Инструментальные стали

Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (HRC 60-65), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента.

Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость, т.е. устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы. Все инструментальные стали подразделяют на три группы: не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-5% Cr), полутеплостойкие (содержащие свыше 0,6-0,7% С и 3-18% Cr) и теплостойкие (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, Mo, V, Co), получившие название быстрорежущих.

Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью. Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).

Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У (углеродистые); следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная. Легированные инструментальные стали Х, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т.д. маркируют цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание < 1%. Если содержание углерода ~ 1% и больше, то цифра чаще отсутствует. Буквы означают легирующие элементы, а следующие за ними цифры – содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р. Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама (в процентах). Среднее содержание остальных легирующих элементов, кроме хрома, обозначают цифрой после соответствующей буквы. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4% и поэтому в обозначении марки стали не указывается.

Стали для режущего инструмента

Стали для режущего инструмента после закалки и низкого отпуска должны иметь высокую твердость по режущей кромке (HRC 60-65); высокую износостойкость; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы; теплостойкость, когда резание выполняется с повышенной скоростью.

Углеродистые стали небольшой прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью. Углеродистые инструментальные стали У7 (У7А), У8 (У8А), У8ГА, У9 (У9А), У10 (У10А), У12 (У12А) имеют небольшую прокаливаемость, поэтому их применяют для инструментов небольших размеров, применяемых для резания материалов с низкой твердостью и с малой скоростью, т.к. их твердость сильно снижается при нагреве выше 190-200^оС. Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла и др.) применяют заэвтектоидные стали (У10, У12 и др.). Деревообрабатывающий инструмент - зубила, кернеры, топоры и т.п. - изготовляют из сталей У7 и У8.

Легированные стали повышенной прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью. Стали содержат 1-3% легирующих элементов и поэтому обладают повышенной прокаливаемостью. Легированные стали применяют для изготовления режущего инструмента большого сечения для обработки материалов с небольшой скоростью, при нагреве во время работы не свыше 250⁰С.

Из сталей марок Х, 9ХС и др. изготавливают ручные сверла, метчики, развертки и др. Стали, легированные марганцем ХГ, ХВГ, применяют для изготовления длинномерного инструмента (протяжки, длинные развертки и т.д.), т.к. присутствие марганца способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при закалке. Стали, легированные вольфрамом, марок В2Ф, ХВ4 имеют после закалки и низкого отпуска очень высокую твердость (HRC 67-70) и их применяют для обработки твердых материалов.

Быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (до 600-620 ⁰С), которая достигается легированием карбидообразующими элементами (W, Mo, Cr, V) в таком количестве, при котором они весь углерод связывают в специальные карбиды и эти карбиды переходят в раствор при закалке. Быстрорежущие стали предназначены для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания; фактически скорость резания в 2-4 раза выше, а стойкость инструмента в 10-30 раз выше по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Для придания стали высокой теплостойкости их подвергают закалке и трехкратному отпуску. Температуры закалки высокие (1230-1280^оС), с целью более полного растворения легирующих элементов в аустените, из которого в процессе закалки образуется легированный мартенсит, обладающий большой теплостойкостью. В структуре закаленной стали присутствует также около 30% остаточного аустенита, который ухудшает режущие свойства. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит (и повышения твердости) сталь после закалки подвергают трехкратному отпуску (550-570^оС) или обработке холодом (-70^оС) и однократному отпуску.

Твердость сталей после такой термической обработки HRC63-65. Наиболее известные марки Р18, Р12, Р6М5, Р9К10 , Р12Ф3, Р6М5К5 и др.

Штамповые стали

Для обработки металлов давлением применяют инструменты – штампы, пуансоны, ролики и т.д., деформирующие металл. Стали, применяемые для изготовления такого рода инструмента называются штамповыми сталями (по виду наиболее распространенного инструмента). Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и горячем состоянии. Условия работы этих сталей сильно различаются между собой.

Штамповые стали для деформирования в холодном состоянии.

Стали используемые для изготовления штампов, деформирующих металл при нормальных температурах должны обладать высокой твердостью (HRC 56-60), износостойкостью, прочностью сочетающейся с достаточной вязкостью. При термической обработке необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость штампов и небольшие объемные изменения. Штампы небольших размеров и простой конфигурации изготавливают из углеродистых сталей У10, У11, У12. Для более сложных конфигураций и более тяжелых условий работы применяют стали ШХ 15, Х, ХВСГ и др. Для крупных штампов применяют стали Х12, Х12Ф1, Х12М и др.

