Краткие теоретические сведения. Основными свойствами инструментальных сталей, имеющими значение практически для

Основными свойствами инструментальных сталей, имеющими значение практически для всех видов инструментов, являются: твердость, вязкость, износостойкость, прокаливаемость. Твердость является главным показателем качества инструмента. Твердость инструмента зависит от содержания углерода и от получаемой структуры: избыточная карбидная фаза и мартенсит увеличивают твердость, а остаточный аустенит уменьшает. Износостойкость инструментальной стали является характеристикой долговечности работы инструмента. Теплостойкость или красностойкость инструментальной стали характеризуется температурой, до которой сохраняется заданная высокая твердость, прочность и износостойкость стали. Теплостойкость также определяет стойкость стали против отпуска.

По теплостойкость стали разделяют на нетеплостойкие (сохраняют высокую твердость и другие свойства до температуры нагрева 200…300ºС), полутеплостойкие (до 400…500ºС), теплостойкие (выше 550…600ºС).

По составу инструментальные стали подразделяют на углеродистые, низколегированные, легированные и высоколегированные.

По структуре в равновесном состоянии: доэвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.

По назначению инструментальные стали делят на стали для режущих инструментов, штамповые стали для холодного деформирования и для горячего деформирования, стали для измерительных инструментов.

Углеродистые стали производят качественными У7, У8, У9, …У13 и высококачественными У7А, У8А, У9А, …У13А. Из-за низкой прокаливаемости (10 – 12 мм) углеродистые стали пригодны для мелких инструментов или инструментов с поперечным сечением до 25 мм с незакаленной вязкой сердцевиной, в которых режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, напильники и т.п.).

По структуре низколегированные стали (ХВ4, 9ХС, ХВГ, ХВСГ) относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают неполной закалке от температуры несколько выше точки А₁ и низкому отпуску. Структура мартенсита и избыточных карбидов (легированный цементит) обеспечивает им твердость (62…69 HRC) и высокую износостойкость. Их применяют для инструментов, работающих при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрева свыше 200…260ºС. В отличие от углеродистых эти стали меньше склонны к перегреву и позволяют изготавливать инструменты больших размеров и более сложной формы. Сталь ХВ4 отличается особо высокой твердостью (67…69 HRC) и износостойкостью (алмазная сталь) благодаря тому, что в ней кроме легированного цементита присутствует карбид вольфрама (применяется для чистовой обработки твердых материалов). Сталь 9ХС имеет повышенные эксплуатационные свойства (разупрочняется при отпуске до 260ºС), ее применяют для изготовления фрез, сверл и других инструментов с поперечным сечением до 35 мм. Сталь ХВГ характеризуется малой деформацией при закалке, ее применяют для длинных стержневых инструментов (сверла, развертки, протяжки и т.п.) с поперечным сечением до 45 мм. Из сложнолегированной стали ХВСГ, сочетающей в себе лучшие свойства сталей 9ХС и ХВГ, изготавливают инструменты большого поперечного сечения (до 100 мм).

К быстрорежущим сталям (Р18, Р9, Р6М5, порошковая Р6М5Ф3-МП и др.) относятся высоколегированные стали, предназначенные для изготовления инструментов высокой производительности. Основное свойство этих сталей – высокая теплостойкость, которая обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами – молибденом, хромом, ванадием и специальной термической обработкой. Выделение дисперсных карбидов при повышенных температурах отпуска (500 – 600ºС) вызывает дисперсионное твердение мартенсита – явление вторичной твердости. В результате комплексного легирования инструменты из быстрорежущих сталей сохраняют высокую твердость до 560 – 640ºС и допускают в 2…4 раза более производительные режимы резания, чем инструменты из углеродистых и низколегированных сталей. Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, после которой стоит число, указывающее содержание вольфрама в % – основного легирующего элемента (например, Р18 – W ~18%). Содержание ванадия (до 2%) и хрома (~4% во всех сталях) в марке не указываются. Стали, легированные дополнительно молибденом, кобальтом или имеющие повышенное количество ванадия, содержат в марке соответственно буквы М, К, Ф и числа, показывающие их содержание в процентах (например, Р6М5, Р10К5Ф5).

По структуре после отжига быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. В литом виде они имеют ледебуритную эвтектику, которую устраняют горячей деформацией – ковкой. Деформированную сталь для снижения твердости (до 207 – 255 НВ) подвергают изотермическому отжигу. Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перлита, вторичных и более крупных первичных карбидов. Общее количество карбидов в стали Р18 составляет примерно 28%, в стали Р6М5 – 22%. Основным карбидом стали Р18 является сложный карбид вольфрама Fe₃W₃C (Me₆C), который растворяет в себе часть ванадия и хрома. В остальных сталях кроме Me₆C и небольшого количества карбида (Fe,Cr)₂₃C₆ , присутствует карбид VC (MeC).

Высокие эксплуатационные свойства инструменты из быстрорежущей стали приобретают после закалки с высокой температуры нагрева (для стали Р18 – 1270 – 1290ºС, для стали Р6М5 – 1210 – 1230ºС) и трехкратного отпуска. Из-за низкой теплопроводности быстрорежущие стали при закалке нагревают медленно с прогревами при 450ºс (при сложной форме инструмента) и 850ºС, чтобы исключить трещинообразование и коробление.

Высокая температура нагрева (особенность закалки быстрорежущих сталей) необходима для обеспечения теплостойкости – максимальное растворение в аустените вторичных карбидов и получение после закалки высоколегированного мартенсита. Первичные карбиды не растворяются и тормозят рост зерна аустенита.

Быстрорежущие стали по структуре после нормализации относятся к мартенситному классу. После закалки не достигается максимальная твердость сталей, т.к. в структуре кроме мартенсита и первичных карбидов содержится 30 – 40% остаточного аустенита. Остаточный аустенит превращается в мартенсит при отпуске или обработке холодом. Отпуск проводят при 550…570ºС. В процессе выдержки при отпуске из мартенсита и остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды Me₆C. Однократного отпуска недостаточно для превращения всего остаточного аустенита. Применяют трехкратный отпуск с выдержкой по 1 ч и охлаждением на воздухе. При этом количество аустенита снижается до 3 – 5%.

Применение обработки холодом после закалки сокращает цикл термической обработки (применяют однократный отпуск). В термически обработанном состоянии быстрорежущие стали имеют структуру, состоящую из мартенсита отпуска и карбидов, и твердость 63…65 HRC. Вариант режима термической обработки этих сталей представлен на рис. 2.1.

Рис. 2.1. График режима термической обработки быстрорежущей стали

Для устранения карбидной неоднородности, характерной для деформированных быстрорежущих сталей, применяют порошковые быстрорежущие стали (например, Р6М5Ф3-МП), которые получают распылением жидкой быстрорежущей стали в азоте и последующим горячим компактированием.

Штамповые стали применяют для изготовления инструмента, предназначенного для изменения формы материала деформированием без снятия стружки. По условиям работы штамповые стали делят на стали для холодного деформирования и стали для горячего деформирования. Универсальных по назначению штамповых сталей нет. Необходима специализация сталей по назначению в соответствии с условиями эксплуатации инструментов.

Штамповые стали легируют такими элементами, как хром, вольфрам, молибден, ванадий, кремний, реже марганец, никель, кобальт, титан. Содержание углерода в штамповых сталях может меняться от 0,3 до 2,0%, иногда и выше. Хром в штамповых сталях может изменяться от 0,5 до 13% и выше. Увеличение содержания хрома и других легирующих элементов в аустените благоприятно влияет на прокаливаемость, на склонность к дисперсионному твердению и теплостойкость. В комплексно легированных штамповых сталях хром способствует протеканию дисперсионного твердения при высоком отпуске закаленных сталей. Оптимальное содержание хрома в комплексно легированных штамповых сталях составляет 4,4 – 5,5%. В штамповых сталях высокой износостойкости содержание хрома составляет около 12%. В штамповых сталях горячего деформирования умеренной теплостойкости и повышенной вязкости содержание хрома ограничивается 1 – 2%, а необходимый уровень прочностных свойств и прокаливаемость сталей достигается комплексным легирование никелем, молибденом и ванадием.

В штамповых сталях для холодного деформирования применяют вольфрам (2,0 – 3,0%) для повышения теплостойкости и механических свойств. Молибден благоприятно влияет на уменьшение склонности к отпускной хрупкости и дополнительно усиливает дисперсионное твердение при отпуске. Вольфрам и молибден в штамповых сталях могут входить в состав твердого раствора и карбидов (совместно с хромом) Ме₂₃С₆, Ме₆С, а также образовывать карбиды типа Ме₂С и МеС.

Ванадий в штамповых сталях присутствует в карбиде VC и твердом растворе, повышает их теплостойкость, усиливает интенсивность дисперсионного твердения. Теплостойкость штамповых сталей типа 5Х3В3МФС растет при увеличении отношения V:C до 0,25 – 0,30. Увеличение содержания углерода до 0,45 – 0,50 приводит к повышению теплостойкости.

Кремний и кобальт входят в состав некоторых штамповых сталей. Кремний значительно упрочняет ферритную матрицу, повышает окалиностойкость. Кобальт в низкоуглеродистых сталях и сплавах увеличивает количество интерметаллидной фазы, т.к. уменьшает растворимость вольфрама и молибдена, что приводит к дополнительному упрочнению. Никель и марганец используют для повышения прокаливаемости крупногабаритного штампового инструмента.

Штамповые легированные стали для холодного деформирования могут быть повышенной (высокой) износостойкости, их твердость после закалки и низкого отпуска 61 – 64 HRC (Х12М, Х12Ф1, Х12ВМ, Х12Ф4М и др.), дисперсионно-твердеющими (8Х4В2С2МФ, Х5В2С4Ф2НМ и др.) с высоким сопротивлением смятию, высокопрочными с повышенной ударной вязкостью (7ХГ2ВМ – закалка и низкий отпуск, 6Х4М2ФС – закалка и высокий отпуск).

Штамповые стали для горячего деформирования предназначены для изготовления инструментов (штампов), работающих при повышенных температурах, многократных теплосменах (нагрев и охлаждение), динамических нагрузках, а формы литья под давлением – при коррозионном воздействии обрабатываемого металла.

Сопротивление термической усталости (разгаростойкость) – специфическое свойство штамповых сталей, характеризует устойчивость стали к образованию поверхностных трещин при многократных теплосменах. Разгаростойкость тем выше, чем больше вязкость стали и меньше коэффициент теплового расширения.

Большинство штамповых сталей являются сталями с карбидным упрочнением (упрочняются путем закалки на мартенсит и отпуска). По основным свойствам штамповые стали для горячего деформирования подразделяют на стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости (5ХНМ, 4ХМФС, 5Х2МНФ и др.), стали повышенной теплостойкости и вязкости (4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х3ВМФ и др.) и стали высокой теплостойкости (3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС и др.). Стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости содержат небольшое количество карбидообразующих элементов, их твердость после закалки на мартенсит и высокого отпуска HRC 42 – 44. Стали повышенной теплостойкости и вязкости дисперсионно-твердеющие, максимум твердости достигается после закалки в масло и отпуска при 500 – 550ºС, HRC 47 – 49. Стали высокой теплостойкости отличаются более высоким содержанием карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена и ванадия. Упрочняющими фазами в этих сталях являются карбиды Ме₆С и МеС, а при легировании кобальтом карбиды и интерметаллиды. После закалки и отпуска на твердость HRC 45 – 47 стали имеют наиболее удовлетворительный комплекс свойств.