Леговані інструментальні сталі

Вплив легуючих елементів на властивості інструментальних сталей. Легуючі елементи в невеликій кількості (до 5%) вводять для збільшення загартовуваності, прокалюємості, зменшення деформацій і небезпеки розтріскування інструменту, тому що вони дозволяють проводити загартування в олії або гарячих середовищах. Хром це постійний елемент низьколегованих сталей. Для поліпшення властивостей у сталі додатково вводять Mn, Si, W, Ni.

Марганець (1-2%) додають для забезпечення мінімальної зміни розмірів при загартуванні. Знижуючи інтервал температур мартенситного перетворення, він сприяє зберіганню підвищеної кількості залишкового аустеніту (15-20%). Кремній у кількості (1-1.5%) вводять для підвищення опору відпуску та утворення окалини, що легко відокремлюється. Вольфрам (1-5%) додають для підвищення зносостійкості. Нікель (до 1.5%) добавляють у штампові сталі для збільшення в'язкості.

Для забезпечення теплостійкості вводять Cr, W або Мо у великій кількості з тим, щоб зв'язати вуглець у спеціальні карбіди, які важко коагулюють при відпуску.Хром у кількості 6-12% утворює карбід Ме₇С₃, затримує розпад мартенситу до 400-450°С. Більш істотно підвищує теплостійкість вольфрам (або молібден), що утворює у присутності хрому стійкі до коагуляції карбіди типу Ме₆С. Виділення спеціальних карбідів підвищує твердість після відпуску при 500-600°С (вторинна твердість). Особливо ефективно вторинна твердість і теплостійкість підвищуються при введенні декількох сильних карбідоутворювачів, наприклад, W і V. При відпуску ванадій, виділяючись більш інтенсивно, підсилює дисперсійне твердіння, а вольфрам, зберігаючись у мартенситі, затримує його розпад.

Збільшенню теплостійкості сприяє також кобальт. Він не утворює спецкарбідів, але ускладнює коагуляцію наявних карбідів і збільшує їх дисперсність.

Для забезпечення високої зносостійкості використовують леговані сталі зі значною кількістю надлишкових карбідів — заевтектоїдні й ледебуритні. Завдяки надлишковим карбідам ці сталі зберігають дрібне зерно і підвищені міцність і в'язкість у широкому інтервалі гартівних температур (до 1000-1300⁰С). Однак велика кількість надлишкових карбідів погіршує оброблюваність тиском і різанням, створює карбідну неоднорідність. Скупчення карбідів, карбідна сітка і полосчатість підсилюють крихкість, викликають передчасне викришування робочих крайок. Для рівномірного розподілу карбідів сталі також вимагають всебічного й ретельного кування заготівель.

Леговані сталі й тверді сплави для різального інструменту.Матеріал для різального інструменту повинен мати зносостійкість і теплостійкість. Теплостійкість— спроможність матеріалу зберігати високу “гарячу” твердість при тривалому нагріванні, тобто в процесі різання; теплостійкість якісно характеризує продуктивність різання.

По теплостійкості сталі підрозділяють на:

А. низьколеговані сталі, що не є теплостійкими;

Б. високолеговані сталі з теплостійкістю до 600-640⁰С;

В. тверді сплави з теплостійкістю до 800-1000⁰С.

А. Низьколеговані сталі містять вуглець від 0.3% до 0.9% і до 5% легуючих елементів. За структурою вони відносяться до заевтектоїдних сталей перлітного класу. Їх піддають неповному загартуванню від температури вище А₁ і низькому відпуску. Сталі мають структуру мартенситу і надлишкових карбідів (легований цементит) і характеризуються високою твердістю (HRC 62-69) і зносостійкістю. Однак вони не мають теплостійкість і мають ріжучі властивості такі ж, як і вуглецеві інструментальні сталі. Їх застосовують для інструменту, що працює при невеликих швидкостях різання. Типові марки низьковуглецевих сталей ХВ4, Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ.

Склад, властивості та режими оброблення легованих інструментальних сталей наведені в таблиці 7.1.

Б. Швидкорізальні сталі — це високолеговані сталі для високопродуктивного інструменту. Типові марки швидкорізальних сталей Р18, Р9, Р6М5.

