Лабораторна робота №4 Інструментальні сталі

Основні властивості та класифікація інструментальних сталей. Матеріали для ріжучих інструментів. Ріжучі інструменти з вуглецевих і низьколегованих сталей. Швидкорізальні сталі. Штампові сталі.

Основними властивостями інструментальних сталей , що мають значення практично для всіх видів інструментів , є: твердість , в'язкість , зносостійкість ,прогартовуваність. Твердість є головним показником якості інструменту. Твердість інструменту залежить від вмісту вуглецю і від одержуваної структури: надлишкова карбідна фаза і мартенсит збільшують твердість , а залишковий аустеніт зменшує . Зносостійкість інструментальної сталі є характеристикою довговічності роботи інструменту. Теплостійкість або красностойкость інструментальної сталі характеризується температурою , до якої зберігається задана висока твердість , міцність і зносостійкість сталі.

За теплостійкістю сталі поділяють на нетеплостійкі( зберігають високу твердість і інші властивості до температури нагріву 200 ... 300 º С) , напівтеплостойкі (до 400 ... 500 º С) , теплостійкі ( вище 550 ... 600 º С). За складом інструментальні сталі підрозділяють на вуглецеві, низьколеговані , леговані та високолеговані . За структурою в рівноважному стані: доевтектоїдні , заевтектоїдні та ледебуритні . За призначенням інструментальні сталі поділяють на сталі для ріжучих інструментів , штампові стали для холодного деформування і для гарячого деформування , стали для вимірювальних інструментів. Умови роботи інструментів залежать від режимів різання і властивостей оброблюваного матеріалу. Чим більше швидкість різання , перетин стружки, що знімається , а також міцність і в'язкість оброблюваного матеріалу , тим вище температура нагріву ріжучої кромки інструментів. Працездатність інструментів визначається здатністю матеріалу зберігати високу твердість при тривалому нагріванні , тобто теплостійкість . За теплостійкостю матеріали поділяють на такі групи: вуглецеві й низьколеговані сталі (до 200 º С) , високолеговані сталі (до 600 ... 640 º С) , тверді сплави (до 800 ... 1000 º С) і надтверді матеріали (до 1200 º С).

Сталь У7 Сталь У8 Сталь У10

Вуглецеві сталі виробляють якісними У7 , У8 , У9 , ... У13 і високоякісними У7А , У8А , У9А , ... У13А . Через низьку загартовуваність ( 10 ... 12 мм) вуглецеві сталі придатні для дрібних інструментів або інструментів з поперечним перерізом до 25 мм з незагартованою вузькою серцевиною , в яких ріжуча частина припадає на поверхневий шар ( мітчики , напилки тощо). Ріжучі інструменти (дрібні мітчики , сверла , пили та ін ) виготовляються з заевтектоідних сталей У10 ... У13 . Їх піддають неповному гартуванню і низькому відпуску при 150 ... 180 ° С на структуру мартенситу з включеннями цементиту . Такі інструменти мають підвищену зносостійкість і високу твердість ( 62 ... 64 HRC) . Однак твердість сильно знижується при нагріванні понад 200 ° С.

Заевтектоідні сталі використовують також для виготовлення вимірювальних інструментів ( калібри простої форми і невисоких класів точності) і невеликих штампів холодної висадки .

Стали У7 , У8 , У9 застосовують для інструментів , що піддаються ударам : деревообробних , слюсарних , ковальських , пуансонів , матриць і ін Після повної гарту їх відпускають на структуру троостита при 275 ... 325 º С ( 48 ... 55 HRC ) або при 400 ... 450 º С ( 38 ... 45 HRC).

За структурою низьколеговані сталі ( ХВ4 , 9ХС , ХВГ , ХВСГ ) відносяться до заевтектоідних сталей перлітного класу . Їх піддають неповному загартуванню від температури трохи вище точки А1 і низькому відпуску . Структура мартенситу та надлишкових карбідів ( легований цементит ) забезпечує їм твердість ( 62 ... 69 HRC ) і високу зносостійкість . Їх застосовують для інструментів, що працюють при невеликих швидкостях різання , що не викликають нагрівання понад 200 ... 260 ° С. На відміну від вуглецевих ці ​​стали менше схильні до перегріву і дозволяють виготовляти інструменти великих розмірів і більш складної форми. Сталь ХВ4 відрізняється особливо високою твердістю ( 67 ... 69 HRC) і зносостійкістю ( алмазна сталь) завдяки тому , що в ній крім легованого цементиту присутній карбід вольфраму (застосовується для чистової обробки твердих матеріалів). Сталь ХВГ характеризується малою деформацією при загартування , її застосовують для довгих стрижневих інструментів (сверла , розгортки , протяжки тощо) з поперечним перерізом до 45 мм

Швидкорізальні сталі До швидкорізальної сталі ( Р18 , Р9 , Р6М5 , порошкова Р6М5Ф3 -МП та ін ) Відносяться високолеговані сталі, призначені для виготовлення інструментів високої продуктивності. Основна властивість цих сталей - висока теплостійкість , яка забезпечується введенням великої кількості вольфраму спільно з іншими карбидоутворюючими елементами - молібденом , хромом , ванадієм і спеціальною термічною обробкою . Виділення дисперсних карбідів при підвищених температурах відпуску ( 500 ... 600 ° С ) викликає дисперсне твердіння мартенситу - явище вторинної твердості. У результаті комплексного легування інструменти з швидкорізальних сталей зберігають високу твердість до 560 ... 640 º С і допускають в 2 ... 4 рази більш продуктивні режими різання , ніж інструменти з вуглецевих і низьколегованих сталей. Швидкорізальні стали позначають буквою Р , після якої стоїть число , яке вказує вміст вольфраму в % - основного легуючого елемента (наприклад , Р18 - W ~ 18 %). Вміст ванадію (до 2 %) і хрому ( ~ 4 % у всіх сталях ) в марці не вказуються. Стали , леговані додатково молібденом , кобальтом або мають підвищену кількість ванадію , містять в марці відповідно букви М , К, Ф і числа , що показують їх вміст у відсотках ( наприклад , Р6М5 , Р10К5Ф5 ) . За структурою після відпалу швидкорізальні стали вцідносяться до ледебуритного класу . Деформовану сталь для зниження твердості ( до 207 ... 255 НВ) піддають ізотермічному відпалу. Загальна кількість карбідів в сталі Р18 становить приблизно 28 % , в ​​сталі Р6М5 - 22 %. Основним карбідом стали Р18 є складний карбід вольфраму Fe3W3C ( Me6C ) , який розчиняє в собі частину ванадію та хрому. В інших сталях крім Me6C і невеликої кількості карбіду (Fe , Cr ) 23C6 , присутній карбід VC ( MEC ) . Високі експлуатаційні властивості інструменти з швидкорізальної сталі набувають після гартування з високою температурою нагріву ( для сталі Р18 - 1270 ... 1290 º С, для сталі Р6М5 - 1210 ... 1230 º С) і триразового відпуску . Через низьку теплопровідність швидкорізальні стали при загартовуванні нагрівають повільно з прогріву при 450 º с ( при складній формі інструменту) і 850 º С, щоб виключити виникнення трпіщин і викривлення . Висока температура нагріву ( особливість гартування швидкорізальних сталей) необхідна для забезпечення теплостійкості - максимальне розчинення в аустеніті вторинних карбідів і отримання після гартування високолегованого мартенситу . Первинні карбіди не розчиняються і гальмують зростання зерна аустеніту.

Р18

Стали за структурою після нормалізації відносяться до мартенситному класу . Сучасні технології передбачають обробку інструменту з швидкорізальних сталей у вакуумних печах ( на заводах зустрічається гартуванння в соляних ваннах) . Після гартування досягається максимальна твердість сталей , т.к. в структурі крім мартенситу і первинних карбідів міститься 30 ... 40% залишкового аустеніту. Залишковий аустеніт перетворюється в мартенсит при відпуску або обробці холодом. Відпуск проводять при 550 ... 570 º С. У процесі витримки при відпуску з мартенситу і залишкового аустеніту виділяються дисперсні карбіди Me6C . Одноразового відпуску недостатньо для перетворення всього залишкового аустеніту. Застосовують триразовий відпуск з витримкою 1 год і охолодженням на повітрі. При цьому кількість аустеніту знижується до 3 ... 5 %. Застосування обробки холодом після гарту скорочує цикл термічної обробки ( застосовують одноразовий відпуск) . У термічно обробленому стані швидкорізальні сталі мають структуру, що складається з мартенситу відпуску і карбідів , твердість 63 ... 65 HRC . Для усунення карбідної неоднорідності , характерною для деформованих швидкорізальних сталей , застосовують порошкові швидкорізальні сталі ( наприклад , Р6М5Ф3 -МП ) , які отримують розпиленням рідкої швидкорізальної сталі в азоті і наступним гарячим компактуванням .

Штампові сталі застосовують для виготовлення інструменту , призначеного для зміни форми матеріалу деформуванням без зняття стружки. За умовами роботи штампові сталі поділяють на сталі для холодного деформування і сталі для гарячого деформування . Універсальних за призначенням штампових сталей немає. Необхідна спеціалізація сталей за призначенням відповідно до умов експлуатації інструментів. Штампові стали легують такими елементами , як хром , вольфрам , молібден , ванадій , кремній , рідше марганець , нікель , кобальт , титан. Зміст вуглецю в штампових сталях може змінюватися від 0,3 до 2,0 %, іноді і вище. Хром в штампових сталях може змінюватися від 0,5 до 13 % і вище. Збільшення вмісту хрому та інших легуючих елементів в аустеніті сприятливо впливає на загартовуваність, на схильність до дисперсійного твердніння і теплостійкість . У комплексно легованих штампових сталях хром сприяє протіканню дисперсного твердіння при високому відпуску загартованих сталей. Оптимальний вміст хрому в комплексно легованих штампових сталях становить 4,4 ... 5,5 %. У штампових сталях високої зносостійкості вміст хрому становить близько 12 %. У штампових сталях гарячого деформування помірної теплостійкості і підвищеної в'язкості вміст хрому обмежується 1 ... 2 % , а необхідний рівень міцності властивостей і загартовуваність сталей досягається комплексним легування нікелем , молібденом і ванадієм . У штампових сталях для холодного деформування застосовують вольфрам ( 2,0 ... 3,0 %) для підвищення теплостійкості і механічних властивостей. Молібден сприятливо впливає на зменшення схильності до відпускної крихкості і додатково посилює дисперсне твердіння при відпуску. Вольфрам і молібден в штампових сталях можуть входити до складу твердого розчину і карбідів (спільно з хромом ) Ме23С6 , Ме6С , а також утворювати карбіди типу Ме2С і МеС . Ванадій в штампових сталях присутній в карбіду VC і твердому розчині , підвищує їх теплостійкість , посилює інтенсивність дисперсного твердіння. Теплостійкість штампових сталей типу 5Х3В3МФС зростає при збільшенні відношення V : С до 0,25 ... 0,30 . Збільшення вмісту вуглецю до 0,45 ... 0,50 призводить до підвищення теплостійкості . Кремній і кобальт входять до складу деяких штампових сталей. Кремній значно зміцнює феритної матрицю , підвищує окалиностойкость . Кобальт в низьковуглецевих сталях і сплавах збільшує кількість інтерметаллідної фази , тому що зменшує розчинність вольфраму і молібдену , що призводить до додаткового зміцнення. Нікель і марганець використовують для підвищення загартовуваності великогабаритного штампового інструменту .

4Х3ВМФ 3Х2В8Ф

Штампові леговані сталі для холодного деформування можуть бути підвищеної (високої ) зносостійкості , їх твердість після гартування і низького відпуску 61 ... 64 HRC ( Х12М , Х12Ф1 , Х12ВМ , Х12Ф4М та ін), Дисперсно - твердіючими ( 8Х4В2С2МФ , Х5В2С4Ф2НМ та ін ) З високим опором зминанню, високоміцними з підвищеною ударною в'язкістю ( 7ХГ2ВМ - гартування і низького відпуску , 6Х4М2ФС - гартування і високий відпуск ) .

Штампові сталі для гарячого деформування призначені для виготовлення інструментів ( штампів) , що працюють при підвищених температурах , багаторазових теплозмінах (нагрівання та охолодження) , динамічних навантаженнях , а форми лиття під тиском - при коррозійному впливі оброблюваного металу. У ряді випадків в якості штампових можуть застосовуватися мартенсито- старіючі сталі з інтерметалідним зміцненням . Зміст вуглецю в штампових сталях для гарячого деформування знижений і складає 0,3 ... 0,5 %. За основними властивостями штампові сталі для гарячого деформування поділяють на сталі помірної теплостійкості і підвищеної в'язкості ( 5ХНМ , 4ХМФС , 5Х2МНФ та ін), Сталі підвищеної теплостійкості і в'язкості ( 4Х5МФС , 4Х5В2ФС , 4Х3ВМФ тощо) і стали високої теплостійкості ( 3Х2В8Ф , 4Х2В5МФ , 5Х3В3МФС та ін.) Стали помірної теплостійкості і підвищеної в'язкості містять невелику кількість карбідоутворюючих елементів , їх твердість після гартування на мартенсит і високого відпуску HRC 42 ... 44 . Стали підвищеної теплостійкості і в'язкості дисперсно -твердіючі , максимум твердості досягається після гартування в маслі та відпуску при 500 ... 550 º С, HRC 47 ... 49 . Стали високої теплостійкості відрізняються більш високим вмістом карбідоутворюючих елементів : вольфраму , молібдену і ванадію , деякі з цих сталей додатково легують кобальтом в кількості 8 ... 15 % ( наприклад , 2Х6В8М2К8 ) . Зміцнюючими фазами в цих сталях є карбіди Ме6С і МеС , а при легуванні кобальтом карбіди і інтерметаліди . Після гартування і відпуску на твердість HRC 45 ... 47 сталі мають найбільш задовільний комплекс властивостей.

Лаболаторна робота №5