Глава 13. Инструментальные стали и сплавы

13.1 Общие положения.

Инструментальные стали делятся по назначению на стали для режущего инстру­мента с твердостью HRC 62-68; штампового инструмента холодного деформирования с твердостью HRC 55-64; штампового инструмента горячего деформирования с твердостью HRC 55-40.; измерительного инстру­мента. Для изготовления режущего и некоторых видов штампового инструмента применяют твердые сплавы и керамические материалы.

Режущее лезвие инструмента работает в условиях длительного кон­такта и трения, при значительных удельных давлениях с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуа­тации должны сохраняться конфигурация и свой­ства режущей кромки. Материал для изготовления режущего ин­струмента, чтобы сохранять устойчивость против истирания, должен обладать высокой твердостью (> 60-64 HRC), что обеспечит ему возможность длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Чем больше твердость обрабатываемых материалов, толще стружка, выше скорость резания, тем больше энергия, затрачи­ваемая на процесс обработки резанием. Механическая энергия переходит в тепловую. Выделяющееся тепло нагревает резец, де­таль, стружку и частично рассеивается. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, явля­ется высокая теплостойкость, т. е. способность сохранять твер­дость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе ра­боты. По теплостойкости различают три группы инструменталь­ных сталей для режущего инструмента: нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.

При нагреве до 200-250 °С у нетеплостойких сталей в процессе резания углерод выделяется из мартенсита закалки и начинается коагуляция карбидов цементитного типа. Это приводит к потере твердости и износостойкости режущего инструмента. К нетепло­стойким относятся углеродистые и низколегированные стали, со­держащие до 3-5% легирующих элементов. Полутеплостойкие стали, к которым относятся некоторые среднелегированные ста­ли, содержащие 4-18% хрома и другие карбидообразующие элементы, например 9Х5ВФ, сохраняют твердость до температур около 400 °С.; до 400-500°С хромомолибденовые).

Теплостойкие – это высоколегированные стали, сохраняющие твердость и износо­стойкость при нагреве до температур выше 600 °С.

Углеродистые и низколегированные стали имеют сравнитель­но низкую теплостойкость и невысокую прокаливаемость, поэтому их используют для более легких условий работы при малых скоро­стях резания. Быстрорежущие стали, имеющие более высокую те­плостойкость и прокаливаемость, применяют для более тяжелых условий работы. Еще более высокие скорости резания допускают твердые сплавы и керамические материалы. Из существующих ма­териалов наибольшей теплостойкостью обладает нитрид бора - эльбор. Эльбор позволяет обрабатывать материалы высокой твердости, например закаленную сталь, при высоких скоростях.

Углеродистые стали

Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У, а следующая за ней цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента приме­няют углеродистые качественные стали марок У7 - У13 и высо­кокачественные стали марок У7А - У13А. Качественные стали со­держат не более 0,03 % серы и фосфора, высококачественные - не более 0,02 %. Химический состав сталей приведен в разделе 7.6.

По назначению различают углеродистые стали для работы при ударных нагрузках и для статически нагруженного инструмента.

Стали марок У7 – У8 применяют для изготовления инстру­мента при работе с ударными нагрузками, от которого требуется высокая режущая способность (зубила, клейма по металлу, дере­вообделочный инструмент, в частности пилы, топоры и т. д.).

Стали марок У10 - У13 идут на изготовление режущего инст­румента, не испытывающего при работе толчков, ударов и обладающего высокой твердостью (напильники, развертки,метчики, шаберы, острый хи­рургический инструмент и т. п.). Из стали этих марок из­готавливают также простые штампы холодного деформирования небольшого сечения.

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

Предварительная термическая обработка сталей заключается в отжиге при 740-760 °С, цель которого - получить микрострук­туру, состоящую из зернистого перлита, так как при такой микроструктуре после последующей закалки сталь при­обретает наиболее однородные свойства. Для получения структуры зернистого перлита может быть использована технология ТЦО, выполненная на горячекатаных сталях. Кроме того, при такой структуре облегчается механическая обработка инструмента.

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Закалку проводят в воде от 780-810 °С, т. е. от температур, лежащих для доэвтектоидных сталей несколько выше А_с3, а для эвтектоидной и заэвтектоидных - А_с  + 50-60°С.

Углеродистые стали имеют очень высокую критическую ско­рость закалки - порядка 200-300 °С/с. Поэто­му только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаться насквозь. Однако при этом в них возникают большие внутренние напряжения, которые могут вызвать сущест­венные деформации.

