Сталі для вимірювального інструменту

Сталі цього призначення повинні мати високу твердість і зносостійкість, зберігати постійність форми і розмірів протягом терміну експлуатації. Крім того, вони повинні мати високу оброблюваність різанням для отримання високого класу чистоти поверхні і незначну деформацію при термічній обробці. Це сталі − марок Х, ХВС, ХВГ, 9ХС, їх твердість після термообробки повинна бути не менше HRC 60-64.

Після термічної обробки в структурі високовуглецевих сталей присутні залишковий аустеніт, що обумовлює їх нестабільність. Для забезпечення високої твердості сталі і стабільності розмірів інструменту в процесі експлуатації проводиться спеціальна термічна обробка. Вона складається з гартування в мастилі. Для інструментів підвищеної точності застосовують додаткову обробку холодом при температурі -80 ºС і тривалістю до 30 год. Низькотемпературний відпуск − старіння при 120-170 ºС. Нагрівання до більш високої температури є недопустимим в зв’язку зі значним зниження твердості і зносостійкості інструменту. Тривалий відпуск запобігає процесам старіння і розпаду мартенситу під час терміну експлуатації інструменту. Для вимірювального інструменту великого розміру і складної геометрії використовують сталі, що азотуються, типу 38ХМЮА.

Штампові сталі

Штампоі сталі поділяють для виготовлення штампів холодного та гарячого деформування − пуансонів, матриць, фільєр, прес-форм, форм для литва під тиском.

Сталі для штампів холодного деформування повинні повинні мати високу твердість і зносостійкість, високу міцність і задовільну в’язкість для роботи при ударних навантаженнях. Ці сталі поділяються на три групи.

До першої групи відносяться сталі для витяжних і вирубних штампів, вони повинні мати високу твердість, зносостійкість. В процесі деформування з великими швидкостями штампи розігріваються до 200-350 ºС, тому вони повинні мати теплостійкість до 400-500 ºС, для того щоб забезпечити опір згинанню і пластичному деформуванню при штампуванні. Це сталі Х, ХВГ, ХВСГ, які після гартування і відпуску при 150-180 ºС мають твердість HRC 60. Такі штампи працюють при помірних ударних навантаженнях. Сталі з підвищеним вмістом 6-12 % Cr − Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12Ф1 мають більш високу зносостійкість і глибоку прогартовуваність. Високу твердість забезпечує велика кількість карбіду хрому Cr₇C₃. Підвищений вміст хрому приводить до зростання карбідної неоднорідності. Після термічної обробки сталі мають твердість HRC 61-63.

Другу групу складають сталі для штампів холодного видавлювання, які працюють в умовах великих тисків. Ці сталі повинні мати високий опір деформації і високу міцність. Присутність у структурі залишкового аустеніту є недопустимим. Для його усунення проводять високий відпуск при температурах вище 500 ºС. Хоча із цих сталей виготовляють штампи холодного деформування, вони мають високу теплостійкість, зокрема сталь 6Х4М2ФС.

До третьої групи відносять сталі, з яких виготовляють штампи, що працюють при високих ударних навантаженнях. Це сталі 7Х3, 6Х3ФС, 4ХС, 4ХВ2С підвищеної в’язкості. Гартують їх від температури 840-900 ºС у мастило, відпускають при 240-270 ºС, HRC 50-55.

Сталі для штампів гарячого деформування

Штампові інструменти для гарячого деформування працюють у важких умовах. Матеріал штампів контактує з гарячим металом і нагрівається, причому нагрівання чергується з охолодженням. Матеріал для гарячих штампів повинен задовольнити високу міцність (не менше 1000 МПа), теплостійкість, яка дозволяє зберегти твердість і міцність при тривалій температурній дії. Сталі повинні мати також високу в’язкість, щоб запобігти руйнуванню при ударному навантаженні і опір термічній втомі, тобто здатність витримувати багаторазові нагрівання і охолодження без утворення сітки тріщин. Сталі повинні бути окалиностійкими і мати високу прогартовуваність, щоб забезпечити високі механічні властивості по всьому перерізу штампа. Важливо, щоб сталі не були схильні до відпускної крихкості, оскільки швидким охолодженням крупних штампів усунути її неможливо.