Основними легуючими елементами швидкорізальних сталей, які забезпечують високу теплостійкість, є вольфрам, молібден, ванадій. Крім них, всі сталі легують хромом, а деякі — кобальтом.Важливим компонентом є вуглець. Карбідоутворюючі елементи утворюють у сталі спеціальні карбіди: Ме₆С на основі вольфраму та молібдену, МеС на основі ванадію та Ме₂₃С₆ на основі хрому. Частина атомів Ме у вказаних карбідах складають залізо та інші елементи.

Вертикальний (політермічний) розтин діаграми стану системи Fe-Cr-W-V, який є характерним для швидкоріжучих сталей приведений на рисунку 7.1.

Основна властивість цих сталей — висока теплостійкість, що забезпечується великою кількістю W разом із Мо, Со, V. Інструмент зберігає високу гарячу твердість до 699-640⁰С, допускає в 3-5 разів більш продуктивні режими різання.

Літера Р означає, що сталь швидкорізальна, цифра — кількість вольфраму у відсотках. Наприклад: Р18 — по кількості легуючих елементів W, Cr, V - 18-4-1; P9 — W, Cr, V - 9-4-2.

За структурою швидкорізальні сталі відносяться до ледебуритного класу. У литому виді вони мають ледебуритну евтектику. Її усувають гарячою деформацією шляхом подрібнення евтектичних карбідів.

Таблиця 7.1 - Режими оброблення й властивості інструментальних легованих сталей для ріжучого інструменту

Примітка: о - олія, в - вода.

Рисунок 7.1 - Вертикальний розтин діаграми системи Fe-Cr-W-V при 18% W, 1% V, 4% Cr; e - інтерметалід

Для зниження твердості деформовану сталь перед механічним обробленням піддають ізотермічному відпалу.

Загальна кількість карбідів у сталі Р18 складає 28%, у сталі Р9 — 17%. Основний карбід сталі Р18 — складний карбід вольфраму типу Ме₆С, що розчиняє в собі V, Cr.

У карбідах знаходиться 80-95% W і V і половина Cr. Весь інший хром розчиняється у фериті.

Термічне оброблення швидкорізальних сталей: включає пом’ягшуючий відпал прокату або поковок перед виготовленням інструменту та завершаючу термічне оброблення — загартування+триразовий відпуск. Схеми термічного оброблення інструменту зі швидкоріжучої сталі Р6М5 приведена на рисунку 7.2.

Для інших сталей схема оброблення аналогічна. Мета пом’ягшуючого відпалу — понизити твердість до НВ 250-300 та підготувати структуру сталі для загартування. Мета заключного термічного оброблення — одержати теплостійкість, зносостійкість, твердість та міцність інструменту. Швидкорізальні сталі — вториннотвердіючі, найбільша твердість досягається при відпуску 550-570⁰С. У процесі відпуску з мартенситу та залишкового аустеніту вилучаються дисперсні карбіди Ме₆С.

Рисунок 7.2 - Схеми термічного оброблення інструменту зі швидкоріжучої сталі Р6М5

Для інших сталей схема оброблення аналогічна. Ціль пом’ягшуючого відпалу — понизити твердість до НВ 250-300 та підготувати структуру сталі для загартування. Мета заключного термічного оброблення — одержати теплостійкість, зносостійкість, твердість та міцність інструменту. Швидкорізальні сталі — вториннотвердіючі, найбільша твердість досягається при відпуску 550-570⁰С. У процесі відпуску з мартенситу та залишкового аустеніту вилучаються дисперсні карбіди Ме₆С.

За ріжучими властивостями розрізняють швидкорізальні сталі нормальної й підвищеної продуктивності. Група нормальної продуктивності:

— вольфрамові сталі, наприклад, Р18, Р12, Р9, Р9Ф5;

— вольфрамомолібденові сталі, наприклад, Р6М5, Р6М3.35]

Краще оброблюються сталі Р6М3 і Р6М5. Сталі Р9, Р9Ф5 погано шліфуються.

Сталі підвищеної продуктивності це сталі з кобальтом або ванадієм, наприклад, Р18Ф2, Р14Ф4, Р6М5К5. Вони кращі, ніж сталі першої групи по теплостійкості, твердості і зносостійкості, але гірші по міцності й пластичності. Склад та властивості швидкорізальних сталей приведені в таблиці 7.2.

Спечені або металокерамічні тверді сплави.Матеріали, що складаються з високотвердих і тугоплавких карбідів W, Ti, Ta, зцементованих металевою зв’язкою, називаються спеченими або металокерамічними твердими сплавами. Інструмент із металокерамічних твердих сплавів характеризується високою твердістю (HRA 80-97), зносостійкістю й теплостійкістю.

