Инструментальные стали

Стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2 % С. Чистое железо претерпевает аллотропическое превращение при температуре 910°С, до которой атомы железа образуют кубическую объемно-центрированную решетку (Fe-α), при нагревании свыше 910°С - кубическую гранецентрированную (Fe-γ). При нагревании свыше 910°С, т.е. при переходе Fe-α в Fe-γ, происходит уменьшение плотности на 3 % и в десятки раз увеличивается растворимость углерода. Из-за наличия в сталях углерода аллотропичес­кие и фазовые превращения в них происходят не при 910°С, а при других значениях температуры. В сталях могут быть получены следующие структуры:

- аустенит - твердый раствор углерода в Fe-γ,

- цементит - химическое соединение Fe₃C,

- феррит - твердый раствор углерода в Fe-α,

- перлит - механическая эвтектоидная смесь феррита и цементита.
Необходимые структуры и свойства сталей обеспечиваются соответствующим видом термической обработки.

Для получения равновесной структуры, уменьшения твердости и улуч­шения обрабатываемости сталей резанием применяется отжиг - нагревание стали выше температуры фазовых превращений и очень медленное охлаждение с печью.

Для получения высокой прочности, твердости и износостойкости при­меняется закалка- нагрев стали выше температуры фазовых превращений и охлаждение со скоростью, большей, чем критическая скорость охлаждения. Под критической скоростью охлаждения понимается скорость, при которой не происходит диффузионного распада аустенита, а аустенит превращается в мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в Fe-α.

При недостаточно высокой скорости охлаждения получается одна из следующих переходных структур: троостит, сорбит, перлит. Эти структуры представля­ют собой ферритно-цементитную смесь. Разница между ними заключается в величине частиц цементита: в сорбите (HRC=30) эти частицы мельче, чем в перлите; в троостите (HRC=40) мельче, чем в сорбите. Структура мартен­сита (HRC=65) является основной структурой закаленной стали. Мартенсит имеет отличную от других структур природу и образуется не так как ферритно-цементитные смеси.

При быстром охлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это имеет место при образовании перлита, сорбита, троостита. Происходит только перестройка γ-железа в решётку α -железа; углерод остается внутри решетки α-железа, искажая ее, степень искажения зависит от содержания в стали углерода. Высокая твердость закаленной стали является следствием искажения кристаллической решетки мартенсита. Мартенсит обладает высокой прочностью и твердостью, но низкой пластичностью и ударной вязкостью.

Закаленные стали со структурой мартенсита подвергают дальнейшей термообработке - отпуску.Твердость, прочность и пластичность отпущенных сталей зависят, наряду с химическим составом, от температуры отпуска.

Низкий отпуск проводится для уменьшения внутренних напряжений. При этом твердость стали почти не меняется, а пластичность несколько повышается. Сталь приобретает структуру мартенсита отпуска.

Средний отпуск проводится при температурах, при которых мартенсит распадается на мелкодисперсную смесь феррита и цементита-троостита. Структура стали - троостит отпуска.

Высокий отпуск проводится с целью получения из мартенсита структуры сорбита. Сорбит имеет высокую пластичность, вязкость и хорошую прочность. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.Структура стали - сорбит отпуска.

Характерным отличием структур, образующихся в результате отпуска, является их зернистое строение в отличие от пластинчатого строения та­ких же структур, полученных в результате закалки.