Производство деталей из металлических порошков 7 страница

Легирующие элементы влияют на превращения при отпуске. Они замедляют процесс распада мартенсита, поскольку препятствуют диффузии углерода, особенно это относится к карбидообразующим элементам. Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хром, молибден, кремний нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать длительность отпуска по сравнению с углеродистой сталью.

Легирующие элементы влияют на концентрацию углерода в перлите и аустените, сдвигая точки S и E (на диаграмме Fе-С) в сторону меньшего содержания углерода.

Легированные стали можно классифицировать:

- по структуре в равновесном состоянии;

- по структуре образцов после охлаждения на воздухе;

- по назначению.

По структуре в равновесном состоянии различают такие классы легированных сталей: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. Наличие ледебурита в легированных сталях может иметь место при содержании углерода значительно ниже 2,14%, Например, при содержании хрома 5%, сталь с 1,5% углерода является ледебуритной. Наличие ледебурита в легированных сталях значительно слабее уменьшает их пластичность, по сравнению с чугунами, что позволяет подвергать их горячей пластической деформации.

По структуре образцов после охлаждения на спокойном воздухе возможно выделить три основных класса сталей: перлитный, мартенсит-ный и аустенитный.

Наличие мартенситных и аустенитных сталей обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов стойкость аусте-нита в перлитной области растет, а температура мартенситного превращения снижается. Первое обстоятельство приводит к тому, что даже при незначительных скоростях охлаждения может происходить мартенситное превращение. Второе обстоятельство объясняет наличие аустенитной структуры при комнатной температуре.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного класса – более значительным, аустенитного класса – еще более высоким содержанием легирующих элементов.

По назначению легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные, а также стали с особенными свойствами (нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, электротехнические, магнитные и т. д.).

Легированные стали маркируются цифрами и буквами. Для кон-струкционных сталей цифры в начале маркировки определяют количество углерода в сотых долях процента, буквы - легирующие элементы, цифры за буквами - количество легирующих элементов в процентах. Отсутствие цифры за буквами указывает на то, что содержание этого легирующего элемента не превышает 1%.

В инструментальных сталях цифра в начале марки показывает содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода 1%.

Обозначают легирующие элементы следующими буквами алфавита: Х – хром, Г –марганец, Н – никель, М – молибден, С – кремний, Ф – ванадий, В – вольфрам, К – кобальт, Ю – алюминий, Д – медь, П – фосфор, Т – титан, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, Е – селен, А – азот, Ч – редкоземельные элементы.

Буквы в начале маркировки определяют назначение стали: А - автоматные, Ш - шарикоподшипниковые, Р – быстрорежущие, Е - магнитные, Э - электротехнические.

Буквы в конце маркировки указывают на качество сталей (А-высококачественные) или на способы дополнительного переплава при изготовлении (Ш - электрошлаковый, ВД - вакуумно-дуговой, ВИ - вакуумно-индукционный, ПД – плазменно-дуговой).

3.2 Конструкционные стали

Конструкционными называют стали, которые используют для производства машин, конструкций и сооружений.

Различают такие виды конструкционных сталей:

- углеродистые обыкновенного качества и качественные;

- повышенной обрабатываемости;

- цементируемые;

- улучшаемые;

- пружинно-рессорные;

- подшипниковые;

- износостойкие;

- высокопрочные.

Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные стали рассмотрены ранее.

3.2.1 Стали повышенной обрабатываемости

На обрабатываемость стали оказывают влияние различные факторы, основными из которых являются: допускаемая скорость резания; усилия резания; чистота обрабатываемой поверхности; вид операции (точение, фрезерование, сверление, фрезерование и т. д.).

Обрабатываемость снижается при повышении твердости и прочно-сти стали. Увеличение содержания углерода в стали вследствие упрочне-ния приводит к снижению обрабатываемости.

