Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды

Коррозионно-стойкие материалы (стали) – конструкционные материалы при эксплуатации в агрессивной среде должны обладать не только определенными механическими свойствами, но также высокой коррозионной стойкостью. К оррозией называют разрушение металла под воздействием окружающей среды. Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения. Коррозия в зависимости от характера окружающей среды может быть химической и электрохимической. Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а так же в обыкновенной атмосфере, где имеется влага. Химическая коррозия может происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой при отсутствии влаги.

Хромистые стали. Содержание хрома должно быть не менее 13% (13…18%). Коррозионная стойкость объясняется образованием на поверхности защитной пленки оксида.

Углерод в нержавеющих сталях является нежелательным, так как он обедняет раствор хромом, связывая его в карбиды, и способствует получению двухфазного состояния. Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионная стойкость нержавеющих сталей.

Различают стали ферритного класса 08Х13, 12Х17, 08Х25Т, 15Х28. Из ферритных сталей изготавливают оборудование азотно-кислотных заводов (емкости, трубы).

Стали мартенситного класса 20Х13, 30Х13, 40Х13. После закалки и отпуска при 180…250^oС стали 30Х13, 40Х13 имеют твердость 50…60 HRC и используются для изготовления режущего инструмента (хирургического), пружин для работы при температуре 400…450^o, предметов домашнего обихода.

Хромоникелевые стали. Для повышения механических свойств ферритных хромистых сталей в них добавляют 2…3 % никеля. Стали 10Х13Н3, 12Х17Н2 используются для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих в агрессивных средах.

Стали аустенитного класса – высоколегированные хромоникелевые стали. Нержавеющие стали аустенитного класса 04Х18Н10, 12Х18Н9Т имеют более высокую коррозионную стойкость, лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, лучше свариваются. Хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом является хром, никель только повышает коррозионную стойкость.

Для уменьшения дефицитного никеля часть его заменяют марганцем (сталь 40Х14Г14Н3Т) или азотом (сталь 10Х20Н4АГ11). Аустенитно-ферритные стали 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т являются заменителями хромоникелевых сталей с целью экономии никеля.

Сплавы на никелевой основе. Сплавы типа хастеллой содержат до 80 % никеля, другим элементом является молибден в количестве до 15…30 %. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами.

– Жаростойкие материалы

Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени. Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550^oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).

Сплавы на основе железа при температурах выше 570^oC интенсивно окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла оксид железа FeO (вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.

Для повышения жаростойкости в состав стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической решетки (хром, кремний, алюминий). Степень легированности стали, для предотвращения окисления, зависит от температуры. Чем выше содержание хрома, тем более окалиностойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры 1100…1150^oC). Высокой жаростойкостью обладают сильхромы (хромокремнистые стали), сплавы на основе никеля – нихромы, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ.

– Жаропрочные материалы

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах. То есть под жаропрочностью понимают способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени.

Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести. Критериями оценки жаропрочности являются длительная прочность и ползучесть. Прочность зависит от продолжительности испытаний. Пределом длительной прочности называется максимальное напряжение , которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время. Например =200 МПа означает, что при 600 °С материал выдержит действие напряжения 200 МПа в течение 100 часов.

Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре. При испытаниях образцы помещают в печь с заданной температурой и прикладывают постоянную нагрузку. Измеряют деформацию (чаще всего исследуют удлинение) индикаторами.

При обычной температуре и напряжениях выше предела упругости ползучесть не наблюдается, а при температуре выше 0,6Тпл, когда протекают процессы разупрочнения, и при напряжениях выше предела упругости наблюдается ползучесть. На кривых зависимости деформации от времени испытания можно выделить три стадии ползучести: I – стадия неустановившейся ползучести (АВ на рис.), когда скорость ползучести уменьшается со временем испытания, II – стадия установившейся ползучести (ВС на рис.), имеющая постоянную скорость деформации, III – стадия ускоренной ползучести (CD на рис.), предшествующей разрушению. Предел ползучести – напряжение, которое за определенное время при заданной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации, например, =150 МПА – напряжение, вызывающее в металле скорость ползучести 10^-3 %/час при 600 °С.