Тверді сплави виготовляються методом порошкової металургії. Порошки карбідів змішують із порошком кобальту (зв’язкою), пресують і спікають при 1400-1550⁰С. Тверді сплави виготовляють у виді пластин, що напаюють на державку з вуглецевої сталі. Тверді сплави застосовуються для різців, фрез, свердел і ін. Тверді сплави підрозділяють на три групи:

1. W-група. Сплави WC-Co (ВК).

2. Титанoвольфрамові — ТiC-WC-Cо (ТК).

3. Титановольфрамокобальтові — TiC-TaC-WC-Co (TТK)

Швидкість різання твердих сплавів у 5-10 разів вище, ніж при застосуванні швидкорізальних сталей.

Таблиця 7.2 - Склад та деякі властивості швидкоріжучих сталей

В усіх сталях Mn≤0,5%, Si≤0,5%, Ni≤0,4%, S≤0,025-0,030%, P≤0,030-0,035%. **Допускається в сталі без легування азотом, в цьому випадку сталі відповідно позначають Р6М5 та Р6М5Ф3.

Маркірування металокерамічних твердих сплавів.

1. Однокарбідні сплави маркірують літерами ВК. Наприклад: ВК1, ВК2, ВК3, ВК6, ВК8. Цифра означає вміст кобальту у відсотках. Наприклад, ВК3 — 3% Со+97% WС. Чим більше кобальту, тим вище міцність і нижче твердість. Сплави ВК мають максимальну міцність, їх теплостійкість зберігається до 800⁰С. Їх застосовують для обробки чавуну, сплавів кольорових металів і різних неметалічних матеріалів.

2. Двокарбідні сплави маркірують літерами ТК і цифрами. Цифри після літери Т означають вміст TiС у відсотках, цифри після літери К — вміст Со у відсотках, залишок відповідає вмісту карбіду вольфрама, у відсотках. Наприклад, Т15К6 — 16% TiС, 6% Co, 79% WC. Теплостійкість сплавів ТК до 900-1000⁰С. При спіканні карбід титану взаємодіє з карбідом вольфраму, створюючи твердий розчин (Ti,W)C, який має більш високу твердість, ніж WC. Сплави ТК використовують для високошвидкісного оброблення сталей.

3. Трьохкарбідні сплави маркірують літерами ТТ і цифрами. Цифра після літер ТТ вказує вміст (сумарний) карбідів титану й танталу, а цифра після К — вміст кобальту, у відсотках відповідно. Наприклад, TT7К12 — 4% TiС, 3% TaС, 12% Co, 81% WC. Структура: твердий розчин (Ti, Ta,W)С і надлишок WC. Сплави цього типу мають більш високу міцність, ніж сплави 2 групи. Загальним недоліком твердих сплавів є висока крихкість і дефіцит W.

У зв'язку з дефіцитом вольфраму в Україні особливо перспективним є напрямок використання безвольфрамових твердих сплавів, в яких в ролі сполучного металу використовують нікель і молібден або залізо, висока твердість забезпечується завдяки використанню карбіду титана.Наприклад:TiС+Ni+Mo(Fe). Маркірування цих сплавів: КТС і ТН. Тверді сплави КТС-1, КТС-2 містять 15-17% Ni і 7-9% Мо відповідно, інше — TiС. Сплави типу ТН-20, ТН-25, ТН-30 у якості сполучного металу містять Ni у кількості 16-30%. Концентрація Мо складає 5-9%, інше — TiС. Твердість цих твердих сплавів складає HRА 87-94, сплави мають високу зносостійкість і корозійну стійкість.

Надтверді інструментальні матеріали створені на основі нітридів Ti і Si без пластичної металевої зв'язки. Вироби з цих матеріалів виготовляють за допомогою вибуху або в умовах надвисоких тисків і високих температур.

Вироби з нітридів Ті і Si використовують у якості матеріалу інденторів для виміру твердості у тугоплавких метеріалів в інтервалі 700-1800⁰С, як абразивний матеріал і в якості сировини для виготовлення надтвердих матеріалів для оброблення загартованих сталей, твердих сплавів, склопластики, кольорових металів.

Твердість цих сплавів HRA 94-96, теплостійкість до 1000⁰С. В таблиці 7.3 приведені найбільш типові тверді сплави та їх властивості.