Размер зерна, не влияя на твердость, снижает вязкость. Пониженная вязкость способствует получению сыпучей, недлинной стружки и её более легкому отделению. Низкоуглеродистые стали и техническое железо, несмотря на малое содержание углерода и малую прочность, плохо обрабатываются из-за большой вязкости и пластичности.

Большое значение имеет теплопроводность стали. При низкой теп-лопроводности выделяющееся при резании тепло незначительно поглощается изделием и происходит его концентрация в точках резания, что приводит к разогреву режущей кромки инструмента и снижению его стойкости. Малая теплопроводность характерна для аустенитных сталей, поэтому, несмотря на низкую твердость, они плохо обрабатываются.

Повышение обрабатываемости достигается введением в сталь серы, селена, теллура, кальция, свинца, фосфора. Такие стали называются автоматными и маркируют буквой А. Присутствие свинца в этих сталях обозначает буква С, селена - Е, кальция - Ц, двузначная цифра после этих букв указывает на содержание углерода в сотых долях процента.

Автоматным сталям характерны склонность к хрупкому разруше-нию, пониженный предел усталости, анизотропия механических свойств, низкая коррозионная стойкость и поэтому их используют для изготовления малоответственных деталей.

Автоматные сернистые стали А11, А20, А30, А35, А40Г содержат до 0,30% серы и до 0,15% фосфора. Для снижения склонности к красноломкости в них увеличено содержание марганца до 1,5%. Сера в автоматных сталях находится в виде сульфидов марганца, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки и уменьшают трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия. Фосфор, увеличивая хрупкость феррита, облегчает отделение и измельчение стружки и способствует получению гладкой блестящей поверхности резания.

Автоматные свинцовосодержащие стали (АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2, АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГМ, АС40ХГНМ) содержат до 0,35% Рb и по обрабатываемости превосходят сернистые. Свинец не растворяется в стали и, присутствуя в виде мелких обособленных включений, делает стружку более ломкой. Кроме этого, от теплоты резания свинец плавится и, оказывая смазывающее действие, эффективно снижает трение между инструментом и деталью. Однако при больших скоростях резания свинец может испаряться, что приводит к схватыванию инструмента с обрабатываемой деталью. Свинец не ухудшает прочностных свойств, но незначительно ухудшает пластичность и вязкость.

Автоматные селеносодержащие стали (А35Е, А45Е, А40ХЕ) содержат до 0,1% Se, который практически не снижает их коррозионную стойкость. Повышение обрабатываемости связано с образованием селенидов и сульфоселенидов, которые окружают твердые оксидные включения, устраняя их истирающее действие.

Автоматные кальцийсодержащие стали (АЦ20, АЦ30, АЦ40Х, АЦ40Г, АЦ40ХН3 и др.) содержат кальция до 0,008% с возможным добавлением свинца, теллура и селена. Кальциевые стали обрабатываются твердосплавным инструментом при высоких скоростях резания.

3.2.2 Низкоуглеродистые стали для цементации

Для изготовления деталей, которые работают при условиях трения, ударных и переменных нагрузок, применяют низкоуглеродистые стали, которые содержат до 0,2 % углерода и поддаются цементации с последующими закалкой и низкотемпературным отпуском. Стали для цементации подразделяются на три группы:

- углеродистые стали с сердцевиной, которая не упрочняется во время последующей термической обработки;

- низколегированные стали с незначительно упрочняемой сердцевиной;

- легированные стали с сильно упрочняемой сердцевиной при термической обработке.

К сталям первой группы относятся стали 10, 15, 20. В результате низкой прокаливаемости их применяют для малоответственных деталей с неупрочняемой сердцевиной. Даже после закалки с охлаждением в воде слои, которые расположены под цементированным слоем, имеют ферритно-перлитную структуру, и, соответственно, низкую твердость и прочность.

К сталям второй группы относятся низколегированные стали 20Х, 20ХР, 20ХН, которые после цементации подвергают закалке в масле, что позволяет получить бейнитные структуры по сечению детали и следующие механические свойства: sв до 750 МПа, δ до 12%, КСU - 0,6...0,7 МДж/м2.