В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтовые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы.

1. Стали. При температурах до 300^oC обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали. Для работы в интервале температур 350…500^oC применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов.

Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и сильхромы. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы. Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных конструкций (например, трубы пароперегревателей).

Для деталей газовых турбин применяют сложнолегированные стали мартенситного класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000^oС в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации. Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания), применяются хромокремнистые стали – сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С. Жаропрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000^oС и отпуску при температуре 720…780^oС.

При рабочих температурах 500…700^oC применяются стали аустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин,сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д.

Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600^oС, из-за выделения по границам различных фаз.

По структуре стали подразделяются на две группы:

1. Аустенитные стали с гомогенной структурой 17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода в этих сталях минимальное. Для создания большей однородности аустенита стали подвергаются закалке с 1050…1100^oС в воде, затем для стабилизации структуры – отпуску при 750^oС.

2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р. Термическая обработка сталей включает закалку с 1050…1100^oС. После закалки старение при температуре выше эксплуатационной (600…750^oС). В процессе выдержки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды, вследствие чего прочность стали повышается.

2. Сплавы на основе алюминия, магния и титана. Они легче сталей, но менее жаропрочны.

а) Сплавы алюминия используются при температурах до 300-350 ^оС (исключение сплав САП – до 500-550 ^оС)

б) Сплавы магния – до 300-350 ^оС

в) Сплавы титана до 500-600 ^оС

Примеры сплавов рассмотрены в таблице 14

Группа	Марка	Массовая доля легирующих элементов, %	Температура применения, ^оС	Температура испытания ^оС	s100, МПа
Алюминиевые	Д20	6,3 %Cu; 0,6 %Mn; 0,15% Ti	250-300
АК4-1	2,3 %Cu; 1,6 %Mg; 1,1 %Fe; 1,1 %Ni; до 0,1 %Ti	250-300
САП-1	6-9 %Al2O3	300-500
АЛ19	4,9 %Cu; 0,8 %Mn; 0,25 %Ti	250-300
АЛ33	5,8 %Cu; 0,8 %Mn; 1,0 %Ni; 0,2 %Zr; 0,2 %Ce	250-300
Магниевые	МА12	2,5-3,5 %Nd; 0,5 %Zr	150-200		~100
МЛ11	2,5-4 %РЗМ; 0,7 %Zr; 0,5 %Zn	200-250
МЛ19	1,6-2,3 %Nd; 0,6 %Zn; 0,7 %Zr; 1,7 %Y	250-300
Титановые	ВТ3-1	6 %Al; 2,5 %Mo; 0,5 %Fe; 0,25 % Si	350-400
ВТ6	6,25 %Al; 4 %V	400-450	-	-
ВТ8	6,5 %Al; 3,3 %Mo; 0,3 %Si	450-500
ВТ9	6,5 %Al; 3,3 %Mo; 0,25 %Si; 1,6 %Zr	500-550
ВТ18	7,5 %Al; 11 %Zr; 0,7 %Mo; 1 %Nb; 0,3 %Si	550-600

 

3. Сплавы на основе никеля или кобальта.

Детали, работающие при температурах 700…900^oC, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей), обычно легированные 10-12 %Cr и W, Mo, V, Co (в случае никелевых сплавов), Al, Ti, B.

Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для малонагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.

Нимоники являются четверными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150^oС на воздухе и отпуска – старения при 600…800^oС.

4. Сплавы на основе тугоплавких металлов. Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900^oC (до 2500^oС), являются сплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и других. Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400^oС, тантал – 3000^oС, молибден – 2640^oС, ниобий – 2415^oС, хром – 1900^oС.

