1) Быстрорежущие стали
С увеличением скорости резания возрастают требования к теплостойкости стали. Этим требованиям в большей мере удовлетворяют быстрорежущие стали.
Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (гарМ быстрый, скорый), цифры показывают среднее содержание вольфрама, являющегося основным легирующим элементом. Среднее содержание углерода и хрома во всех быстрорежущих сталях обычно составляет соответственно 1 и 4 %, поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих в целых процентах указывается как обычно в цифрах, следующих за их буквенным обозначением.
Быстрорежущая сталь после закалки и отпуска имеет структуру высоколегированного отпущенного мартенсита с карбидами. Она сохраняет первоначальную структуру практически неизменной при нагреве до 600—620 °С. Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 8—10 раз по сравнению с инструментом из углеродистых сталей УЮ—У10А.
Химический состав некоторых быстрорежущих сталей приведен в табл. 15 (ГОСТ 19265—73). Известно, что потери твердости при нагреве обусловлена в первую очередь, коагуляцией выделившихся карбидов. Коагуляция карбидов в углеродистой и легированной сталях при температурах более 300 °С ведет к быстрой потере твердости. Теплостойкость быстрорежущих сталей обусловлена легированием их карбидо-образующими элементами вольфрамом, ванадием и молибденом в количествах, достаточных для связывания почти всего углерода в специальные карбиды. Они коагулируют при температурах более 600 °С.
Микроструктура быстрорежущей стали приведена на рис. 126. При затвердевании литой быстрорежущей стали образуется эвтектика, напоминающая ледебурит и располагающаяся по границам зерен. После ковки или прокатки сетка эвтектики подвергается дроблению с измельчением входящих в нее карбидов и более равномерным их распределением в основной матрице.
После прокатки или ковки быстрорежущую сталь подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 740 °С до полного превращения аустенита в перлито-сорбитную структуру.
Высокую теплостойкость инструмент из быстрорежущих сталей приобретает после закалки и многократного отпуска. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение карбидов и получение высоколегированного аустенита. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить стали для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.
Особо твердые инструментальные материалы созданы на основе нитрида бора и нитрида кремния. В них нет пластичной металлической связки. Изделия из этих материалов изготавливают либо с помощью взрыва, либо в условиях сверхвысоких статических давлений и высоких температур.
2) Измерительный инструмент служит для проверки размеров изготовляемых деталей. При измерении поверхность инструмента непосредственно соприкасается с поверхностью проверяемой детали и изнашивается. Поэтому поверхность измерительного инструмента должна быть твердой и износостойкой для сохранения размеров и формы в процессе работы. Для измерительного инструмента (особенно высоких классов точности) большое значение имеет сохранение постоянства линейных размеров и формы закаленного инструмента в течение длительного времени. Постепенное изменение размеров и формы закаленного инструмента связано с уменьшением тетрагональности решетки мартенсита, мартенситным превращением остаточного аустенита, уменьшением и перераспределением внутренних напряжений (естественным старением). Хотя это изменение и невелико, однако недопустимо для инструмента высокой точности. Процессы старения протекают медленно; результаты старения становятся заметны через 3—6 месяцев и значительно возрастают через 10—12 месяцев после проведения термической обработки. Поэтому при термической обработке измерительного инструмента большое внимание уделяется стабилизации напряженного состояния, мартенсита и остаточного аустенита, что достигается соответствующим режимом низкотемпературного отпуска (называемого искусственным старением) и обработкой при температурах ниже нуля.
Для получения правильного, точного профиля и размера измерительного инструмента после термической обработки необходимо обеспечить минимальное его коробление при закалке.
Калибры и плитки высоких классов точности изготовляют из сталей X, ХВГ, ШХ15 (рис. 187), калибры простой формы и пониженных классов точности — из сталей У10А, УПА, У12А, ИХ; лекала сложной формы — из стали X; плоские скобы, угольники и шаблоны — из сталей 15, 20, 15Х, 20Х; плоские линейки, угольники — из сталей 50, 50Х, 55; инструменты, стойкие против коррозии, — из стали 40X13. Химический состав некоторых сталей для измерительного инструмента приведен в табл. 28.
