9. Экспериментальная часть.

Цель работы – изучение методов определения твердости и приобретение навыков работы на различных твердомерах.

Оборудование: твердомеры типа ТБ, ТР, ТВ и ПМТ–3.

Объект исследования: образцы сталей и твердого сплава.

Задачи.

1. Выбрать метод и определить твердость отожженной быстрорежущей стали. Произвести статистическую обработку результатов измерений.

2. Выбрать метод и определить твердость быстрорежущей стали после упрочняющей термической обработки. Произвести статистическую обработку результатов измерений.

3. Выбрать метод и определить твердость твердого сплава. Произвести статистическую обработку результатов измерений.

4. Выбрать метод, позволяющий определить твердость отдельных фаз или тонких упрочненных слоев. Определить твердость легированной стали выбранным методом. Произвести статистическую обработку результатов измерений.

10. Структура и свойства инструментальных сталей в состоянии поставки

По структурному классу нетеплостойкие инструментальные стали могут быть доэвтектоидными (У7), эвтектоидными (У8) и заэвтектоидными (это углеродистые стали, с содержанием углерода, большим 0,8% – У10, У12, У13, и легированные инструментальные стали – 9ХС, ХВГ, ХВСГ).

Теплостойкие быстрорежущие стали – это стали ледебуритного класса.

11. Углеродистые и легированные инструментальные стали

Структура доэвтектоидных сталей в состоянии поставки – перлит и феррит, эвтектоидных – перлит, заэвтектоидных – перлит и цементит вторичный.

Структура инструментальных сталей в отожженном состоянии (состоянии поставки) оценивается формой и размерами карбидов.

Форма карбидов может быть зернистой, пластинчатой или смешанной. Она обусловлена, главным образом, температурой отжига.

Температура отжига заэвтектоидных сталей – немного выше критической точки Ас₁ – Т_отж.=Ас₁+(50…70)°C. При такой температуре в структуре сохраняются вторичные карбиды. Они служат центрами кристаллизации карбидов, выделяющихся при охлаждении в процессе перлитного превращения. Это способствует получению зернистого перлита.

При нарушении режимов отжига – повышении температуры выше оптимальной образуется пластинчатый перлит вследствие растворения большого количества вторичных карбидов и, таким образом, уменьшения центров кристаллизации. При медленном охлаждении, которое используется при отжиге, карбиды выделяются по границам зерен, образуя цементитную сетку.

У доэвтектоидных, эвтектоидных сталей, а также заэвтектоидных с содержанием углерода, близким к эвтектоидному, получение зернистого перлита затруднительно. При температурах отжига в них отсутствуют или имеются в малых количествах вторичные карбиды. Для получения структуры зернистого перлита отжиг таких сталей следует проводить при более низких температурах – непосредственно вблизи Ас₁, а также использовать длительные выдержки, для того чтобы произошла сфероидизация выделившихся карбидов.

Размеры карбидных частиц зависят от условий охлаждения и времени выдержки при температурах ниже Ас₁. Чем быстрее охлаждение и короче выдержка, тем меньше размер карбидных частиц.

Строение перлита (форма и размер карбидов) оценивается по десятибалльной шкале.

Баллы 1…5 характеризуют структуру, в которой отсутствует пластинчатый перлит. Увеличению балла соответствует увеличение размера карбидов. Для баллов 1…2 размер карбидов 1…2мкм (точечный перлит), для баллов 3…5 размеры карбидов составляют 8…10мкм.

Баллы 6…10 характеризуют структуры, в которых присутствует пластинчатый перлит. Балл 6 – количество пластинчатого перлита – 5…10%, для балла 7 – до 30%, для балла 8 – до 50%, для балла 9 – до 90%; структура, соответствующая 10 баллу – пластинчатый перлит.

Влияние исходной структуры на свойства стали

Карбиды пластинчатой формы, как менее термодинамически устойчивые, быстрее растворяются при нагреве под закалку, что определяет несколько большую прокаливаемость сталей с такой структурой. Однако такие карбиды не могут эффективно препятствовать росту зерна аустенита. После закалки такие стали имеют структуру крупнопластинчатого мартенсита, т.е. пониженную прочность. Стали с такой структурой более склонны к образованию закалочных трещин.

Цементитная сетка в структуре недопустима. Наличие хрупкой составляющей по границам зерен снижает прочность стали. Для устранения цементитной сетки необходимо выполнить нормализацию – нагрев выше точки Ас_m с (целью растворения цементита) с последующим охлаждением на воздухе. Такое ускоренное охлаждение по сравнению с охлаждением с печью необходимо для предупреждения выделения вторичного цементита по границам зерен, т.е. для подавления образования цементитной сетки. Для снижения твердости после этой операции выполняется высокий отпуск или же отжиг по стандартному режиму.

Стали со структурой пластинчатого перлита обладают пониженной обрабатываемостью резанием (табл. 4).

Таблица 4.

Влияние структуры стали У12 в отожженном состоянии на обрабатываемость резанием по критерию V60 [2].

Структура перлита	Балл	Твердость, НВ	Относительная скорость резания, %
Зернистый	5	179	100
Смешанный	8	192	91
Пластинчатый	10	223	71
Примечание. – V60 скорость резания, обеспечивающая 60–минутную стойкость инструмента. Для структуры зернистого перлита обрабатываемость принята за 100%.

Размеры карбидных частиц определяют твердость стали. Твердость сталей У10…У12 со структурой зернистого перлита балла 5…6 составляет 160…170НВ, а при балле 3…4 возрастает до 187…217НВ. Увеличение твердости ухудшает обрабатываемость резанием.

Таким образом, оптимальной структурой является перлит 4–5 балла.