5. Неметаллические жаропрочные материалы – графит и специальная керамикаиспользуются при температурах выше 1000 ^оС. Жаропрочность этих материалов, из-за ковалентного типа связи, теряется только при 0,8 от температуры плавления. У графита при нагреве до 2200-2400 ^оС модули упругости и прочности возрастают (примерно на 60%) и лишь при более высоких температурах он теряет прочность. Графит не плавится, а при температуре ~3800 ^оС возгоняется. Недостаток – легкость окисления.

Керамики – изготавливают на основе соединений SiC (до 1800 ^оC), Si₃N₄ (1500 ^оС)и системы Si-Al-O-N. Эти материалы являются легкими, прочными и износостойкими. Изготавливают детали двигателей внутреннего сгорания (поршни, головки блока цилиндров). В отличие от графита менее склонна к окислению, в несколько раз прочнее. Недостаток – хрупка, сложно получать беспористый материал, плохо обрабатывается резанием.

 

 

 

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Инструментальными называют сплавы для изготовления инструмента.

1. Стали для режущего инструмента.

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, достаточной прочностью и вязкостью (для инструментов ударного действия).

Режущие кромки могут нагреваться до температуры 500…900^oС, поэтому важным свойством является теплостойкость, т.е., cпособность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве (красностойкость).

а) Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-74). Содержат 0,65…1,35% углерода.

Стали У7…У13А – обладают высокой твердостью, хорошо шлифуются, дешевы и недефицитны. Из сталей марок У7, У8А изготавливают инструмент для работы по дереву и инструмент ударного действия, когда требуется повышенная вязкость – пуансоны, зубила, штампы, молотки.

Стали марок У9…У12 обладают более высокой твердостью и износостойкостью – используются для изготовления сверл, метчиков, фрез.

Сталь У13 обладает максимальной твердостью, используется для изготовления напильников, граверного инструмента.

Основными недостатками углеродистых инструментальных сталей является их невысокая прокаливаемость (5…10 мм), низкая теплостойкость (до 200^oС), то есть инструменты могут работать только при невысоких скоростях резания.

б) Низколегированные инструментальные стали. Содержат 0,9…1,4 % углерода. В качестве легирующих элементов содержат хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний и другие. Общее содержание легирующих элементов до 5%. Высокая твердость и износостойкость в основном определяются высоким содержанием углерода. Легирование используется для повышения закаливаемости и прокаливаемости, сохранения мелкого зерна, повыщения прочности и вязкости.

Марганец (1-2%) обеспечивает стабильность размеров изделия при закалке – повышает количество остаточного аустенита до 15-20%. Кремний (1-1,5%) повышает сопротивление отпуску и обеспечивает образование легко отделяющейся окалины, Вольфрам (1-5%) повышает износостойкость.

Для деревообрабатывающего инструмента - стали 6ХС и 9ХФ. Сталь 9ХС используют для фрез, сверл, резьбонарезных инструментов размеров до 35 мм.

Повышенное содержание марганца (стали Х, ХВГ, 9ХВСГ (закаливаются в масле)) способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при закалке. Это особенно важно для инструмента, имеющего большую длину при малом диаметре, например, протяжек. ХВГ используется для длинных стержневых инструментов (сверла, развертки, протяжки) поперечным сечением до 45 мм. Хром увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки. Из стали ХВСГ изготавливаются инструменты с большим поперечным сечением – до 100 мм.

Стали используются для изготовления инструмента и ударного, и режущего.

“Алмазная” сталь ХВ5 содержит 5% вольфрама (еще существует ХВ4). Благодаря присутствию вольфрама, в термически обработанном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу M₆C. Твердость составляет HRC 65…67. Cталь используется для изготовления инструмента, сохраняющего длительное время острую режущую кромку и высокую размерную точность (развертки, фасонные резцы, граверный инструмент).

в) Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73). Стали получили свое название за свойства. В следствие высокой теплостойкости (550…650^oС), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания. Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного легирующего элемента – вольфрама, до 5 % хрома и молибдена, до 10 % кобальта.

Основными видами режущих инструментов из быстрорежущей стали являются резцы, сверла, долбяки, протяжки, метчики машинные, ножи для резки бумаги. Часто из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента.

Группу сталей нормальной производительности образуют вольфрамовые стали Р18, Р12, Р9, Р9Ф5 и вольфрамомолибденовые Р6М3, Р6М5. Сохраняют твердость HRC=58 до температуры 620 ^оС.

Группу сталей повышенной производительности образуют стали, содержащие кобальт и повышенной содержание ванадия – Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2. Они сохраняют твердость более HRC=64 до 630-640 ^оС. Используют для обработки высокопрочных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей с аустенитной структурой и других труднообрабатываемых материалов.

 

Таблица 15. Состав и свойства инструментальных сталей

Сталь	Состав, % по массе	Обработка, ^оС
С	Si	Cr	W	Mo	V	Прочие	закалка	отпуск
Низколегированные стали
ХВ4	1,25-1,45	-	0,4-0,7	3,5-4,3	-	0,15-0,3	-	800-820	100-140
9ХС	0,85-0,95	1,2-1,6	0,95-1,25	-	-	-	840-860	140-180
ХВГ	0,9-1,05	-	0,9-1,2	1,2-1,6	-	0,8-1,1 Mn	830-850	140-170
ХВСГ	0,95-1,05	0,65-1,00	0,6-1,1	0,5-0,8	0,05-0,15	0,6-0,9 Mn	840-860	140-160
Быстрорежущие стали
Р18	0,7-0,8	-	3,8-4,4	17,0-18,5	£1	1,0-1,4	-	1270-1290	550-570
Р9	0,85-0,95	-	8,5-10,0	£1	2,0-2,6	1220-1240	550-570
Р6М5	0,8-0,88	-	5,5-6,5	5,0-5,5	1,7-2,1	1210-1230	540-560
Стали для штампов холодной обработки давлением
Х12	2-2,2	-	11,5-13	-	-	-	-	1000-1040	150-170
Х12М	1,45-1,65	11-12,5	-	0,4-0,6	0,15-0,3	1020-1040 (1115-1170)	150-170 (500-580)
Х12Ф1	1,25-1,45	11-12,5	-	-	0,7-0,9	1050-1075 (1110-1140)	150-170 (500-520)
Х6ВФ	1,05-1,15	5,5-6,5	1,1-1,5	-	0,5-0,8	950-970	150-170
Стали для штампов горячей обработки давлением
5ХНМ	0,5-0,6	-	0,5-0,8	-	0,15-0,3	-	1,4-1,8 Ni	820-840	480-580
5ХНВ	0,5-0,6	-	0,5-0,8	0,4-0,7	-	-	1,4-1,8 Ni	840-860	500-560
3Х2В8Ф	0,3-0,4	-	2,2-2,7	7,5-8,5	-	0,2-0,5	-	1075-1125	600-650
4Х2В5МФ	0,3-0,4	-	2,2-3	4,5-5,5	0,6-0,9	0,6-0,9	-	1050-1080	600-650
4Х5В2ФС	0,35-0,45	0,8-1,2	4,5-5,5	1,6-2,2	-	0,6-0,9	-	1030-1060	580-620

 

г) Спеченные твердые сплавы - состоят из твердых карбидов и связующей фазы. Они изготавливаются методами порошковой металлургии. Обзор в таблице 16.

