Лабораторна робота 7 вивчення структури і властивостей інструментальних сталей і твердих сплавів

Мета роботи – вивчити мікроструктури інструментальних сталей, встановити зв'язок між термічною обробкою, структурою і властивостями. На підставі експериментальних досліджень порівняти стійкість проти нагріву (відпускостійкість) інструментальних вуглецевих, легованих і швидкорізальних сталей.

7.1 Короткі теоретичні відомості

Вуглецеві інструментальні сталі володіють невеликою прогартовуваністю. Їх використовують для різання з малою швидкістю, бо їх твердість сильно знижується при нагріві вище 190–200°С. Застосовуються після гартування і низькотемпературного відпуску. Структура їх складається з відпущеного мартенситу і надмірного цементиту (для заевтектоїдних). Леговані інструментальні сталі також не володіють підвищеною стійкістю проти відпуску і придатні для різання з відносно невеликою швидкістю. Проте володіють більшою прогартовуваністю, ніж вуглецеві інструментальні сталі. Застосовуються після гартування і низькотемпературного відпуску. У такому стані структура їх складається з відпущеного мартенситу і легованого цементиту.

Для швидкорізальних сталей характерною особливістю є висока червоностійкість, тобто вони володіють здатністю зберігати свою структуру (мартенсит) і високу твердість при підвищених температурах (до 600–620°С).

У литому стані швидкорізальна сталь містить евтектику, що нагадує ледебурит. Після кування і відпалу евтектика і карбіди подрібнюються і рівномірно розподіляються в основній металевій масі, що представляє сорбітоподібний перліт.

Для додання сталі необхідних експлуатаційних властивостей інструмент гартують з температури 1280–1290°С. В результаті утворюється легований вольфрамом і ванадієм мартенсит, а також зберігаються нерозчинені карбіди і залишковий аустеніт, який розпадається при подальшому відпуску. Структура швидкорізальних сталей після відпуску складається з мартенситу і первинних карбідів.

Тверді сплави відносяться до металокерамічних і для їх виготовлення порошки карбідів вольфраму і титану змішують із зв'язуючою речовиною (кобальтом), пресують у формах і тим самим надають виробу відповідну зовнішню форму. Потім ці заготовки піддають спіканню при високій температурі (1500–2000°С). Твердість сплавів дуже висока – 89–90 HRA (72–74 НRС).

Тверді сплави зберігають цю твердість до 900–1000°С і використовуються для різання з підвищеною швидкістю і для обробки твердих матеріалів. Мікроструктура вольфрамо-кобальтових сплавів складається із зерен WC (світлі ділянки), переплетених прошарками (темні ділянки) твердого розчину WC в Сo. Ці прошарки складають безперервну сітку, пронизливу всю структуру сплаву.

Мікроструктура титано-вольфрамо-кобальтових сплавів складається з трьох фаз: білі зерна з добре вираженими формами (карбіди вольфраму WC), округлі зерна – твердий розчин TiC – WC, чорні (витравлені) прошарки між зернами карбідів – твердий розчин на основі кобальту.

Вуглецеві і леговані інструментальні сталі порівняно мало розрізняються по твердості, зносостійкості і ріжучим властивостям. Всі ці сталі після остаточної термообробки мають високу твердість (60–64 HRC) і зберігають її при нагріві приблизно до 200°С. При більш високому нагріві значно посилюється укрупнення частинок карбідів, що виділяються з мартенситу, і розпад мартенситу, що знижує твердість і зносостійкість. Тому вуглецеві і леговані сталі застосовують для різання з невеликою швидкістю, тобто коли не відбувається значного розігрівання ріжучої кромки.

Швидкорізальні сталі одержують після гартування і відпуску (550–560°С) таку ж високу твердість (63–65 НRС), проте зберігають цю високу твердість і зносостійкість при нагріві до 600–625°С. Внаслідок цього швидкорізальні сталі володіють значно вищими ріжучими властивостями, і їх застосовують для обробки матеріалів з великою швидкістю різання і для зняття стружки великого перетину. Чим вища температура, до якої сталь зберігає високу твердість, тим вищі її ріжучі властивості. Червоностійкість швидкорізальної сталі обумовлена присутніми в мартенситі легуючими елементами: вольфрамом, ванадієм, хромом. Ці елементи виділяються з мартенситу лише при підвищених температурах (500–600°С), а утворювані ними складні карбіди мало укрупнюються при цих температурах.