Сталі для вимірювального інструменту.Основні властивості, які повинні мати сталі цього призначення — висока зносостійкість і постійність розмірів і форми протягом тривалого терміну служби. До додаткових вимог відносяться можливість одержання високої чистоти поверхні (до 14 класу) і мала деформація при термічному обробленні.

Найбільш широко застосовують заевтектоїдні низьколеговані сталі Х, ХГ, ХВГ, 9ХС, оброблювані на високу твердість (НRC 60-64). На відміну від різального інструменту термічна обробка проводиться таким чином, щоб ускладнити процес старіння, який відбувається в загартованій сталі і викликає об'ємні зміни, неприпустимі для інструментів високих класів точності. Причинами старіння служать частковий розпад мартенситу, перетворення залишкового аустеніту й релаксація внутрішніх напруг, що викликає пластичну деформацію.

Таблиця 7.3 - Склад та властивості деяких твердих сплавів

Для зменшення кількості залишкового аустеніту загартування проводять із як можливо більш низької температури. Крім того, інструмент підвищеної точності піддають обробці холодом при температурі ‑50...+800⁰С. Відпуск проводять протягом 24-48 годин при 120-140⁰С. Більш високий нагрів не застосовують через зниження зносостійкості. Інструмент високого класу точності піддають кількаразовому чергуванню обробленням холодом і короткочасного (2-3 год.) відпуску.

Плоскі інструменти (скоби, лінійки, шаблони) нерідко виготовляють з аркушевих цементуємих сталей 15, 20, 15Х, 20Х, 12ХНЗА або зі сталей 50, 55, що гартуються з поверхні струмами високої частоти. Оскільки нерівномірна структура в цих сталях утворюється тільки в поверхневому шарі, то об'ємні зміни, що відбуваються в ньому, мало відбиваються на розмірах всього інструмента.

Для інструментів великого розміру і складної форми застосовують азотуєму сталь 38ХМЮА.

Сталі для штампів гарячого й холодного деформування.Сталі для штампів і іншого різноманітного інструменту холодної обробки тиском повинні мати високу міцність, твердість, зносостійкість, задовільну або підвищену при роботі з ударами в'язкість. Для великих швидкостей деформування, що викликають розігрів робочої крайки інструменту до 450⁰С, сталям повинна бути властива достатня теплостійкість. Для штампів із складною гравюрою важливо забезпечити мінімальні об'ємні зміни при загартуванні.

У зв'язку із різноманітністю умов деформування, форми й розмірів штампів застосовують різні сталі.

1. Низьколеговані сталіХ, 9ХС, ХВГ, ХВСГ також як і вуглецеві У10, У11, У12 використовують переважно для витяжних і висадочних штампів, що через ненаскрізну прокалюємість мають твердий зносостійкий шар і в'язку серцевину, що дозволяє працювати при невеликих ударних навантаженнях.

2. Високохромисті сталіХ12, Х12М, Х12Ф1 мають високу зносостійкість, глибоку прокалюємість (150-200 мм). Їх широко застосовують для великих інструментів складної форми: вирубних, обрізних, карбувальних штампів підвищеної точності, штампів видавлювання, калібрувальних волочильних дошок, накатних роликів і ін.

По своїй природі ці сталі близькі до швидкорізальних: за структурою відпалу відносяться до ледебуритного класу, за структурою нормалізації — до мартенситного класу. Їх висока зносостійкість значною мірою обумовлена великою кількістю карбідів Сr₇С₃, що зберігаються в структурі після загартування. Водночас, велика кількість карбідної фази (»15-17% у сталей Х12М, Х12Ф1 і біля 30% у сталі Х12) приводить до підвищеної карбідної неоднорідності, яка викликає зниження міцності й в'язкості. Найбільш сильно цей недолік виражений в сталі Х12. З цієї причини частіше застосовують сталі Х12М і Х12Ф1. Структура і властивості високохромістих сталей у сильному ступені залежать від температури загартування, тому що з її підвищенням збільшується розчинність карбідів і концентрація вуглецю й хрому в аустеніті, викликаючи різке зниження інтервалу температур мартенситного перетворення.

3. Хромокремнисті сталі4ХС, 6ХС і додатково леговані вольфрамом (2,0-2,7% W) 4ХВ2С, 5ХВ2С, 6ХВ2С утворюють групу сталей підвищеної в'язкості для ударного інструменту (зубила, гібочні штампи, обжимні матриці та ін.). Підвищення в'язкості сталей досягається зниженням вмісту вуглецю (до 0,4-0,6%) і збільшенням температури відпуску.