Штамповые стали для деформирования в горячем состоянии (полутеплостойкие и теплостойкие). Стали, применяемые для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать окалиностойкостью и разгаростойкостью, т.е. способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин. Кроме того, стали должны иметь высокую износостойкость и теплопроводность для лучшего отвода тепла, передаваемого обрабатываемой заготовкой. Многие штампы имеют большие размеры, поэтому сталь для их изготовления должна обладать высокой прокаливаемостью, что обеспечивает высокие механические свойства по всему сечению штампа.

Штампы, работающие при умеренных нагрузках и нагревающиеся при работе до 550 ⁰С изготавливают из полутеплостойких сталей 5ХНМ, 5ХГМ и др., обладающих повышенной вязкостью. Средненагруженные штампы, работающие с разогревом поверхности до 600 ⁰С изготавливают из сталей 4Х5В2ФС, 4Х5МФ1С и др. Стали повышенной теплостойкости 5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф и др. используют для штампов нагревающихся при деформировании до 600-700 ⁰С.

ЧУГУНЫ

Процесс графитизации в чугунах

Чугун отличается от стали по химическому составу более высоким содержанием углерода. В промышленных чугунах кроме железа и углерода содержится кремний, марганец, сера и фосфор, причем в количествах, больших, чем в углеродистых сталях. Чугуны обладают лучшими по сравнению со сталью, литейными свойствами (большей жидкотекучестью, меньшей усадкой), они дешевле стали, но уступают по прочности (особенно при растягивающих нагрузках) и пластическими свойствами (не поддаются обработке давлением).

Углерод в чугуне может находиться в связанном состоянии – в виде карбида железа (цементита) и в свободном – в виде графитовых включений различной формы, или одновременно в виде карбида и графита. В зависимости от этого различают чугуны.

1. Белый, в нем весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбидов, излом чугуна имеет характерный блестящий белый цвет;

2. Серый, большая часть углерода в нем находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего пластинчатую форму;

3. Ковкий, большая часть углерода в этом чугуне находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего хлопьевидную форму (углерод отжига);

4. Высокопрочный, в нем большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего шаровидную форму.

Серый, ковкий и высокопрочные чугуны содержат графит, их изломы, поэтому получаются серого цвета и по цвету излома все перечисленные чугуны можно называть серыми. Структура серого, ковкого и высокопрочного чугунов состоит из графитовых включений и металлической основы, которая может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной.

Процесс образования графита в чугуне называется графитизацией. Основными факторами, влияющими на процесс графитизации, являются скорость охлаждения и химический состав чугуна.

Скорость охлаждения. Образование графита из жидкости или аустенита при охлаждении происходит в узком интервале температур, следовательно, для того, чтобы как можно дольше жидкость и аустенит находились в этих интервалах температур, скорость охлаждения должна быть мала. В производственных условиях скорость охлаждения удобно характеризовать по толщине стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация.

Химический состав. Углерод и кремний способствует графитизации чугуна, поэтому с увеличением их содержания в чугуне графитизация будет протекать полнее. Содержание кремния в чугуне составляет 1,2-3,5%.

Марганец препятствует графитизации, т.е. затрудняет выделение графита и способствует образованию карбидов и таким образом способствует получению белого чугуна.

Сера способствует отбеливанию чугуна. Ее отбеливающее влияние в 5 раз больше, чем для марганца.

Фосфор на процесс графитизации заметного влияния не оказывает.

Образование графита может происходить не только при кристаллизации из жидкости или аустенита. Возможен и другой способ его образования – в результате распада предварительно образовавшегося цементита, в процессе длительного нагрева его при высоких температурах. При температуре выше PSK цементит распадается на аустенит и графит, а ниже PSK цементит распадается на феррит и графит.

Структура, свойства и применение чугунов

Белый чугун. Структура белых чугунов представлена на диаграмме железо-цементит, в соответствии с которой белые чугуны делятся на: доэвтектические – содержащие углерода от 2,14 до 4,3%, эвтектические - С=4,3%, заэвтектические – С>4,3%. В белых чугунах весь углерод находится в форме цементита, т.е. степень графитизации равна нулю. Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью, практически не поддается обработке режущим инструментом, поэтому имеет ограниченное применение (для отливок, не требующих механической обработки и работающих в условиях абразивного износа при сухом трении). Его также используют как исходный материал для получения ковкого чугуна.

Серый чугун. В чугуне весь углерод или частично присутствует в виде графита пластинчатой формы. В структуре чугуна различают металлическую основу и графитовые включения. По строению металлической основы серый чугун разделяют на ферритный; структура – феррит и графит. Феррито-перлитный: структура – феррит + перлит + графит. Перлитный; структура перлит + графит.