таль X легирована только хромом — элементом, увеличивающим закаливаемость и прокаливаемость. Заготовки из стали X прокаливаются в масле в сечении до 20—22 мм (твердость в сердцевине не ниже НЯС 60) теплостойкость 200° С. Сталь X отжигается при 770—790° С с замедленным охлаждением (50° С/ч) до 600—700° С, далее на воздухе (НВ 181—229); закаливается от температуры 830—860° С в масле или горячих средах (160—170° С). Отпуск проводят при температуре 120—200° С и выше. Твердость колеблется в пределах НЯС 58—65.
Сталь ИХ легирована хромом и марганцем для увеличения прокаливаемости. Имеет более высокую твердость после отжига (по сравнению с углеродистыми сталями) и несколько хуже обрабатывается давлением и резанием. Ее применяют для изготовления мелкого инструмента вместо углеродистых сталей. Отжигается с температуры 750—770° С (охлаждение с печью 50° С/ч до 600° С, далее на воздухе) до твердости НВ 179—217; закаливается от 780—810° С в масле или горячих средах (можно охлаждать в воде или водных растворах.) Отпуск проводят при 130— 250° С; твердость НЯС 56—65.
Марку стали для режущего инструмента определяют по искре (от 2 до 100% в зависимости от диаметра штанг) или на стилоскопе (один-два прутка от партии), а твердость — на прессе Бринелля (5% от партии); путем внешнего осмотра выявляют плены, закаты, трещины и другие наружные дефекты.
3) Штампы для холодного деформирования работают в условиях высоких переменных нагрузок, выходят из строя вследствие хрупкого разрушения, малоцикловой усталости и изменения формы и размеров за счет смятия (пластической деформации) и износа. Поэтому стали, используемые для изготовления штампов, пластически деформирующих металл при нормальных температурах, должны обладать высокой твердостью, износостой костью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью. В процессе деформирования с большей скоростью штампы разогреваются до 200—350 °С, поэтому стали этого класса должны быть и теплостойкими. Для крупных штампов необходимо обеспечить высокую прокаливаемость и небольшие объемные изменения при закалке. Если в процессе термической обработки происходит искажение сложной конфигурации штампа, то необходимо проводить доводку штампа до требуемых размеров, что не всегда осуществимо. Наиболее часто применяют стали, состав и термическая обработка которых приведены в табл. 29. Высокохромистые стали Х12Ф1 и Х12М относятся к ледебуритному классу и содержат 16—17 % карбидов (Cr, Fe)7 Q. Стали обладают высокой износостойкостью и при закалке в масле мало деформируются, что важно для штампов сложной формы.
Инструменты холодного деформирования, работающие в условиях значительного износа, изготовляют преимущественно из сталей с 12 % Сг (Х12ВМ, Х12, Х12Ф1, Х12МФ). Ис-пользуют также стал и с 6% Сг (Х6Ф4М и Х6ВФ, см. табл. 34).
В результате холодного деформирования стали происходит упрочнение поверхностного слоя. Благодаря этому представляется возможность использовать более дешевые углеродистые стали вместо высоколегированных, что снижает стоимость металла при одновременном сохранении прочности изделий. В процессе холодного деформирования металл приобретает ярко выраженную волокнистую структуру, достигается нужная ориентация волокон и повышается прочность изделий. За счет снижения допусков на размеры и отходов в облой при холодной объемной штамповке достигается экономия металла, значительно снижается объем механической обработки и трудовые затраты. Все эти преимущества позволяют значительно снизить себестоимость изготовления деталей, повысить производительность труда и увеличить срок службы изделий.
Успешность процесса холодного деформирования металла в значительной степени зависит от заготовительных операций, от правильного выбора как формы, так и размеров заготовительных переходов, а также назначения степени деформации металла по операциям.
Рекристаллизационный отжиг. Под рекристаллизационным отжигом понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением. Цель отжига — устранение наклепа и повышение пластичности. Этот вид отжига применяют перед холодной обработкой давлением и как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования. В некоторых случаях рекристаллизационный отжиг используют и в качестве окончательной термической обработки.
Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис. 3.2, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются.
4) Штампы горячего деформирования в процессе эксплуатации находятся в сложных и жестких условиях нагружения, для которых характерны: 1) увеличенные действующие напряжения, уровень которых приближается к пределу текучести штамгювых сталей; 2) высокие температуры нагрева, близкие или в ряде случаев превосходящие температуры фазовых превращений штамповых сталей в твердом состоянии; 3) циклическое воздействие напряжений от знакопеременных усилий деформирования, термических, определяемых условиями нагрева и охлаждения штампов, а также напряжений, вызываемых фазовыми превращениями; 4) химическое воздействие деформируемых материалов, которое особенно проявляется в процессе прессования и полужидкой штамповки.
Для штампов горячего деформирования ( молотов) используют стали марок 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, содержащие одинаковое количество углерода ( в среднем 0 5 %) и хрома ( 1 %), что позволяет получить достаточно высокие ударную вязкость, прочность и прокаливаемость. Йикель вводят в эти стали для повышения вязкости и улучшения прокаливаемости. Вольфрам и молибден повышают твердость и теплостойкость, уменьшают отпускную хрупкость, измельчают зерно и снижают склонность стали к перегреву.
Для изготовления штампов горячего деформирования жаропрочных сплавов и стали рекомендованы новые марки штамповон стали, режимы термической обработки которых приведены ниже. [3]
Для повышения работоспособности штампы горячего деформирования и пресс-формы для литья под давлением дополнительно могут подвергаться азотированию, нитроцементации или хромированию.
Легированные стали для штампов горячего деформирования применяют при попеременном нагреве и охлаждении рабочей поверхности штампов.
При выборе С1али для штампов горячего деформирования учитывают условия их эксплуатации: скорость деформирования, максимальную температуру разогрева инструмента и прочность деформируемого материала. Штамповые стали подразделяются на стали для молотовых штампов, стали для штампов горизонтально-ковочных машин, прессов и стали для пресс-форм литья под давлением.
Одной из основных причин разрушения штампов горячего деформирования является появление на их рабочей поверхности сетки разгарных трещин, вызванных резкими колебаниями температуры и напряжений в поверхностном слое штампа. Разгарные трещины порождают поверхностное выкрашивание, приводящее к потери точности гравюры и разрушению штампа. [7]
Штамповые стали применяют для изготовления штампов холодного и горячего деформирования, пуансонов, матриц, фильер, пресс-форм для литья под давлением. [8]
Примером являются режущие инструменты и многие штампы горячего деформирования, для которых инструментальные стали должны иметь высокую теплостойкость, обеспечивающую сохранение необходимой высокой твердости и износостойкости при нагреве, возникающем в рабочей кромке. [9]
Основные причины потери работо -: пособпости штампов горячего деформирования - износ, смятие и разгар. Возможны также усталостное разрушение в местах высокой концентрации напряжений ( чаще прессовые штампы), термошоковое разрушение при резких теплосменах ( длительный перерыв в подаче смазки, заклинивание поковки), угар поверхностного слоя в результате окисления.
Штамповые стали предназначены для изготовления инструмента и штампов холодного и горячего деформирования. Для холодных работ, как уже отмечалось, широко применяются углеродистые стали с 0 6 - 1 3 % С. Из легированных сталей для этой цели используют стали X, Х9, XT, 9XC, Х6ВФ, Х12Ф, ХГЗСВ, содержащие около 1 % С.
5) Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготовляются из высокотвердых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанные кобальтовой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля.
Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Главной особенностью спеченных твердых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковой металлургии и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др), а литые твердые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение и др).
Из-за дефицита вольфрама разработана группа безвольфрамовых твердых сплавов, называемых керметами. Эти сплавы содержат в своем составе карбиды титана (TiC), карбонитриды титана (TiCN), связанные никельмолибденовой основой. Технология их изготовления аналогична вольфрамосодержащим твердым сплавам.
Эти сплавы по сравнению с вольфрамовыми твердыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, ударную вязкость, чувствительны к перепаду температур из-за низкой теплопроводности, но имеют преимущества — повышенную теплостойкость (1000 °C) и низкую схватываемость с обрабатываемыми материалами, благодаря чему не склонны к наростообразованию при резании. Поэтому их рекомендуют использовать для чистового и получистового точения, фрезерования. По назначению относятся к группе Р классификации ИСО.