Лабораторная работа № 3 материалы для режущего инструмента

Цель работы: ознакомление со строением, свойствами инструментальных углеродистых, быстрорежущих сталей, твердых, сверхтвердых сплавов и керамических материалов; изучение их структуры с помощью микроскопа.

Оборудование и материалы: металлографический комплекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Olimpus C-300 с фотоадаптером; приготовленные микрошлифы различных марок сталей (в т. ч. стали У10) и сплавов.

Задания: 1. Ознакомиться с основными материалами для режущих инструментов. 2. Изучить классификацию материалов для режущих инструментов. 3. Изучить структуру некоторых марок сталей с помощью оптического микроскопа МИ-1. 4. Определить основные параметры нескольких включений рассматриваемой стали с помощью оптического микроскопа.

1. Общие сведения

Инструментальные углеродистые и легированные стали, стали для штампов, быстрорежущие стали, твердые сплавы, сверхтвердые сплавы и керамические материалы

Основные свойства, которыми должен обладать материал для режущих инструментов, износостойкость и теплостойкость.

Условия работы инструментов зависят от режимов резания и свойств обрабатываемого материала.

Чем больше скорость резания, сечение снимаемой стружки, а также прочность и вязкость обрабатываемого материала, тем выше температура нагрева режущей кромки инструментов.

При этих условиях работоспособность инструментов определяется высокой «горячей» твердостью и способностью материала сохранять ее при длительном нагреве, т. е. теплостойкостью.

От теплостойкости материала, таким образом, зависит производительность резания.

По теплостойкости применяемые материалы подразделяют на следующие группы:

– углеродистые и низколегированные стали (до 200°С);

– высоколегированные быстрорежущие стали (до 600–640°С);

– твердые сплавы (до 800–1000°С);

– сверхтвердые материалы (до 1200°С).

Отдельная группа инструментальных материалов – штамповые стали.

Химический состав (ГОСТ 5950-73, ГОСТ 19265-73, ГОСТ 28393-89) и режимы термической обработки наиболее применяемых инструментальных сталей приведены в табл. 3.1.

1.1. Углеродистые стали

Углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) производят:

– качественными - У7, У8, У9, …, У13;

– высокачественными - У7А, У8А, У9А, …, У13А.

Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, А – высококачественная, а число указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (187–217 НВ) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку и другие методы изготовления из них инструментов.

Углеродистые стали имеют низкую прокаливаемость (10–12 мм), поэтому они пригодны для мелких инструментов или инструментов с поперечным сечением до 25 мм с незакаленной сердцевиной, в которых режущая часть приходится на поверхностный слой.

На рис. 3.1, а приведены кривые распределения твердости по сечению брусков диаметром 12; 20 и 27 мм, которые показывают, что, несмотря на интенсивное охлаждение в воде, сердцевина стали У12 не получает мартенситной твердости, т. е. деталь насквозь не прокаливается даже в сечении диаметром 12 мм.

В инструментах с поперечным сечением более 25 мм закаленный слой получается слишком тонким и продавливается во время работы.

Таблица 3.1

Химический состав (ГОСТ 5950-73, ГОСТ 19265-73, ГОСТ 28393-89) и режимы термической обработки наиболее применяемых инструментальных сталей

Марка стали	Содержание элементов, %							Температура, °С
	С	Si	Cr	W	Mo	V	Прочие	закалки	отпуска
Низколегированные стали
ХВ4	1,25-1,45	-	0,4-0,7	3,5-4,3	-	0,15-0,30	-	800-820	100-140
9ХС	0,85-0,95	1,2-1,6	0,95-1,25	-	-	-	-	840-860	140-180
ХВГ	0,90-1,05	-	0,9-1,2	1,2-1,6	-	-	0,8-1,1Mn	830-850	140-170
ХВСГ	0,95-1,05	0,65-1	0,6-1,1	0,5-0,8	-	0,05-0,15	0,6-0,9 Mn	840-860	140-160
Быстрорежущие стали
Р18	0,70-0,80	-	3,8-4,4	17,0-18,5	≤1	1,0-1,4	-	1270-1290	550-570
Р9	0,85-0,95	-	3,8-4,4	8,5-10,0	≤1	2,0-2,6	-	1220-1240	550-570
Р6М5	0,80-0,88	-	3,8-4,4	5,5-6,5	5,0-5,5	1,7-2,1	-	1210-1230	540-560
Р6М5Ф3-МП	1,25-1,35	-	3,8-4,3	5,7-6,7	5,5-6,0	3,1-3,7	-	1180-1200	540-560
Стали для штампов холодной обработки давлением
Х12	2,0-2,2	-	11,5-13	-	-	-	-	1000-1040	150-170
Х12М	1,45-1,65	-	11-12,5	-	0,4-0,6	0,15-0,3	-	1020-1040 (1150-1170)	150-170 (500-580)
Х12Ф1	1,25-1,45	-	11-12,5	-	-	0,7-0,9	-	1050-1075 (1110-1140)	150-170 (500-520)
Х6ВФ	1,05-1,15	-	5,5-6,5	1,1-1,5	-	0,5-0,8	-	950-970	150-170
Стали для штампов горячей обработки давлением
5ХНМ	0,5-0,6	-	0,50-0,8	-	0,15-0,3	-	1,4-1,8Ni	820-840	480-580
5ХНВ	0,5-0,6	-	0,5-0,8	0,4-0,7	-	-	1,4-1,8Ni	840-860	500-560
3Х2В8Ф	0,3-0,4	-	2,2-2,7	7,5-8,5	-	0,2-0,5	-	1075-1125	600-650
4Х2В5МФ	0,3-0,4	-	2,2-3	4,5-5,5	0,6-0,9	0,6-0,9	-	1050-1080	600-650
4Х5В2ФС	0,35-0,45	0,8-1,2	4,5-5,5	1,6-2,2	-	0,6-0,9	-	1030-1060	580-620

Рис. 3.1. Прокаливаемость углеродистой стали У12:

а – закалка в воде с температуры 790°С; б – шкала прокаливаемости

Свойства углеродистых инструментальных сталей, а также режимы их термической обработки зависят главным образом от содержания в стали углерода (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей

Несквозная закалка уменьшает деформацию инструментов и повышает благодаря вязкой сердцевине их устойчивость к ударам и вибрациям.

Инструмент с поперечным сечением 15 – 25 мм после закалки охлаждают в воде или водных растворах щелочей и солей.

Инструменты с незакаленной сердцевиной меньшего сечения для уменьшения деформаций и опасности растрескивания охлаждают в масле, водных растворах полимеров или расплавах солей.

В закаленной стали тетрагональность мартенсита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость, поэтому после закалки отпуск является обязательным.

Температура отпуска определится величиной рабочей твердости, которой должен обладать инструмент (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Влияние температуры отпуска на твердость сталей

Рекомендуемые температуры отпуска для некоторых инструментов показаны в табл. 3.2.

Таблица 3.2