Краткое сравнение твердых сплавов с другими инструментальными материалами

В сравнении с другими инструментальными материалами твердые сплавы выигрывают по целому ряду характеристик. Если теплостойкость сплавов марок ВК6 и ВК8 находится в диапазоне 800-1000 °С, обеспечивая инструменту высокую скорость резания, то например, у быстрорежущей стали с умеренной теплостойкостью этот параметр не превышает 630 °С, с повышенной – 650 °С, а с высокой теплостойкостью – 730 °С.

По теплопроводности твердые сплавы (84 Вт/м·°С) уступают только алмазам (142 Вт/м·°С), и значительно превосходят по этому параметру углеродистую сталь (38 Вт/м·°С) и быстрорежущую сталь (25 Вт/м·°С), а как известно, чем выше теплопроводность, тем лучше охлаждается режущая кромка инструмента, тем он эффективнее работает и дольше служит.

По твердости сплавы марок ВК6 и ВК8 сопоставимы с минералокерамикой (у обоих материалов около 2000 кгс/мм), но превосходят максимальные значения этого параметра у быстрорежущих сталей (1400 кгс/мм), углеродистых сталей (800 кгс/мм), уступая только сверхтвердым материалам и алмазам, но зато не оставляют им шансов по пределу прочности на изгиб.

31. Упрочняющая и разупрочняющая термическая обработка металлов. Критические точки . Превращение аустенита при охлаждении.

Термическая обработка – совокупность операций нагрева и охлаждения с целью изменить структуру и свойства сплава в нужном направлении.

Различают упрочняющую термическую обработку, при которой повышаются твердость, прочность и износостойкость, и разупрочняющую обработку, повышающую пластические свойства и вязкость, но снижающую твердость и сопротивление деформации и разрушению.

Превращения при нагреве стали

Температуры превращений, или критические точки, при нагреве стали принято обозначать :

• начало превращения феррита в аустенит (Fe_  Fe_) – Ac₁ (эти точки расположены на линии PSK);

• завершение превращения феррита в аустенит (Fe_  Fe_) – Ac₃ (эти точки лежат на линии GS);

• окончание растворения цементита в аустените – Ac_cm (точки находятся на линии SE).

Точки A₂ относятся к магнитному, а не фазовому превращению, которое мы здесь не рассматриваем.

Для доэвтектоидных сталей (содержание углерода в стали менее 0.8%) обычно выбирают температуру закалки по формуле Ас3+30...50°C. На практике встречаются случаи, когда доэвтектоидные стали закаливают с интервала температур между Ас1 и Ас3. В этом случае структура стали будет состоять из мартенсита и нерастворенного феррита. Такой процесс называется неполной закалкой и теоретически является браком. На практике к такую схему используют, чтобы снизить коробление деталей или исключить трещинообразование в высоколегированных сталях.

Заэвтектоидные стали обычно нагревают под закалку до температур Ас1+30...50°C. После закалки, структура стали будет состоять из мартенсита и вторичного нерастворённого цементита, который повышает твердость и износостойкость изделий.

Превращения аустенита при охлаждении

Диаграммы состояния строятся для равновесного, очень медленного охлаждения. Но в практике термообработки скорость охлаждения всегда конечна. С ростом скорости охлаждения увеличивается степень переохлаждения аустенита t, т. е. превращение аустенита начинается при температуре, все более низкой по сравнению с равновесной. Здесь наблюдается такая же закономерность, как и при кристаллизации.

От степени переохлаждения зависит не только скорость протекания, но и сам механизм превращения переохлажденного аустенита, а значит, структура и свойства его продуктов.

Как правило, охлаждение осуществляется непрерывно, но изучать кинетику превращения (протекание процесса во времени) удобнее в изотермических условиях (при постоянной температуре). Поэтому для каждой стали построена своя диаграмма изотермического превращения аустенита в координатах «температура – время». Ее еще называют С-образной диаграммой (по форме кривых). Построение ведется экспериментально, по изменению каких-либо свойств, обычно магнитных. С-образная диаграмма для эвтектоидной стали (0,8 % С) приведена на р ис. 78.

Р ис.78.Диаграмма изотермического превращения аустенита для стали с 0,8 % С

Две кривые, напоминающие по форме букву «С», показывают начало (кривая a-a) и окончание (кривая b-b) превращения аустенита в другие структуры. Слева от линии a-a расположена область переохлажденного аустенита. Как видно из диаграммы, время существования аустенита при температурах ниже Ar₁ различно и зависит от степени переохлаждения. Минимальная устойчивость аустенита проявляется при 550 С: время до начала превращения составляет всего 1 секунду. При 700 С это время равно 10 с, а при 300 С – уже 60 с. Справа от линии b-b – область продуктов превращения, равновесных при определенных температурах.

Упрочняющая термическая обработка

Закалка - это упрочняющая термическая обработка, позволяющая изменить структуру стали так, чтобы максимально повысить ее твердость и прочность.

Мартенсит - это твердая структурная составляющая. Поэтому сталь с мартенситной структурой будет иметь высокие твердость, прочность и сопротивление деформации.

Процесс получения мартенсита, заключающийся в нагреве стали до аустенитного состояния с последующим быстрым охлаждением, называется закалкой. Твердость мартенсита увеличивается с увеличением в нем углерода: 0.2% - 40 НRC; 1.0% - 66 HRС. Увеличение твердости связано с увеличением искажений кристаллической решетки и увеличением числа дислокаций, которые достигают см-2.

Кристалл мартенсита образуется очень быстро ~ 10-7 с, а размер его определяется размером аустенитного зерна. Образуется мартенсит в виде пластины, пересекающей аустенитное зерно.

Мартенсит - это перенасыщенный твердый раствор внедрения. Т. к. в ОЦК решетки при равновесных условиях возможно содержание углерода лишь малые доли процента, то в мартенсите после закалки стали его содержание может быть несколько десятков долей процента. Исходя из сказанного, мартенсит - это искусственно полученная, неустойчивая, неравновесна

Разупрочняющая термическая обработка

Крупногабаритные заготовки штампов из сталей на основе а-же- леза подвергают нормализации (изотермическая выдержка при 950 °С с последующим охлаждением на воздухе) для устранения крупного зерна, образующегося в результате горячей пластической деформации.

Структура сталей после отжига — мелкозернистый (сорбитообразный) перлит с небольшим количеством избыточных карбидов.

Для аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе с ГЦК решеткой разупрочняющей обработкой является закалка. Ее цель — растворение в аустените упрочнящей фазы.

Применение сталей. Повышение теплостойкости и износостойкости сталей высокой теплостойкости сопровождается уменьшением ударной вязкости. Большее содержание сильных карбидообразующих компонентов определяет худшее распределение карбидов в структуре сталей, поэтому из них изготавливают, как правило, инструменты диаметром или стороной до 100—150 мм.

Важным преимуществом кобальтсодержащих является их высокая окалиностойкость, которая обеспечивается повышенным содержанием, это увеличивает износостойкость при нагреве выше 700 °С.

Аустенитные стали имеют ряд недостатков: эксплуатационных — пониженную теплопроводность, высокий коэффициент теплового расширения и, как следствие, пониженную разгаростойкость, а также технологических — плохую обрабатываемость резанием.

Поэтому аустенитные стали и сплавы применяют, главным образом, для изготовления небольших инструментов простой формы, испытывающих повышенные давления, эксплуатируемых при температурах выше 750 °С (для прессования труднодеформируемых материалов, спекания порошков и т. д.). В этих случаях достигается значительное (в 5—10 раз и более) повышение стойкости штампов по сравнению с инструментом из мартенситных сталей.