Методичка по Материаловедению Теперь и в ПДФ

93

подвергаемых воздействию высоких динамических, знакопеременных или статических напряжений. Структура стали после высокого отпуска сорбит отпуска.

Порядок выполнения работы

Работа выполняется бригадным методом. Каждый студент бригады получает задание на проведение одного из видов термической обработки. Пользуясь диаграммой состояния Fe-Fe3C и справочной литературой, самостоятельно определяет режим заданного вида термообработки, практически осуществляет термообработку и измеряет твердость.

По полученным значениям твердости образцов (по Бринеллю) после различных видов термообработки строятся графики:

а) зависимости твердости стали от скорости охлаждения, б) зависимости твердости закаленной стали от температуры отпус-

ка.

При выполнении работы необходимо:

1.Замерить твердость образцов в исходном состоянии на приборе Роквелла по шкале В.

2.Нарисовать стальной участок диаграммы Fe-Fe3C и указать на ней температурные интервалы нагрева под отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

3.Для заданного вида термической обработки выбрать и обосновать максимальную температуру нагрева и продолжительность выдержки и скорость охлаждения. Скорость охлаждения в различных закалочных средах можно принять:

Vп – вместе с печью 1 град/С, lg Vп = 0; Vвз – на воздухе 7,5 град/С, lg Vвз = 0,876;

Vм – в масле 70 град/С, lg Vм = 1,8454; Vв – в воде 1000 град/С, lg Vв = 3,0.

4.Нагреть образцы по разработанной технологии и провести термообработку.

5.Замерить твердость термообработанных образцов на приборе Роквелла (твердость отожженных и нормализованных образцов измерить шариком по шкале В, твердость закаленных и отпущенных образцов алмазным конусом по шкале С).

6.Полученные результаты занести в табл. 11

7.Закаленные образцы подвергнуть отпуску при температуре 200,

400 и 600 С. Время выдержки при соответствующей температуре определяют из расчета 2–3 мин на 1 мм толщины образца. После выдержки образцы охлаждаются на воздухе или в воде.

94

8.Замерить твердость образцов после отпуска на приборе Роквелла по шкале С.

9.Полученные результаты занести в табл.12 и проанализировать влияние температуры отпуска на твердость стали.

Таблица 11

Результаты измерения твердости и определения микроструктуры сталей в зависимости от скорости охлаждения

	Вид	Температу-	Vохл., С	Твердость		Микро-
	термообра-	ра нагрева,
				HRC→HB		структура
	ботки	С	lg Vохл.
	Отжиг		1			П + Ф
			0
	Нормали-		7,5			П + Ф
	зация		0,87
	Закалка в		70			М + Т
	масле		1,84
	Закалка в		1000			М + Аост
	воде		3,0

10. На металлографических микроскопах изучить микроструктуру после каждого вида термообработки, зарисовать ее в отчет и занести в табл. 11,12.

11. По результатам всей группы построить графики влияния скорости охлаждения и температуры отпуска на твердость термообработанной стали.

12. Написать отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами задания.

Таблица 12

Результаты измерения твердости и определения микроструктуры сталей в зависимости от температуры отпуска

	Вид термо-	Температура	Твердость		Микроструктура
	обработки	нагрева, С	HRC→HB
	Низкий отпуск	200			Мотп.
	Средний отпуск	400			Тотп.
	Высокий отпуск	600			Сотп.

95

Контрольные вопросы и задания

1.Какие параметры термообработки Вы знаете?

2.В чем заключается перлитное превращение сталей?

3.Почему мартенсит называют пересыщенным твердым раство-

ром углерода в Fe ?

4.Назначение и условия проведения: диффузионного отжига; рекристаллизационного отжига.

5.Назначение и условия проведения полного и неполного отжига.

6.Нормализация сталей.

7.Закалка сталей.

8.Отпуск сталей.

9.Какой дефект и почему появляется у стали марки 40 при закалке, если ее недогреть до оптимальной температуры?

10.Почему при закалке стали 40 с температуры 1100 С появляется

брак?

96

Работа № 9

Инструментальные стали

Цель работы: изучение структуры, свойств, способов термической обработки инструментальных сталей и области их применения.

Приборы и оборудование: набор микрошлифов в лабораторной коллекции инструментальных сталей, набор твёрдых сплавов, металлографические микроскопы, твердомеры Роквелла, коллекция металлорежущих инструментов.

Основные понятия. К инструментальным сталям относят стали, предназначенные для изготовления режущего, измерительного, штампового и других инструментов. Основными свойствами этих сталей является твердость, вязкость, износостойкость, теплопроводность (красностойкость), прокаливаемость.