Инструменты крупных размеров при закалке в воде и в вод­ных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способ­ность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инст­рументов представляет собой продукты распада аустенита в пер­литном интервале температур. Сердцевина инструментов, имею­щая такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит.

Углеродистые стали наиболее целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно за­каливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливаемости, а также для инструментов диаметром или наименьшей тол­щиной 18-25 мм, в которых режущая часть приходится только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.

Углеродистые инструментальные стали отпускают при темпе­ратурах не более 200 °С во избежание снижения твердости. Твер­дость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 56-64 HRC.

Достоинствами углеродистых инструментальных сталей яв­ляются низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии. Их недостатками являются невысокие скорости резания, ог­раниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.

Легированные стали

Низколегированные стали для режущего инструмента (13X, 9ХС) также не обладают высокой теплостойкостью и обычно при­годны для работы при температурах не более 200-250°С. Средне-легированные стали типа 9Х5ВФ, ЗХ4ВЗМЗФ2 имеют более вы­сокую теплостойкость (400-500 °С), В отличие от углеродистых легированные стали обладают большей устойчивостью переохла­жденного аустенита, следовательно, большой прокаливаемостью и несколько более высокой износостойкостью.

Их можно закаливать в масле до критического диаметра 40 мм и более. Применение масла или полимерных закалочных сред по­зволяет уменьшить деформацию и коробление инструмента. Он мо­жет иметь большее сечение, а благодаря меньшему короблению – и большую длину.

Низколегирванная сталь 13Х имеет сравнительно неглубокую прокаливаемость и рекомендована для инструментов диаметром до 15 мм. Из этой стали изготавливают хирургический, гравиро­вальный инструменты, лезвия безопасных бритв. Предельный диаметр инструмента из стали 9ХС- 30мм, сталей ХВГ, ХВСГ  60-80 мм, их используют для изготовления инстру­ментов крупного сечения: сверл, разверток, протяжек диаметром из сталей 7ХГ2ВМ и 7ХГ2НМ до100-110мм. Химический состав сталей приведен в табл. 13.1.

Обычная термическая обработка легированных режущих ста­лей состоит из закалки от 830-870 °С в масле или ступенчатой за­калки и отпуска при температуре 200 °С. Твердость после термообработки составляет 61-65 HRC.

Та б л и ц а 13.1

Химический состав некоторых легированных инструментальных сталей, %

(ГОСТ 5950-2000)

 

Марка стали	С	Мn	Si	Сr	W	V
13Х            9ХС           ХВГ           ХВСГ         9Х5ВФ	1,25-1,40   0,85-0,95   0,90-1,05   0,95-1,05   0,85-1,00	0,30-0,60   0,30-0,60   0,80-1,10   0,60-0,90   0,15-0,40	0,15-0,35   1,2-1,60   0,15-0,35   0,65-1,00   0,15-0,40	0,40-0,70   0,95-1,25   0,90-1,20   0,60-1,10   4,50-5,50	-   -   1,20-1,60   0,50-1,20   0,80-1,20	-   -   -   0,15-0,30   0,15-0,30

 

Если необходимо увеличить вяз­кость, то температуру отпуска повышают до 200-300 °С. Вследст­вие некоторого распада мартенсита твердость после этого снижа­ется до 55-60 HRC.

Быстрорежущие стали

С увеличением скорости резания возрастают требования к те­плостойкости стали, которым удовле­творяют быстрорежущие стали,сочетающие теплостойкость(500-650 °С) с высокой твердостью (до70 HRC).

Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 2-4 раза и стойкость ин­струментов в 10-30 раз по сравнению с теми же характеристика­ми инструмента из сталей с низкой теплостойкостью. Из быстрорежущей стали изготавляется до35% инструмента и только~ 2% из сталей другого состава.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (rapid - быстрый, скорый), цифры показывают среднее содержа­ние вольфрама - основного легирующего элемента. Среднее со­держание углерода во всех быстрорежущих сталях обычно не­сколько меньше 1 %, а хрома - до 4 %, поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих в целых про­центах указывается как обычно, цифрами, следующими за их бу­квенным обозначением.

Химический состав некоторых быстрорежущих сталей приве­ден в табл. 13.2.

