Изучение теплостойкости сплавов

ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

I. Цель работы

Изучение теплостойкости сплавов различного химического состава, применяемых для изготовления режущего инструмента.

II. Теоретическое обоснование

Основные требования, предъявляемые к материалам для режущего инструмента - это высокая твердость и износостойкость. От этих характеристик зависит прежде всего качество обрабатываемой поверхности. Кроме того, при тяжелых условиях резания (высокие значения скорости резания, а также - прочности, твердости или вязкости обрабатываемых изделий), когда режущая кромка может разогреваться до температур красного каления и выше, материал инструмента должен обладать теплостойкостью - способностью сохранять высокую твердость (износостойкость) при длительном нагреве. Величина теплостойкости оценивается предельной температурой, при которой сохраняется высокое значение твердости (обычно 58...59 HRC_э), обеспечивающей работоспособность инструмента. В дальнейшем эту температуру, характеризующую теплостойкость, будем обозначать t ₅₈.

По теплостойкости сплавы для режущего инструмента подразделяют на следующие группы:

1) углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью t ₅₈»200 °С;

2) высоколегированные быстрорежущие стали с t ₅₈»600...640 °С;

3) твердые сплавы с t ₅₈»800...1000 °С[44].

Высокая твердость сталей для режущего инструмента обеспечивается большим содержанием углерода - обычно 0,9...1,2 %, иногда до 1,3...1,5 %.

Углеродистые стали (У9, У10, У11, У12, У13, ГОСТ 1435-90) после неполной закалки (см. работу 6) и низкого отпуска имеют структуру мартенсита с мелкозернистыми включениями вторичного цементита и высокую твердость HRC_э 62...64. Недостаток этих сталей - пониженная прокаливаемость, поэтому из них изготавливают металлообрабатывающий инструмент небольшого размера (метчики, сверла, напильники, пилы и др.). Закалку проводят в воде или солевых растворах.

Низколегированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-2000) содержат такое же количество углерода и до 5 % легирующих элементов. Основным легирующим элементом является хром.

Стали этой группы, как и инструментальные углеродистые, подвергаются закалке и низкому отпуску, имеют аналогичную структуру и практически такую же твердость (см. табл. 8.1). Их теплостойкость лишь незначительно выше (t ₅₈<250...260 °С).Однако вследствие легирования они обладают более низкой критической скоростью закалки V _кр и существенно большей прокаливаемостью (см. работу 7). Так, из стали ХВСГ можно изготавливать инструмент с поперечным сечением до 100 мм. Закаливают эти стали обычно в масле.

В быстрорежущих сталях (ГОСТ 19265-73) высокая теплостойкость (красностойкость) достигается введением большого количества вольфрама[45] наряду с другими карбидообразующими элементами (Mo, Cr, V).

Карбиды этих элементов в отличие от цементита в углеродистых сталях выделяются из мартенсита и коагулируют (укрупняются) при более высоких температурах отпуска. Поэтому распад мартенсита в быстрорежущих сталях и последующая коагуляция карбидов, приводящие к снижению твердости, сдвигаются в область высоких температур (500...600 °С). Для получения высокой теплостойкости карбиды как можно полнее должны быть растворены в аустените (этим обеспечивается получение высоколегированного мартенсита). Для этого необходима высокая температура нагрева стали под закалку. Сильное легирование быстрорежущих сталей приводит к тому, что температура окончания

мартенситного превращения лежит ниже комнатной (см. работу 6). Поэтому в закаленной стали сохраняется до»30 % остаточного аустенита, снижающего режущие свойства инструмента. Для его уничтожения применяют трехкратный отпуск при t»560 °С. При этом аустенит превращается в мартенсит, кроме того, выделяются дисперсные вторичные карбиды, что на несколько единиц (1...3 HRC_э) повышает твердость закаленной стали. Структура стали после такой термообработки: мартенсит, дисперсные вторичные и относительно крупные первичные карбиды.

Твердые сплавы - это металлокерамические материалы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала. Они изготавливаются методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, выполняющим роль связки, прессуют и спекают при 1400...1550 °С. Таким образом изготавливают режущие пластинки, которыми оснащают резцы, фрезы, сверла и другие инструменты. Структура таких материалов на 80-95 % состоит из карбидных частиц, обеспечивающих высокую твердость HRA 85...92 (HRC_э 67...76) и теплостойкость (t ₅₈»800...1000 °С)

инструмента.

По ГОСТ 3882-74 выпускают твердые сплавы трех групп:

1) вольфрамовые (ВК3, ВК6,..., ВК25);

2) титановольфрамовые (Т30К4, Т15К6,..., Т5К12);

3) титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6,..., ТТ20К9).

В группе ВК цифры показывают содержание кобальта в процентах, остальное карбид вольфрама WC. В группе ТК цифры после букв Т и К- содержание карбида титана TiC и Со соответственно, остальное WC. В группе ТТК цифры после букв ТТ и К - содержание карбидов титана и тантала в сумме (TiC+TaC) и Со соответственно, остальное WC. Например, ВК6 – 6 % Co, 94 % WC; T30K4 – 30% TiC, 4% Co, 66 % WC; TT7K12 – 7 % (TiC+TaC), 12 % Co, 81 % WC.

 

Твердые сплавы применяются для высокоскоростного резания сталей, а также черновой и чистовой обработки труднообрабатываемых материалов (чугуна, жаропрочных сталей и сплавов, керамики).