Крупні кувальні (молотові) штампи, а також інструмент кувальних машин і пресів, що нагріваються в процесі роботи до 500-550 ºС, які працюють при помірних навантаженнях виготовляються з напівтеплостійкої сталі 5ХНМ та її аналогів 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ. Ці сталі гартують у мастило відпускають при 550-580 ºС, HRC 35-45, структура троосто-сорбіт.

Для виготовлення штампів невеликих розмірів взамін сталей типу 5ХНМ застосовують сталь 4Х3ВМФ.

Витяжні, висадочні штампи, пресформи литва під тиском виготовляють із сталей 3Х2В8Ф, 5Х3В3МФС, 4Х4ВМФС (ДИ-22). До цих сталей пред’являють підвищені вимоги по теплостійкості і розгаростійості і менші вимоги по прогартовуваності.

Для розчинення складних карбідів ці сталі при гартуванні нагрівають до температур 1050-1100 ºС і охолоджують у мастилі. Після гартування проводиться відпуск при 560-650 ºС. Твердість після термічної обробки HRC 45-50.

Інструментальні спечені тверді сплави

Спечені тверді сплави складаються в основному з карбіду вольфраму. Ці сплави характеризуються високою твердістю HRC 66-76. Спікають порошок карбіду вольфраму разом з кобальтом, який є зв’язкою, при 1400 ºС.

Вольфрамокобальтові тверді сплави удосконаленні введенням до них карбіду титана і танталу. Теплостійкість у них 900-1000 ºС. Це дуже дорогі матеріали, оскільки у їх складі є дорогі легуючі елементи − вольфрам, титан, кобальт.

Тверді сплави є трьох груп: ВК − волбфрамо-кобальтові − ВК2, ВК8 (WC – 92%, 8 % Co), вольфрамо-титаноуобальтові − (TiC - 15 %, 6 % Co), і вольфрамотитанокобальтові − ТТК − ТТ7К12 − 4 % TiC, 3 % TaC; 12 % Co, 81%WC.

Сталі та сплави з особливими фізичними властивостями

Магнітні сталі та сплави

Основними характеристиками магнітних сталей і сплавів є такі магнітні властивості: залишкова магнітна індукція „В”, коерцитивна сила ”Не„ та магнітна проникність „μ”.

Якщо магнітна проникність більша від одиниці, то такі тіла називаються парамагнетиками, якщо менше одиниці – діамагнетиками. Окремим випадком парамагнітних тіл є феромагнітні тіла – залізо, нікель і кобальт, магнітна проникність яких набагато більша, ніж у інших парамагнітних тіл.

Магнітні сплави залежно від значень коерцитивної сили і магнітної проникності ділять на магнітотверді – сплави з великою коерцитивною силою Н >4 kA /м і низькою магнітною проникністю ( їх застосовують для постійних магнітів ) і магнітом' які, для яких характерна мала коерцитивна сила ( Н < 4 kA /м ) і висока магнітна проникність ( трансформаторна і динамо – сталі ).

Магнітотверді сталі та сплави.Такими матеріалами є високовуглецеві сталі, леговані сталі та спеціальні сплави. Щоб коерцитивна сила ”Не” була високою, сталі повинні мати нерівномірну структуру, звичайно мартенсит зі значною кількістю дефектів будови, які спричиняють внутрішні напруження і спотворення кристалічної гратки.

Вуглецеві сталі У10 – У12 після гартування мають досить високу коерцитивну силу Не › 4,8 – 5,2 kA /м, проте вони прогартовуються на невелику глибину, тому їх застосовують для виготовлення магнітів перерізом 4 – 7 мм.

Хромисті сталі ЕХ, ЕХ3 ( 3% Cr) а також одночасно леговані Cr та Co сталі ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Легувальні елементи підвищують, головним чином коерцитивну силу і магнітну енергію, а також покращують температурну і механічну стабільність постійних магнітів. Хромисті і кобальтові сталі порівняно легко оброблюються тиском і різанням, але мають відносно малу магнітну енергію. Коерцитивна сила легованих дорівнює 4,8 – 12,0 kA /м і залишкову індукцію 0,8 – 1,0 Тл. Найбільші магнітні властивості мають сталі ЕХ5К5 і ЕХ9К15М2 після нормалізації, високого відпуску, гартування і низького відпуску ( 100⁰С).

Спеціальні Fe – Ni – Co магнітні сплави, зокрема ЮНДК40Т8АА (7,5% Al, 40% Со, 3,5% Cu, 7,5% Ti, 0,25% Si, 14% N) характеризуються надзвичайно високою коерцитивною силою Не = 144 kA /м, що дозволяє виготовляти з них сильні магніти невеликих розмірів. Їх називають „ альніко ” і маркують такими ж буквами, що і сталі. Букви в кінці марки характеризують структуру сплаву: БА – означає що сплави мають стовбчасту структуру ( ЮНДК31Т3БА), АА – монокристалічну структуру.

Магнітні сплави дуже тверді, і крихкі і не піддаються деформації, а тому обробляються тільки шліфуванням електроерозійним способом. Магніти із цих сплавів виготовляють литтям і спіканням з порошку.

Високі магнітні властивості сплави отримують після гартування з температур 1250 – 1280 ⁰ С і відпуску при 580 – 600 ⁰ С. Підвищення магнітної енергії досягається створенням в сплавах магнітної та кристалографічної текстури.

Магніто м'які сталі та сплави. До цих сплавів відносять електротехнічне залізо ( армко – залізо ), електротехнічну сталь, залізонікелеві сплави і ферити. Електротехнічне залізо або низьковуглецева тонколистова сталь марок Э, ЭА, ЭАА містить не більше 0,04% С, має високу магнітну проникність і малу коерцитивну силу Не = 64 – 96 А\м. Застосовують його для виготовлення осердь, полюсних наконечників електромагнітів, якорей і полюсів електротехнічних машин, магнітопроводів, статорів і роторів електродвигунів, для силових трансформаторів та ін.

Для отримання мінімальної коерцитивної сили і високої магнітної проникності феромагнітний матеріал повинен бути чистим від домішок і включень, мати гомогенну структуру ( чистий метал чи твердий розчин). Найбільш негативною домішкою є вуглець ( у вигляді Fe₃C). Магнітна проникність зростає при збільшенні зерна фериту. Наклепування, навіть не значне, знижує магніту проникність і підвищує коерцитивну силу, тому матеріал повинен бути повністю рекристалізованим. Набагато кращі магнітні властивості в крупнозернистої листової електротехнічної сталі з розташуванням зерен переважно вздовж листа.

Електротехнічна сталь містить до 4,8 % Si. Кремній, що утворює з залізом твердий розчин, сильно підвищує електроопір, а відповідно, зменшує втрати на вихрові струми, підвищує магнітну проникність, знижує коерцитивну силу.

Марки електротехнічної гарячекатаної листової сталі за вмістом Si ділять на чотири групи:

- низьколеговану 0,8 – 1,8 % - Э11, Э12, Э13;

- середньо леговану 1,8 – 2,8% - Э21, Э22;

- підвищенолеговану 2,8 – 3,8% - Э31, Э32;

- високолеговану 3,8 – 4,8% - Э41, Э48.

Э – електрохімічна сталь, перша цифра – вміст Si, друга – властивості по стандарту – гарантовані електричні та магнітні показники. Сталі групи Э1 і Э2 називають динамними, а сталі групи Э3 і Э4 – трансформаторними. Динамні сталі містять менше кремнію, порівняно з трансформаторними, пластичніші, проте менш магнітом ' які.

Трансформаторна сталь відноситься до феритного класу сталей і має високі магнітні характеристики, хоча більш крихка.

Залізонікелеві сплави (пермалої) містять 45 – 80% Ni і їх додатково легують Cr, Si, Mo. Магнітна проникність у цих сплавів дуже висока. Найкращі властивості має пермалой марки 79 НМ, що містить 79% Ni і 4% Мо. Мо і Cr, як легувальні елементи зменшують чутливість до пластичної деформації, і підвищують питомий електроопір і магнітну проникність. Мідь підвищує електроопір і стабілізує властивості. Пермалої виготовляють із надчистих сортів нікелю і заліза вакуумним переплавом. Термічна обробка – відпал при 1100 – 1300⁰С у вакуумі (водні) з наступним охолодженням з (певними) визначеними температурами.

Використовують пермалої у апаратурі, що працює у слабких магнітних полях ( апаратура зв’язку, радіо, телефон).

Ферити – магнітом 'які матеріали, які отримують змішуванням порошків оксиду заліза Fe₂O₃ і оксидів двовалентних ZnO, NiO, MgO. У феритів дуже високий питомий електричний опір, що визначає їх застосування в пристроях, що працюють в області високих і надвисоких частот.

Багато деталей приладів і машин повинні бути виготовленні із немагнітного матеріалу, які називаються парамагнітні сталі. Для даної мети використовують кольорові метали і сплави ( латунь, бронза), а також парамагнітні аустенітні сталі 17Х18Н10, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3.

Сплави із заданим коефіцієнтом теплового розширення

Такі сплави містять велику кількість нікелю і використовуються в приладо – та машинобудуванні. У них коефіцієнт лінійного розширення при температурах від - 100 до +100 ⁰ С при збільшенні нікелю до 36% різко зменшується і є близьким до нуля, а при більш його високому вмісті знову зростає. Сплав 36Н – називається інвар, застосовують для деталей приладів, які не повинні змінювати своїх розмірів у межах кліматичних перепадів температур (геодезичні прилади, маятники хронометрів, еталони довжини, штрихові міри у метрології), 36Н – 0,5%С, 36%Ni. Сплав 29НК ( 29% Ni, 18% Со) називаються коваром. Він має коефіцієнт теплового розширення в інтервалі температур від -70 до +420⁰С такий як у скла. З нього виготовляють деталі, які вплавляють у скло при вакуумно-щільних спаїв, наприклад телевізійних кінескопах. Під час нагріву при впаюванні сплаву 29НК на його поверхні утворюється плівка окислів, яка взаємодіє зі склом. Це призводить до утворення щільного зчеплення (адгезії) між склом і сплавом.

Для виготовлення деталей шляхом пайки зі склом застосовують і більш дешеві феритні залізо-хромисті сплави 18ХТФ, 18ХМТФ. Сплави мають одинакові властивості, але 18ХФТ дешевше ніж 18ХМТФ.

Сплави з високим електричним опором.

Високий електроопір сплавів може бути досягнутим в тому випадку, коли їх структура – твердий розчин. Відповідно до правила Курнакова, при утворенні твердих розчинів електроопір зростає, і досягає максимального значення при певній для кожної системи кількості компонентів. Ця ж структура дозволяє деформувати сплави з великим ступенем стискування і отримувати тонку стрічку і проволоку, які володіють високим електроопором. Окрім високого електроопору, сталі і сплави цього призначення при нагріві повинні володіти окалиностійкістю і достатньою міцністю для збереження форми нагрівальних елементів у процесі роботи. Таким чином метали для нагрівальних елементів і реостатів мають бути жаростійкими, повинні мати високий електроопір і задовільну пластичність у холодному стані. Цим вимогам відповідають залізохромоалюмінієві сплави, наприклад марок Х15Н60 – фероніхром, Х20Н60 – ніхром. Жаростійкість нагрівачів із Fe – Cr – Al сплавів вища ніж ніхромів. Сплави Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80 у вигляді дроту і стрічки застосовують для побутових приладів, а також для промислових і лабораторних печей – сплав 0Х23Ю5 ( фехраль), 0Х23Ю5 ( хромель), 0Х27Ю5А.

Матеріали для реостатів повинні мати високий електричний опір, малий температурний коефіцієнт опору в області високих температур і незмінні в часі електричні властивості. Даним вимогам відповідають мідно – нікелеві сплави МНМц3-12 ( манганін), і МНМц 40-1.5 ( константан).

Сплави із заданими пружними властивостями – 40КХНМ – 0,07-0,12%С; 15-17% N; 19 -21% Cr; 6 -7% Mo; 39 -41%Co. Цей сплав застосовують для пружин годинникових механізмів, витих циліндричних пружин, які працюють при температурах до 400⁰С.

Сплави з особливими властивостями

Залежно від умов експлуатації (температури, типу та складу агресивного середовища, рівня та характеру прикладених напружень, тривалості) та спеціальних вимог, що ставляться до функціональних властивостей конкретних виробів для їхнього виготовлення використовують різні групи сплавів з особливими властивостями: корозійнотривкі, жаротривкі, жароміцні, холодотривкі, магнітні з малим та заданим коефіцієнтом розширення, тобто сталі та сплави, що володіють особливими електрохімічними, електрофізичними, ядерно-фізичними, фізико- механічними властивостями та можуть надійно працювати за умов одночасної дії на матеріал напружень, опромінення, агресивного середовища, кріогенних або підвищених температур, та ін.