5.3. Інструментальні сталі і сплави

За призначенням інструментальні сталі поділяються на сталі для ріжучого, вимірювального і штампового інструменту. Крім сталей, для виготовлення різального інструменту застосовуються металокерамічні тверді сплави та мінералокерамічні матеріали. Ріжучий інструмент працює в складних умовах, схильний до інтенсивного зносу, при роботі часто розігрівається. Тому матеріал для виготовлення ріжучого інструменту повинен володіти високою твердістю, зносостійкістю і теплостійкістю. Теплостійкість - це здатність зберігати високу твердість і ріжучі властивості при тривалому нагріванні.

Вуглецеві інструментальні сталі містять 0,7 - 1,3% вуглецю. Вони маркіруються буквою У і цифрою, що показують вміст вуглецю в десятих частках відсотка (У7, У8, У9, ..., У13). Буква А в кінці марки показує, що сталь високоякісна (У7А, У8А, ..., У13А). Попередня термообробка цих сталей - відпал на зернистий перліт, остаточна - загартування у воді або розчині солі і низький відпустку. Після цього структура сталі є мартенсит з включеннями зернистого цементиту. Твердість лежить в інтервалі HRC 56 - 64.

Для вуглецевих інструментальних сталей характерні низька теплостійкість (до 200°С) і низька прокалюваність (до 10 - 12 мм). Однак в'язка незагартована серцевина підвищує стійкість інструмента проти поломок при вібраціях і ударах.

Крім того, ці стали досить дешеві і в незагартованому стані самі добре обробляються.

Стали У7 - У9 застосовуються дня виготовлення інструменту, що зазнає ударних навантажень (зубила, молотки, сокири). Стали У 10 - У 13 йдуть на виготовлення інструменту, що володіє високою твердістю (напилки, хірургічний інструмент). Стали У8 - У12 застосовуються також для вимірювального інструмента.

Низьколеговані інструментальні сталі містять в сумі близько 1 - 3% легуючих елементів. Вони мають підвищену в порівнянні з вуглецевими сталями прокалюваність, але теплостійкість їх невелика - до 400°С. Основні легуючі елементи - хром, кремній, вольфрам, ванадій.

Маркуються ці стали так само, як конструкційні, але зміст вуглецю дається в десятих частках відсотка. Якщо перша цифра в марці відсутній, то зміст вуглецю перевищує 1%. Наприклад 9ХС, ХВГ, ХВ5.

Термообробка низьколегованих інструментальних сталей - гартування в маслі і відпуск при температурі 150 - 200°С. При цьому зазвичай досягається наскрізна прокалюваність. Твердість після термообробки складає HRC 62 - 64.

Завдяки більшій прокалюваності і загартуванню у маслі низьколеговані сталі використовуються для виготовлення інструменту великої довжини і великого перерізу (наприклад, свердел діаметром до 60 мм). Застосовуються для ручного інструменту по металу і вимірювального інструменту.

Швидкорізальні сталі, призначені для роботи при високих швидкостях різання. Головна їх перевага - висока теплостійкість (до 650°С). Це досягається за рахунок великої кількості легуючих елементів - вольфраму, хрому, молібдену, ванадію, кобальту. Маркіруються швидкорізальні стали буквою Р, число після якої показує середній вміст вольфраму в %. Далі йдуть позначення і зміст інших легуючих елементів. Вміст вуглецю у всіх швидкорізальних сталях приблизно 1%, а хрому 4%. Тому ці елементи в марці не вказуються. Наприклад, Р18, Р9, Р6М5, Р6М5Ф2К8.

Термообробка швидкорізальних сталей полягає загартуванні під високими температурами (1200 - 1300°С) і трикратному відпуску при 550 - 570°С. Триразовий відпуск застосовується для того, щоб позбутися від залишкового аустеніту, який присутній після загартування в кількості приблизно 30% і знижує ріжучі властивості. Після термообробки сталь має мартенситну структуру з карбідними включеннями. Твердість після термообробки складає HRC 64 - 65.

Швидкорізальні стали застосовуються для інструменту, використовуваного для обробки металу на металорізальних верстатах (різці, фрези, свердла). Для економії дорогих швидкорізальних сталей ріжучий інструмент часто виготовляється збірним або зварним. Робочу частину зі швидкорізальної сталі приварюють до основної частини інструмента з конструкційної сталі.

Металокерамічні тверді сплави являють собою спечені порошкові матеріали, основою яких служать карбіди тугоплавких металів, а сполучною - кобальт. Їх теплостійкість доходить до 900 - 1000°С, а твердість НКА 80 - 97.