Механические свойства серых чугунов зависят как от свойств металлической основы, а так же количества и характера графитовых включений. Чугуны разделяются на марки в зависимости от значений механических свойств. Чугун маркируется буквами СЧ (серый чугун) и числом, показывающим минимальную величину временного сопротивления при растяжении в МПа·10^-1. Например чугуны марок СЧ10 и СЧ35 имеют временное сопротивление при растяжении не менее 100 и 350 МПа соответственно. Применение серых чугунов определяется их механическими свойствами.

Ферритные и феррито-перлитные чугуны СЧ10…СЧ15 используют для строительных колон, фундаментных плит, малонагруженных деталей сельхозмашин и т.д.

Перлитные чугуны (СЧ18…) применяют для изготовления отливок, например станины станков, блоки двигателей, цилиндры, компрессорное и арматурное литье, для металлургического оборудования и др. Чугуны марок СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 получают модифицированием (добавлением в жидкий чугун перед разливкой ферросилиция или силикокальция в количестве 0,3-0,8%) с целью уменьшения графитовых включений, которые обеспечивают получение более высоких значений прочности.

Для деталей работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие (дополнительно содержат Cr, Al), жаропрочные (Cr, Ni, Mo). Применяются также немагнитные хромоникелевые чугуны с аустенитной структурой.

Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке. Используют низкий отжиг (560⁰С) для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров, нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Серые чугуны обладают лучшими по сравнению с другими чугунами, литейными свойствами, отливки из серого чугуна дешевле, чем из остальных чугунов и в 1,5 раза дешевле стальных. Серый чугун является самым распространенным литейным сплавом, из него получают 64% всех отливок по массе.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун (модифицированием) магния или церия в количестве 0,03-0,07%. По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от обычного серого чугуна. Под действием магния (или церия) графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Шаровидный графит значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый, поэтому эти чугуны имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства. Высокопрочные чугуны, как и серые, разделяются по строению металлической основы на ферритный, феррито-перлитный, перлитный.

Чугун маркируется буквами ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, показывающим минимальную величину временного сопротивления при растяжении в МПа·10^-1. Например, чугуны марок ВЧ35 и ВЧ100 имеют временное сопротивление при растяжении 350 и 1000МПа соответственно. Марки высок5опрочных чугунов согласно ГОСТ7293-85 от ВЧ35 до ВЧ100.

Отливки из высокопрочного чугуна используют в автостроении и дизелестроении (коленчатые валы, крышки цилиндров и др.) в тяжелом машиностроении (детали прокатных станов, траверсы прессов, прокатные валки и др.), химической и нефтяной промышленности (корпуса насосов и др.). Для повышения механических свойств высокопрочные чугуны подвергают специальной термической обработке, состоящей из нагрева до 950⁰С, охлаждения до 600⁰С и подогрева до 725⁰С с длительной выдержкой при этой температуре, обеспечивающей получение зернистого перлита.

Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы структуры чугуна. Кроме того, чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния. Металлическая основа ковкого чугуна: феррит (ферритный ковкий чугун), феррит и перлит (феррито-перлитный ковкий чугун), перлит (перлитный ковкий чугун). Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун, который наиболее широко применяют в машиностроении.

Толщина сечения отливки из ковкого чугуна не должна превышать 40 мм. При большем размере отливок в сердцевине образуется пластинчатый графит и чугун становится непригодным для отжига. Продолжительность отжига составляет 70-80 часов. Для ускорения отжига применяют различные меры: чугун модифицируют алюминием, повышают температуру нагрева чугуна перед разливкой, повышают температуру графитизации.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ (ковкий чугун) и цифрами. Первые две цифры указывают минимальную величину временного сопротивления при растяжении в МПа·10^-1, вторые – относительное удлинение в процентах. Например, чугун марки КЧ30-6 имеет временное сопротивление разрыву 300 МПа (не менее) и относительное удлинение 6% (не менее). Некоторые марки ковких чугунов по ГОСТ 1215-79 – КЧ 30-6; КЧ35-10, КЧ60-3, КЧ80-1,5 и др.

Из отливок ковкого чугуна изготавливают детали, работающие при ударных и вибрационных нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, вилки карданных валов, муфты, тормозные колодки и др.). Для повышения твердости, износостойкости и прочности ковкого чугуна применяют нормализацию с 800-850⁰С или закалку с 850-900⁰С и отпуск при 450-700⁰С.