ДЗ / Материаловедение

Задание № 432А / режущий инструмент.

При высоких скоростях резания и больших нагрузках для изготовления режущего инструмента (протяжки, фрезы, сверла, метчики и др.) применяется быстрорежущая сталь Р18.

1. Укажите оптимальный режим термической обработки фрезы, изготовленной из этой стали, постройте график термообработки для этой стали в координатах температура-время.

2. Опишите структурные превращения, происходящие при термической обработке.

3. Приведите основные сведения об этой стали: ГОСТ, химический состав, свойства, достоинства, недостатки, влияние легирующих элементов, другие марки стали такого же типа, влияние легирующих элементов и др.

Отчет.

Сталь Р18 относится к быстрорежущим сталям нормальной теплостойкости. Быстрорежущие стали наиболее характерны для режущих инструмен­тов. Они сочетают высокую теплостой­кость (500–650°С) в зависимости от состава и обработки) с высокими твер­достью (до HRC 68–70), износостой­костью при повышенных температурах и повышенным сопротивлением пластической деформации. Быстрорежу­щие стали позволяют повысить ско­рость резания в 2 – 4 раза по сравне­нию со скоростями, применяемыми при обработке инструментами из углероди­стых и легированных инструменталь­ных сталей.

Быстрорежущие стали широко при­меняют для режущих инструментов, работающих в условиях значительного нагружения и нагрева рабочих кромок. Инструмент из быстрорежущих сталей обладает достаточно высо­кой стабильностью свойств, что особо важно в условиях гибкого автоматизи­рованного производства.

Высокие режущие свойства быстро­режущих сталей обеспечиваются ле­гированием сильными карбидообразующими элементами (вольфрамом, мо­либденом, ванадием), элементами, по­вышающими температуру (  )-пре­вращения (кобальтом, алюминием), и применением специальной термической обработки, заключающейся в закалке с высоких температур (1200 – 1300 °С) и отпуске, вызывающем дисперсион­ное твердение.

Для стали Р18 основ­ным является карбид М₆С (Fe₃W₃C).

Для получения высоких теплостой­кости и твердости достаточно большая доля распадающегося карбида должна быть переведена при закалке в твердый раствор (аустенит, мартенсит), что насыщает его углеродом, вольфрамом, молибденом, ванадием, хромом.

Последующий отпуск при темпера­турах 550–560 °C повышает твердость до максимальных значений вследствие выделения дисперсных, карбидов и распада остаточного аустенита.

В зависимости от химического со­става, а следовательно, и уровня ос­новных свойств быстрорежущие стали подразделяют на стали нормальной и повышенной теплостойкости (произво­дительности). Если содержание вана­дия не превышает 2%, их относят к быстрорежущим сталям нормальной теплостойкости (производительности). Это стали Р18, Р9, Р6М5.

Быстрорежущие стали с более вы­соким содержанием ванадия, а также дополнительно легированные кобальтом относят к сталям повышенной тепло­стойкости (Р12ФЗ, Р6М5ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8 и др.).

К группе быстрорежущих сталей повышенной производительности сле­дует отнести и быстрорежущие дисперсионно-твердеющие сплавы с интерметаллидным упрочнением. Их высо­кая теплостойкость и режущие свой­ства обеспечиваются высокими тем­пературами (  )-превращения и уп­рочнением вследствие выделения при отпуске интерметаллидов.

В соответствии с заданием необходимо выбрать оптимальный режим термической обработки фрезы. Для инструментов сложной формы, тонколезвийных, а также для инстру­ментов, используемых при прерывистом точении, большее значение при­обретают прочность и вязкость быстро­режущей стали.

Нагрев под закалку быстрорежущих сталей проводится при температурах и выдержках, обеспечивающих раство­рение специальных карбидов и леги­рование аустенита, для получения оп­тимальной теплостойкости. При закалке тонколезвийных ин­струментов небольших размеров (ме­нее 3–5 мм) температура закалки сни­жается на 10–20 °С (балл зерна 11).

Для предупреждения образования трещин и повышенных термических напряжений нагрев под закалку ведут с одним или двумя подогревами. Первый подогрев при 400–500 °С, второй при 800–850 °С. Выдержку при окончательном нагреве выбирают из расчета 10–15 с на 1 мм диаметра (толщины) для инструмента диаметром 5—30 мм. Пусть толщина фрезы 3–5 мм, следовательно время выдержки при окончательном нагреве 40 c; температура – 1280 °С.

Время выдержки при подогреве обычно берут удвоенным по сравне­нию с выдержкой при окончательном нагреве.

Подогрев и окончательный нагрев под закалку быстрорежущих сталей, как правило, проводят в электродных со­ляных ваннах. Среда нагрева: при подогреве – смесь 78 % ВаС1₂ и 22 % NaCl (Т_пл = 640 °С), при окон­чательном нагреве – в расплаве ВаС1₂ (T_пл = 962 °С). Для предохра­нения от окисления ванну раскисляют фтористым магнием.

Переохлажденный аустенит быстро­режущих сталей устойчив, вследствие чего они могут охлаждаться в любой среде – воздухе, масле, горячих сре­дах при 500–560 °С. Будем охлаждать изделие в масле.

Отпуск быстрорежущих сталей вы­полняется при температурах 550–570 °С, 2–3 раза по 1 ч. Бы­строрежущие стали с большой устой­чивостью остаточного аустенита тре­буют трех- и даже четырехкратного отпуска. Будем выполнять трехкратный отпуск при температуре 550 °С.

При отпуске происходит выделение упрочняющих карбидов и распад оста­точного аустенита. В результате бы­строрежущая сталь получает высокую твердость, прочность и теплостойкость.

При закалке в аустените растворяется весь хром, 8% W, 1% V и 0,4–0,5% C. После закалки в структуре кроме мартенсита и первичных карбидов содержится 30–40% остаточного аустенита. Остаточный аустенит превращают в мартенсит при отпуске. Аустенит, обедняясь углеродом и легирующими элементами, становится менее устойчивым и при охлаждении ниже точки M_Н испытывает мартенситное превращение. Однократного отпуска недостаточно для превращения всего остаточного аустенита, поэтому применяют многократный отпуск.

Вид поставки – сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 19265–73, ГОСТ 2590–71, ГОСТ 2591–71. Калиброванный пруток ГОСТ 19265–73, ГОСТ 7417–75. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 19265–73, ГОСТ 14955–77. Лист толстый ТУ 14-1-1408–75. Лист тонкий ТУ 14-1-1706–76, ТУ 14-1-1408–75. Полоса ГОСТ 19265–73, ГОСТ 4405–75. Проволока ТУ 14-1-1096–74. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 19265–73, ГОСТ 1133–71.

Назначение – резцы, сверла, фрезы, резьбовые фрезы, долбяки, развертки, венкеры, метчики, протяжки для обработки конструкционных сталей с прочностью до 1000 МПа, от которых требуется сохранение режущих свойств при нагре­вании во время работы до 600 °С.

Химический состав, % (ГОСТ 19265–73)

С	Si	Мn	Сг	W	V	Мо	Ni	S	P	Со
	не более					не более
0,73– 0,83	0,50	0,50	3,80– 4,40	17,0– 18,5	1,00– 1,40	1,00	0,40	0,03	0,03	0,50

Рассмотренный режим термической обработки обеспечивает получение следующих механических свойств: _в = 1370 Мпа; HRC = 63–66; Теплостойкость (HRC 58): 620 °С.

Сталь	Прочность, износостойкость, особенности стали	Примерное назначение
Р18	Удовлетворительные прочность и шлифуемость, широкий интер­вал закалочных температур	Для всех видов инстру­ментов, особенно подвер­гаемых значительному шлифованию, при обра­ботке конструкционных материалов с прочностью до 1000 МПа.
Р9	Повышенная износостой­кость, более узкий ин­тервал оптимальных закалочных температур, повышенная пластич­ность при горячей пластической деформации. Шлифуемость понижен­ная	Для изготовления инстру­ментов простой формы, не требующих большого объема шлифования, при­меняемых для обработки конструкционных мате­риалов
Р6М5	Повышенная прочность, более узкий интервал (чем у стали Р18) зака­лочных температур, повышенная склонность к обезуглероживанию. Шлифуемость удовлетво­рительная	Для всех видов инстру­ментов при обработке конструкционных мате­риалов с прочностью до 1000 МПа
Р12ФЗ	Повышенная износостой­кость, теплостойкость, удовлетворительная прочность. Шлифуемость пониженная	Для чистовых инструмен­тов (резцов, зенкеров, разверток, сверл, протя­жек и др.) при обработке на средних режимах ре­зания вязких аустенит-ных сталей, а также ма­териалов, обладающих повышенными режущи­ми свойствами
Р6М5ФЗ	Повышенная износостой­кость, удовлетворитель­ная прочность. Шлифуе­мость пониженная	Для чистовых и получи-стовых инструментов (фа­сонных резцов, развер­ток, протяжек, фрез и др.), предназначенных для работы на средних скоростях резания, пре­имущественно обраба­тывающих углеродистые и легированные инстру­ментальные стали
Р9К5, Р6М5К5, Р18К5Ф2	Повышенная вторичнаятвердость, теплостойкость, удовлетворительная прочность и вязкость. Шлифуемость пониженная	Для изготовления черновых к получистовых инструментов (фрез, долбяков, метчиков, сверл и т. п.), предназначенных для обработки углеродистых и легированных конструкционных сталей на повышенных режимах резания, а также некоторых труднообрабатывае мых материалов. Инструменты из сталей Р6М5К5 и Р18К5Ф2 имеют более высокую стойкость, чем из стали Р9К5
Р9М4К8, Р8МЗК6С (ЭП722), Р12МЗФ2К8, (ЭП657), Р12Ф4К5 (ЭП600), Р18Ф2К8М	Повышенная вторичная твердость, теплостойкость. Пониженная проч­ность (особенно у стали Р18Ф2К8М) и шлифуемость (особенно у стали Р12Ф4К5)	Все виды инструментов для обработки высокопрочных коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов (в условиях повышенного нагрева режущей кромки), конструкционных материалов повышенной твердости
11РЗАМЗФ2, Р2М5 (ЭП894), 9Х4МЗФ2АГСТ (ЭК42), 11М5Ф (ЭП980)	Повышенная прочность, удовлетворительная шлифуемость (стали Р2М5, ПМ5Ф). Пониженная шлифуемость (стали 11РЗАМЗФ2, 9Х4МЗФ2АГСТ)	Все виды инструментов для обработки неупрочненных сталей и чугунов, а также цветных металлов и сплавов
В11М7К23(ЭП831)	Повышенная твердость, теплостойкость. Удовлетворительная прочность, шлифуемость	Все виды инструментов для обработки титановых сплавов, некоторых высокопрочных коррозионно-стойких сталей и сплавов

5