Инструментальные стали

Инструментальные стали следует различать по назначению: стали для измерительного инструмента, для режущего и штампового инструмента. При этом, в зависимости от условий эксплуатации, различные стали применяют для ручных инструментов с малой производительностью обработки, для дереворежущих, металлорежущих, для холодной штамповки и горячего деформирования. Отдельную группу инструментальных материалов составляют твердые сплавы с широким интервалом применения, в особо сложных условиях.

Легированные инструментальные стали преимущественно поставляются по ГОСТ 5950-73. Быстрорежущие высоколегированные стали поставляются по ГОСТ 19265-73.

Стали для измерительного инструмента. Измерительные инструменты должны обладать исключительно высокой износостойкостью, исключающей изменение размеров во время эксплуатации по причине износа. Они должны обладать структурной стабильностью, не допускающей изменение размеров по причине развивающихся фазовых и структурных изменений в процессе эксплуатации. Этим требованиям отвечают даже углеродистые инструментальные стали: У8 - У12. Однако применение закалки в воде таких сталей вызывает большие внутренние напряжения, что может приводить к короблению инструментов и, соответственно, к изменению их размеров, что для измерительных инструментов недопустимо.

Высокую размерную стабильность при высокой износостойкости можно получить на сталях ХВГ, ХГС, 9ХС. Термическая обработка включает закалку и низкотемпературный отпуск при 160-180 ˚С. Между закалкой и отпуском проводят обработку холодом при температуре от минус 70 до минус 196 ˚С. После шлифовки и полировки инструментов в требуемый размер проводят стабилизирующее старение при температуре 140-160 ˚С с выдержкой, не менее 12 - 24 часов.

Стали для режущих и штамповых инструментов. Стали для режущих и штамповых инструментов должны обладать высокой твердостью (не менее 60-62 HRC), износостойкостью и теплостойкостью. Различают инструментальные стали: нетеплостойкие, полутеплостойкие, и теплостойкие.

Таблица 6.2 - Химический состав, твердость и применение низколегированных инструментальных сталей

К нетеплостойким относятся стали углеродистые и малолегированные, с содержанием легирующих элементов в сумме не более 3 - 4%. К полутеплостойким относятся стали, легированные хромом с содержанием его от 4 до 18%. Теплостойкие стали - это высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт в суммарном количестве до 20-25%. Такие стали называются быстрорежущими.

Углеродистые стали в данном разделе не рассматриваются. К нетеплостойким низколегированным маркам относятся стали: 7ХФ; 8ХФ; 9ХФ; 11ХФ; 13Х; ХВ4; В2Ф; 9Х1; Х; 9ХС; ХГС; 12Х1; 9ХВГ; ХВГ; ХВСГ. В табл. 6.2. приведены сведения о некоторых марках низколегированных инструментальных сталей.

В качестве предварительной термической обработки используют изотермический отжиг при температурах, соответствующих по классификации неполному отжигу (750-800 ºС для разных марок), со ступенчатым режимом охлаждения с температурой ступени 620-700 ºС. Окончательная термическая обработка предусматривает закалку с низкотемпературным отпуском от 130-150 до 210-250 ºС. Температура отпуска определяется требуемой твердостью инструментов.

Стали для штампов холодного деформирования включают подгруппы:

высокохромистых сталей повышенной износостойкости: Х12; Х12ВМ; Х12Ь, Х12Ф1, Х6ВФ, 8Х6НФТ;

высокопрочных комплекснолегированных сталей повышенной теплостойкости: 8Х4В3М3Ф2, 8Х4В2С2МФ;

экономно легированных сталей с повышенной ударной вязкостью: 7ХГ2ВМ и 7Х3ВМФС. В табл. 5.3 приведены сведения о некоторых из указанных марок.

В качестве предварительной термической обработки сталей первой подгруппы используют изотермический отжиг при температурах, соответствующих по классификации неполному отжигу (830-870 ºС в зависимости от марки стали), со ступенчатым режимом охлаждения с температурой ступени 700-740 ºС. Окончательная термическая обработка предусматривает закалку с температур от 950-980 ºС для стали Х12 до 1030-1050 ºС для стали Х12Ф1 с отпуском при различных температурах от 180-200 до 400-420 ºС, в зависимости от требуемой твердости, соответственно, от HRC 60-62 до 57-58.

В ряде случаев, стали типа Х12 могут использоваться для изготовления штампов горячего деформирования. В этом случае их подвергают закалке с повышенных температур 1115-1130 ºС, в масло с последующим 3-5-кратным отпуском при температуре 500-520 ºС. При этом достигается твердость HRC 59-62 и высокий уровень теплостойкости.

Стали второй подгруппы (представитель 8Х4В3М3Ф2, в таблице 6.3) при окончательной термической обработке закаливаются с температуры 1155-1175ºС, в масло с трехкратным часовым отпуском при 550-560 ºС, что обеспечивает получение вторичной твердости HRC 60-61, достаточной теплостойкости, и позволяет использовать их для изготовления режущих инструментов при обработке дерева.

Таблица 6.3 - Химический состав, твердость и применение штамповых сталей для холодного деформирования

Сталь 7Х3ВМФС с повышенной ударной вязкостью по свойствам практически не уступает более высоколегированным сталям, но значительно дешевле по причине меньшего содержания дефицитных дорогостоящих вольфрама, молибдена, ванадия.

Стали для штампов горячего деформирования должны удовлетворять сложным эксплуатационным требованиям. Они должны иметь высокую прочность. Штампы, особенно, молотовые, работают в условиях ударного приложения нагрузок, в связи с чем стали должны быть вязкими.

Контакт рабочей поверхности с деформируемой раскаленной заготовкой приводит к быстрому нагреву тонкого поверхностного слоя на рабочей фигуре штампа, который сменяется последующим быстрым охлаждением при нанесении на поверхность штампа смазочной жидкости, а также за счет теплотвода к относительно холодной сердцевине штампа.

Это вызывает усталостное термоциклическое разрушение поверхностного слоя (трещины разгара). Штампы, как правило являются массивными (сечение до полуметра и более), что требует большой прокаливаемости стали. Высокие значения вязкости сталей штампов для горячего деформирования обеспечиваются сравнительно невысоким содержанием углерода (чаще всего 0,4-0,6%), наличием в стали никеля, молибдена. Типичными представителями сталей для штампов горячего деформирования являются 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС, 3Х3М3Ф, 3Х2В8Ф и др.

Стали типа 5ХНМ, 5ХНВ высокой вязкости подвергаются закалке в масле с температуры 840-860 ºС, с последующим отпуском при 400-550 ºС, в результате чего достигается твердость штампа HRC 38-46, что обеспечивает надежную работу штампа в условиях эксплуатации.

Сталь 3Х2В8Ф является классической высоковольфрамовой штамповой сталью с высокой теплостойкостью, близкой теплостойкости быстрорежущих сталей. Термическая обработка этой стали заключается в закалке с температуры 1130-1150 ºС и отпуске при 640-660 ºС, после чего сталь имеет твердость HRC 42-46, что позволяет деформировать горячим деформированием легированные конструкционные стали, жаропрочные сплавы, использовать ее для прессформ литья под давлением сплавов на основе меди.

Быстрорежущие инструментальные стали относятся к высоколегированным сталям ледебуритного класса, в структуре которых при кристаллизации образуется значительное количество эвтектических карбидов легирующих элементов (хрома, вольфрама, молибдена), которые, с одной стороны, становятся фазовыми составляющими, затрудняющими получение однородного распределения легирующих элементов по сечению изготавливаемого инструмента, ухудшающими технологичность стали при обработке давлением, а, с другой, обеспечивающими высокую степень легирования твердых растворов (аустенита и мартенсита) за счет их растворения при температурах нагрева под закалку, а также позволяющими сохранять очень мелкозернистое строение стали и высокий комплекс ее механических свойств. Главное достоинство быстрорежущих сталей - ее высокая теплостойкость (красностойкость), т.е. способность сохранять высокую твердость и стойкость режущей кромки инструментов при нагреве вплоть до 600 ºС. Это обеспечивает высокую стойкость режущего инструмента в условиях высокоскоростных и высокопроизводительных процессов резания.

Основной классической маркой быстрорежущей стали является сталь Р18, которая в своем составе содержит около 1% углерода, 4% хрома, 18% вольфрама, 1-1,4% ванадия. Режущий инструмент (резцы, сверла, фрезы, зенкеры, метчики и др.) подвергается закалке путем ступенчатого нагрева до температуры 1260 - 1280 ºС, с охлаждением в масле с последующим трехкратным часовым отпуском при температуре 560 ºС. Твердость инструмента HRC 62-65.

Стали быстрорежущие поставляются по ГОСТ 19265-73. Стандарт содержит ряд марок быстрорежущей стали, в том числе с меньшим содержанием вольфрама Р9, Р12, стали с заменой части вольфрама молибденом Р6М5, Р6М3, Р8М3, с дополнительным легированием ванадием, кобальтом: Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, Р10Ф5К5 и др.

Все эти стали обладают высокой твердостью, износостойкостью, теплостойкостью (красностойкостью), не уступающими или превышающими аналогичные показатели для классической стали Р18.

При оценке режущей стойкости быстрорежущих сталей в процессах резания проявляется влияние множества факторов, влияющих на стойкость, но не связанных непосредственно с качеством инструментального материала. Нами разработана номограмма (рисунок 6.5), определяющая комплексную характеристику стойкости (Модуль стойкости М), который определяется только качественными показателями материала инструмента, в том числе его структурного состояния и механических свойств (предел прочности при изгибе, твердость и теплостойкость, выражающаяся твердостью после четырехчасового нагрева до температуры 625 ˚С) после окончательной термической обработки.

На номограмме светлыми линиями показана методика пользования предлагаемой номограммой. Ее использование требует определения на образцах твердости стали после окончательной термической обработки, предела прочности стали при испытании образцов на изгиб, выразив его в МПа, а также количественной характеристики теплостойкости, выраженной твердостью HRC, измеренной на образцах, которые после окончательной термической обработки дополнительно были нагреты на температуру 625 ˚С и выдержаны в течение 4-х часов.

За единицу модуля стойкости принята стойкость режущего инструмента, имеющего после окончательной термической обработки твердость 63 ед.HRC, предел прочности при изгибе 2500 МПа и теплостойкость 58 HRC. На номограмме это соответствует центральной точке на пересечении главных линий.

Для определения модуля стойкости инструментов, характеризующихся иными свойствами на нижней шкале номограммы следует отметить соответствующую твердость стали, провести вертикальную линию до пересечения с линией соответствующей пределу прочности при изгибе (например, 3000 МПа), затем от полученной точки пересечения - горизонтальную линию до основной линии теплостойкости (HRC 58) и поднять ее (или, соответственно, опустить) до реального значения теплостойкости (например, HRC 61). Точка пересечения определяет на оси ординат значение модуля стойкости (в примере, М=2,4). Это означает, что стойкость инструмента со свойствами, указанными в примере в 2,4 раза выше, чем для инструмента, стойкость которого принята за единицу.

Рисунок 6.5. Номограмма определения стойкости режущего инструмента по его свойствам. Светлыми линиями показан пример пользования номограммой

Металлокерамические твердые сплавы не относятся к классу сталей, но являются одними из наиболее высокопроизводительных режущих материалов. Согласно действующей классификации, режущие твердые сплавы относятся к спеченным порошковым материалам. Они состоят из карбидов вольфрама, титана и тантала, спеченных на кобальтовой связке. Для получения твердых сплавов порошки карбидов смешиваются в определенной пропорции с порошком кобальта. Из смеси порошков в прессформах формуются пластинки или изделия заданной формы, которые затем спекаются в среде водорода или в вакууме при температурах 1500-2000 ºС.

Твердые сплавы могут быть вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые. Вольфрамовые твердые сплавы имеют марки ВК3, ВК6, ВК8, ВК10. Цифры в марках обозначают процентное содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама. Теплостойкость твердых сплавов типа ВК выше теплостойкости быстрорежущей стали, и составляет 800 ºС. Двухкарбидные твердые сплавы состоят из карбидов вольфрама, карбидов титана и кобальта. В марке Т15К6 15% - содержание карбида титана, 6% - содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама. Теплостойкость этого сплава 900-1000 ºС. Представителем трехкарбидного твердого сплава является ТТ7К12, где 7%- суммарное содержание карбидов тантала и титана, 12% - содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама. Этот сплав имеет наиболее высокую теплостойкость порядка 1000 ºС, повышенную прочность и сопротивляемость к выкрашиванию. Применяется при черновой обдирке стальных слитков, поковок, литья, когда требуются наиболее высокий комплекс свойств режущего инструмента.

В машиностроении в настоящее время широкое применение находят материалы, созданные на основе нитридов бора, нитридов кремния, искусственных алмазов, которые в основном применяют при чистовом точении с высокими скоростями и малыми подачами, поскольку при высокой стойкости этих материалов к износу, они обладают повышенной хрупкостью и не могут выдерживать значительных динамических нагрузок.

Date: 2015-07-11; view: 467; Нарушение авторских прав