Тверді сплави діляться на три групи. Вольфрамові виготовляються на основі карбіду вольфраму і кобальту. Маркуються літерами ВК і цифрою показує вміст кобальту в% (ВК2, ВК6, ВК10). Тітановольфрамові тверді сплави містять додатково карбід титану. Вони маркуються літерами Т, К і цифрами. Після букви Т вказується зміст карбіду титану в%, а після букви К - кобальту (Т15К10, Т15К6). Тітанотанталовольфрамові містять додатково карбід титану. Маркуються літерами ТТ, після яких вказується сумарний вміст карбідів титану і танталу в% і літерою К, після якої вказується вміст кобальту (ТТ7К12, ТТ10К8).

Тверді сплави виготовляються у вигляді пластин які припаюються до державки з вуглецевої сталі. Застосовують тверді сплави для різців, свердел, фрез та іншого інструменту. Головний недолік твердих сплавів - висока крихкість.

6. КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ І СПЛАВИ

6.1. Алюміній і його сплави

Алюміній - метал сріблястого кольору, що характеризується низькою щільністю (2,7 г/см³), високою пластичністю (δ = 40%), низькими міцністю (σ = 80 МПа) і твердістю (НВ 25). Температура плавлення - 659°С. Має високу електропровідність і корозійну стійкість. Кристалізується в кубічній гранецентрованій решітці і поліморфних перетворень не має. Маркується літерою А. У залежності від кількості домішок розрізняють алюміній особливої чистоти А999 (99,999% А1), високої чистоти А995, А99, А97 і технічної чистоти А85, А8, А7, А6, А5, АО. Використовується алюміній для виробництва фольги, електричних проводів . Як конструкційний матеріал використовується рідко внаслідок малої міцності. Сплави алюмінію діляться на ливарні і деформуючі.

Ливарні сплави алюмінію ГОСТ 1583-93 маркуються літерами і числом, що показує склад сплаву. Щоб сплав володів хорошими ливарними властивостями, він повинен мати низький температурний інтервал кристалізації. Крім того, бажано, щоб він мав низьку температуру плавлення. Цим вимогам задовольняють евтектичні сплави. Найбільшого поширення набули сплави алюмінію з кремнієм, що утворюють евтектику при утриманні 11,6% кремнію. Ці сплави називаються силумінами.

Широко застосовується силумін евтектичного складу АК12 містить 10 - 12% кремнію. Він має дуже хороші ливарні властивості, але малу міцність (σ_в = 180 МПа). Зменшення вмісту кремнію і добавка міді, магнію і марганцю погіршує ливарні властивості силумінів, але покращує механічні. Крім силумінів використовуються ливарні сплави алюмінію з міддю (АЛ7) і магнієм (АЛ8), не містять кремнію. Вони мають значно більшу міцність, ніж силуміни, але їх ливарні властивості гірше.

Деформуємі сплави алюмінію діляться на ті, що зміцнюються і ті, що не зміцнюються термічною обробкою. До сплавів, що не зміцнюються термічною обробкою відносяться сплави алюмінію з марганцем (маркується АМn) і магнієм (маркуються АМг1, - АМг7). Ці сплави маю: низьку міцність, але високу пластичність і корозійну стійкість.

До сплавів, що зміцнюються термічною обробкою відносяться дюралюміній, кувальні сплави, високоміцні сплави алюмінію. Дюралюмінії (дюралюмин) представляє собою сплав алюмінію з міддю (до 5%), марганцем (до 1,8%) і магнієм (до 0,9%). Маркується буквою Д і цифрою, що показує порядковий номер (Д1, Д16 і ін ). Піддається термічній обробці, яка складається з закачування від температури 500°С неприродного старіння, що полягає у витримці при кімнатній температурі протягом декількох діб. У результаті такої обробки міцність підвищується в два рази (з 200 - 240 МПа до 450 - 500 МПа) , а пластичність практично не змінюється. Перевагою дюралюмінію є висока питома міцність (відношення границі міцності до щільності), що особливо важливо в літакобудуванні, Дюралюміній випускається у вигляді листів і прутків.

Високоміцні сплави алюмінію містять крім міді і магнію додатково цинк (до 10%), Ці сплави маркіруються буквою В (В95, В96). Піддаються термообробці, що є аналогічною термообробці дюралюмінію, але природне старіння замінюється штучним старінням, що полягає у витримці при температурі 120 - 140°С протягом 16 - 24 год. У результаті межа міцності доходить до 600 - 700 МПа.

Ковані сплави алюмінію призначені для виробництва деталей ковкою і штампуванням. Маркуються літерами АК і числом, що показує порядковий номер. За хімічним складом близькі до дюралюмінію (сплав АК1 збігається але складом з Д1), іноді відрізняючись більш високим вмістом кремнію (АК6, АК8). Піддаються аналогічній термообробці.

Мала щільність і висока питома міцність зумовили широке застосування алюмінієвих сплавів в літакобудуванні. Вони складають до 75% маси пасажирських літаків. З дюралюмінію виготовляються обшивки, каркаси, з високоміцних сплавів - сильно навантажені деталі, з кованих - ковані та штамповані деталі (наприклад, лопаті гвинта).