Характерной особенностью твердых сплавов является очень высокая твердость 87…92 HRC при достаточно высокой прочности. Твердость и прочность зависят от количества связующей фазы (кобальта) и величины зерен карбидов. Чем крупнее зерна карбидов, тем выше прочность. Твердые сплавы отличаются большой износостойкостью и теплостойкостью. Основными твердыми сплавами являются группы ВК (WC + Co), TK (WC + TiC + Co), TTK (WC + TiC + TaC + Co). Наиболее распространенными сплавами группы ВК являются сплавы марок ВК3, ВК6, ВК8, ВК20, где число показывает содержание кобальта в процентах, остальное – карбиды вольфрама WC. Сплавы группы ТК марок Т30К6, Т14К8 – первое число показывает содержание карбидов титана в процентах, второе – содержание кобальта в процентах. Сплавы этой группы лучше противостоят изнашиванию, обладают большей твердостью, тепло- и жаростойкостью, стойкостью к коррозии, но меньшей теплопроводностью и большей хрупкостью. Используются на средних и высоких скоростях резания.

Сплавы с малым количеством кобальта обладают повышенной твердостью и износостойкостью, но минимальной прочностью, Поэтому их используют для чистового точения (ВК3, Т30К4).

Сплавы с повышенным содержанием кобальта используют для чернового точения (ВК8, Т14К8).

Сплав ВК20 начинают использовать для армирования штампов, что повышает их износостойкость.

Износостойкость инструментов из твердых сплавов превышает износостойкость инструментов из быстрорежущих стале в 10…20 раз и сохраняется до температур 800…1000^oС.

 

 

Таблица 16. Состав и свойства спеченных твердых сплавов (ГОСТ 3882-74)

Группа	Сплав	Cостав шихты, %	sВ, МПа	HRA
WC	TiC	TaC	Co	Не менее
Вольфрамовая	ВК3		-	-			89,5
ВК4				89,5
ВК6				88,5
ВК8				87,5
ВК10
ВК15
ВК20
ВК25
Титано-вольфрамовая	Т30К4			-
Т15К6
Т5К10					88,5
Титано-тантало-вольфрамовая	ТТ7К12
ТТ8К6						90,5

 

д) Сверхтвердые материалы.

Алмаз как материал для изготовления инструментов. 80 % добываемых природных алмазов и все синтетические алмазы (борт, баллас, карбонадо) используются в качестве инструментальных материалов.

Основное количество алмазов используется в виде алмазного порошка для изготовления алмазно-абразивного инструмента – шлифовальных кругов, притиров, хонов, надфилей и др., для обработки особо твердых металлов и горных пород. Большое значение имеют заточные круги для твердосплавного инструмента, это увеличивает производительность труда и срок службы инструмента. Повышение стойкости твердосплавного инструмента обеспечивается высокой чистотой (отсутствие зазубрин, мелких трещин) лезвия инструмента.

Алмазный инструмент изготовляется в виде алмазосодержащих кругов с бакелитовой или металлической связкой. Также изготавливают алмазные резцы (для обработки корпусов часов), фильеры (для волочения проволоки из высокотвердых и драгоценных металлов) и др.

Нитрид бора (b-BN) – кубический нитрид бора КБН имеет такую же как алмаз решетку и близкие свойства, HV=90000, а теплостойкостью даже превосходит алмаз – у алмаза 800 ^оС, у КБН 1200 ^оС.

 

2. Стали для измерительных инструментов

Основными требованиями, предъявляемыми к сталям, из которых изготавливаются измерительные инструменты, являются высокая твердость и износоустойчивость, стабильность в размерах в течение длительного времени. Последнее требование обеспечивается минимальным температурным коэффициентом линейного расширения и сведением к минимуму структурных превращений во времени.

Для изготовления измерительных инструментов применяются:

· высокоуглеродистые инструментальные стали, легированные и углеродистые (стали У12, Х, Х9, ХГ, ХВГ, 9ХС), после закалки и стабилизирующего низкотемпературного (120…170 ^oС) отпуска в течение 10…30 ч. До отпуска желательно провести обработку холодом. Получают твердость 62…67 HRC; Инструменты высокой точности из этих сталей подвергают обработке холодом при (-50)-(-80) ^оС и кратковременному (2-3 ч) отпуску.

