2.6.Теплостойкость.

Теплостойкость характеризует способность сохранять твердость при нагреве, она определяет допустимые скорости резания конкретного ИМ.

Зависимость «температура - твердость» принципиально одинакова для всех ИМ. Нагрев до определенной температуры не вызывает снижения твердости (эта температура и характеризует теплостойкость), дальнейшее повышение температуры приводит к падению твердости. Естественно, что для разных ИМ температура, нагрев выше которой приводит к падению твердости, неодинакова (около 200⁰С для инструментальных сталей и 900 – 1000⁰С у твердых сплавов).

Теплостойкость является стандартной характеристикой быстрорежущих сталей, она называется «красностойкость». Красностойкость стали оценивают температурой дополнительного четырехчасового нагрева термически обработанной быстрорежущей стали, после которого сохраняется определенный уровень твердости.

Обозначение: Кр.58=630⁰С показывает, что после четырехчасового нагрева при 630⁰С твердость стали составила 58HRC.

Эта характеристика легла в основу классификации быстрорежущих сталей по производительности. У сталей нормальной производительности Кр.58£630⁰С, у сталей повышенной производительности Кр.58>630⁰С.

Для точного определения красностойкости (это может быть необходимым при сравнительном изучении разных сталей или режимов термической обработки) проводят дополнительные четырехчасовые отпуска при температурах 600, 620, 640⁰С, измеряют твердость, строят зависимость «температура - твердость», по которой определяется твердость после нагрева до конкретной, интересующей исследователя температуры.

В производственных условиях часто проводят ускоренные испытания. Выполняется четырехчасовой нагрев при 630⁰С, после которого твердость стали не должна быть ниже регламентируемой ГОСТ 19265-73.

Красностойкость не всегда позволяет надежно характеризовать поведение быстрорежущих сталей в процессе резания. Это связано с методикой ее определения: красностойкость оценивается «холодной» твердостью. Твердость измеряется не при высоких температурах, а после нагрева и охлаждения, т.е. при цеховой температуре. Это позволяет оценить только необратимую потерю твердости, связанную с изменениями структуры (распад мартенсита, коагуляция карбидов).

Более точно оценивает свойства быстрорежущих сталей «горячая» твердость, определенная непосредственно при нагреве. Такая методика позволяет учитывать обратимую (восстанавливаемую после охлаждения) потерю твердости, связанную с ослаблением межатомных связей. Обратимая потеря твердости возникает в процессе резания вследствие нагрева режущей кромки, она может быть неодинаковой у разных сталей, обладающих равной красностойкостью.

3.Углеродистые и легированные инструментальные стали

Эти стали не обладают теплостойкостью. Они сохраняют высокую твердость при нагреве лишь до температуры около 200^О.

Высокая твердость сталей достигается только за счет мартенситного превращения. Твердость мартенсита зависит от концентрации в нем углерода, поэтому содержание его в инструментальных сталях высокое (0,7 - 1,3%).

Структура и термическая обработка сталей.

Почти все стали являются заэвтектоидными (исключения: У7 - доэвтектоидная и У8 - эвтектоидная). Карбидная фаза этих сталей - цементит (Ме₃С). В легированных сталях часть атомов железа в цементите может быть замещена атомами легирующих компонентов. В сталях, легированных вольфрамом и ванадием, присутствует также небольшое количество карбидов на основе вольфрама (Ме₆С) и ванадия (МеС).

Упрочняющая термическая обработка сталей этой группы заключается в закалке и низком отпуске.

Температура нагрева под закалку выбирается в соответствии с диаграммой «Fe-Fe₃C» Закалка доэвтектоидных сталей выполняется от температуры Ас₃+30-50^ОС. Нагрев от более низкой температуры не обеспечивает полной закалки (в структуре закаленной стали сохраняется феррит) и необходимой твердости. Нагрев под закалку от температур, превышающих оптимальные, приводит к потере прочности за счет роста аустенитного зерна при нагреве и получения крупноигольчатого мартенсита после закалки. Оптимальная температура закалки аэвтектоидных сталей - Ас₁+50-70^ОС. При недогреве может быть получена пониженная твердость; перегрев ведет к потере и твердости и прочности.

Скорость охлаждения при закалке определяется диаграммой изотермического превращения аустенита - «С - образной». Углеродистые стали обладают малой устойчивостью переохлажденного аустенита. Критическая скорость охлаждения велика, поэтому их следует охлаждать быстро, закалка осуществляется охлаждением в воде. Это, как правило, приводит к возникновению закалочных деформаций. Для их снижения может быть использована ступенчатая закалка. Введение легирующих компонентов, искажая кристаллическую решетку, замедляет диффузионные процессы. Устойчивость переохлажденного аустенита увеличивается (С-кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита сдвигаются вправо в область большего времени). Критическая скорость охлаждения легированных сталей меньше, чем у углеродистых, поэтому легированные инструментальные стали закаливаются с охлаждением в масле. Меньшая скорость охлаждения определяет снижение закалочных напряжений. Однако, ступенчатая закалка может быть использована и для легированных сталей.

Структура закаленных сталей - мартенсит закалки, остаточный аустенит и цементит (в заэвтектоидных сталях). В том случае, если наличие остаточного аустенита в структуре недопустимо (например, для измерительного инструмента, т.к. распад аустенита в процессе эксплуатации вызывает изменение размеров), производится обработка холодом.

К достоинствам сталей этой группы следует отнести возможность выполнения закалки ТВЧ. Их закалочные температуры значительно ниже температур начала плавления, что принципиально, т.к. нагрев ТВЧ осуществляется со значительным перегревом.

Температура отпуска - 150-200^О. При более высоких температурах нагрева происходит заметное разупрочнение, связанное с распадом мартенсита и коагуляцией цементита. В процессе отпуска значительно снижаются закалочные напряжения, что приводит к росту прочности и ударной вязкости, твердость при этом уменьшается незначительно (на 1-2НRС) и сохраняется высокой. Структура после отпуска - мартенсит отпуска, цементит и остаточный аустенит.

Отжиг - разупрочняющая термическая обработка сталей выполняется для улучшения обрабатываемости резанием. В результате отжига должна быть получена структура зернистого, а не пластинчатого перлита. Температура отжига назначается: для заэвтектоидных сталей - несколько выше Ас₁, доэвтектоидных - выше Ас₃.

Нормализацию заэвтектоидных сталей (нагрев выше Ас_mcпоследующим охлаждением на воздухе) проводят в том случае, если в исходной структуре присутствует цементитная сетка (пластины цементита расположены вокруг перлитного зерна). Наличие сетки недопустимо, т.к. сталь с такой структурой имеет повышенную хрупкость.

Углеродистыеинструментальные стали (семь марок от У7 до У13) не обладают достаточной прокаливаемостью (так, при закалке в воде сталь У7 не получает сквозной твердости даже в сечении 12 мм, а прокаливаемость стали У12 менее 20 мм). Из них можно изготавливать только инструменты небольших размеров. Кроме того, закалка этих сталей производится с охлаждением в воде. Это определяет высокую вероятность коробления или даже появления трещин.

Цель легирования заключается в повышении прокаливаемости.

Низколегированные стали 11ХФ, 13Х и др. имеют прокаливаются в сечениях до 20 мм с охлаждением в масле. Стали получают высокую твердость 62-64 НRС.

Комплексно легированныестали ХВГ, ХВСГ, 9ХС прокаливаются при закалке в масло в сечениях до 100 мм, это стали глубокой прокаливаемости.

Свойства и область применения.

После окончательной термической обработки стали получают твердость 62-63 НRС, предел прочности 2000-2500 Мпа.

Поскольку стали не обладают теплостойкостью, основная область их применения - инструменты, работающие с низкими скоростями резания - до 5-10 м/мин. Это ручной слесарный инструмент (метчики, плашки, развертки, напильники), протяжки, т.к. протягивание осуществляется с низкими скоростями. Из сталей этой группы изготавливаются также сверла.

При изготовлении протяжек и плашек требуется обеспечить минимальные деформации при закалке. Для протяжек характерно большое отношение длины к диаметру или толщине. Это определяет их малую жесткость и, таким образом, предрасположенность к короблению при термической обработке. Режущая часть плашек, расположенная в середине инструмента, после термической обработки не шлифуется. Для изготовления этих инструментов используют стали глубокой прокаливаемости ХВГ (протяжки), ХВСГ (плашки), для которых характерна малая склонность к деформациям при термической обработке.

Напильники изготавливают из сталей У13 и 13Х, при этом в условиях массового производства применяется закалка ТВЧ.

Сверла и метчики изготавливают из стали 9ХС.

Кроме режущего, из этих сталей изготавливается холодноштамповый инструмент, а также детали, от которых требуется износостойкость, обеспечиваемая высокой твердостью (детали оснастки, направляющие планки станков и др.).

4. БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ

Основная особенность быстрорежущих сталей (БРС) - теплостойкость, они сохраняют высокую твердость при нагреве до температур свыше 600^ОС.

Причины разупрочнения при нагреве углеродистых и легированных инструментальных сталей – распад мартенсита (в нем снижается концентрация углерода и, поэтому, твердость) и коагуляция карбидов цементитного типа. Достижение теплостойкости возможно в том случае, если процессы распада мартенсита и коагуляции карбидов будут происходить при более высоких температурах. Это реализуется легированием БРС сильными карбидообразующими компонентами. Основные легирующие компоненты БРС - вольфрам и (или) молибден, являющиеся химическими аналогами. Такое легирование позволяет получить в результате закалки высоколегированный твердый раствор, в котором затруднена диффузия углерода. Поэтому распад мартенсита происходит при температурах около 600⁰С, т.е. значительно выше, чем у углеродистых и инструментальных сталей. Сильные карбидообразующие компоненты образуют собственные карбиды, обладающие высокой устойчивостью против коагуляции при нагреве.

В отличие от сталей предыдущей группы БРС имеют сложный механизм упрочнения, сочетающий мартенситное превращение с последующим дисперсионным твердением. (Напомним, что дисперсионное твердение происходит за счет выделения из пересыщенного твердого раствора дисперсных частиц избыточной фазы, обладающей высокими механическими свойствами). У БРС упрочняющая фаза – специальные карбиды.

БРС подразделяются на вольфрамовые, вольфрамомолибденовые и молибденовые (в зависимости от наличия основных легирующих компонентов - Wи Мо), в их состав также обязательно входят углерод, хром и ванадий.

Маркировка быстрорежущих и конструкционных сталей несколько различается. БРС обозначаются русской буквой «Р», цифра после которой показывает содержание вольфрама в стали. Содержание хрома во всех быстрорежущих сталях составляет около 4% и в марке не указывается. Не указываются также ванадий при его содержании до 2% и углерод при содержании 0,7-0,9%. Обозначения этих элементов входят в марку быстрорежущих сталей только при их большем содержании. Остальные компоненты обозначаются так же, как в конструкционных сталях – буква, обозначающая элемент и цифра вслед за буквой, показывающая количество элемента в процентах.

Покажем это на примере наиболее распространенных сталей. Сталь Р18 содержит 18%W, сталь Р6М5 - 6%Wи 5%Мо, содержание углерода, хрома и ванадия в этих сталях находится в указанных выше пределах.