Углеродистые инструментальные стали.

Лекция 16

Стали и сплавы для режущего инструмента и инструмента обработки давлением

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурация и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (> 60 — 62 HRC) и износостойкостью, т.е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Чем больше твердость обрабатываемых материалов, толще стружка, выше скорость резания, тем больше энергия, затрачиваемая на процесс обработки резанием. Механическая энергия переходит в тепловую. Выделяющееся тепло нагревает резец, деталь, стружку и частично рассеивается. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость (красностойкость), т.е. способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы.

Углеродистые инструментальные стали.

Эти стали содержат 0,65-1,35% С. Они маркируются У7, У7А … У13, У13А. Буква У означает, что сталь углеродистая качественная, число показывает содержание углерода в десятых долях процента, буква А, что сталь высококачественная.

Углеродистые инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью, хорошо шлифуются при изготовлении инструмента, дешевы и недефицитны.

Из сталей У7, У7А, У8, У8А, содержащих 0,7-0,8 % С, изготавливают инструмент для работы по дереву и инструмент ударного действия, когда требуется повышения вязкость, - пуансоны, керны, зубила, кузнечные штампы и др.

Стали У9-У13 (У9А-У13А), содержащие 0,9-1,3% С, обладают более высокой твердостью и износостойкостью. Из этих сталей изготавливают сверла, метчики, развертки, фрезы, плашки и др. Из стали У13, имеющий максимальную твердость (HRC 66-67) и износостойкость, изготавливают напильники, граверный инструмент и др.

Углеродистые доэвтектоидные стали после горячей пластической обработки (ковки или прокатки) и последующего охлаждения на воздухе имеют структуру, состоящую из пластинчатого перлита и небольшого количества феррита, а заэвтектоидные стали — пластинчатого перлита и избыточного цементита, который обычно образует сплошную или прерывистую сетку по границам бывших зерен аустенита.

Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух операций: предварительной и окончательной обработок.

Предварительная термическая обработка сталей заключается в отжиге при 740 — 760⁰С, цель которого — получить микроструктуру, состоящую из зернистого перлита — псевдоперлита, так как при такой микроструктуре после последующей закалки получаются наиболее однородные свойства. Кроме того, при такой структуре облегчается механическая обработка, что и используется при изготовлении инструмента.

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Закалку проводят в воде от 780 — 810⁰С, т.е. от температур, для доэвтектоидных сталей лежащих несколько выше А_с3, а для заэвтектоидных — ниже А_сm.

Углеродистые стали имеют очень высокую критическую скорость закалки — порядка 200 — 300⁰С/с. Поэтому недопустимо даже малейшее замедление охлаждения при закалке, так как это может привести к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен. Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаются насквозь.

Структура закаленной стали – мелкоигольчатый мартенсит или мелкоигольчатый мартенсит с мелкими карбидами. Температуру отпуска выбирают в зависимости от твердости, необходимой для данного вида инструмента.

Для инструментов ударного действия (стали У7, У8), когда требуется повышенная вязкость, применяют отпуск при 280-300⁰С (HRC» 56-58). Для напильников, метчиков, плашек и т.п. (стали У10-У13) проводят низкотемпературный отпуск при 150-200⁰С, что обеспечивает инструменту максимальную твердость (HRC» 62-64).

Достоинствами углеродистых инструментальных сталей являются низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии.

Основные недостатки углеродистых сталей – их небольшая прокаливаемость, примерно до 5-10 мм, и низкая теплостойкость. При нагреве выше 200⁰С их твердость резко снижается. Инструменты из этих сталей могут работать лишь при небольших скоростях резания.

16.2 Легированные инструментальные стали.

Эти стали обычно содержат 0,9-1,4% С. Суммарное содержание легирующих элементов (Cr, W, Mn, Si, V и др.) не превышает 5%.

Высокие твердость и износостойкость сталей определяются содержанием углерода и мало зависят от степени легирования. Легирование используется главным образом для повышения закаливаемости. Кроме того, легирование позволяет сохранить мелкое зерно и улучшить прочность и вязкость. Легирующие элементы уменьшают критическую скорость закалки, увеличивая устойчивость аустенита. Наличие в структуре остаточного аустенита снижает деформацию инструментов при закалке.

Термическая обработка таких инструментов заключается в закалке с 800-850⁰С в масло или ступенчатой закалке, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин (температура закалки определяется составом).

Отпуск проводят низкотемпературный – при 150-200⁰С. Твердость после термической обработки составляет HRC 61-66. Иногда для увеличения вязкости повышают температуру отпуска до 300⁰С, но при этом твердость понижается до HRC 55-60.

Низколегированные стали, содержащие 1-1,5% легирующих элементов (Х5, 7ХФ, 8ХФ), относятся к сталям небольшой прокаливаемости.

Применяемые для режущего инструмента низколелегированные стали 9ХС, 6ХВГ и др. по сравнению с углеродистыми сталями имеют более высокую прокаливаемость, повышенную твердость и износостойкость.

Повышенное содержание кремния в сталях 9ХС, ХВСГ способствует увеличению прокаливаемости (до критического диаметра 40 и 100 мм, соответственно, при закалке в масле) и устойчивости мартенсита при отпуске.

Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.

Из сталей этой группы изготавливают различные инструменты – от ударного до режущего. Теплостойкость инструментов, как правило, не превышает 300⁰С, поэтому эти стали не используют для обработки с большими скоростями резания.

Так называемая «алмазная» сталь ХВ5 (5% W) благодаря присутствию вольфрама в термически обработанном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу и твердость HRC 65-67. Из этой стали изготавливают инструмент, сохраняющий длительное время острые кромки и высокую размерную точность (развертки, фасонные резцы, граверный инструмент и т.п.).

Дата добавления: 2015-07-07