· малоуглеродистые стали (сталь 15, 20, 15Х. 20Х, 12ХН3А) после цементации и закалки с низким отпуском; Изготавливают плоские инструменты (скобы, линейки, шаблоны)

· стали 50 и 55, подвергаемые поверхностной закалке ТВЧ. Изготавливают плоские инструменты (скобы, линейки, шаблоны)

· нитралои (сталь 38ХМЮА) после азотирования на высокую твердость. Используют для инструментов сложной формы и размеров.

 

3. Штамповые стали. Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы) изготавливают из штамповых сталей.

Различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.

а) Стали для штампов холодного деформирования. Стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением пластическим деформациям.

Для штампов небольших размеров (до 25 мм) используют углеродистые инструментальные стали У10, У11, У12 после закалки и низкого отпуска на твердость 57…59 HRC. Это позволяет получить хорошую износостойкость и ударную вязкость. В основном из этих сталей делают вытяжные и высадочные штампы.

Для более крупных изделий применяют низколегированные стали Х, Х6ВФ, 9ХС, ХВГ, ХВСГ. Для повышения износостойкости инструмента после термической обработки проводят цианирование или хромирование рабочих поверхностей. Для уменьшения брака при закалке необходимо медленное охлаждение в области температур мартенситного превращения (например, закалка из воды в масло для углеродистых сталей, ступенчатая закалка для легированных сталей).

Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то используют стали, обладающие большей вязкостью (стали 4ХС4, 5ХНМ). Это достигается снижением содержания углерода, введением легирующих элементов и соответствующей термической обработкой. После закалки проводят высокий отпуск при температуре 480…580^oС, что обеспечивает твердость 38…45 HRC.

Высокохромистые стали типа Х12, Х12М, Х12Ф1 обладают высокой износостойкостью и глубокой прокаливаемостью (до 120 мм). Из них изготавливают штампы сложной формы. Эти стали в структуре имеют большое количество карбидной фазы (от 15 до 30%), что приводит к повышенной карбидной неоднородности. Что снижает прочность и вязкость.

Хромокремнистые стали 4ХС, 6ХС и дополнительно легированные вольфрамом (2-2.7%) 4ХВ2С, 5ХВ2С, 6ХВ2С – применяют для ударного инструмента – зубила, гибочные штампы, обжимные матрицы.

б) Стали для штампов горячего деформирования. Дополнительно к общим требованиям, от сталей этой группы требуется устойчивость против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении, окалиностойкость, высокая теплопроводность для отвода теплоты от рабочих поверхностей штампа, высокая прокаливаемость для обеспечения высокой прочности по всему сечению инструмента.

Для изготовления молотовых штампов применяют хромоникелевые среднеуглеродистые стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХСМФ. Вольфрам и молибден добавляют для снижения склонности к отпускной хрупкости. После термической обработки, включающей закалку с температуры 760…820^oС и отпуск при 460…540^oС, сталь имеет структуру – сорбит или троостит и сорбит отпуска. Твердость 40…45 HRC.

5ХНМ – крупные штампы сложной формы, 5ХГМ и 5ХНВС – обладают более низкой вязкостью чем 5ХНМ, используются для средних штампов.

Штампы горячего прессования работают в более тяжелых условиях. Для их изготовления применяются стали повышенной теплостойкости. Сталь 3Х2В8Ф сохраняет теплостойкость до 650^oС, но наличие карбидов вольфрама снижает вязкость. Сталь 4Х5В2ФС имеет высокую вязкость. Повышенное содержание хрома и кремния значительно увеличивает окалиностойкость стали.

Стали 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 4Х5В2ФС – близки к быстрорежущим сталям, закаливают с 1025-1125 ^оС, затем подвергают отпуску 500-580 ^оС. Изготавливают инструменты высокоскоростной штамповки.

Пресс-формы – стали 4ХВ2С, Х12, 7Х3, 8Х3, коррозионно-стойкую 30Х13, конструкционные стали 40Х, 30ХГС, азотируемые 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС.