5.3.5. Інструментальні леговані сталі

Інструментальні сталі застосовуються для виготовлення різальних, вимірювальних інструментів та штампів для холодного або гарячого деформування.

Інструмент під час експлуатації зазнає впливу підвищених температур, зношування, високого тиску. Тому інструментальні сталі повинні мати високу твердість, зносостійкість, стабільність розмірів, теплостійкість, знижену критичну швидкість гартування. У марках інструментальних сталей вміст вуглецю вказується однією цифрою в десятих частках процента (5ХНМ, 9ХС). Цифра відсутня, коли вміст вуглецю не менше, ніж 1 % (ХВГ, ХВСГ).

Сталі для різальних інструментів. За рівнем теплостійкості сталі для різальних інструментів поділяють на дві групи:

- малолеговані (сумарна кількість легуючих елементів до 5 %), нетеплостійкі: ХВГ, ХВСГ, 9ХС та інші. Основні легуючі елементи: хром, кремній, марганець, вольфрам, ванадій. Теплостійкість до 200...250°С;

- багатолеговані (до 25 % легуючих елементів) швидкорізальні сталі з теплостійкістю до 600 °С: Р18, Р6М5, Р9К5Ф2 та інші. Для забезпечення теплостійкості вводять вольфрам, молібден, що утворюють спеціальні карбіди (МеС, Ме₂С, Ме₆С), які повільно коагулюють. Карбіди сприяють підвищенню різальних властивостей та опору зношуванню. У зв'язку з цим інструментальні сталі містять не менше ніж 0,7 % вуглецю.

За структурою малолеговані сталі належать до заевтектоїдних сталей перлітного класу, їх піддають неповному гартуванню від температури вище точки а₁ та низькотемпературному відпусканню на структуру мартенсит та надлишкові карбіди, що забезпечує твердість НRС 62...65 НRС_е та високу зносостійкість. Через низьку теплостійкість вони мають експлуатаційні властивості практично на рівні з вуглецевими сталями (для інструментів, що працюють при невеликих швидкостях різання і розігріваються не вище 200...250 °С), однак на відміну від останніх їх можна використовувати для виготовлення інструментів більших розмірів та складної форми.

Швидкорізальні сталі позначаються літерою Р, цифра після якої вказує на вміст основного легуючого елементу – вольфраму (Р18, Р6М5, Р12, Р9, Р10К5Ф3 тощо). Хімічний склад цих сталей представлений в табл. 5.1.

Вони відносяться у рівноважному стані до ледебуритного (карбідного) класу. У структурі литої сталі, що складається з евтектики та перліту, можна виділити три типи карбідів: первинні (карбіди ледебуриту), вторинні (що виділяються з аустеніту при охолодженні) та евтектоїдні. Грубі первинні карбіди негативно впливають на працездатність інструменту та збільшують крихкість сталі. Тому інструменти зі швидкорізальних сталей лише інколи виготовляються литтям, як правило, з заготовок, що отримують гарячою пластичною деформацією зливків невеликої маси. Під час пластичної деформації евтектичні карбіди (К₁) подрібнюються.

Таблиця 5. 1 – Хімічний склад швидкоріжучих сталей

Марка сталі	Вміст легуючих компонентів, %
	C	Cr	W	V	Co	Mo
Р9 Р6М3 Р6М5 Р6М5К5 Р6М5Ф3 Р6М5Ф2К8 10Р6М5К5 10Р6М5 Р8М3К6С Р9М4К8 Р9К5 Р9Ф5 Р9К10 Р10Ф5К5 Р10М4ФК10 Р12 Р12Ф3 Р12Ф4К5 8М3Ф2С 8М3Ф3С 9М3Ф3С 10М6Ф2	0,85 - 0,95 0,85 - 0,95 0,80 - 0,88 0,8 - 0,88 0,96 - 1,06 0,95 - 1,05 1,00 - 1,1 1,00 - 1,15 1,05 - 1,13 1,0 - 1,1 0,9 - 1,0 1,4 -1,5 0,9 - 1,0 1,45 - 1,55 1,17 -1,27 0,8 - 0,9 0,94 - 1,04 1,25 - 1,4 0,85 0,85 0,96 0,98	3,0 - 3,6 3,0 - 3,6 3,8 - 4,4 3,8 - 4,3 3,8 - 4,4 3,8 - 4,4 3,8 - 4,4 3,5 - 4,0 3,5 - 4,4 3,8 -4,4 3,8 - 4,4 3,8 - 4,4 4,0 - 4,6 3,8 - 4,3 3,1 - 3,6 3,5 - 4,0 3,7 - 4,2 3,8 - 4,4 5,5 4,5 5,0 4,3	8,5 - 10,0 5,5 - 6,5 5,5 - 6,5 6,0 - 7,0 5,7 - 6,7 55,5 - 6,0 6,0 - 7,0 5,5 - 6,5 8,0 - 8,5 8,5 - 9,5 9,0 - 10,5 9,0 - 10,5 9,0 - 10,5 10,0 - 11,5 16,0-11,2 12,0-13,0 12,0 - 3,5 12,5-14,0 - - - -	2,0 - 2,6 2,0 - 2,5 1,7 - 2,1 1,7 - 2,2 2,2 - 2,6 1,8 - 2,4 1,2 - 1,6 1,8 - 1,9 1,6 - 1,9 2,1 - 2,5 2,0 - 2,6 4,3 - 5,1 2,0 - 2,6 4,3 - 5,1 3,3 - 3,8 1,5 - 1,9 2,5 - 3,0 3,2 - 3,9 2,2 2,8 3,4 2,4	5,7 - 6,7 - - - 4,8 - 5,3 - 7,5 - 8,0 4,8 - 5,3 5,7 -6,7 - 7,5 - 8,5 5,0 - 6,0 - 9,5-10,5 5,0 - 6,0 9,5-10,5 - - - - - -	до 1,0 3,0 - 3,6 5,5 - 5,5 4,8 - 5,3 5,5 - 6,0 4,6 - 5,2 4,8 - 5,3 3,4 -4,0 3,4 - 4,0 3,8 -4,3 до1,0 >> 1,0 >> 1,0 >> 1,0 3.7 – 4,2 до 0,5 0,5 - 1,0 0,5 - 1,0 3,2 3,0 3,0 6,3

Швидкорізальні сталі – червоностійкі, тобто здатні зберігати мартенситну структуру, високу твердість та зносостійкість при нагріванні до температур червоного жару (600...620°С). Ці властивості досягаються після термічної обробки – ґартування та відпускання (рис. 5.5).

Оптимальні значення температури нагрівання під гартування найбільш розповсюджених швидкоріжучих сталей і їх властивості вказані в таблиці 5.2.

Висока температура гартування 1220...1240 °С для сталі Р6М5 (на 400...450 °С вище А₁) необхідна для розчинення карбідів вольфраму, молібдену та отримання багатолегованих аустеніту (при нагріванні) та мартенситу (після гартування).

Рисунок 5. 5 – Графік термічної обробки сталі Р6М5

Таблиця 5.2 – Температура гартування, твердість та червоностійкість швидкорізальних сталей

Марка сталі	Гартування			Відпускання			Червоностійкість, ОС
	Температура, ОС	Твердість HRCЭ	Частка за- лишкового аустеніту, %	Температура, ОС	Кількість відпускань	Твердість HRCЭ
Р9	1230	62...64	25	560	3	63...65	620
Р18	1280	62...64	30	560	3	63...65	620
Р6М5	1220	62...64	30	560	2-3	63...65	620
Р6М5К5	1220	62...64	30	560	2-3	63...65	635
Р3М3Ф2	1200	62...63	25	560	2-3	63...64	620
Р0М2Ф3	1200	62...63	25	560	2-3	63...64	620

Через підвищену кількість легуючих елементів сталь має низьку теплопровідність. Тому під час нагрівання використовується подвійне підігрівання (при 450 та 1000 °С) з метою запобігання утворенню термічних тріщин та деформації виробів.

Після гартування в маслі твердість сталі 60...62 НRС_е, а структура складається з мартенситу, карбідів та 25...30 % залишкового аустеніту.

Відпускання проводиться тричі по 1 годині при 560 °С. Під час витримки спостерігаються процеси відпускання мартенситу, виділення високодисперсних спеціальних карбідів вольфраму, молібдену, ванадію з пересичених - та -твердих розчинів, при охолодженні після витримки збіднений залишковий аустеніт перетворюється у мартенсит.

Після відпускання твердість сталі досягає 64...65 НRС_е, а кількість залишкового аустеніту не перевищує 5 %. Висока твердість сталі після відпускання зумовлена збереженням високолегованої мартенситної структури, дисперсійним зміцненням спеціальними карбідами та перетворенням залишкового аустеніту у мартенсит.

Для скорочення циклу термічної обробки швидкорізальних сталей, перетворення залишкового аустеніту в мартенсит здійснюють обробку холодом. При обробці холодом продовжується мартенситне перетворення, але після охолодження до температури -70 °С все ще зберігається біля 10 % аустеніту. Припустиме і більш глибоке охолодження аж до температури рідкого азоту (-196 ^оС), але це не призводить до зменшення залишкового аустеніту, частка його залишається рівною 10 %. Після обробки холодом проводять один чи два відпускання при температурі 560 °С, що призводить до зменшення частки залишкового аустеніту до 3 % і знижуються залишкові напруги загартування. Твердість сталей після загартування складає 62...63 НРС_е, а після відпускання – 63...65 НРС_е.

Для інструментів деяких видів зі швидкорізальних сталей на заключному етапі термічної обробки здійснюють низькотемпературне ціанування, що покращує їхні різальні властивості. У цьому випадку термічно оброблений (загартований і відпущений) інструмент додатково обробляють у рідких ціаністих солях при температурі 550...560 °С на протязі 20...30 хв. У результаті ціанування на поверхні інструмента утворюється шар, насичений азотом і вуглецем. Незважаючи на невелику товщину цього шару (0,03...0,05 мм), він значно підвищує зносостійкість інструмента завдяки високій твердості.

Часто для цієї ж мети на спеціальних установках типу "Булат" інструмент (пластинки, які не переточуються) покривають тонкою золотавою плівкою нітриду титану товщиною 5...6 мкм.

Перед термічною обробкою швидкорізальна сталь повинна бути добре відпалена. Зазвичай здійснюють ізотермічний відпал, оскільки це прискорює процес. У цьому випадку сталь нагрівають до температури 860...900°С і після витримки охолоджують до температури 700...750°С. У цьому інтервалі температур сталь витримують 1,5...2 години (до закінчення перетворення аустеніту).

Твердість після такої обробки повинна складати 207...255 НВ. Структура складається із сорбіту з включенням первинних і вторинних карбідів.

У погано відпаленої швидкорізальної сталі після гартування спостерігається особливий вид браку: при нормальній твердості і нормальній кількості залишкового аустеніту сталь виявляється дуже крихкою, а її злам –грубозернистий, лускатий, нагадує нафталін. Цей вид браку швидкорізальної сталі звичайно називається нафталіновим зламом.

Якість швидкорізальної сталі значною мірою визначається також ступенем її гарячої механічної обробки (кування), при якій відбувається дроблення ледебуритної евтектики, розташованої по границях зерен. При недостатньому ступені деформації спостерігається карбідна ліквація, що представляє собою ділянки незруйнованої евтектики, витягнуті в напрямку кування. Чим більш різко виражена карбідна ліквація, тим нижче стійкість інструмента в роботі; при цьому збільшується його крихкість.

Щоб уникнути утворення тріщин при нагріванні до температури гартування застосовують підігрівання інструменту при температурі 800...850°С протягом 10...15 хв. чи при температурі 1050... 1100 °С за 3...5 хв., а великого інструменту, крім того, ще при температурі 550...600 °С за 15...20 хв. Твердість сталі після гартування складає 62...63НRС_е, а після відпускання – 63...65 НRС_е.

Останнім часом усе ширше застосовуються швидкорізальні сталі, отримані методом порошкової металургії. В цих сталях карбідна фаза дуже дрібна (карбідна ліквація відсутня), що сприяє більш повному розчиненню карбідів в аустеніті і підвищенню теплостійкості. Основні порошкові сталі, запропоновані для заміни сталей Р18, Р9, Р6М5, РОМ2Ф3, М6Ф1-МП, М6Ф3-МП, містять мало дефіцитного вольфраму. Незважаючи на високий вміст ванадію, сталі добре шліфуються. Застосовуються й інші порошкові сталі, наприклад 10Р6М5-МП, Р6М5К5-МП і Р12М3К8. Стійкість різального інструмента з порошкової сталі в порівнянні зі стійкістю інструмента з аналогічних сталей звичайного виробництва вище в 1,2-2 рази.

Нормальна мікроструктура порошкових твердих сплавів до травлення характеризується невеликою пористістю [2, с. 72, рис. 65, а, б]; значна пористість є неприпустимою [2, с. 72, рис. 62, в, г].

Чим дрібніші зерна фази WC, чим більш рівномірно вони розподілені, тим кращі різальні властивості і міцність сплаву Т15К6. Зерна твердого розчину WC і ТіС мають округлу форму, середні і великі їхні розміри відповідають гарним ріжучими властивостями твердого сплаву Т15К6.

Твердість твердих сплавів вимірюють по Роквеллу з зусиллям 60кгс (за шкалою А). Значення HRA можна перераховувати в HRC за допомогою формули:

HRC_е = 2HRA – 104.

Структура сплавів являє собою тверді частки карбідів вольфраму і титану (а у деяких сплавів, крім того, карбідів танталу), зв'язані м'якою евтектикою на основі кобальту. Зі збільшенням вмісту кобальту знижуються твердість і зносостійкість, але зростає міцність. У присутності карбідів титану підвищуються температури зварювання зливної стружки з робочою гранню, що передбачає її швидке руйнування. Застосовують сплави з карбідом титану і карбідом вольфраму для різання сталей, тобто матеріалів з підвищеною здатністю до зварювання (у присутності карбіду танталу, крім того, дещо поліпшується в’язкість), а сплави з карбідом вольфраму – для різання чавуну і виготовлення штампів.

У позначеннях марок твердих сплавів перші букви вказують: В – на присутність карбіду вольфраму WC і на те, що в такому сплаві немає інших карбідів; Т – на присутність карбіду титану ТіС (поряд з карбідом вольфраму); слідуюча за буквою цифра, – на його частку у відсотках. Це сплави вольфрамотитанової групи. Якщо після букви Т немає цифри і за нею йде друга буква Т, то сплав містить, крім того, карбід танталу ТаС, а наступна за другою буквою Т цифра вказує на сумарний вміст карбідів ТіС і ТаС. Буква К позначає кобальт, а наступна за нею цифра – його частку у відсотках.

Вміст основного карбіду WC визначається по різниці (крім сплавів, що містять три карбідних фази: WC, ТіС, ТаС). Буква В, якщо вона приписується наприкінці позначення марки (після букви К) вказує на те, що карбідні частки більш великі, ніж у сплавах такого ж складу, але без цього додаткового позначення. Ці сплави мають дещо вбільшу в’язкість, але меншу твердість. Буква М в кінці позначення марки означає, що сплав дрібнозернистий і має більш високі значення твердості і зносостійкісті при меншій міцності.

Сталі для вимірювальних інструментів. Основні вимоги для них – високі зносостійкість, стабільність розмірів та форми протягом тривалого часу експлуатації.

Найбільш поширеними є заевтектоїдні низьколеговані сталі з кількістю приблизно 1 % вуглецю (X, ХГ, ХВГ, 9ХС), що піддаються обробці на високу твердість (НRС_е 60...64).

Для зменшення кількості залишкового аустеніту гартування виконують з більш низької температури, а відпускання - при 120...140 °С протягом 12…24 години. Інструмент високої точності піддають обробці холодом перед відпусканням.