Стали для режущего инструмента должны обладать высокой твёрдостью, превышающей твердость обрабатываемого материала. Режущая кромка инструмента всё время находится в соприкосновении со снимаемой стружкой, т.е. происходит непрерывное трение и износ поверхности режущей кромки инструмента. Поэтому сталь для режущего инструмента, кроме высокой твёрдости, должна иметь высокую износостойкость. В процессе резания механическая энергия превращается в тепловую и вследствие этого нагревается инструмент, обрабатываемая деталь и стружка.

Инструментальные стали по назначению делятся на три группы: углеродистые и легированные стали для режущих инструментов; быстрорежущие стали; штамповые стали и отдельная группа – твердые сплавы.

Углеродистые инструментальные стали. Углеродистые инструментальные стали производят качественными: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13 и высококачественными: У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А.

Высокая твердость (HRC 62-65) инструментальных сталей достигается в результате закалки. Стали У7, У8 подвергаются полной закалке, стали У9-У13 – неполной закалке. Закалку углеродистой стали проводят в воде или водных растворах солей и щелочей, так как она имеет малую устойчивость переохлаждённого аустенита. После закалки структура углеродистых сталей У7, У8 состоит мартенсита и избыточного карбида (цементита). Избыточные карбиды повышают износостойкость стали. В структуре закаленных углеродистых сталей имеется также небольшое (до5-8%) количество остаточного аустенита, но

97

так как его мало, твёрдость стали не снижается.

Критический диаметр изделий из углеродистых сталей не превышает 15 мм. Поэтому эти стали применяют для изготовления мелких инструментов с поперечным сечением до 25 мм с незакалённой сердцевиной. При несквозной прокаливаемости меньше деформация инструмента при закалке. Инструмент с незакалённой вязкой сердцевиной обладает большей устойчивостью к ударам и вибрациям.

После закалки инструмент из углеродистой стали подвергают низкотемпературному отпуску. В зависимости от назначения инструмента и требуемой твердости температура отпуска может изменяться в определенных пределах.

Для уменьшения внутренних напряжений при сохранении высокой твердости достаточен отпуск при 150...180° С в течение 1-2 часов. Такой отпуск проводят для инструментов, работающих с небольшими ударными нагрузками. Для инструментов, для которых требуется достаточно высокая твердость и повышенная вязкость, применяют отпуск при температурах до 220...240°С. Инструменты, работающие с ударными нагрузками, отпускают при 250...320°С.

Так как инструмент из углеродистой стали теряет твердость при нагреве выше 200°C условия работы его должны быть такими, чтобы режущая кромка в процессе работы не нагревалась выше 200°С, т.е. резание следует проводить при небольших скоростях.

Из качественных углеродистых инструментальных сталей изготавливают несложные по конфигурации режущие и измерительные инструменты. Более сложные инструменты изготавливают из высококачественных инструментальных сталей.

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т.д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12 и У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки, топоры, молотки изготовляют из сталей У7, У8.

Легированные инструментальные стали. Легированные инстру-

ментальные стали получают на базе углеродистых инструментальных сталей путем легирования их хромом, вольфрамом, ванадием, марганцем, кремнием и другими элементами. Легирование приводит к большей устойчивости переохлажденного аустенита и большей прокаливаемости, чем у углеродистых инструментальных сталей. Эти стали отличаются также повышенной вязкостью, меньшей склонностью к деформациям и трещинообразованию при закалке. Из легированных инструментальных сталей марок 9ХС, ХВГ, Bl, XB5 и других

98

изготавливают различные режущие инструменты, имеющие сложную конфигурацию.

Для получения массивного инструмента и инструмента сложной формы предназначена сталь 9ХС (0,95-1,25% С; 1,2-1,6% Si).

Стали марок ХВГ (0,9% С; 0,9-1,2% Сr; 1,2-1,6% W; 0,8-1,1% Мn) и

ХГ относятся 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 (HRC 67-69). Применяется для изготовления фильер холодного волочения, отделочного инструмента, снимающего стружку с твердых материалов (белый чугун, стекло, камень).

Быстрорежущие стали. Быстрорежущие стали широко используют для изготовления режущего инструмента, обладающего большой твердостью и работающего при высоких скоростях резания. При обработке с большими скоростями резания твердых материалов и при снятии стружки большого сечения режущая кромка инструмента нагревается до высокой температуры. Поэтому режущий инструмент, работающий в тяжелых тепловых условиях, следует изготовлять из стали, обладающей красностойкостью, т.е. способностью сохранять высокую твердость при нагреве до высокой температуры (600...650° С). Для обеспечения красностойкости сталь легируют большим количеством вольфрама в сочетании с молибденом и ванадием. Кроме этих элементов все быстрорежущие стали легированы хромом (примерно 4%), а некоторые - кобальтом. Среднее содержание углерода во всех быстрорежущих сталях несколько меньше 1%.

Быстрорежущие стали (high speed steel) маркируют буквой Р (rapid – быстрый), выпускают следующих марок: Р6, Р9, Р12, Р18 (цифра в марке стали означает процент вольфрама – основного легирующего элемента).

Вольфрам - дефицитный и дорогой элемент, поэтому его содержание в быстрорежущей стали стремятся уменьшить. Частично вольфрам заменяют молибденом из расчета, что 1% молибдена оказывает такое же влияние на свойства быстрорежущей стали, как 1,5-1,6% вольфрама. Содержание молибдена в быстрорежущих сталях обычно не превышает 5%. Такое сочетание вольфрама и молибдена имеется в широко применяемой стали Р6М5.

Быстрорежущие стали условно разделяют на стали умеренной красностойкости и стали повышенной красностойкости. В первую группу вхо-

99

дят стали, легированные вольфрамом и молибденом и с небольшим содержанием ванадия (1-2%): Р18, Р12, Р9, Р6М5. Эти стали сохраняют высокую твердость (не ниже HRC 60) при нагреве до 620°С.

Внастоящее время основной маркой быстрорежущих сталей (80% от общего объема производства) является Р6М5. Для повышения эксплуатационных свойств сталь дополнительно легируют азотом (Р6АМ5).

Вгруппу сталей повышенной теплостойкости входят стали с высоким (> 2%) содержанием ванадия, а также стали, дополнительно легированные кобальтом (Р9К5, Р12ФЗ, Р18К5Ф2 и др.). Стали этой группы сохраняют высокую твердость при нагреве до 630.. .650°С.

Быстрорежущие стали по структуре в отожженном состоянии относятся к карбидному (ледебуритному) классу сталей. В их структуре имеется эвтектика (ледебурит), в состав которой входят карбидообразующие элементы - хром, вольфрам, ванадий, кобальт, молибден.

Эвтектика, которая располагается в виде сетки по границам зерен, снижает вязкость стали, поэтому литая быстрорежущая сталь отличается повышенной хрупкостью. При горячей обработке давлением (ковке) сетка эвтектики дробится и первичные (эвтектические) карбиды распределяются

вструктуре более равномерно.

Горячедеформированную быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 840...860° С для снижения твердости, облегчения обрабатываемости резанием и подготовке структуры к закалке. Структура после отжига мелкозернистый сорбитообразный перлит, состоящий из феррита и мелких карбидов, и избыточные карбиды - вторичные и первичные. Твердость стали после отжига должна быть не более НВ 255-285.

В настоящее время все шире применяют быстрорежущие стали, полученные методом порошковой металлургии. В этих сталях карбидная фаза очень мелкая, что способствует более полному растворению карбидов в аустените и повышению теплостойкости. Основные порошковые стали, предложенные для замены сталей Р18 и Р6М5 – Р0М2ФЗ-МП, М6Ф1-МП, М6ФЗ-МП мало содержат дефицитного вольфрама. Несмотря на высокое содержание ванадия, стали хорошо шлифуются. Применяются и другие порошковые стали, например, Р6М5К5-МП и Р12МЗК8. Стойкость режущего инструмента из порошковых сталей по сравнению со стойкостью инструмента из аналогичных сталей обычного производства в 1,2-2 раза выше.

Инструмент, изготовленный из быстрорежущей стали, подвергают закалке и трехкратному отпуску (см. рис. 45, а).

Быстрорежущие стали обладают пониженной теплопроводностью, медленный или ступенчатый нагрев позволяет выровнять температуру по сечению инструмента и предупредить образование больших внутренних

100

напряжений. При ступенчатом нагреве инструмент подогревают при 800...850°С. Для сложной формы инструмента применяют два подогрева: при 500°С и 800...850° С. Быстрый окончательный нагрев позволяет предупредить окисление и обезуглероживание стали. Выдержку при высокой температуре в интервале температур 1210...1290°С дают очень непродолжительную (10-12 с на каждый миллиметр диаметра или наименьшей толщины инструмента при нагреве в расплавленной соли).

Закаливают инструмент из быстрорежущей стали в масле. Для инструмента сложной формы применяют ступенчатую закалку с выдержкой при 450...500°С в течение 2-5 мин в соляной ванне для выравнивания температуры по сечению инструмента и дальнейшим охлаждением на воздухе.

Структура быстрорежущей стали после закалки состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4% С, нерастворенных избыточных карбидов и остаточного аустенита.

Сохранение в структуре закаленной стали большого количества остаточного аустенита объясняется тем, что аустенит высоколегированный и для него температура начала мартенситного превращения Мн выше комнатной температуры, а температура конца мартенситного превращения Мн - ниже 0°С.

Отпуск при 500...560°С приводит снова к повышению твердости до HRC 63-65. Такое повышение твердости обменяется выделением из мартенсита дисперсных специальных карбидов. К этому превращению добавляется также превращение остаточного аустенита. Высоколегированный остаточный аустенит достаточно устойчив при температурах отпуска до 500°С. В процессе выдержки при отпуске с температурой 550...570° С из аустенита выделяются в дисперсном виде специальные карбиды. Аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами и становится менее устойчивым. В процессе охлаждения от температуры отпуска остаточный аустенит превращается в мартенсит (вторичная закалка). Превращение не заканчивается полностью при однократном отпуске. Для того, чтобы достигнуть почти полного превращения остаточного аустенита в мартенсит, необходимо двух-трехкратное повторение отпуска при 550...570° С с выдержкой при каждом отпуске 45-60 мин (см. рис. 45, а). Следует отметить, что аустенит превращается в мартенсит не при нагревании и не в процессе выдержки, а во время охлаждения.

Цикл термической обработки быстрорежущей стали может быть сокращен, если сразу после закалки сталь обработать холодом при -75° С...-80° С. В этом случае вместо трехкратного отпуска назначают однократный отпуск (см. рис. 45, б).

Микроструктура стали после закалки и отпуска состоит из мартенсита и

101

карбидов. Если температура отпуска или во время выдержки недостаточны (сталь недоотпущена), то в структуре сохраняется некоторое количество остаточного аустенита. При отпуске выше 600°С твердость быстрорежущей стали снижается в связи с распадом мартенсита и коагуляцией выделившихся карбидов.

Рис. 45. Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущей стали:

а - с трехкратным отпуском; б - с обработкой холодом

Штамповые стали. Штампами называют инструменты, изменяющие форму материала без снятия стружки. Стали, используемые для изготовления штампового инструмента, должны обладать высоким сопротив-

102

лением пластической деформации и износостойкостью, а в некоторых случаях (при разогреве) и повышенной теплостойкостью. При больших размерах штампов стали должны иметь высокую прокаливаемость и незначительно изменять свой объем при закалке.

Штамповые стали, применяемые при изготовлении инструментов для обработки металлов давлением, делятся на два класса в зависимости от условий деформирования металла: в холодном или горячем состоянии.

Стали для штампов холодного деформирования. К инструменту,

деформирующему металл в холодном состоянии, относятся вытяжные, вырезные, гибочные, формовочные, высадочные штампы, дыропробивные пуансоны, обрезные матрицы, ножи для резания материалов, волочильные доски, ролики для накатывания резьбы и д.р.

Все штамповые стали для холодного деформирования являются высокоуглеродистыми, заэвтектоидными, а количество легирующих элементов определяется необходимой износостойкостью и прокаливаемостью стали.

Для обработки малопрочных материалов используют стали У10, У11, У12.

Более крупные и сложные по форме штампы, предназначенные для работы в более тяжелых условиях, изготавливают из легированных сталей повышенной прокаливаемости (X, ХВГ, 7ХГ2ВМ и др.). Штампы из легированных сталей закаливают в масле, что предохраняет их от образования трещин и значительного изменения размеров.

Для изготовления инструмента, который должен иметь высокую твердость и повышенную износостойкость, а также малую деформируемость при закалке (дыропрошивные матрицы и пуансоны, матрицы глубокой высадки листового металла, матрицы и пуансоны глубокой высадки вырубных и просечных штампов сложной конфигурации и др.), применяют стали высокой прокаливаемости и износостойкости Х12М, Х12Ф1,Х6ВФ.

Для инструментов, работающих с большими ударными нагрузками (пневматические зубила, ножи для холодной резки металла, обжимные матрицы и др.), применяют стали повышенной вязкости. В эту группу входят хромокремнистые стали (4ХС, 6ХС) и стали, дополнительно легированные вольфрамом: 4ХВ2С, 5ХВ2С, 6ХВ2С. Повышения вязкости достигается снижением содержания в сталях углерода (0,4-0,6%) и повышением температуры отпуска (температура закалки 840...900°С).

Для изготовления рабочих частей штампов широко используют