К сталям третьей группы относятся стали типа 20ХГР, 20ХНР, 12Х2Н4, 18Х2НВ, 30ХГТ, которые после охлаждения в масле закаливаются на мартенсит. Если после закалки в цементированном слое сохраняется большое количество остаточного аустенита, то такие стали подвергают обработке холодом, а затем низкому отпуску.

3.2.3 Среднеуглеродистые стали для улучшения

Эти стали содержат 0,3...0,5%С и легирующие элементы (хром, ни-кель, молибден, вольфрам, марганец, кремний в общем количестве не более 3-5%), а также до 0,3% элементов, которые способствуют получению мелкого зерна аустенита (ванадий, титан, ниобий, цирконий).

Наибольшее распространение для машиностроения получили кон-струкционные стали, легированные 0,8...1,2% Cr. Они имеют более высокую прокаливаемость, чем углеродистые стали. Хром способствует получению в стали высокой и равномерной твердости. Температурный интервал хладноломкости хромистых сталей 0...-100оС. При 0оС наблюдается вязкий излом, а при -100оС излом становится полностью хрупким.

Хромистые стали легируют дополнительно:

- марганцем для повышения прокаливаемости, но марганец способствует росту зерна и, как следствие, повышает порог хладноломкости;

- молибденом (0,15 - 0,45%) для повышения прокаливаемости и снижения порога хладноломкости, а также для повышения статической, динамической и усталостной прочности стали;

- ванадием (0,1 ...0,3%) для уменьшения размера зерна и повышения вязкости;

- бором (до 0,003%) для повышения прокаливаемости, но при этом повышается порог хладноломкости;

- титаном (до 0,1%) для измельчения зерна.

Введение в хромистые стали никеля значительно повышает их про-каливаемость. Дополнительная добавка молибдена в хромоникелевые стали снижает отпускную хрупкость, к которой склонны хромоникелевые стали.

Термическая обработка таких сталей включает закалку в масле и высокий отпуск (550 - 650°С). Нагрев для закалки проводят до температуры на 30...50°С выше АС3. Для большинства сталей это температура около 850°С.

Среднеуглеродистые легированные стали при закалке охлаждают в масле, что дает возможность получать мартенситную структуру при значительно меньшем уровне внутренних напряжений.

При высокотемпературном отпуске (550 - 650°С) среднеуглероди-стых сталей следует предусматривать быстрое охлаждение после отпуска, которое предотвращает развитие отпускной хрупкости второго рода. В тех случаях, когда после отпуска невозможно осуществить быстрое охлаждение (например, для крупногабаритных деталей), следует использовать стали, легированные молибденом, который замедляет развитие отпускной хрупкости второго рода.

Улучшаемые стали могут быть условно разделены на 5 групп. С ростом номера группы растет количество легирующих элементов, увеличивается прокаливаемость и сопротивление хрупкому разрушению.

К первой группе относятся углеродистые стали 35, 40, 45. Максимальное сечение деталей ( Дкр.), которые прокаливаются на мартенсит, не превышает 10 мм. Переходная температура хладноломкости (t50,оС) равняется -20оС.

Вторую группу составляют хромистые стали марок 30Х и 40Х. Для этих сталей Дкр и t50,оС составляют, соответственно, 20 мм и – 40оС. Недостатком сталей этой группы является склонность к отпускной хрупкости второго рода.

Для сталей третьей группы (30ХМ, 40ХГ, 40ХГТ) критический диаметр увеличивается до 25 мм, а переходная температура хладноломкости снижается до -50оС. В эти стали для повышения прокаливаемости дополнительно вводят марганец, а для снижения отпускной хрупкости – молибден. Такие стали, легированные, кроме этого, еще и кремнием, называют хромансилами (20ХГС, 30ХГС). Эти стали хорошо свариваются, имеют прочность sв = 1200 МПа и ударную вязкость КСU = 0,4 МДж/м2.

