Тема 11. Инструментальные стали

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих, измерительных и штамповых инструментов. В большинстве случаев для этого применяют высокоуглеродистые стали, обрабатываемые на максимальную твердость, более 60 HRC. Стали нелегированные (У7, У8, У12 и др.) и мало-легированные (9ХС, 9ХФ, ХВГ и др.) для получения высокой поверхностной твердости и износостойкости подвергают термической обработке, включающей закалку и низкий отпуск.

Пример.Назначить режим окончательной термической обработки для фрезы, изготовленной из стали У10А. Требуемая твердость – 63…64HRC.

Решение.Исходная структура стали У10А перед окончательной термической

обработкой – перлит зернистый. Режим обработки на твердость 63…64 HRC:

неполная закалка с температуры 770…800 С (охлаждение через воду в масло) + низкий отпуск 150…160С (рис. 25).

Закалка в двух средах состоит в том, что нагретый инструмент сначала погружают в воду, а затем, после короткой выдержки, переносят в масло. Быстрое охлаждение в воде предотвращает распад аустенита на перлит, а последующее более медленное охлаждение в масле уменьшает закалочные напряжения в мартенситном интервале. Неполная закалка с температуры немного выше точки Ас₁обеспечивает получение структуры мелко-кристаллического мартенсита с включениями цементита. Низкий отпуск необходим для частичного снятия закалочных напряжений при сохранении высокой твердости.

Легирование позволяет уменьшить критическую скорость закалки и увеличить прокаливаемость, однако из-за низкой теплостойкости малолегированные стали имеют практически одинаковые с углеродистыми сталями эксплуатационные свойства. Область их применения: штамповый инструмент для деформирования в холодном состоянии, измерительный инструмент, а также режущий инструмент для обработки сравнительно мягких материалов при небольших скоростях резания.

Для изготовления режущих инструментов высокой производительности применяют быстрорежущие стали. Главным свойством этих сталей является

высокая теплостойкость, которая определяется химическим составом и специаль-

ным режимом термической обработки на вторичную твердость (рис. 26).

В быстрорежущих сталях основным легирующим элементом, обеспечивающим сохранение твердости 60 HRC и более до рабочих температур 600…650 С, является вольфрам. В современных марках сталей часть дефицитного вольфрама заменена молибденом. Вольфрамомолибденовые стали, например, Р6М5, не только дешевле вольфрамовых, но имеют также меньшую карбидную неоднородность и лучшие механические свойства.

По структуре в отожженном состоянии быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. Ледебуритную эвтектику, располагающуюся по границам зерен литого металла, устраняют горячей деформацией, при которой происходит измельчение и более равномерное распределение первичных карбидов. После отжига общее количество карбидов разного происхождения (первичных, вторичных, эвтектоидных) в структуре составляет 20…30 %. Высокие режущие свойства инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и многократного отпуска (рис. 27).

Высокая температура нагрева под закалку необходима для растворения в аустените большого количества вторичных карбидов и получения высоколегированного мартенсита. Несмотря на высокие температуры нагрева, близкие к температуре плавления, в быстрорежущих сталях сохраняется очень мелкое зерно. Охлаждение при закалке чаще всего проводят в масле или горячих средах (ступенчатая закалка). После закалки стали не обладают максимальной твердостью, так как в их структуре кроме мартенсита и первич-ных карбидов содержится 30…40 % остаточного аустенита. При отпуске происходит выделение из мартенсита и остаточного аустенита мелкодисперсных карбидов, вызывающих дисперсионное упрочнение. Аустенит, обедненный углеродом и легирующими элементами, становится менее устойчивым и при охлаждении с температуры отпуска превращается в мартенсит. Это явление, называемое вторичной закалкой, приводит к дополнительному упрочнению стали. Однократного отпуска недостаточно для превращения всего остаточного аустенита, поэтому проводят двух- или трехкратный отпуск с выдержкой по 1 часу и охлаждением на воздухе. Структура после закалки и многократного отпуска – отпущенный мартенсит и карбиды, твердость 63…65 HRC.

Термическая обработка на вторичную твердость используется также для штампового инструмента горячей и холодной обработки давлением, когда наряду с достаточной прочностью и износостойкостью необходимо обеспечить высокую теплостойкость сталей.