Сталі для штампів гарячого деформування працюють в умовах ударного навантаження і періодичного нагрівання й охолодження поверхні. Крім достатньої міцності, зносостійкості, в'язкості і прокалюємості (для великих штампів) ці сталі повинні мати також теплостійкість, окалиностійкість і разгаростійкість. Під разгаростійкістю розуміють стійкість до утворення сітки поверхневих тріщин, що викликаються об'ємними змінами в поверхневому шарі при різкій зміні температур. Ця властивість забезпечується зниженням вмісту вуглецю в сталі для підвищення пластичності, в'язкості, а також теплопровідності, що зменшує розігрів поверхневого шару і термічні напруги в ньому.

Відповідно до зазначених вимог для штампів гарячого оброблення тиском застосовують леговані сталі з 0,3¸0,6% С, які після загартування піддають відпуску при 550-680⁰С на троостит. Серед них варто виділити декілька груп, що мають в найбільшій мірі ті властивості, які необхідні для визначених умов експлуатації.

В таблиці 7.4 приведений склад та механічні властивості деяких штампових сталей для холодного деформування.

В таблиці 7.5 приведений склад деяких штампових сталей для гарячого деформування.

Сталі для молотових штампів.Молотові штампи мають великі розміри, працюють з ударними навантаженнями при відносно невисокому нагріванні поверхні (400-500⁰С). Для цих штампів застосовують низьколеговані сталі високої прокалюємості з підвищеною ударною в'язкістю і разгаростійкістю. Серед легуючих елементів вони містять Мо або W, необхідні як і в конструкційних сталях для попередження розвитку відпускної крихкості, що у великих перетинах не можна усунути швидким охолодженням.

Таблиця 7.4 - Склад та механічні властивості деяких штампових сталей для холодного деформування

* Трикратний відпуск по 1 год.

Таблиця 7.5 - Штампові сталі для гарячого деформування

Сталь 5ХНМ — краща в цій групі. Через високу прокалюємість (400 мм) її застосовують для великих штампів із складною фігурою. Сталь зберігає досить високі механічні властивості до 500⁰С. Сталі 5ХГМ і 5ХНВЦ при однаковій зі сталлю 5ХНМ прокалюємості поступаються їй у в'язкості через заміну нікельмарганцевого комплексу або збільшенням вмісту хрому й кремнію. Вони призначені для середніх штампів із стороною 300-400 мм або для великих штампів простої форми.

Сталі для штампів горизонтально-кувальних машин і пресів.Штампи гарячої висадки, протяжки й пресування зазнають у роботі високі тиски без великих ударних навантажень, мають менші розміри, ніж молотові штампи, але нагріваються до більш високих температур. Для сталей цього призначення найбільш важливі властивості — теплостійкість і разгаростійкість. Для важких умов роботи застосовують комплексно леговані сталі, що по складу й перетворенням при термічному обробленні подібні до швидкорізальних сталей. На відміну від останніх вони містять менше надлишкових карбідів типу Mo₂₃C₆ і Ме₆С і є заевтектоїдними. Для забезпечення теплостійкості їх гартують з високих температур (1025-1125⁰С). Сталі 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ із високим вмістом W характеризуються підвищеною теплостійкістю (650-670⁰С). Ці сталі призначені для важконагруженого інструменту. Режими термічної обробки та властивості штампових сталей високої теплостійкості представлені в таблиці 6.6.

Сталі 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС і інші з невеликими добавками W(Мо) відрізняються підвищеною разгаростійкістю завдяки високій в'язкості, теплостійкості до 600⁰С. Використовуються для інструменту високошвидкісного штампування.

Крім штампів розглянуті сталі використовують для прес-форм лиття під тиском, що працюють в умовах періодичного нагрівання й охолодження поверхні й впливу розплавленого металу.

Для виливків мідних сплавів (Т_пл»1000⁰С) застосовують сталі підвищеної теплостійкості; алюмінієвих і магнієвих сплавів (Т_пл»500-650⁰С) — сталі підвищеної разгаростійкості. Останнім часом для цих цілей застосовують також сталі, що є мартенситостаріючими. Для підвищення стійкості прес-форми, як і штампи, піддають азотуванню, ціануванню, борированню і хромуванню.

Таблиця 7.6 - Режими термічного оброблення та властивості штампових сталей високої теплостійкості

Поиск по сайту: