ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования

 

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких сталей изготавливают только рабочую (режущую) часть инструмента, а крепежные части выполняют из конструкционных сталей (например, сталь 45).

Номенклатура инструментальных сталей весьма разнообразна. Поэтому для правильного выбора марки стали и режима термической обработки важно знать условия работы инструмента, требования, предъявляемые к нему.

Для уменьшения скорости изнашивания режущего, измерительного и штампового инструмента необходимо, чтобы используемые для его изготовления стали обладали достаточной износостойкостью, обеспечивающей длительное сохранение неизменными размеров и формы рабочей части,

Износостойкость стали определяется ее твердостью (увеличивается с ее ростом) и микроструктурой. При твердости, равной 60...65 HRC наиболее износостойка сталь, состоящая из мартенсита и равномерно расположенных в нем карбидов ванадия, вольфрама, хрома и других элементов.

В процессе резания с повышенными скоростями или при горячем деформировании рабочая часть инструмента нагревается. Чтобы инструмент не терял при этом работоспособность, не должны меняться его структура и свойства, полученные в результате термической обработки.

Способность стали сохранять структуру и эксплуатационные свойства при повышенных температурах называется теплостойкостью. Это технологическое свойство стали, определяют по максимальной температуре, при нагреве до которой она сохраняет в течение определенного времени (обычно в течение 4 ч) эксплуатационную твердость. Теплостойкость стали достигается легированием ее вольфрамом, молибденом, ванадием.

Для обеспечения процесса резания инструмент должен обладать высокими прочностью и твердостью. Поэтому инструментальные стали содержат не менее 0, 6 % С и подвергаются закалке с низким отпуском на необходимую твердость (исключение составляют стали, применяемые для изготовления штампов горячего деформирования и содержащие 0, 3...0, 6 % С). В результате термической обработки достигаются твердость стали 60...65 HRC, и предел прочности ее при изгибе s_и = 2500...3500 МПа.

Важной характеристикой стали является прокаливаемость, которая может быть повышена за счет легирования ее хромом и марганцем. В этом случае увеличивается интервал устойчивости переохлажденного аустенита стали и снижается V_кр. Стали, легированные хромом и марганцем, можно использовать для изготовления крупного инструмента Тонкий и сложный по форме инструмент, изготовленный из таких сталей, можно закаливать в менее интенсивных, чем вода, охлаждающих средах.

Инструментальные стали легируют карбидообразующими элементами: V, W, Mo, Cr. Последние не только повышают износостойкость и теплостойкость стали, но и, растворяясь в аустените, уменьшают растворимость углерода в нем. Иначе говоря, они сдвигают линию ES диаграммы состояния системы Fe – Fe₃C (см. рис. 4.4, а). Особенно сильно влияют на положение линии ES вольфрам и хром. Например, углеродистая сталь с 0, 7 % С по структуре в отожженном состоянии (П + Ф) является доэвтектоидной; сталь с 0, 7 % С и 5 % W – заэвтектоидной. Сталь с 12 % W относят к ледебуритному классу, так как в процессе ее кристаллизации при эвтектической температуре образуется ледебурит. Ледебурит в сталях принято называть карбидной эвтектикой.

При выборе режимов термической обработки легированных инструментальных сталей необходимо учитывать следующее.

1. Хром, вольфрам и кремний повышают критические температуры А₁ и А₃ и тем в большей мере, чем выше их содержание в стали. Следовательно, легированные стали необходимо нагревать под закалку до более высоких температур, чем углеродистые с таким же содержанием углерода. Увеличение температуры нагрева под закалку способствует наиболее полному растворению карбидной фазы в аустените, повышению степени его легирования и, в конечном итоге, формированию в процессе закалки мартенсита, обладающего необходимой теплостойкостью. При отпуске вследствие частичного распада высоколегированного мартенсита образуются дисперсные карбиды, что сопровождается увеличением твердости стали (явление вторичной твердости).

2 Хром, молибден, вольфрам, ванадий повышают устойчивость переохлажденного аустенита, при этом снижается V_кр и создается возможность закалки инструмента из легированных сталей, обладающих низкой теплопроводностью, в мягких закалочных средах (масло и др.). При этом не происходит коробления инструмента, и в нем не возникают закалочные трещины.

3. Карбидообразующие элементы понижают температурный интервал мартенситного превращения (М_н – М_к), что приводит к увеличению массовой доли аустенита остаточного в структуре закаленной стали. Содержание аустенита остаточного растет также при повышении температуры нагрева стали под закалку. По сравнению с ферритно-карбидными смесями (перлит, сорбит, троостит) объем аустенита минимален, а мартенсита – максимален. Поэтому образование мартенсита приводит к увеличению объема стали, следовательно, и инструмента, причем тем значительнее, чем больше в стали содержание углерода. Это является одной из основных причин возникновения закалочных напряжений в изделиях. Размеры изделий при этом существенно не меняются, но для деталей точных приборов и ряда инструментов, размеры которых после закалки не могут быть исправлены шлифованием, даже небольшие изменения размеров недопустимы. Предотвратить увеличение объема при закалке и изменении размеров изделий можно путем применения их бездеформационной закалки или тепловой доводки. В том и другом случае температура нагрева под закалку, длительность выдержки изделий при температуре отпуска, скорость охлаждения при нем, а также число проводимых отпусков (тепловая доводка) подбираются такими, чтобы соотношение массовых долей мартенсита и аустенита остаточного обеспечивало компенсацию объемных и размерных увеличений при образовании мартенсита за счет формирования аустенита остаточного.

Стали, которые подвергаются указанным обработкам, называются малодеформирующимися, к ним относятся легированные инструментальные стали Х, ХГ, ХВГ, Х12Ф1 и другие.

4. Если в структуре литых инструментальных сталей (например, в быстрорежущих) присутствуют частицы карбидов неблагоприятных форм (скелетного типа, остроугольные и т. п.) или сетка из карбидов, такие стали прежде всего подвергают горячей механической обработке – ковке. При этом карбиды или сетка из них разбиваются и перемешиваются по возможности равномерно. Литой заготовке придается необходимый профиль. Если проковка недостаточна или затруднительна (в стали Х12Ф1), разбитые карбиды в структуре оказываются собранными в полосы (карбидная ликвация). Такое неравномерное полосчатое распределение карбидов в стали нежелательно, так как в областях, обедненных карбидами, сталь имеет пониженные показатели эксплуатационных свойств.

5. Для улучшения обрабатываемости инструментальных сталей на режущих станках их подвергают сфероидизирующему отжигу при 800...800 ⁰С, при котором частицы карбидов приобретают округлую форму.

Инструментальные стали по теплостойкости классифицируют на нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.

 

Таблица 10.1

Режимы термической обработки и твердость легированных инструментальных сталей (ГОСТ 5950 – 73, ГОСТ 19265 – 73)

Марка стали	Температура отжига, 0С	Закалка	HRC после закалки	Температура отпуска, 0С	HRC после отпуска
T, 0С	Среда
11ХФ   Х   9ХС   ХВГ   ХВ5   6ХС   Х6ВФ   Х12Ф1 Р18 Р6М5	760… 770… 780… 770… 800… 800… 800… 800… 860… 860…	810… 840… 840… 830… 800… 840… 970… 1050…	Масло   «   «   «   вода   масло   «   «   масло   масло	64…62   64…62   64…62   64…62   67…65   60…56   61…60   64…62   62…60   62…60	140… 150… 150… 160… 120… 180… 150… 160… (три раза)	65…62   64…56   64…60   63…58   69…67   60…56   63…61   64…62   64…62   64…63

 

Нетеплостойкие стали (углеродистые, низко- и среднелегированные) сохраняют высокую твердость при нагреве до 200...250 ⁰С. При дальнейшем нагревании происходят распад мартенсита и коагуляция (рост с округлением) частиц карбидов. Инструмент из таких сталей применяют для резания мягких материалов с небольшой скоростью и для холодного деформирования. По структуре в равновесном состоянии они, в зависимости от содержания углерода, являются доэвтектоидными (со структурой феррит и перлит), эвтектоидными (перлит), заэвтектоидными (перлит и цементит вторичный). По прокаливаемости подразделяются на стали небольшой, повышенной и высокой прокаливаемости.

К нетеплостойким инструментальным сталям небольшой прокаливаемости относятся углеродистые У7...У13, низколегированные стали 7ХФ...11ХФ, 13Х и др. Из-за малой устойчивости переохлажденного аустенита стали имеют небольшую прокаливаемость при охлаждении в воде. Поэтому их применяют для изготовления тонкого инструмента диаметром менее 12..15 мм, простой формы. В случае закалки изделий в масле (табл. 10.1) сквозная прокаливаемость достигается в очень тонких сечениях изделий (до 5 мм). При больших размерах деталей в результате закалки в воде и в масле достигается высокая твердость только поверхностного слоя, металл в сердцевине детали остается мягким, с повышенной вязкостью. Перед обработкой резанием изделия подвергают отжигу на перлит зернистый.

Стали с пониженным содержанием углерода (0, 7... 0, 8 %) применяют для изготовления инструмента, испытывающего при работе толчки и удары (зубила, ножи и ножницы по металлу, отвертки, топоры, матрицы для холодной штамповки и др.). Их закаливают с нагревом до температуры выше А_С1 (на 30...50 ^оС), затем подвергают отпуску (250...450 ^оС) на требуемую твердость 58...45 HRC, (мартенсит или троостит).

Для изготовления мелкого инструмента высокой износостойкости и с острой режущей кромкой (сверла, метчики, фрезы, напильники, хирургический и измерительный инструмент и пр.) применяют стали с повышенным содержанием углерода (более 0, 8 %). Такая сталь после закалки с температуры А_С1 + 30...50 ^оС и низкого отпуска при 150...200 ^оС имеет структуру мартенсита, твердость 60...64 HRC.

Хромованадиевые стали 7ХФ...11ХФ (0, 4...0, 7 % Cr; 0, 15...0, 20 % V) применяют главным образом для изготовления деревообрабатывающего инструмента.

Насквозь прокаливаются изделия из сталей повышенной прокаливаемости при закалке в масле ( d = 50 мм) и в воде (d = 80 мм). Инструмент простой формы из стали ХВ5 можно закаливать в воде. К названной группе относятся стали Х (0, 95...1, 1 % С, 1, 3..1, 65 % Cr), 9ХС (0, 95...1, 25 % С, 1, 3..1, 65 % Cr, 1, 2...1, 6 % Si), предназначенные для изготовления массивного инструмента и инструмента сложной формы. При закалке в масле изделия из таких сталей мало подвержены трещинообразованию.

Стали марок ХВГ (0, 9...1, 05 % С; 0, 9...1, 2 % Cr; 1, 2... 1, 6 % W, 0, 8...1, 1 % Mn) и ХГ относят к малодеформирующимся. Их используют для изготовления калибров, длинных метчиков, бритвенных ножей и лезвий и другого инструмента, для которого весьма важно сохранение размеров в процессе термической обработки, а также для изготовления деталей точных приборов.

Сталь ХВ5 (1, 25...1, 50 % С) называется алмазной, обладает исключительно высокой твердостью в закаленном состоянии (67...69 HRC) в силу большого содержания в мартенсите карбидов вольфрама Ме₆С и легированного цементита (Fe, Ме)₃С. Применяется для изготовления фильер холодного волочения, отделочного инструмента, снимающего стружку с твердых материалов (белый чугун, стекло, камень).

К сталям высокой прокаливаемости относятся стали марок 6ХС...9ХС, ХГСВФ и др. Сквозная прокаливаемость в изделиях диаметром до 100 мм достигается за счет легирования хромом и дополнительно кремнием. Такие стали применяют для изготовления массивного штампового инструмента сложных форм, шариков и колец подшипников качения и др. Сталь 6ХС после соответствующей термической обработки (см. табл. 10.1) используют для изготовления пневматических зубил и ряда инструментов, работающих при ударных нагрузках и вибрации.

Полутеплостойкие стали сохраняют высокую твердость до 250...400 ^оС. К ним относятся высокохромистые и хромоникелевые стали. Стали с высоким содержанием хрома (до 12 %), представителями которых являются Х6ВФ (1, 05...1, 15 % С; 5, 5...6, 5 % Cr; 0, 5...0, 8 % V); Х12Ф1 (1, 25...1, 45 % С, 11, 0...12, 5% Cr; 0, 7...0, 9 % V), характеризуются повышенной износостойкостью в условиях абразивного изнашивания, обусловленной высоким содержанием карбидов (Cr, Fe) ₇C₃ и, возможно, VC.

Сталь Х6ВФ применяется для изготовления деревообрабатывающего инструмента, ножовочных полотен, резьбо- и зубонакатного инструмента, матриц и пуансонов, штампов холодного деформирования. После закалки (см. табл. 10.1) и низкого (150...160 ^оС) отпуска она обладает высоким сопротивлением изнашиванию. Для повышения вязкости стали температуру отпуска рекомендуется повышать до 200...275 ^оС, при этом твердость стали несколько снижается до 59…58 HRC.

 

 

Рис. 10.1. Микроструктура стали Х12Ф1 после ковки и отжига:

сорбитообразный зернистый перлит и карбиды. Х500

 

Стали типа Х12Ф1 (1, 2...1, 45 % С) относятся к малодеформирующимся сталям ледебуритного класса, применяются для изготовления массивного инструмента (фрезы, протяжки, матрицы и пуансоны штампов холодной штамповки, штампы горячей штамповки, калибры, шаблоны, фильеры для волочения проволоки и др.). Сталь после ковки и отжига (800...820 ⁰С) имеет структуру сорбитообразного зернистого перлита с включениями первичных и вторичных карбидов (рис. 10.1). Включения карбидов первичных (К_I) сравнительно крупные. Их размер зависит от степени размельченности карбидной эвтектики ковкой. Включения карбидов вторичных (К_II) мелкие, образуются при охлаждении стали в интервале эвтектическая – эвтектоидная температура вследствие уменьшения растворимости углерода и хрома в аустените. Сталь чрезвычайно склонна к карбидной ликвации. Микроструктура закаленной и отпущенной стали представляет собой мартенсит и карбиды (К_I, К_II).

Для обеспечения минимальных объемных и размерных изменений изделий в процессе термической обработки проводится их закалка с 1070...1120 ⁰С и одно- илимногократный отпуск при 450...480 ⁰С (тепловая доводка) с контролем размеров изделий после каждого отпуска. Структура – мартенсит, карбиды (Cr, Fe) ₇C₃ и аустенит остаточный.

Хромоникелевые стали (5ХНВ, 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХГВС и др.) используют для изготовления массивных штампов горячего деформирования. Мелкие штампы изготавливают из сталей У7, У8, У9. По структуре в равновесном (отожженном) состоянии хромоникелевые стали доэвтектоидные. Режим термической обработки (отпуск) зависит от размеров (толщина стенки) штампа. Закалку проводят в масле с температур 830...860 ^оС, очень крупные штампы закаливают на воздухе. Сравнительно мелкие (до 300 мм) штампы отпускают при 460... 540 ^оС на 40...44 HRC, средние – при 500...550 ^оС на 35... 40 HRC; крупные (более 500 мм) – при 550...580 ^оС на 45...50 HRC. Структура – сорбитообразный троостит или сорбит. В последнем случае стали имеют следующие характеристики: s_B = 350...430 МПа, KCU = 500...700 кДж/м² при пластичности y = 40...80 %. Они обладают высокой термостойкостью (разгаростойкость) – сопротивлением возникновению разгарных трещин, возникающих при циклическом нагреве и охлаждении рабочей поверхности штампа (расширение и сжатие поверхностных слоев).

Теплостойкие стали сохраняют свои свойства до 550... 650 ^оС. Их объединяют в группу так называемых быстрорежущих сталей, маркируемых по ГОСТ 19265 – 73 буквой Р. После буквы Р в марке следует число, указывающее среднее содержание (в процентах) вольфрама (буква В – его условное обозначение – пропускается), затем после соответствующих букв М, Ф и К – число, указывающее содержание молибдена, ванадия (если содержание его больше 1...2 %) и кобальта. В состав всех быстрорежущих сталей непременно входят углерод (0, 8... 1, 25 %), хром (около 4 %) и ванадий (1...2 %), содержание которых в марке не указывается.

Инструмент из этих сталей (резцы, сверла, фрезы, шеверы, метчики, плашки, развертки, зенкеры, пилы, напильники) работает при скоростях, в 3...5 раз превышающих скорости работы инструмента из углеродистых сталей.

 

 

 

Рис. 10.2. Микроструктура литой стали Р18:

ледебуритная эвтектика скелетного типа, сорбитообразный перлит,

вторичные карбиды, аустенит. Х500

 

Быстрорежущие стали относят к ледебуритному классу, так как в структуре литых сталей присутствует карбидная эвтектика (ледебурит) скелетообразного типа (рис. 10.2) из аустенита и карбидов, вторичных карбидов, выделяющихся из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода и легирующих элементов в нем при понижении температуры, сорбитообразного эвтектоида (темные поля) из феррита и карбидов. При ковке разбиваются карбиды эвтектические, затем сталь (Р18) отжигается при 860...880 ⁰С с медленным охлаждением до 500... 600 ⁰С или изотермической выдержкой при 730...750 ⁰С. Закалка изделий из стали Р18 производится на воздухе (крупные изделия – в масле) с температуры 1280 ⁰С (см. табл. 10.1). Сталь в закаленном состоянии (рис. 10.3, а) состоит из К_I и небольшой доли К_II, мартенсита и аустенита остаточного (до 30 %), которые, будучи высоколегированными, при протравливании шлифа в 5... 6 %-м растворе НNО₃ в спирте не окрашиваются и выглядят светлыми.

Карбиды вторичные при нагреве стали до температур закалки в значительной мере растворяются в аустените, легируя его хромом, вольфрамом, ванадием и обеспечивая тем самым теплостойкость стали.

 

 

Рис. 10.3. Микроструктура стали Р18:

а – закаленная (мартенсит закалки, аустенит остаточный, обе фазы светлые, карбиды первичные и вторичные); б – закаленная и трижды отпущенная (мартенсит отпуска, карбиды первичные и вторичные). Х500

 

После закалки обычно проводится трехкратный отпуск стали при 560 ⁰С, в результате в ее структуре уменьшается массовая доля аустенита остаточного (до 2 %), микроструктура (рис. 10.3, б) – мелкоигольчатый мартенсит отпуска, сильно травящийся в указанном реактиве, карбиды Ме₆С [Fe (W, Mo)₃]С, (W, Fe)₆С), легированные ванадием. Возможно присутствие карбидов другого состава (Ме₂С) в небольших долях.

В настоящее время широкое распространение находят вольфрамомолибденовые быстрорежущие стали с пониженным содержанием вольфрама (вольфрам частично заменен молибденом). Например, сталь Р6М5 с несколько повышенным содержанием углерода (0, 81...0, 85 % вместо 0, 7...0, 8 % в стали Р18).

В структуре литой стали Р6М5 (рис. 10.4) по границам дендритов ферритокарбидного эвтектоида (темная структурная составляющая) располагается карбидная эвтектика (аустенит, карбид) преимущественно на базе карбида Ме₂С пластинчатого типа. Содержание эвтектики скелетообразного типа с карбидом Ме₆С и эвтектики с МеС очень мало. Эвтектика с карбидом Ме₂С пластичнее скелетообразной. Суммарное содержание эвтектик существенно ниже по сравнению с Р18. Поэтому появилась возможность получения инструмента из стали Р6М5 самым дешевым способом – литьем.

 

 

Рис. 10.4. Микроструктура литой стали Р6М5:

дендриты сорбитообразного перлита, карбиды вторичные, ледебуритная

эвтектика и аустенит по границам дендритных ячеек. Х200