Потеря твердости при нагреве стали обусловлена в первую очередь распадом мартенсита и коагуляцией выделившихся карбидов. Теп­лостойкость быстрорежущих сталей обусловлена легированием их карбидообразующими элементами - вольфрамом, ванадием и мо­либденом.

Та б л и ц а 13.2

 

Химический состав некоторых быстрорежущих сталей, % (ГОСТ 28393-89 и ТУ)

 

Марка стали	С	Сr	W	V	Мо	Со
Р18	0,73-0,83	3,8-4,4	17,0-18,5	1,0-1,4	До 1,0	До 0,5
Р9	0,85-0,95	3,8-4,4	8,5-9,5	2,3-2,7	До 1,0	До 0,5
Р6М5	0,82-0,90	3,8-4,4	5,5-6,5	1,7-2,1	4,8-5,3	До 0,5
Р6М5Ф 3	0,95-1,05	3,8-4,3	5,7-6,7	2,3-2,7	4,8-5,3	До 0,5
Р6М5К5	0,84-0,92	3,8-4,3	5,7-6,7	1,7-2,1	4,8-5,3	4,7-5,2
Р12Ф3	0,95-1,05	3,8-4,4	12-13	2,5-3,0	До 1,0	До 0,5

Распад мартенсита и коагу­ляция специальных карбидов происходит при температурах 600 -650 °С.

При затвердевании литой быстрорежущей стали образуется эв­тектика, напоминающая ледебурит и располагающаяся по грани­цам зерен. Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. После ковки или прокатки сетка эвтектики подвергается дроблению с измельчением входящих в нее карбидов и более рав­номерным их распределением в основной матрице.

После прокатки или ковки быстрорежущую сталь подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 740 °С до пол­ного превращения аустенита в перлито-сорбитную структуру.

Высокую теплостойкость инструмент из быстрорежущих ста­лей приобретает после закалки и трехкратного отпуска. При на­греве под закалку необходимо обеспечить раство­рение карбидов и получение высоколегированного аустенита. Определенное количество карбидов должно оставаться нерастворенными, чтобы препят-

ствовать росту зерна аустенита. При этом увеличивается прокаливаемость, а после  закалки мартенсит обладает высокой теплостойкостью. Температу­ра закалки сталей составляет, °С: Р18 - 1270-1290, Р9 - 1220-1240, Р6М5 - 1210-1230. Во избежание трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности сталей применяют ступенчатый нагрев под закалку в расплавленных солях, а закал­ку производят в масле.

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из вы­сокоуглеродистого мартенсита, нерастворенных при нагреве избы­точных карбидов и около 30 % остаточною аустенита. Остаточный аустенит снижает твердость, режущие свойства стали, ухудшает ее шлифуемость; его присутствие в структуре нежелательно. При трехкратном отпуске при 550-570 °С с выдержкой в течение 60 мин из остаточного аустенита выделя­ются дисперсные карбиды, легированноеть аустенита уменьшает­ся и он при охлаждении он претерпевает мартенситное превращение. Режим термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 показан на рис. 13.1 Число отпусков может быть со­кращено при обработке холодом после закалки, в результате ко­торой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты сравнительно простой формы. Твердость после закалки 62-63 HRC, а после отпуска она увели­чивается до 63-65 HRC. В связи с дефицитом вольфрама сталь Р18 применяется ограниченно, она была заменена на сталь Р6М5 и безвольфрамовые стали.Для повышения теплостойкости стали легируют кобальтом – Р6М5К5, Р9М4К8. Механические свойства быстрорежущих сталей по ГОСТ 28393-89 и ТУ приведены в табл.13.3.Из быстрорежущих сталей чаще изготовляется толькорабочая часть инструмента и припаивается к державке из конструкционных сталей45,40Х и др.

Для изготовления инструмента находят все более широкое применение порошковые быстрорежущие стали. Порошки быстрорежущих сталей получаются методами газового и водного распыления. Технологические операции получения порошковых заготовок для инструментов методами газового распыления осуществляются в следующей последовательности: 1.распыление расплава азотом; 2.рассев фракций и загрузка в контейнер; 3.вакуумирование, заполнение азотом и заварка контейнера; 4.холодное изостатическое прессование контейнера; 5.нагрев контейнера и горячее изостатическое прессование контейнера; 6.пластическое деформирование заготовки изготовление окончательного сорта, передача прутков для изготовления инструмента. Затем изделия подвергают термической обработке, характерной для данной марки стали.

