Легированные инструментальные стали

Материаловедение. Занятие №21.

Инструментальные стали, сплавы и неметаллы: марки и применение.

По характеру работы инструменты можно разде­лить на несколько групп:

1) режу­щий; 2) измерительный; 3) штампы.

Условия работы инструментов различных групп раз­личаются существенно, поэтому и изготавливают их из различных сталей, сплавов и неметаллов с нужными свойствами.

СТАЛИ ДЛЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Выбор инструментальной стали производят в зави­симости от свойств обрабатываемого материала, усло­вий резания, требований к точности размеров и каче­ству обрабатываемой поверхности, экономических сооб­ражений и т. д.

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, обеспечивающей сохра­нение режущей кромки инструмента, достаточной проч­ностью и вязкостью (для инструментов ударного дей­ствия).

Режущие кромки инструмента могут нагревать­ся до 500—900° С. В этих случаях основным свойством инструментальных материалов является теплостойкость (красностойкость), т.е. способность сохранять высо­кую твердость и режущую способность при продолжи­тельном нагреве,

Этот комплекс свойств обеспечивается выбором ста­ли и оптимальным режимом термической обработки. При этом важное значение имеет прокаливаемость ста­ли. В зависимости от сечения инструмента его изготав­ливают из сталей небольшой, повышенной прокалива­еммости или из быстрорежущих сталей.

Углеродистые инструментальные стали

Эти стали по ГОСТ 1435-98 содержат 0,65— 1,35% С. Они маркируются У7, У7А... У13, У13А. Буква У обозначает что сталь углеродистая, число показывает содержание углерода в десятых долях процента.

Углеродистые инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью, хорошо шлифуются при изготовлении инструмента, дешевы и недефицитны.

Стали У7, У7А, У8, У8А, содержащие 0,7—0,8% С, применяют для инструментов по дереву и инструментов ударного действия, когда требуется повышенная вяз­кость,— пуансонов, кернов, зубил, кузнечных штампов и т.д.

Стали У9—У13 (У9А—У13А), содержащие 0,9— 1,3% С, обладают более высокой твердостью и износо­стойкостью. Из этих сталей изготавливают сверла, мет­чики, развертки, фрезы, плашки и др. Из стали У13, имеющей максимальную твердость (HRC 62—64) и из­носоустойчивость, изготавливают напильники, гравер­ный инструмент и т. п.

Для снижения твердости и создания благоприятной структуры все стали до изготовления инструмента под­вергают предварительной термической обработке — от­жигу. Поскольку наличие сетки вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инструмента, заэвтектоидные стали подвергают сфероидизирующему от­жигу, нагревая стали У9 и У10 до 740—750° С, а У11 и У12 до 750—780° С. В результате такого отжига пла­стины Ц_II делятся (на этот процесс положительно вли­яет наличие субграниц и скоплений дислокаций). Регу­лируя скорость охлаждения можно получать глобули Пи различного размера.

Окончательная термическая обработка — закалка и отпуск. Температура закалки доэвтектоидных сталей Ас₃ + 30° С, заэвтектоидных сталей Ас₁+(40-50^°С).

Структура закаленной стали — мелкоигольчатый мартенсит или мелкоигольчатый мартенсит с мелкими карбидами. Температуру отпуска выбирают в зависи­мости от твердости, необходимой для данного вида ин­струмента.

Для инструментов ударного действия (У7, У8), ког­да требуется повышенная вязкость, применяют отпуск при температурах 280—300° С (HRC 56—58). Для на­пильников, метчиков, плашек и т.п. (стали У10—У13) производят низкотемпературный отпуск при 150—200° С, что обеспечивает инструменту максимальную твердость (HRC 62—64).

Основные недостатки углеродистых сталей — их не­большая прокаливаемость, примерно до 5—10 мм, и низкая теплостойкость. При нагреве выше 200° С их твердость резко снижается. Инструменты из этих ста­лей могут работать лишь при небольших скоростях ре­зания.

Легированные инструментальные стали

Эти стали обычно содержат 0,9— 1,4 % С. Суммарное содержание легирующих элементов (Cr, W, Mn, Si, V и др.) не превышает 5%. Состав и свойства наиболее распространенных сталей указаны в приложении, табл. 10.

Легирующие элементы, увеличивая устойчивость аустенита, уменьшают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость (инструменты из сталей повышенной прокаливаемости, как правило, прокалива­ются насквозь). Инструменты закаливают в масле, что уменьшает возможность коробления и образования за­калочных трещин.

Термическая обработка таких инструментов заклю­чается в закалке с 800—860° С в масло или ступенчатой закалке (температура закалки определяется составом). Отпуск проводят низкотемпературный — при 150— 200° С. Твердость после термической обработки состав­ляет HRC 61—66. Иногда для увеличения вязкости по­вышают температуру отпуска до 300° С, но при этом твердость понижается до HRC 55—60.

Малолегированные стали, содержащие 1 —1,5% ле­гирующих элементов (Х05, 7ХФ, 8ХФ), относятся к сталям небольшой прокаливаемости.

Применяемые для режущего инструмента стали 9ХС, ХВСГ, ХВГ и др. по сравнению с углеродистыми сталями имеют более высокую прокаливаемость, повы­шенную твердость и износоустойчивость.

Повышенное содержание кремния (9ХС, ХВСГ) способствует увеличению прокаливаемости (критичес­кий диаметр для стали 9ХС равен 40 мм, а для стали ХВСГ 100 мм при закалке в масле) и устойчивости мар­тенсита при отпуске.

Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Поэтому эти стали часто применяют для изго­товления инструмента, имеющего большую длину при относительно небольшом диаметре, например протяжек. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.

Из сталей этой группы изготавливают различные инструменты — от ударного до режущего. Теплостой­кость инструментов, как правило, не превышает 300° С, поэтому эти стали не используют для обработки с боль­шими скоростями резания.

Так называемая «алмазная» сталь ХВ5 (5% W) бла­годаря присутствию вольфрама в термически обрабо­танном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу и твердость HRC 65—67. Из этой ста­ли изготавливают инструмент, сохраняющий длитель­ное время острые кромки и высокую размерную точ­ность (развертки, фасонные резцы, граверный инстру­мент и т. п.).

К сталям повышенной прокаливаемости относятся и стали с кар­бидным упрочнением, например 6Х6ВЗМФС и 8Х4В2С2МФ. После термической обработки (закалка с 1050—1080° С, отпуск — старе­ние при 520—540° С) инструмент из этих сталей за счет выделения дисперсных карбидов М₂₃С₆ и М₇С₃ приобретает высокую твердость HRC 61—63, имея повышенную вязкость и прочность. Кроме того, он обладает высоким сопротивлением пластической деформации.

В последние годы для инструментов используются также стали с ннтерметаллидным упрочнением. Интерметаллиды (Ni₃Ti, NiTi, FeMo₂ и др.) оказывают даже более сильное упрочняющее влияние, чем карбиды. Это объясняется очень высокой дисперсностью образующихся частиц (50—200 А), которые коагулируют при 650— 675° С. Отсюда — высокая теплостойкость инструмента из таких ста­лей. Интерметаллидные фазы присутствуют в теплостойких сталях с повышенным содержанием Со и W (при низком содержании углеро­да), а также в мартенситностареющих сталях (см. гл. 9), которые также теперь используются для изготовления инструмента, например сталь Н10Х11М2Т2 (ЭП 853), которая после термической обработки приобретает твердость HRC 55—58, сохраняющуюся до температур 350—400° С. Мартенситностареющие стали рационально применять для медицинского инструмента небольшого сечения с очень тон­кой режущей кромкой. Эти стали, как правило, коррозионностойки, а мелкодисперсные выделения упрочняющей фазы исключают раз­рушение тонкого (<0,05—0,1 мм) лезвия инструмента.

БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ

Быстрорежущие стали получили такое название за свои свойства. Вследствие высокой теплостойкости (550—650° С) инструменты могут работать со скоростя­ми резания, в три-четыре раза большими, чем инстру­менты из углеродистых и легированных сталей.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73) содержат 0,7—1,5% С, до 18% W, являющегося основным легиру­ющим элементом, до 4,5% Сr, до 5% Мо, до 10% Со. В обозначе­нии марок стоит буква Ρ от слова «рапид» — скорость, цифры за этой буквой показывают среднее содержание вольфрама (Р18, Р9 и т.д.).

Высокая теплостойкость быстрорежущей стали объ­ясняется следующими ее особенностями. При нагреве углеродистой закаленной стали происходит выделение из мартенсита дисперсных частиц карбидов (Fe_хC), ко­торые уже при 300—400° С коагулируют. Твердость по­нижается. Для сохранения твердости при нагреве (теп­лостойкости) сталь необходимо легировать такими элементами, карбиды которых образуются и коагулируют при более высоких температурах. Такими элементами являются вольфрам, хром и др.

Добавление ванадия повышает износостойкость ин­струмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повы­шает теплостойкость до 650° С и вторичную твердость до HRC 67—70. Наиболее высокую теплостойкость име­ют стали Р14Ф4, Р10К5Ф5 и Р8М4К8 (до 640—650°С).

По структуре в равновесном состоянии эти стали от­носятся к ледебуритному классу. Отливки из быстроре­жущей стали подвергают ковке, а затем отжигу, нагре­вая до 860—900° С. После отжига структура быстроре­жущей стали состоит из сорбита, куда входят очень мелкие эвтектоидные карбиды, мелких вторичных кар­бидов, выделившихся при охлаждении из аустенита, и более крупных обособленных первичных карбидов, входящих в состав эвтектики. Суммарное количество кар­бидов достигает 30—35%· После окончательной терми­ческой обработки быстрорежущая сталь приобретает теплостойкость. Чем выше температура закалки, тем большее количество легирующих элементов растворяет­ся в аустените, а следовательно, тем более легирован­ным получается мартенсит, который обладает большей теплостойкостью.

При нагреве до 1250—1280° С в аустените стали Р18 содержится около 0,3% С, ~4% Cr, ~ 1 % V и 7— 8% W. Инструмент из стали Ρ18 подвергают закалке с 1280° С. Нагрев под закалку до более высоких темпе­ратур приводит к оплавлению режущих кромок инстру­мента и появлению карбидной эвтектики. Закалку про­водят в масле.

Температура закалки из стали Р9 составляет 1240° С, причем в этом случае требуется более точное соблюдение режима.

Инструмент под закалку нагревают обычно в соля­ных ваннах, что улучшает равномерность прогрева и уменьшает возможность обезуглероживания поверхно­сти. Вследствие малой теплопроводности быстрорежу­щей стали нагрев осуществляется ступенчато: инстру­мент вначале подогревают в первой ванне до 500— 600° С, а затем переносят в ванну с температурой 800° С и после этого в третьей ванне нагревают до 1280° С.

Микроструктура закаленной быстрорежущей стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита (до 30%) и большого числа рассеянных зернышек первичных карбидов. Количество остаточного аустенита и положе­ние точек М_н и М_к также зависят от температуры за­калки. Твердость закаленной быстрорежущей стали до­стигает HRC 60—62.

Остаточный аустенит ухудшает режущие свойства, поэтому закаленный инструмент обязательно подверга­ют отпуску. Установлено, что при нагреве до темпера­тур ниже 560° С никаких существенных изменений не происходит. Если же нагревать при отпуске до 560° С, то при последующем охлаждении часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. После трехкратного отпуска при 560 С с выдержкой в течение часа количество остаточного аустенита уменьшается до 2— 3%, твердость увеличивается до HRC 64—65.

В настоящее время при термической обработке бы­строрежущей стали широко применяют обработку хо­лодом. Закаленную сталь охлаждают до (—80) — (—100)°С, т.е. до температур ниже точки М_к этой стали. Затем для снятия внутренних напряжений сталь подвергают однократно отпуску (560° С, 1 ч). Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 приведены на рис. 1, а, б. Иногда для повышения износостойкости инструмен­та применяют низкотемпературное цианирование при 520—560° С в течение 10—15 мин. На поверхности об­разуется слой, насыщенный азотом и углеродом, тол­щиной 0,03—0,06 мм. Для уменьшения прилипания стружки и повышения коррозионной стойкости прово­дят обработку паром (при температуре отпуска). На поверхности образуется тонкая пленка предотвращаю­щая прилипание стружки.