7.3. Быстрорежущие стали.

Инструменты из этой стали вследствие высокой теплостойкости (550-600 ⁰С) могут работать со скоростями в 3-4 раза большими, чем инструменты из углеродистой и легированной стали. Из быстрорежущей стали изготавливают фрезы, сверла, метчики, протяжки, зенкеры, инструмент для резания жаропрочных, нержавеющих сталей.

Быстрорежущие стали содержат 0,7-1,5%С и до 18% W (основной легирующий элемент), до 5% Мо, до 10% Со. В марке Р18 вначале ставят букву Р от слова «рапид» – скорость, 18- содержание вольфрама в %.

Высокая теплостойкость объясняется тем, что при нагреве закаленной стали происходит выделение карбидов, которые при температурах 300-400 ⁰С коагулируют. Введение вольфрама, хрома и др. этот процесс происходит при более высоких температурах и твердость при высоких температурах сохраняется.

При нагреве под закалку стали Р18 до 1280 ⁰С происходит легирование аустенита, а затем получается легированный мартенсит. Нагрев до более высоких температур приводит к оплавлению кромок инструмента. Закалку проводят в масле. Легирующие элементы препятствуют роста зерна аустенита при больших температурах.

Добавление ванадия повышает износостойкость, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650 ⁰С. Наибольшую теплостойкость имеют стали Р14Ф4, Р10К5Ф5 и Р8М4К8 (до 650 ⁰С).

Инструмент под закалку обычно нагревают в соляных ваннах, что обеспечивает равномерный прогрев и уменьшает возможность обезуглероживания поверхности инструмента. Вследствие малой теплопроводности быстрорежущей стали инструмент нагревают ступенчато в трех ваннах: 500-600 ⁰С, 800 ⁰С и 1280 ⁰С. Микроструктура этой стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита и до 30% рассеянных зернышек карбидов. От большого количества остаточного аустенита, ухудшающего режущие свойства, избавляются (превращая его в мартенсит) тройным отпуском при 560 ⁰С.

Иногда для повышения износостойкости инструмента применяют цианирование при 520-560 ⁰С в течение 10-15 мин. Образуется слой на поверхности до 60 мкм. Для уменьшения прилипания стружки и повышения коррозионной стойкости проводят обработку паром (при температуре отпуска) с образование тонкой пленки на поверхности.

После термообработки быстрорежущие стали имеют такие свойства:

Р18: ,,=8% , ψ=10%, КСU = 19 Дж/см².

Р9М4К8: Твердость после закалки и низкого трехкратного отпуска 65-68 HRC,

Р10К5Ф5: Твердость после отжига НВ 10^-1= 285 МПа.

Р14Ф4: Твердость после отжига НВ 10^-1= 269 МПа.

4. Штамповые стали.

Стали для штампов холодного деформирования.

Стали для инструментов этой группы должны обладать высокой износостойкостью (поверхностной твердостью), прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением деформации.

Для изготовления штампов небольших размеров и несложной конфигурации (d ~ до 25 мм) используют углеродистую инструментальную сталь У10-У12 после закалки и низкого отпуска. Ее следует применять для относительно легких условий работы и невысокой твердостью штампуемого металла.

Валки станов холодного деформирования изготавливают из стали 9Х, 9Х2 с закалкой в воде и низким отпуском. Для повышения износостойкости поверхности инструмента после термообработки применяется цианирование или хромирование рабочей поверхности. Для изготовления штампов для штамповки более твердого металла и более сложной конфигурации применяются легированные стали марок Х12М, Х12 (~2%C), Х12ВМ (~2%С), Х12Ф1, Х6ВФ, 6Х6В3МФС, (фильеры, плашки и др.), закаливаемые в масле. Сталь Х12 в отожженном состоянии перед закалкой имеет большое количество карбидной фазы из-за того, что в ней наибольшее количество углерода, что делает ее высокоизносостойкой. При нагреве под закалку карбидная фаза растворяется в аустените, изменяя свойства стали. Наиболее высокая твердость получается при закалке от 1075 ⁰С.

Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то для его изготовления используют стали с большей вязкостью (уменьшение углерода, введение легирующих элементов, увеличивающих прокаливаемость и закалка с высоким отпуском). При относительно легких условиях работы это углеродистая сталь У7-У9 с закалкой в масле и средним отпуском. Стали для инструментов ударного деформирования – 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С, 5ХВ2С (вольфрам добавляется при небольшом нагревании штампуемого металла), 6ХВ2С и т.д.

После термообработки стали для штампов холодного деформирования (7.9) имеют такие свойства:

6ХС: ,,=8% , ψ=30%, КСU = 39 Дж/см².

4ХВ2С: ,,=8%, ψ=35%, КСU = 29 Дж/с^м2.

55Х: Х12: Твердость после закалки и низкого отпуска 63-65 HRC, .

Х6ВФ: Твердость после закалки и низкого отпуска 62-63 HRC.

Стали для штампов горячего деформирования.

Кроме перечисленных свойств эти стали должны обладать еще и повышенной жаропрочностью (сопротивление механическим нагрузкам при высоких температурах), термостойкостью (стойкость поверхностных слоев к циклическому нагреванию и охлаждению и сопротивление появлению разгарных трещин, т.е. сопротивление термической усталости). Они должны обладать минимальной склонностью к отпускной хрупкости и хорошей теплопроводностью, чтобы тепло быстро отводилось от рабочей поверхности.

Штампы, испытывающие ударные нагрузки, изготавливают из стали с содержанием углерода 0,5-0,6% и добавлением хрома, никеля и марганца, увеличивающих прокаливаемость и вязкость. Это стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХСНВ и др. Молибден и вольфрам добавляют для уменьшения склонности к отпускной хрупкости.

Для молотовых штампов применяются стали 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНСВ, 5ХНТ. Сталь 5ХГМ имеет пониженную пластичность из-за присутствия марганца вместо никеля. Более высоким комплексом механических свойств при 600 ⁰С обладает сталь 5ХНМ. Сталь 5ХНТ не содержит молибдена и вольфрама, задерживающих процесс распада мартенсита и имеет пониженную прочность.

Прессовый инструмент для горизонтально-ковочных машин и прессов, работающих при больших удельных давлениях и температурах, изготавливают из других легированных сталей (3Х2В8, 4Х5В3ФС–ЭИ958, 4Х2В5ФМ, 4Х3ВФ2М2). Ввиду более спокойной работы можно поступиться вязкостью за счет более высокой жаропрочности. Наиболее распространенной является сталь 3Х2В8. Высокая красностойкость обеспечивается вольфрамом и молибденом.

При более высоких ударных нагрузках при умеренной тепловой нагрузке следует применять сталь 5ХНМ или 4Х5В2ФС, обладающую большей вязкостью, чем 3Х2В8 и большей красностойкостью, чем 5ХНМ.

После термообработки стали имеют такие свойства:

5ХГМ: ,,=9% , ψ=26%, КСU = 36 Дж/см².

3Х2В8Ф: Твердость после закалки и низкого отпуска НВ 1^0-1= 402-475 МПа.

7.5. Стали для измерительных инструментов.

Измерительные инструменты изготавливают из твердой и износостойкой стали. В них с течением времени не должны протекать структурные превращения и они должны иметь минимальные коэффициент теплового расширения. Обычно применяют высокоуглеродистые стали У8-У12, Х, Х9, ХГ и т.д. После закалки применяют стабилизирующий низкотемпературный отпуск – старение (нагрев до 120-170 ⁰С с выдержкой 10-30ч). Иногда применяют обработку холодом после закалки , затем – старение.