1.3 Фазовый состав, структура, свойства и назначение стали марки 60с2хфа

Сталь 60С2ХФА относится к рессорно-пружинным сталям. Эти стали обладают высоким пределом упругости. Для получения высоких упругих характеристик рессорно-пружинные стали подвергают закалке с последующим среднетемпературным отпуском для получения в структуре троостита. Сталь 60С2ХФА относится к сталям перлитного класса. Для достижения более высоких характеристик применяют легирование кремнием, хромом и ванадием. Кремний является ключевым компонентом большинства пружинных стальных сплавов при концентрации до 2%. Кремний задерживает распад мартенсита при отпуске, что приводит к повышению предела текучести и других характеристик. Условный предел текучести (σ_0,2) таких сталей составляет 1100-1200 МПа, предел прочности – 1200-1300 МПа, относительное удлинение 6%, относительное сужение 25-30% и предел выносливости, рассчитанный по условному пределу текучести, составляет 42-44 МПа.

К недостаткам этих сталей относится склонность к обезуглероживанию и образованию поверхностных дефектов в процессе горячей обработки, приводящих к снижению предела выносливости. В целях предотвращения образования данных дефектов проводят дополнительное легирование хромом и ванадием.

Стали марки 60С2ХФА обладают высокой прокаливаемостью (до 80 мм) и применяются для изготовления пружин особо ответственного назначения.

Общий недостаток всех пружинно-рессорных сталей заключается в повышенной чувствительности к внешним поверхностным дефектам (царапины, риски, царапины), играющим роль концентраторов внутренних напряжений, вследствие чего снижается предел выносливости.

Стали марки 60С2ХФА применяются для изготовления ответственных и высоко нагруженных пружин и рессор, изготовляемые из круглой калиброванной стали.

2. Режим термических обработок стали

2.1 Режим термических обработок стали р6м5

Быстрорежущие стали, в отличие от всех других инструментальных сталей, упрочняются не при закалке, а при отпуске инструментов в результате дисперсионного твердения.

Дисперсионное твердение стали Р6М5 – это её упрочнение при отпуске в результате выделения из пересыщенного углеродом и легирующими компонентами мартенсита большого количества (~1017 1/см³) очень мелких, т.е. дисперсных частиц карбидов легирующих компонентов, которые являются препятствиями (барьерами) на пути перемещения дислокаций и поэтому упрочняют сталь.

Термическая обработка инструментов из быстрорежущих сталей состоит из двух операций: закалки и отпуска.

Закалка инструментов из стали Р6М5. Температура закалки инструментов из стали Р6М5 равна 1210°…1230°С. Цель закалки – получение пересыщенного углеро­дом и легирующими компонентами мартенсита для того, чтобы в процессе отпуска обеспечить выделение из него наи­большего количества дисперсных карбидов этих компонентов и упрочнить инструмент.

Температуры закалки инстру­ментов из быстро­режущих сталей особенно высоки (у сталей некото­рых марок до 1280°…1300°С), т. к. их карбиды обладают большой устойчивостью против растворения в аустените. Температурный интервал перехода растворимых карбидов в аустенит стали Р6М5 составляет 860°C (температура Ас₁ этой стали) – 1220°С. Чем выше температура закалки в этом интервале, тем больше карбидов растворяется в аустените и тем выше концентрация углерода и легирующих компонентов в мартенсите стали Р6М5 после охлаждения инструментов до цеховой температуры: превращение аустенита в мартенсит заключается в перестройке кристаллической решётки, которое протекает без изменения химического состава фаз – содержание углерода и легирующих компонентов в мартенсите такое же, что и в аустените.

По этой причине с повышением температуры закалки:

1)    увеличиваются твёрдость и теплостойкость стали после отпуска инструментов благодаря тому, что в процессе отпуска возрастает количество дисперсных карбидных частиц легирующих компонентов, выделяющихся из мартенсита (см. рис. 2.1);

Рис. 2.1 – Влияние температуры закалки и отпуска на твёрдость и теплостойкость стали Р6М5: 1 – Закалка при 1150^оС; 2 – Закалка при 1220^оС

2)    растут зёрна аустенита. Это приводит к уменьшению предела прочности и ударной вязкости (КС) стали;

Таким образом, повышение температуры закалки увеличивает допустимые значения скорости резания, но уменьшает величины подачи и глубины резания.

3)    увеличивается количество остаточного аустенита в структуре закалённой стали, т. к. температуры мартенситных точек М_Н и М_К с повышением уровня легированности аустенита понижаются, причём последняя оказывается в области отрицательных температур, т.е. значительно ниже температуры цеха.

Инструменты из быстрорежущих сталей охлаждают при закалке в масле или в расплавах солей, предупреждая большую деформацию инструментов и образование трещин. Такая возможность замедленного охлаждения инструментов появляется по той причине, что линии «С» – образной диаграммы быстрорежущих сталей сдвигаются под влиянием легирующих компонентов далеко вправо по временной шкале.

Структура быстрорежущей стали после закалки состоит из:

1)    легированного мартенсита;

2)    остаточного аустенита (20…25%);

3)    нерастворимых карбидов (Кл) – 10%. Роль этих карбидов, которые не вносят свой вклад в процесс дисперсионного твердения, заключается в том, что их частицы задерживают рост зёрен аустенита, обеспечивая мелкопластинчатое строение мартенсита и высокие значения σ_изг и КС.

Отпуск инструментов из стали Р6М5. Цель отпуска – получить высокие значения твёрдости и теплостойкости стали в результате реализации процессов дисперсионного твердения мартенсита и превращения остаточного аустенита (фаза невысокой твёрдости) в мартенсит.

Из рис. 2.1 следует, что температура отпуска инструментов из быстрорежущей стали составляет 550°…570°C (560°С), т.к. при этом достигается максимальная вторичная твёрдость инструмента (обозначают вторичной в отличие от первичной после закалки).

В процессе отпуска дисперсные карбиды легирующих компонентов выделяются не только из мартенсита, вызывая его дисперсионное твердение, но и из остаточного аустенита. В результате его легированность понижается, температура точки М_Н на «С» – образной диаграмме увеличивается и оказывается выше цеховой температуры. Во время охлаждения инструмента при его отпуске от 560°C до температуры цеха остаточный аустенит превращается в мартенсит. Для того чтобы полностью избавиться от остаточного аустенита и дополнительно увеличить твёрдость инструмента, его необходимо отпускать три раза при 560°C (см. рис.2.2).

Рис 2.2 – Схема процесса термической обработки быстрорежущей стали Р6М5

Структура быстрорежущей стали после отпуска состоит из мартенсита отпуска и нерастворимых карбидов (Кл) ~ 10%.

На рис. 2.2 приведена схема процесса термической обработки инструментов из стали Р6М5.

Термическая обработка режущих инструментов из стали Р6М5 состоит из закалки от температуры 1210°…1230°С с охлаждением в масле или в расплаве солей и отпуска при 550°…570°С (трижды с выдержкой при этой температуре по 1 часу).

Свойства быстрорежущей стали Р6М5 после окончательной термической обработки инструментов:

1)    твёрдость 62…65HRC;

2)    теплостойкость 620°С;

3)    предел прочности (σ_изг) – 3000…3500 МПа;

4)    ударная вязкость (КС) – 0,25…0,35 МДж/м2.