стали для режущего инструмента используются крайне редко. Они в основном применяются как штамповые материалы и будут рассмотрены в следующей работе.

Теплостойкие стали для режущего инструмента сохраняют свои свойства до 550…600 °С. Их объединяют в группу так называемых быстрорежущих сталей, маркируемых по ГОСТ 19265-73 буквой Р (от английского слова rapid – быстрый или от немецкого rasch). После буквы Р в марке следует число, указывающее среднее содержание (в %) вольфрама (буква В — его условное обозначение в сталях других классов - пропускается), затем после соответствующих букв М, Ф и К - число, указывающее содержание Mo, V (если содержание его больше 1…2 %) и Co. В состав всех быстрорежущих сталей непременно входят углерод (0,8…1,25 %), Cr (около 4 %) и V (1…2 %), содержание которых в марке не указывается.

Инструмент из этих сталей (резцы, сверла, фрезы, шеверы, метчики, плашки, развертки, зенкеры, пилы, напильники) работает на скоростях, в 3…5 раз превышающих скорости работы инструмента из углеродистых сталей. Быстрорежущие стали относят к ледебуритному классу, так как в микроструктуре литых сталей, в том числе и в сталях Р6М5 и Р18, присутствует карбидная эвтектика (ледебурит) скелетообразного типа (рис. 3.9).

а б Рис. 3.9. Микроструктура литой стали Р6М5 и Р18 (дендриты сорбитообразного перлита, карбиды вторичные, ледебуритная эвтектика и аустенит по границам дендритных ячеек): а – Р6М5, х 200; б – Р18, х 900.

В структуре этой стали также можно различить аустенит и карбиды, вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода и легирующих элементов в нем при понижении температуры, сорбитообразный эвтектоид (темные поля) из феррита и карбидов. При ковке нарушается эвтектическая структура, затем сталь подвергается отжигу при 860…880 °С с медленным охлаждением до 500…600 °С или изотермической выдержкой при 730…750 °С. Закалка инструментов из стали Р18 производится на воздухе (крупные инструменты — в масле) с температуры 1280 °С (см. приложение 15). Сталь в закаленном состоянии (рис. 3.10, а) состоит из первичных и небольшой доли вторичных карбидов, мартенсита и аустенита остаточного (до 30 %), которые, будучи высоколегированными, при протравливании шлифа в 5…6 % –м растворе НNО₃ в спирте не окрашиваются и выглядят светлыми. Карбиды вторичные при нагреве стали до температур закалки в значительной мере растворяются в аустените, легируя его хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием, и обеспечивая тем самым теплостойкость стали.

После закалки обычно проводится трехкратный отпуск стали при 560 °С, в результате уменьшается массовая доля аустенита остаточного (до 2 %). Микроструктура (рис. 3.10, б) представляет собой мелкоигольчатый мартенсит отпуска, сильно травящийся в вышеуказанном реактиве, карбиды состава Ме₆С - (Fе₃(W, Мо)₃C, (W, Fе)₆С), легированные ванадием. Возможно в небольших долях присутствие карбидов другого состава (Ме₂С).

аб Рис. 3.10. Микроструктура стали Р18: а — закаленная (мартенсит закалки, аустенит остаточный, обе фазы светлые, карбиды первичные и вторичные); б - закаленная и трижды отпущенная (мартенсит отпуска, карбиды первичные и вторичные), х 500.

В последнее время широкое распространение находят вольфрамомолибденовые быстрорежущие стали с пониженным содержанием вольфрама (вольфрам частично заменен молибденом). Например, сталь Р6М5 с несколь­ко повышенным содержанием углерода (0,81…0,85 % вместо 0,7…0,8 % в стали Р18). В структуре литой стали Р6М5 (см. рис. 3.9) по границам дендритов ферритокарбидного эвтектоида (темная структурная составляющая) располагается карбидная эвтектика (аустенит, карбид) преимущественно на базе карбида Ме₂С пластинчатого типа. Содержание эвтекти­ки скелетообразного типа с карбидом Ме₆С и эвтектики с МеС очень мало. Эвтектика с карбидом Ме₂С пластичнее скелетообразной. Суммарное содержание эвтектик существенно ниже по сравнению с Р18. Поэтому появилась возможность получения инструмента из стали Р6М5 самым дешевым способом – литьем.