Четвертую группу составляют хромоникелевые стали, которые со-держат до 1,5% Ni (40ХН, 40ХНМ). Критический диаметр в этих сталях превышает 40 мм, а переходная температура хладноломкости достигает -70оС.

К пятой группе относят комплекснолегированные стали, которые содержат до 4%Ni (38ХН3М, 38ХН3МФА). Критический диаметр этих сталей больше 100 мм, а t50,оС - ниже -100оС. Из этих сталей изготавливают сложные по конфигурации и большие по сечению детали, которые закаливаются в масле.

3.2.4 Рессорно-пружинные стали

Основными требованиями, которые предъявляются к деталям типа рессор и пружин являются высокий предел текучести (до 1700 МПа), высокое сопротивление усталости при достаточной пластичности. Повышение значения предела текучести пружинных сталей достигается закалкой с последующим среднетемпературным отпуском при 400...480°С.

Стали для пружин и рессор должны обеспечивать сквозную прокаливаемость для получения структуры мартенсита по всему сечению детали. Наличие после закалки немартенситных продуктов распада аустенита и остаточного аустенита ухудшает пружинные свойства. Чем мельче зерно, тем выше сопротивление стали малым пластическим деформациям. Наличие обезуглероженного слоя на готовых пружинах резко снижает пределы упругости и выносливости.

Для изготовления пружин и рессор применяют конструкционные стали с повышенным содержанием углерода 0,5…0,7%, дополнительно легированные кремнием, марганцем, хромом и ванадием.

Для пружин малого сечения, испытывающих при работе незначительные нагрузки, используют углеродистые стали 65, 70, 75, 65Г,75Г.

Кремнистые стали (55С2, 60С2, 70С3) применяют для изготовления пружин вагонов, автомобильных рессор, торсионных валов и др. Кремний повышает прокаливаемость, задерживает распад мартенсита при отпуске и значительно упрочняет феррит, что обеспечивает хорошие свойства. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию, что снижает предел выносливости. Кроме этого, они трудно обрабатываются резанием.

Дополнительное легирование кремнистых сталей хромом, кремнием, вольфрамом, никелем увеличивает их прокаливаемость и уменьшает склонность к обезуглероживанию. Стали 60С2ХФА и 65С2ВА, имеющие прокаливаемость до 50 мм, применяются для изготовления крупных тяжелонагруженных пружин. Сталь 60С2Н2А прокаливается до 80 мм и используется при изготовлении ответственных пружин, работающих в условиях значительных динамических нагрузок.

Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергают поверхностному наклепу обдувкой дробью, после чего предел выносливости увеличивается в 1,5…2 раза.

Пружины из углеродистых, марганцевых, кремнистых сталей работают при температурах не больше 200оС. Для пружин с температурой эксплуатации до 300оС используют пружины из стали 50ХФА, а при более высоких температурах до 500оС - из стали 3Х2В8Ф, до 600оС - из стали Р18.

Для работы в агрессивных средах пружины изготовляют из хроми-стых коррозионностойких сталей типа 40Х13, 95Х18.

3.2.5 Подшипниковые стали

Подшипниковые стали должны обладать высокой твердостью, изно-состойкостью и высоким пределом усталости, так как в процессе эксплуатации детали подшипника воспринимают значительные знакопеременные нагрузки. В этих сталях должно обеспечиваться равномерное распределение карбидов, отсутствие неметаллических включений и других концентраторов напряжений, вызывающих образование трещин и выкрашивание металла.

Маркируются шарикоподшипниковые стали буквами ШХ и числом, указывающим на содержание хрома в десятых долях процента. Содержание углерода в шарикоподшипниковых сталях составляет 0,95…1,15%, серы – меньше 0,020%, фосфора – меньше 0,027%.

Сталь ШХ15 предназначена для изготовления деталей подшипников с поперечным сечением 10…20 мм, а дополнительно легированные марганцем и кремнием ШХ15СГ и ШХ20СГ – для деталей, прокаливающихся на глубину свыше 30 мм.

Детали подшипников подвергают закалке от температур 820…850оС и низкому отпуску при 150…170оС. После закалки в структуре может содержаться до 15% остаточного аустенита, превращение которого может вызвать изменение размеров деталей подшипников. Для уменьшения количества остаточного аустенита прецизионные подшипники подвергают обработке холодом при -70о…-80оС. Окончательно обработанная подшипниковая сталь имеет мартенсита с включениями мелких карбидов и высокую твердость до 64НRC.

Детали крупногабаритных роликовых подшипников диаметром 0.5…2 м изготавливают из сталей 12ХН3А, 12Х2Н4А, подвергая их цементации на большую глубину (3…6 мм).

Для подшипников, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкую хромистую сталь 95Х18.

3.2.6 Высокопрочные стали

Высокопрочными называются стали, имеющие предел прочности sв > 1550 МПа и обладающие необходимой вязкостью для эксплуатации в условиях динамических нагрузок.

Легирующие элементы задерживают процессы разупрочнения при отпуске и, если сталь содержит повышенное количество хрома, молибдена, вольфрама, ванадия, то её твердость не снижается до температур отпуска 500…550оС. В, частности, сталь 30Х5МСФА после термической обработки имеет предел прочности sв = 1800 МПа, s0,2 = 1600 МПа, КСU = 50 Дж/см2.

Для получения прочности до 1800-2200 МПа используются мартенситно-стареющие стали с содержанием углерода менее 0,03%, в которых при закалке образуется практически безуглеродистый мартенсит, а затем при отпуске 500°С выделяются интерметаллидные фазы Ni3М, которые упрочняют сталь. Такими сталями являются Н18К8МЗ, 03Н18К9М5Т, Н18К12М5Т. Механические свойства таких характеризуются следующими значениями: sв = 1800 МПа, d = 15%; y = 55%. Необходимо отметить, что непосредственно после закалки мартенситно-стареющие стали обладают невысокой прочностью и очень высокой пластичностью, что позволяет осуществлять деформацию, обработку резанием и другие технологические операции.

Разработаны также высокопрочные стали, известные как «трип-стали», в которых после закалки с 1000…1100оС образуется аустенитная структура, поскольку точка начала мартенситного превращения лежит ниже 0°С. После закалки осуществляется деформация (60-80%, при 400-500°С), в процессе которой, в связи обеднением аустенита углеродом и легирующими элементами, происходит повышение точки МD. В процессе эксплуатации в результате пластической деформации аустенитное состояние превращается в высокопрочное мартенситное. В трип-сталях содержание углерода на порядок выше, чем в мартенситно-стареющих сталях (30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1). Механические свойства трип-сталей: sв = 1500…1700 МПа; s0,2 = 1400…1550 МПа; d = 50…60%. Характерным для этих сталей является высокое значение вязкости разрушения К1С и предела выносливости s-1, однако наблюдается анизотропия свойств деформиро-ванного металла. При одинаковой прочности трип-стали пластичнее мартенситно-стареющих, но их широкому внедрению препятствует необходимость использования мощного оборудования для деформации.

3.2.7 Износостойкие стали и сплавы

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление процессу изнашивания, под которым подразумевается постепенное разрушение поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Под действием этих сил происходит многократное деформирование участков контактной поверхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости, окисления и др. Различают абразивный, окислительный, адгезионный, усталостный и другие виды изнашивания.

Высокая твердость поверхности – необходимое условие обеспечения износостойкости при большинстве видов изнашивания. При абразивном, окислительном, усталостных видах изнашивания наиболее износостойкими являются стали с высокой исходной твердостью поверхности, структура которых состоит из частиц твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы.

Цементуемые низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, упрочненные азотированием или поверхностной закалкой, а также белые чугуны обеспечивают необходимую работоспособность узлов трения, в которых материал должен хорошо противостоять истиранию частицами, являющимися продуктами изнашивания или попадающими в смазочный материал извне.

В условиях ударного износа в абразивной струе (например, работа основных рабочих узлов мельниц для измельчения песка) наиболее износостойкими материалами являются твердые сплавы, структура которых состоит из карбидов вольфрама, титана и тантала, связанных кобальтом, а также высокоуглеродистые стали типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5 с мартенситной матрицей и карбидами.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4%) и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti). Для наплавки используются прутки из этих сплавов, которые расплавляются кислородно-ацетиленовым пламенем или электрической дугой и в жидком состоянии наносят на поверхность детали. Широкое распространение получили сплавы «сормайт» (1,7…3% С, 15…30% Сr, 2…5% Ni, 2…3% Si) с твердостью до 50 НRС и «сталинит» (» 10% С, » 20% Сr, » 15% Мn, » 3% Si) с твердостью до 65 НRС.

Для работы в условиях износа, который сопровождается большими ударными нагрузками, широко используется высокомарганцевая сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда), содержащая 0,9…1,4% С, 11,5…15,0% Mn, 0,5…1,0% Si.

Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем или ковкой. После литья структура состоит из аустенита и избыточных карбидов марганца в железе (FeMn)3C. При нагревании карбиды растворяются в аустените и после закалки в воде с 1100оС сталь имеет аустенитную структуру и низкую твердость 200..250 НВ.

В условиях только абразивного износа такая сталь оказывается неизносостойкой, но при воздействии на деталь больших ударных нагрузок, которые вызывают в материале напряжения выше предела текучести, проходит интенсивный наклеп стали 110Г13Л и рост ее твердости и износостойкости. При этом сталь приобретает высокую твердость до 600 HВ. Сталь 110Г13Л широко используется для изготовления корпусов шаровых мельниц, железнодорожных крестовин, гусеничных траков, козырьков землечерпалок и др.

3.3 Инструментальные стали

3.3.1 Общие положения

Инструментальные стали и сплавы применяют для изготовления разнообразного инструмента и в зависимости от назначения подразделяются на:

- стали для режущего инструмента;

- стали для измерительного инструмента;

- штамповые стали.

Особую группу инструментальных материалов составляют порошковые твердые сплавы.

Основным требованием к сталям для режущего инструмента является сохранение в течение длительного времени режущей кромки, которая в процессе работы изнашивается и тупится. Для выполнения этого требования инструментальная сталь должна иметь высокую твердость, как правило, более 60 НRC.

Инструмент работает в условиях значительных удельных давлений и для обеспечения его работоспособности необходима высокая прочность материала.

При больших скоростях резания в результате превращения механической энергии в тепловую происходит нагрев до высоких температур и происходящее при этом снижение твердости режущей кромки. Таким образом, следующим важным требованием является способность инструментальной стали сохранять свою твердость при длительном нагреве (красностойкость).

Условия работы измерительного инструмента соответствуют условиям работы режущего инструмента при легких режимах резки. Стали этого назначения должны иметь высокую твердость, износостойкость и хранить постоянство формы размеров на протяжении всего срока эксплуатации. Кроме того, они должны иметь высокую обрабатываемость резанием для получения высокого класса чистоты поверхности и обеспечивать незначительные деформации при термической обработке.

Штамповые стали подвергаются значительным ударным и тепловым нагрузкам и поэтому большую роль играют свойства, которые характеризуют способность материала оказывать сопротивление образованию трещин и разрушению под действием таких нагрузок.

3.3.2 Стали для режущего инструмента

3.3.2.1 Углеродистые и легированные инструментальные стали

Для режущих инструментов используют нетеплостойкие углероди-стые и легированные стали и теплостойкие быстрорежущие стали.

Из нетеплостойких углеродистых сталей изготовляют деревообрабатывающий инструмент, ножовочные полотна, напильники, зубила, метчики, плашки и другой слесарный инструмент, который при использовании разогревается не выше 100-150°С.

Стали марок У7, У8, У9 применяют для изготовления инструмента, испытывающего при работе ударные нагрузки и требующего повышенной вязкости (зубила, клейма по металлу, деревообрабатывающий инструмент). Стали марок У10, У11, У12, У13 используют для инструмента, который при работе не испытывает толчков, ударов и должен обладать высокой твердостью (напильники, хирургический инструмент и др.).

Углеродистые инструментальные стали хорошо обрабатываются резанием и подвергаются пластической деформации, имеют относительно низкую температуру закалки (выше А1 на +20...30°С), что уменьшает опасность получения обезуглероженного слоя на поверхности инструмента. Основной недостаток углеродистых сталей – необходимость использования воды при закалке, что увеличивает деформации и вероятность получения трещин. Для углеродистых сталей необходимо строгое соблюдение температур нагрева под закалку для предотвращения роста зерна, к чему особенно чувствительны эвтектоидные стали.

Твердость инструментов, которые работают без ударных нагрузок, составляет 60...63 HRC, что достигается низким отпуском (160-180°С) после закалки. Инструменты, от которых требуется повышенная вязкость, отпускают при более высокой температуре (250…300°С) на твердость 52…57 НRС.

Стали с повышенным количеством легирующих элементов (Х, ХВГ, 11ХФ) при закалке охлаждаются в масле, имеют большое количество остаточного аустенита и меньше деформируются, что важно для инструментов, имеющих сложную конфигурацию. Кремний в инструментальных сталях повышает прокаливаемость и стойкость против отпуска. Стали с кремнием (9ХС) содержат мало остаточного аустенита и менее чувствительны к перегреву. Но стали с кремнием более чувствительны к появлению обезуглероженного слоя на поверхности инструмента при термической обработке, плохо обрабатываются резанием и деформируются из-за упрочнения феррита кремнием.

Вольфрамовые стали В2Ф и ХВ4 после закалки в водных растворах имеют высокую твердость до 65 НRC и применяются для пил по металлу и граверных инструментов.

Теплостойкость углеродистых инструментальных сталей не превы-шает 200оС, а легированные стали сохраняют свою твердость при нагреве до 300…350оС. Допустимые скорости резания для этих сталей составляют 10…15 м/мин.

3.3.2.2 Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали сохраняют высокую твердость, прочность, износостойкость при нагреве до 600…650оС, что позволяет повысить скорость резания до 50 м/мин и стойкость инструмента в 10..30 раз.

Снижение твердости при нагревании обусловлена, в первую очередь, распадом мартенсита и коагуляцией карбидов, которые при этом выделяются. В ранее рассмотренных углеродистых и легированных инструментальных сталях коагуляция карбидов наступает при температурах 200…350оС, что влечет за собой снижение твердости.

Высокая теплостойкость быстрорежущих сталей обеспечивается введением вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами – молибденом, хромом, ванадием в количестве, достаточном для связывания практически всего углерода в специальные карбиды.

Вольфрам и молибден в присутствии хрома связывают углерод в специальный карбид МеС6, являющийся основным в быстрорежущих сталях и с трудом коагулирующий при отпуске, тем самым задерживая распад мартенсита. Выделение дисперсных карбидов, которое происходит при повышенных температурах отпуска (500…600оС), вызывает дисперсионное твердение мартенсита, т. н. «явление вторичной твердости».

Кобальт не образует карбидов, но, повышая энергию межатомных сил связи, затрудняет коагуляцию карбидов и, тем самым, способствует увеличению теплостойкости.

Быстрорежущие стали маркируются буквой «Р», следующая цифра указывает на содержание вольфрама в процентах. Содержание хрома (~ 4% во всех сталях ) и ванадия (до 2%) в марке стали не указывается. Марки сталей, дополнительно легированные молибденом, кобальтом или имеющие повышенное содержание ванадия, содержат соответствующие буквенные обозначения и цифры, указывающие их содержание в процентах. Содержание углерода в быстрорежущих сталях не указывается и составляет 0,7…1,0%.