5. Технологические свойства инструментальных сталей

1. Литейные свойства

Литейные свойства сплавов оцениваются жидкотекучестью, коэффициентом усадки, склонностью к ликвации, пористостью.

При оценке литейных свойств инструментальных сталей следует иметь в виду, что эти характеристики важны для металлургических предприятий, на которых отливки (слитки) используются как заготовки для последующей ковки и прокатки.

В условиях машиностроительных предприятий литье используется как формообразующая операция - для получения заготовки, форма которой максимально приближена к форме инструмента.

Литьем целесообразно изготавливать крупногабаритный инструмент. Механические свойства литых сталей ниже, чем проката. Однако эта разница тем менее значительна, чем меньше степень деформации проката, т.е. чем больше его диаметр.

Для проката большого сечения характерна значительная карбидная неоднородность. Так, для стали Р18 в прутках диаметром 15 – 25мм карбидная неоднородность характеризуется баллом 2, s_изг= 3000 – 3200 Мпа; при диаметре 90 – 110 мм – балл 7-8,s_изг= 1200 – 1400 Мпа.

Для изготовления литого инструмента используют БРС. Инструментальные стали не обладают необходимой прокаливаемостью, их применение не оправдано также экономически.

Таким образом, литейные свойства БРС следует оценивать структурой и свойствами литого металла.

Для структуры литой стали характерна эвтектическая сетка по границам зерен. Чем меньше ее толщина и сплошность, тем больше прочность стали. Таким образом, именно строением литой стали целесообразно характеризовать ее литейные свойства.

Эвтектика имеет более тонкое строение в сталях с меньшим количеством вольфрама и молибдена. При этом эвтектика вольфрамомолибденовых БРС тоньше, чем у вольфрамовых, вследствие более низкой температуры кристаллизации. Целесообразно использование сталей с повышенным содержанием углерода, они обладают лучшей жидкотекучестью (например, сталь 10Р6М5, а не Р6М5).

Весьма эффективно для изготовления литого инструмента использование низколегированной заэвтектоидной БРС марки 11М5Ф. Эвтектика, которая может присутствовать в структуре литой стали, имеет ликвационный характер, обладает тонким строением.

Измельчение карбидов в литой стали может быть достигнуто применением ЭШП, при этом эффективно модифицирование титаном (0,1 – 0,2%) или цирконием (0,15 – 0,2%) для получения мелкозернистой структуры.

5.2. Обрабатываемость давлением инструментальных и быстрорежущих сталей

Обрабатываемость давлением определяется пластичностью сталей, которая характеризуется относительным удлинением (d,%) и (или) относительным сужением (y,%) при испытаниях на растяжение. Эти характеристики используют для оценки пластичности инструментальных сталей. Для БРС разработана специальная методика. Их пластичность оценивают испытаниями на кручение – углом поворота образца (при высоких температурах он больше 360⁰) или количеством оборотов до разрушения. Технологичность при пластической деформации характеризуют также интервалом ковочных температур (температурами начала и конца пластического деформирования).

Высокой пластичностью обладают твердые растворы. Химические соединения (карбиды, нитриды, оксиды), напротив, твердые и хрупкие вещества, они обладают весьма низкой пластичностью.

Структура отожженных инструментальных и, особенно, БРС характеризуется большим количеством карбидной фазы. Поэтому их пластичность в холодном состоянии низкая. Холодная обработка давлением этих сталей на машиностроительных заводов практически не выполняется. Их подвергают горячей обработке давлением (ковка, штамповка).

Инструментальные и углеродистые и легированные стали, не имеют в структуре эвтектических карбидов. По структурному признаку они являются именно сталями. Нагрев этих сталей выше критических точек (Ас₁– доэвтектоидных и Ас₃- заэвтектоидных) позволяет получить однофазную структуру – аустенит.

В таком состоянии стали обладают достаточно высокой пластичностью. Так, относительное удлинение (d) стали У12 в интервале ковочных температур (1120 – 850⁰С) изменяется от 85 до 40%.