Особенности термической обработки инструментальных сталей для режущего. При выборе режимов термической обработки легированных инструментальных сталей необходимо учитывать следующее.

1. Хром, вольфрам и кремний повышают критические температуры Аr ₁ и Аr ₃. Причём, чем больше содержание этих ЛЭ, тем выше поднимаются критические температуры. Легированные стали необходимо нагревать под закалку до более высоких температур, чем углеродистые с таким же содержанием углерода. Увеличение температуры нагрева под закалку способствует наиболее полному растворению карбидной фазы в аустените, повышению степени его легирования и, в конечном итоге, формированию в процессе закалки мартенсита, обладающего необходимой теплостойкостью. При отпуске, вследствие частичного распада высоколегированного мартенсита, образуются дисперсные карбиды, что сопровождается увеличением твердости стали (явление вторичной твердости).

2. Хром, молибден, вольфрам, ванадий повышают устойчивость переохлажденного аустенита, при этом снижается V _кр и создается возможность закалки инструмента из легированных сталей, обладающих низкой теплопроводностью, в мягких закалочных средах (масло и др.). При этом не происходит коробления инструмента и не возникают закалочные трещины.

1. Карбидообразующие элементы понижают температурный интервал мартенситного превращения (М_н — М_к), что приводит к увеличению массовой доли аустенита остаточного в структуре закаленной стали. Содержание аустенита остаточного растет также при повышении температуры нагрева стали под закалку. По сравнению с ферритно-карбидными смесями (перлит, сорбит, троостит) объем аустенита минимален, а мартенсита — максимален. Поэтому образование мартенсита приводит к увеличению объема стали, следовательно, и инструмента, причем тем значительнее, чем больше в стали содержание углерода. Это является одной из основных причин возникновения закалочных напряжений в изделиях. Размеры изделий при этом существенно не меняются, но для деталей точных приборов и ряда инструментов, размеры которых после закалки не могут быть исправлены шлифованием, даже небольшие изменения размеров не допустимы. Предотвратить увеличение объема при закалке и изменении размеров изделий можно путем применения их бездеформационной закалки или тепловой доводки.

Стали, которые подвергаются указанным обработкам, называются малодеформирующимися. К ним относятся легированные инструментальные стали X, ХГ, ХВГ, Х12Ф1 и другие.

4. Если в структуре литых инструментальных сталей (например, в быстрорежущих) присутствуют частицы карбидов неблагоприятных форм (скелетного типа, остроугольные и т. п.) или сетка из карбидов, такие стали прежде всего подвергают горячей механической обработке - ковке. При этом карбиды или сетка из них разбиваются и перемешиваются по возможности равномерно. Литой заготовке придается необходимый профиль. Если проковка недостаточна или затруднительна (в стали Х12Ф1), разбитые карбиды в структуре оказываются собранными в полосы (карбидная ликвация). Такое неравномерное полосчатое распределение карбидов в стали нежелательно, так как в областях, обедненных карбидами, сталь имеет пониженные показатели эксплуатационных свойств.

5. Для улучшения обрабатываемости инструментальных сталей на режущих станках их подвергают смягчающему отжигу при 800…860 °С, при котором карбиды приобретают округлую форму.

Микроструктура быстрорежущей стали приведена на рис. 3.11. При затвердевании литой стали P6M5 образуется эвтектика, напоминающая ледебурит и распологающаяся на границе зерен. Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. После ковки или проката сетка эвтектики подвергается дроблению. При этом измельчаются карбиды и наблюдается их равномерное распределение в основной матрице.

 

Высокую теплостойкость инструмент из быстрорежущей стали приобретает после закалки и многократного отпуска (рис. 3.12). При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение карбидов и получение высоколегированного аустенита. Во избежание образования трещин и деформации инструмента низкой теплопроводность сталей применяют ступенчатый нагрев под закалку в расплавленных солях, а закалку проводят в масле и при быстром нагреве могут образоваться трещины. Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения в аустените легированных карбидов, что приводит к значительному насыщению мартенсита легирующими элементами. Это повышает твердость. Пос­ле закалки в сталях остается до 30 % остаточного аустенита, поэтому их подвергают двух- или трехкратному от­пуску при температуре 540...580 °С, последующее охлаждение производится на воздухе (рис. 3.12, а). После от­пуска структура состоит из мартенсита, карбидов и остаточного аустенита (1...3 %), твердость 62...64 НRС.

Для инструментов несложной формы с целью умень­шения остаточного аустенита в стали используют охлаждение холодом при минус 80 °С. Применяя обработку холодом, можно число отпусков сократить до одного (рис. 3.12, б). Повысить режущие свойства можно также некоторыми специальными методами, например цианированием.

 

 

Таблица 3.1 - Рекомендуемые марки сталей для некоторых режущих инструментов

 

 

3.4.2. Штамповые стали. Штамповые стали применяются для изготовления инструментов (штампов, накатных роликов, волоков и т. д.), изменяющих форму материала деформированием без снятия стружки. Стали для штампового инструмента в зависимости от условий деформации делятся на две группы: а) штамповые для деформирования металлов в холодном состоянии; б) штамповые для деформирования металла в горячем состоянии. Рассмотрим основные марки этих штамповых сталей и их основные характеристики.

Штамповые стали для холодного деформирования металлов. Штамповые стали для деформирования металла в холодном состоянии должны обладать высокой твёрдостью, износостойкостью, прочностью и достаточной вязкостью. Поэтому эти стали имеют повышенное содержание С (0,9…1,0 %) и подвергаются обычно закалке и отпуску. Однако, в связи с различными условиями работы инструментов, состав штамповых сталей и режимы их термической обработки (закалки и отпуска) могут существенно отличаться друг от друга. В качестве штамповых сталей для деформирования в холодном состоянии используются: а) высокохромистые стали повышенной (высокой) твёрдости (57…63 НRС); б) высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью.

Назначение штамповых сталей для холодного деформирования приведены в приложении 7.

Высокохромистые стали высокой твёрдости относятся к полутеплостойким сталям, содержащим 6…12 % Cr. Они обладают высокой закаливаемостью и прокаливаемостью и сохраняют высокую твёрдость до 250…400 °С. Сравнительно мелкозернистая структура, наличие твёрдых частиц карбидов М₂₃С₆ (стали с Сr) и, кроме того, МС (стали с V) обусловливают повышенную прочность и износостойкость этих сталей.

В формировании структуры закалённой хромистой стали большую роль играет количество растворённой в аустените вторичной карбидной фазы. Твёрдость после закалки на мелкое зерно и отпуска при 150 °С составляет 59…61 НRС. В результате отпуска при 150…250 °С выделяется в закалённой структуре легированный цементит, более устойчивый против коагуляции, чем цементит не теплостойких сталей. Например, стали с 12 % Cr сохраняют твёрдость до 60 НRС после нагрева до 200…225 °С, а стали с V- до 270…300 °С.

По износостойкости, как по основному свойству, высокохромистые стали распределяются на стали повышенной износостойкости и на стали высокой износостойкости. Стали повышенной износостойкости в структуре содержат карбид типа М₇С₃ до 18…22 %, а стали с высокой твёрдостью кроме карбидов М₇С₃ содержат ещё карбиды МС до 12 %.

Рис. 3.13. Количество карбидов (К) и остаточного аустенита (А), содержание Cr в растворе и твёрдость (НRС) стали Х12Ф1.

Общая характеристика высокохромистых сталей повышенной и высокой износостойкости. Химический состав штамповых сталей высокой твёрдости с повышенной и высокой износостойкостью приведены в приложении 8. Для этих сталей, как легированных в основном Cr, характерны следующие общие особенности. К первой особенности относится неоднородность распределения карбидов М₇С₃ (и М₂₃С₆), которая усиливается с увеличением сечения заготовок, а также зависит от содержания Cr и C. Стали с содержанием С около 2 % показывают значительную карбидную неоднородность, чем у сталей, содержащих С порядка 1,5 %; при содержании Сr 12 % тоже наблюдается значительная неоднородность карбидов, чем у сталей при 6 % Сr.

Второй особенностью является изменение твёрдости сталей по кривой с максимумом при закалке с возрастанием температуры (рис. 3.13). Восходящая часть кривой изменения твёрдости объясняется ростом концентрации углерода и хрома в мартенсите. При закалке с более высоких температур понижается твёрдость, вследствие увеличения количества