Порошковая быстрорежущая сталь обладает более высокой те­плостойкостью, чем сталь, изготовленная традиционными метода­ми, и, как следствие, большей износостойкостью. Это объясняется более высокой степенью легированности аустенита элементами, входящими в состав стали, мелкодисперсной структурой и равно­мерным распределением карбидной фазы по сечению прутков любого размера, которое не превышает первого бала шкалы карбидной неоднородности. Порошковая быстрорежущая сталь имеет высокую технологическую пластичность, превышающую пластичность быстрорежущей стали обычного способа производства на 30-40%. Бы­строрежущая сталь, изготовленная методом порошковой металлур­гии, имеет прочность на изгиб,теплостойкость выше чем быстроре­жущие стали, полученной традиционным способом, их стойкость также в 1,5-2 раза выше. Эти преимущества позволили заменить сталь марки Р18 безвольфрамовой сталью марки Р0М2Ф3С-МП при изготовлении игл распределителей дизельных двигателей.

Механические свойства обычных и порошковых быстрорежущих сталей приведены в табл.13.3

Та б л и ц а 13.3

Механические свойства стали в термически обработанном состоянии при 20 С

Марка стали	sв	s0,05	sсж	sсж0,2	sизг	tк	КСU, Дж/см	Красностойкость, 58 HRCэ. (время 4часа)
	МПа							^оС
Р9	2210	2200	3900	2780	3150	1960	20	620
Р6М5	2410	2160	4220	3100	3350	2090	35	620
Р6М5К5	2340	2050	3750	3100	3000	1820	25	630
Р9М4К8	2450	1660	3300	3160	2550	1460	15	630
Р18	2480	2150	3820	3060	3000	1880	30	620
Р12Ф3	2300	2150	3820	3030	3000	1900	25	630
Р6М5К5-МП	-	-	-	2600*	3200-3900	-	15	630*
Р6М5Ф3-МП	-	-	-	2580*	3500-4400	-	20	630*
Р12М3К5Ф2-МП	-	-	-	2720*	2600-3500	-	10	635*
Р12МФ5-МП	-	-	-	2600*	3000-4000	-	15	630*
11М5ФС	-	-	-	-	3400	-	-	620
11М7ФС	-	-	-	-	3100	-	-	640
11М7ФЮС	-	-	-	-	2800	-	-	643
Для сталей МП- Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р12МФ5 красностойкость (Кр, 58HRC) определялась после 4-х часового отпуска при температуре630 ^оС, для стали Р12М3К5Ф2-МП при температуре 635 ^оС. * Для порошковых сталей температура испытания образцов на сжатие для определения sсж0,5 -550^оС.

 

13.4.1 Термическая обработка в вакуумных печах.

Для термической обработки инструмента всё более широкое применение находит обработка в современных вакуумных печах, позволяющих осуществлять нагрев в вакууме, а закалочное охлаждение в среде инертного газа, не повреждающего поверхность, под избыточным давлением (табл.13.4)

Т а б л и ц а 13.4.

Физические свойства охлаждающих газов при25°С и давлении10 Па                                                                                                                                    

Физические свойства	Аргон (Аr)	Азот(N )	Гелий(Не)	Водород(Н )
Плотность кг/м	1,6687	1,170	0б167	0,0841
Соотношение плотностей газа и воздуха	1б3797	0,967	0б138	0,0695
Удельная теплоемкость с кДж/(кг.К)	0б5204	1,041	5,7931	14,3
Коэффициент теплопроводности,.10 , Вт/(м.К)	177	259	1500	1869
Коэффициент динамической вязкости,.10 , нс/м²	22б6	17,74	19,68	8,92

 

 

Вакуумные печи с высоконапорным газовым охлаждением позволяют:

- расширить возможности использования вакуумного оборудования для термической обработки изделий из менее легированных сталей;

- обеспечить получение чистой, неокисленной поверхности изделий, что дает возможность наносить защитные и упрочняющие покрытия без предварительной подготовки поверхности;

- за счет изменения давления можно автоматически регулировать скорость

охлаждения садки, снижая степень деформации и обеспечивая оптимальные

условия для структурных превращений.

