Лекція №39

Навчальні питання:

1. Інструментальні сталі та сплави.

2. Вуглецеві інструментальні сталі.

3. Вплив легуючих елементів на властивості інструментальних сталей.

Навчальне питання 1. Інструментальні сталі та сплави.

Інструментальні сталі призначені для виготовлення ріжучого, вимірювального інструмента і штампів холодного та гарячого деформування. У процесі експлуатації всі види інструменту, особливо металорізальний і штампи, піддаються стирання, відчувають високі тиски, а також підвищені напруги, найчастіше, вигину або кручення. Для забезпечення зносостійкості інструментальним сталям повинна бути властива висока твердість, а для збереження форми інструменту, попередження його поломок і викрошіванія робочих крайок - висока міцність при задовільній в'язкості. До важливого властивості інструментальних сталей, які піддаються при різанні або деформуванні істотного нагрівання, відносяться теплостійкість (красностойкость), тобто стійкість проти відпустки.

За пропозицією Ю.А. Геллера, всі інструментальні сталі ділять на три групи: не володіють теплостійкістю (вуглецеві і леговані сталі, що містять до 3-4% легуючих елементів); полутеплостойкіе (що містять більше 0,6-0,7% С і 4-18% З r) і теплостійкі сталі (високолеговані сталі, що містять Cr, W, V, Mo, ​​Co, ледебуритного класу, що одержали назву швидкорізальні). Крім службових властивостей, для інструментальних сталей велике значення мають технологічні властивості: прокаливаемость, малі об'ємні зміни при загартуванню, оброблюваність тиском, різанням, шліфована. У промисловості застосовують велике число інструментальних сталей як вуглецевих, так і легованих. Особливу групу утворюють тверді сплави, які мають високу зносостійкість.

Сталі для вимірювального інструмента повинні володіти високою твердістю, зносостійкістю, невеликим коефіцієнтом теплового розширення і зберігати сталість розмірів і форми протягом тривалого терміну служби. Зазвичай застосовують високовуглецеві (заевтектоідние низьколеговані) хромисті стали X (1,0-1,1% С і 1,3-1,6% З r), ХГ (1,3-1,5% С, 0,45-0 , 7% М n, 1,3-1,6% З r), ХВГ, 9ХС. Вимірювальний інструмент зі сталі X і ХГ проходить загартування з можливо більш низької температури, зазвичай 840-850 ° С, для отримання мінімальної кількості залишкового аустеніту.

У загартованої високовуглецевої сталі при нормальній кімнатній температурі протягом тривалого часу мимоволі протікає процес старіння, який полягає у частковому розпаді мартенситу і перетворенні деякої кількості залишкового аустеніту в мартенсит. Старіння викликає невелика зміна обсягу в лінійних розмірах вироби, неприпустиме для вимірювальних інструментів високих класів точності.

Для попередження старіння вимірювальні інструменти тривалий час (12-60 год) піддають відпустці при температурі 120-140 ° С. Твердість після зазначеної обробки складає HRC 62-64. Іноді після гарту роблять обробку холодом при температурі -50 ¸ -80 ° С для більш повного перетворення залишкового аустеніту.

Навчальне питання 2. Вуглецеві інструментальні сталі.

Вуглецеві сталі (ГОСТ 1435) поставляють після відпалу на зернистий перліт з гарантією на хімічний склад і твердість. Їх виробляють якісними У7, У8, У9, ..., У13 і високоякісними У7А, У8А, У9А, ..., У13А. Буква «У» в марці показує, що сталь вуглецева, а цифра - середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка. Завдяки невисокій твердості в стані поставки (НВ 187-217) вуглецеві сталі добре обробляються різанням і деформуються, що дозволяє застосовувати накатку, насічку та інші високопродуктивні методи виготовлення інструменту.

Через низьку прокаливаемости (10-12 мм) вуглецеві сталі придатні для дрібного інструменту або для інструменту перерізом до 25 мм з незагартованої серцевиною, в якій ріжуча частина припадає на поверхневий шар (мітчики, розгортки, напилки і т.п.). Ненаскрізна гарт зменшує деформації інструменту і підвищує за рахунок в'язкої серцевини його стійкість до ударів і вібрацій. В перерізах більше 25 мм загартований шар виходить тонким і продавлюється під час роботи.

Сталі У7 ¸ У9 піддають повної, а стали У10 ¸ У13 - неповної загартуванню. Інструмент перерізом понад 15 мм охолоджують у воді чи водних розчинах солей і лугів. Інструменти меншого перерізу для зменшення деформацій і небезпеки розтріскування гартують в маслі або розплавах солей при 160-200 ° С.

Сталі У7, У8, У9, що забезпечують більш високу в'язкість, застосовують для інструментів, що піддаються ударам: деревообделочного, слюсарного, ковальського, а також пуансонів, матриць і ін Після гарту їх відпускають за 275-350 ° С на троостит (HRC 48-51). Заевтектоідние стали У10, У11, У12 використовують після низького відпустки (150-180 ° С) зі структурою мартенситу та включеннями карбідів, що забезпечують підвищену зносостійкість. Їх застосовують для інструментів з високою твердістю на робочих гранях (HRC 62-64): ріжучого (напилки, пили, мітчики, свердла, різці тощо), вимірювального (калібри простої форми і невисоких класів точності) і невеликих штампів холодної висадки і витяжки, що працюють при невисоких навантаженнях.

Сталь У13 застосовують для інструментів, що вимагають найбільш високої твердості: шаберов, гравірувального інструменту.

Високоякісні сталі мають те саме призначення, що і якісні, але через кілька кращою в'язкості їх частіше використовують для інструментів з більш тонкої ріжучої крайкою.

Недоліки вуглецевих інструментальних сталей: чутливість до перегріву і відсутність теплостійкості. Найбільш схильні до перегріву через відсутність надлишкових карбідів стали У8 і У9, що істотно обмежує їх застосування.

Інструмент із вуглецевих сталей відпускається і втрачає твердість при нагріванні понад 200 ° С. У зв'язку з цим він придатний для обробки порівняно м'яких матеріалів і при невеликих швидкостях різання чи деформування.

Навчальне питання 3. Вплив легуючих елементів на властивості інструментальних сталей.

Легуючі елементи в невеликій кількості (до 5%) вводять для збільшення закаліваемості, прокаливаемости, зменшення деформацій і небезпеки розтріскування інструмента, тому що дозволяють проводити загартування в маслі або гарячих середовищах. Хром - постійний елемент низьколегованих сталей. Для поліпшення властивостей в них додатково вводять марганець, кремній, вольфрам, нікель.

Марганець (1-2%) додають для забезпечення мінімальної зміни розмірів при загартуванню. Інтенсивно знижуючи інтервал температур мартенситного перетворення, він сприяє збереженню підвищеної кількості залишкового аустеніту (15-20%), який частково або повністю компенсує збільшення обсягу в результаті утворення мартенситу. Кремній (1-1,5%) вводять для підвищення опору відпустки і освіти легко отделяющейся окалини, вольфрам (1-5%) - підвищення зносостійкості. Нікель (до 1,5%) додають у штампові стали для збільшення в'язкості.

Для забезпечення теплостійкості вводять хром, вольфрам або молібден у великій кількості з тим, щоб зв'язати вуглець у спеціальні труднокоагуліруемие при відпуску карбіди. Якщо вміст елементів невелике і утворюється легований цементит, то він коагулює і викликає разупрочнение при 200-250 ° С. Хром в кількості 6-12%, пов'язуючи вуглець в карбід М 7 С 3, затримує розпад мартенситу до 450-500 ° С. Більш істотно підвищує теплостійкість вольфрам або його хімічний аналог молібден, що утворюють у присутності, хрому стійкі до коагуляції карбіди типу M 6 C. Виділення спеціальних карбідів підвищує твердість після відпустки при 500-600 ° С. Особливо ефективно вторинна твердість і теплостійкість підвищуються при введенні декількох сильних карбідоутворювачами, наприклад, вольфраму і ванадію. При відпустці ванадій, виділяючись більш інтенсивно, посилює дисперсійне твердіння, а вольфрам, зберігаючись в мартенсит, затримує його розпад.

Збільшенню теплостійкості сприяє також кобальт. Він не утворює карбідів, але, підвищуючи енергію міжатомних сил зв'язку, ускладнює коагуляцію карбідів і збільшує їх дисперсність.

Для забезпечення високої зносостійкості використовують леговані сталі зі значною кількістю надлишкових карбідів - заевтектоідние і ледебуритного. Завдяки надлишковим карбіди ці стали зберігають дрібне зерно і, як наслідок, підвищену міцність і в'язкість в широкому інтервалі гартівних температур (до 1000-1300 ° С). Разом з цим велика кількість надлишкових карбідів погіршує оброблюваність тиском і різанням, створює карбідну неоднорідність. Скупчення карбідів, карбідна сітка і полосчатость посилюють крихкість, викликають передчасне викришування робочих крайок. Для рівномірного розподілу карбідів такі стали вимагають всебічної і ретельної кування заготовок.