БРС – это стали ледебуритного класса. Карбидная фаза в их структуре присутствует до температуры начала плавления, их пластичность существенно ниже, чем инструментальных сталей.

Зависимость пластичности БРС от температуры имеет сложный характер – с двумя максимумами. Весьма высокая пластичность, называемая кинетической, наблюдается в узком интервале температур 840 – 870⁰С, т.е. в интервалеa®gпревращения. Эффект кинетической пластичности заключается в очень сильном снижении предела текучести при фазовых превращениях (примерно на два порядка при полиморфном превращении).

Этот эффект технически сложно реализовать для получения заготовок необходимой формы. При его использовании необходимо точно соблюдать температуры деформации. При этом необходимо учитывать охлаждение заготовки при ее переносе из печи на пресс и, с другой стороны, повышение температуры в процессе деформации. Технология такой деформации реализована для получения заготовок крупногабаритных сверл и концевых фрез на Томском инструментальном заводе. Этот эффект наблюдается и для инструментальных сталей при температурах, соответствующих точке Ас₁, но его применение не имеет практического смысла..

Второй максимум наблюдается при более высоких температурах, он имеет размытый характер. В пределах этого второго максимума и назначается интервал ковочных температур. Рост пластичности при повышении температуры (восходящая ветвь кривой) объясняется снижением предела текучести БРС за счет ослабления межатомных связей и растворения карбидной фазы в аустените. Снижение пластичности стали при повышении температуры (нисходящая ветвь) определяется ростом зерна, снижением прочности и, как следствие, появлением трещин, или полным разрушением при больших степенях деформации.

Горячая пластичность БРС определяется уровнем легирования. В структуре сталей, менее легированных вольфрамом и молибденом, меньше карбидной фазы, поэтому они более пластичны (табл.5.1). Аналогично влияние повышенного содержания ванадия из-за увеличения количества карбида МеС. Вместе с тем, такие стали менее чувствительны к изменению температуры деформации, они обладают более широким интервалом закалочных температур (например, стали Р18 и Р9 при изменении температуры от 900 до1200^ОС).

Кобальтсодержащие БРС обладают пониженной пластичностью вследствие того, что твердый раствор более легирован и более прочен, чем у сталей, не содержащих кобальта.

Пластичность вольфрамомолибденовых БРС при низких температурах выше, чем у вольфрамовых, т.к. карбид Ме₆С, содержащий молибден растворяется в аустените при более низких температурах. Поэтому деформация этих сталей выполняется при более низких температурах и в более узком интервале температур (начало деформации заготовок из стали Р18 – 1140 – 1180⁰С, конец - 900 – 920⁰С, для стали Р6М5 - 1080 – 1120⁰С и 870 – 900⁰С, соответственно).

ТАБЛИЦА 5.1

Технологическая пластичность БРС

СТАЛЬ	900		1000		1100		1200
	g	Dg	g	Dg	g	Dg	g	Dg
Р6М5	9,5	1,5	9,4	1,5	7,4	1,0	5,2	0,4
Р6М5К5	5,5	0,9	7,1	1,4	6,5	1,2	5,5	1,3
Р6М5Ф3	5,7	1,0	6,8	0,9	6,3	1,1	5,5	1,2
Р9	9,5	1,5	8,6	0,8	6,3	1,4	4,5	0,9
Р9К5	6,1	0,3	7,5	0,7	6,1	0,3	5,7	1,1
Р12	6,3	1,0	6,6	0,7	5,5	1,3	5,0	0,8
Р12Ф3	4,4	0,7	7,6	1,2	6,8	1,1	6,2	1,0
Р18	4,0	0,8	5.1	0,4	5,6	0,5	4,9	0,6

Примечания.

1. Образцы диаметром 6 мм и длиной 30 мм.

2.g- число оборотов образца до разрушения;Dg- доверительный интервал значенияg.