Условия аустенизации в вакуумной печи и соляной ванне различны. Установлено, что медленный нагрев в вакуумных печах создает благоприятные условия для более полного растворения первичных карбидов и повышения степени легированности аустенита, верхний предел закалочных температур можно понизить на 20-30°С и на 15-20% уменьшить разнозернистость в структуре быстрорежущей стали по сравнению с нагревом в соляной ванне. Продолжительность аустенизации в вакуумных печах как правило не превышает 25мин. в зависимости от поперечного сечения и плотности упаковки садки. Выдержка при нагреве под закалку выбирается из расчета 40-60с на 1мм толщины инструмента. При нагреве инструмента в массивных приспособлениях время выдержки увеличивается на 20-30%. Для инструмента из порошковых быстроре­жущих сталей время выдержки при окончательном нагреве под закалку должно быть на 30% меньше, чем для сталей обычной выплавки. Конвекционный нагрев садки в области низких температур осуществляется инертным газом за счет системы циркуляции, встроенной в крышку вакуумной печи. Нагретый газовый поток проходя через садку, отдает ей тепло и обеспечивает быстрый и равномерный нагрев в области низких температур. При этом избыточное давление инертного газа может достигать 0,3 МПа. При высоких температурах осуществляется нагрев излучением. Преимущества конвекционного нагрева следующие: повышение на 30% скорости нагрева садки в интервале температур 20-800°С, что позволяет сокращать цикл термической обработки и экономить электроэнергию., сокращение на 50% времени термической обработки быстрорежущей стали; уменьшение градиента температур между поверхностью и сердцевиной изделия; снижение риска образования трещин, что связано с равномерностью нагрева изделия по сечению и снижением уровня термических напряжений; возможность загрузки садки с минимальными расстояниями между изделиями; возможность проведения полного цикла термической обработки изделий без выгрузки их из печи.

В вакуумных печах с конвекционным нагревом и многоцелевой системой газового охлаждения предусмотрено использование добавочных термоэлементов, располагаемых в критических точках садки, для обеспечения автоматического контроля охлаждения, например, для проведения изотермической закалки с бейнитным превращением или для выравнивания температуры  по сечению перед мартенситным превращением.

В табл. 13.5 представлены результаты, свидетельствующие о том, что в вакуумных печах высокого давления существуют условия, обеспечивающие возможность сквозной закалки инструмента с достаточно большим поперечным сечением. При охлаждении в вакуумной печи в одну садку следует подбирать изделия, различие которых по толщине не должно превышать 10-12мм.

                                                                                                 Таблица 13.5

Твердость поверхности и сердцевины после охлаждения в вакуумной печи стали Р6М5 при давлении 0.5МПа.

Диаметр, мм	Твердость поверхности,HRC	Твердость сердцевины,
25	67	67
40	67,5	65
60	65,5	65
80	65	64
100	63,5	62

 

Использование вакуумных печей для термической обработки инструмента гарантирует получение чистой поверхности, без обезуглероживания и выгорания легирующих элементов.Таким образом вакуумная термическая обработка оказывается для поверхности изделий дополнительной очисткой и дает возможность нанесения износостойких покрытий без дополнительной подготовки поверхности. Степень деформации изделий, закаленных в вакуумной печи на 15-35% меньше степени деформации тех же изделий, закаленных в соляных ваннах.

 Примеры эффективного применения быстроре­жущих сталей приведены в табл. 13.6.

                                                                                                                                                           Таблица 13.6

                            Область эффективного применения быстрорежущих сталей 

Марка стали	Область применения
Р18	Для всех видов режущего инструмента при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей.
Р6М5	Для всех видов режущего инструмента при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей., предпочтительно при изготовлении резьбонарезного инструмента, а также инструмента, работающего с ударными нагрузками.
Р6М5Ф3	Для чистовых и получистовых инструментов (фасонные резцы, развертки, протяжки, фрезы и др.) при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей.
Р6М5К5	Для черновых и получистовых инструментов при обработке улучшаемых легированных конструкционных сталей, а также коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов.
Р6М5К5-МП	Фасонные резцы, сверла,развертки, протяжки, фрезы, долбяки при обработке среднелегированных конструкционных сталей, а также коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов.
Р6М5Ф3-МП	Фасонные резцы, сверла,развертки, протяжки, фрезы, долбяки при обработке низко и среднелегированных конструкционных сталей, а также для инструментов холодного и полугорячего выдавливания легированных конструкционных сталей и сплавов.
Р12М3К5Ф2-МП	Фасонные резцы, сверла,развертки, протяжки, фрезы (червячные, дисковые, концевые), долбяки при обработке высокопрочных сталей, а также коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов.