Краткие теоретические сведения. По содержанию углерода инструментальные стали могут быть классифицированы: доэвтектоидные стали, эвтектоидные стали

По содержанию углерода инструментальные стали могут быть классифицированы: доэвтектоидные стали, эвтектоидные стали, заэвтектоидные, ледебуритные. Ледебуритные стали имеют в структуре первичные карбиды. В литом состоянии избыточные карбиды совместно с аустенитом образуют эвтектику – ледебурит.

Инструментальные стали по назначению можно разделить на стали для изготовления режущего, штампового и мерительного инструмента. Соответственно используют стали разного типа. Поэтому условно инструментальные стали делятся на четыре катего­рии:

- углеродистые (пониженной прокаливаемости, нетеплостойкие);

- легированные (повышенной прокаливаемости, среднетеплостойкие);

- штамповые (высокой прокаливаемости: нетеплостойкие и теплостойкие);

- быстрорежущие (высокой прокаливаемости, повышенной теплостойкости).

Для режущего инструмента, работающего в легких условиях (напильники, ножовки, метчики, развертки), и для измерительного инструмента используют углеродистые (У7-У12) и легированные ста­ли (X, 8ХФ, X, 9ХС, ХВГ), содержащие от 0,7 до 1,5 % С и легирую­щих элементов (хром, вольфрам, ванадий, марганец) в сумме от 1 до 5 %. Структура этих сталей до термической обработки – зернистый перлит. Термическая обработка состоит из закалки с последую­щим низким отпуском при 150-170 °С.

Углеродистые стали обычно закаливают в воде, легированные – в масле. После отпуска структура состоит из мартенсита и неболь­шого количества вторичных карбидов. Твердость сос­тавляет HRС 60-64. При нагреве до 200 °С твердость начинает быстро падать. Поэтому при эксплуатации нельзя допускать нагрев инс­трумента, изготовленного из данных сталей, выше 200 °С.

Углеродистые и легированные инструментальные стали с одина­ковым содержанием углерода имеют практически одинаковые режущие свойства. Назначение легирующих элементов в этих сталях – увели­чить прокаливаемость сталей и уменьшить чувствительность сталей к перегреву при закалке. Повышенная прокаливаемость позволяет закаливать эти стали в масле, что уменьшает опасность образова­ния трещин, деформаций, короблений.

Режущие инструменты, работающие при высоких скоростях реза­ния, изготавливают из сталей типа Р9, Р18, Р18К10, Р6М5, Р18Ф2, Р9К5, называемых быстрорежущими. В обозначениях этих сталей после буквы Р указывается содержание вольфрама (W) в процентах. Массовая доля хрома для всех марок этих сталей составляет 3,8-4,0 %. Массовая доля ванадия в сталях с 18 % W составляет 1-1,4 %, а в сталях с 9 % W – 2,0-2,6 %. Содержание углерода тем больше, чем больше ванадия и колеблется от 0,7 до 1,55 %.

Быстрорежущие стали обладают повышенной теплостойкостью и красностойкостью, т. е. способностью сохранять структуру мар­тенсита, а, следовательно, высокую твердость и режущие свойства при нагреве до 625-655 °С.

Рассмотрим процесс термической обработки на примере стали Р6М5.

Для устранения ледебуритной эвтектики и для равномерного распределения карбидов применяют ковку и отжиг. После ковки и отжига структура стали состоит из зернистого перлита (сорбита) и боль­шого количества равномерно распределенных мелких вторичных и первичных карбидов (см. атлас микроструктур).

Для получения высоколегированного мартенсита, обладающего высокой красностойкостью, применяют закалку от температур 1260-1280 °С. Нагрев стали под закалку необходимо производить медленно, а лучше с подогревами. Первый подогрев производят при 600-650 °С. Второй – при 800-850 °С.В процессе второго подогрева феррито-цементитная смесь превращается в аустенит. Чтобы избежать обезуглерожи­вания стали и не вызвать роста аустенитного зерна, нагрев от 850 °С до температуры закалки нужно производить очень быстро (в соляной ванне ВаСl₂). Так как критическая скорость закалки этих сталей невелика, то охлаждение при закалке можно производить либо в струе воздуха, либо в масле.

Микроструктура стали после закалки состоит из мартенсита, остаточного аустенита и первичных карбидов (см. атлас микроструктур).

Твердость стали после закалки составляет НRС 61-63, но при­сутствие остаточного аустенита снижает режущие свойства этой стали. Для устранения остаточного аустенита закаленную быстроре­жущую сталь обрабатывают по одному из двух вариантов:

1. Трехкратный отпуск при 560 °С, в результате которого мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, что ведет к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами. При последующем быстром охлаждении в масле аустенит превращается в мартенсит.

2. Обработка холодом при температуре ниже М_к (-80 °С) и однократный или двукратный отпуск при 560 °С.

В обоих случаях после окончательной термической обработки структура стали состоит из отпущенного мартенсита и первичных карбидов (см. атлас).

Штамповые стали для горячего деформирования (5ХНМ, 5ХГМ, БХНСВ, 5ХНТ) должны обладать высокой жаропрочностью, термостойкостью, высокой ударной вязкостью и т. д. Для обеспечения требуемых механических свойств штамповые стали закаливают в мас­ле от 820-850 °С, затем подвергают высокому отпуску на зернис­тый сорбит.