9.5 Инструментальные стали
Инструментальные стали – это большая группа углеродистых и легированных сталей, которые после термической приобретают высокую твердость, прочность, износостойкость, необходимые для обработки материалов резанием, или давлением.
Основными свойствами, которые имеют значение для всех видов инструмента, являются твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость (красностойкость), прокаливаемость. Достаточно серьезное значение могут иметь такие вроде бы второстепенные свойства, как теплопроводность, разгаростойкость, окалиностойкость, устойчивость против схватывания (адгезии) и др.
По структурному признаку большинство инструментальных сталей являются заэвтектоидными или ледебуритными. После закалки такие стали имеют структуру, состоящую из твердого мартенсита и еще более твердых вторичных или эвтектических карбидов. Отпускают их, что бы сохранить мартенситную основу и дополнительно выделившиеся из твердого раствора дисперсные карбиды, сохраняя твердость от 58 – 60 до 60 – 65 HRC и выше. Обычно это стали для режущего инструмента или для холодной пластической деформации.
Меньшая группа доэвтектоидных инструментальных сталей, которые приобретают после закалки мартенситную структуру без избыточных карбидов. Отпуск делают с целью получения трооститной структуры с большей вязкостью, но меньшей (45 – 55 HRC) твердостью. Эти стали, как правило, используют для изготовления инструмента для горячей пластической деформации.
Используют также мартенситностареющие стали, которые после закалки имеют в структуре низкоуглеродистый мартенсит относительно низкой твердости, но упрочняются при отпуске за счет выделения дисперсных интерметаллических соединений.
По сохранению механических свойств после нагрева, инструментальные стали делят на 3 группы: нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.
Нетеплостойкие стали приобретают высокую твердость, прочность, износостойкость за счет мартенситного превращения при закалке. Однако эти свойства сохраняются лишь при температуре нагрева до 200 – 250°С. По химическому составу это углеродистые, либо низколегированные стали, по структуре – эвтектоидные или заэвтектоидные.
Полутеплостойкие стали, как правило, с высоким содержанием хрома (3 – 18%) и углерода (более 1 – 1, 5 %), главным образом ледебуритные. У большинства из них повышено содержание ванадия. Высокие прочностные свойства и износостойкость эти стали приобретают также в результате мартенситного превращения, но свойства эти сохраняются до более высоких температур (400 – 500°С).
Теплостойкие стали – легированные вольфрамом, молибденом, хромом и ванадием, сохраняющие твердость и прочность при нагревах рабочей поверхности до температур 600°С и выше. Следует отметить, что увеличение теплостойкости с 610 до 640°С повышает срок службы инструмента в 2 – 3 раза, а до 700°С – в 10 – 15 раз.
Инструментальные стали по назначению обычно разделяют на стали для режущего, деформирующего и мерительного инструмента.
9.5.1 Стали для режущего инструмента
Это могут быть и углеродистые стали У8, У10А, У13А и т.д. После закалки и низкого отпуска (на HRC 57 – 63) их используют для изготовления напильников, ручных метчиков.
Легированные стали неглубокой прокаливаемости, но повышенной вязкости, 9ХФ, 7ХФ, В2Ф применяют, например, для изготовления ручных и машинных пил. Эти стали за счет легирования карбидообразующим ванадием, обеспечивающим мелкозернистость, являются сталями повышенной вязкости.
Стали повышенной прокаливаемости (кремний и марганец, находящиеся в твердом растворе, повышают устойчивость переохлажденного аустенита) 9ХС, ХГС, ХВГ, ХВГС применяют для крупного режущего инструмента при малых скоростях резания (протяжки, развертки). Например, для деревообрабатывающего режущего инструмента могут быть использованы стали 9Х5ВФ, 8Х4В2М2Ф2 (полутеплостойкие с неплохой теплопроводностью). Недостатком всех этих сталей является низкая теплостойкость, что не дает возможности использовать их для режущего инструмента, эксплуатируемого в тяжелых условиях с разогревом рабочих кромок.
Быстрорежущие стали. Предназначены для изготовления инструмента, рабочая поверхность которого разогревается до 600 – 700 °С
Основные легирующие элементы, обеспечивающие высокую теплостойкость – это карбидообразующие W, Mo, Cr, V. При этом образуются карбиды на основе Fe, W и Mo типа М6С, карбиды ванадия VC, хрома Cr23C6.
Основными легирующими элементами, обеспечивающими высокую теплостойкость, являются вольфрам и молибден. Первоначально использовали стали вольфрамовые, без молибдена, однако экономические соображения заставили искать замену вольфраму, хотя бы частичную. Исследования показали, что такую замену вольфрама молибденом можно производить в пропорции W : Mo = 1.5 : 1. Именно эти элементы, а также ванадий затрудняют распад мартенсита при нагреве закаленной стали. Однако для этого необходимо нагревать стали под закалку до очень высоких температур – 1200 – 1270°С. Ванадий образует в сталях наиболее твердые карбиды, а карбиды хрома, растворяясь практически полностью при высокотемпературном нагреве под закалку, резко повышают устойчивость переохлажденного аустенита этих сталей и их прокаливаемость.
Различают быстрорежущие стали умеренной, повышенной и высокой теплостойкости.
Стали умеренной теплостойкости (600 – 620°С)– на основе W и W + Mo. Наиболее распространенные – Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6М3. Широко используют для изготовления резцов, сверел, фрез, долбяков, протяжек, зенкеров и т. д.
Стали повышенной теплостойкости (620 – 645°С) – обычно повышение теплостойкости достигают за счет повышения содержания углерода, дополнительного легирования азотом, повышения содержания ванадия или дополнительного легирования кобальтом. На примере базовой стали Р6М5 это стали 10Р6М5, Р6АМ5, Р6М5Ф3, Р6М5К5.
Стали высокой теплостойкости – с интерметаллидным упрочнением. Для них характерно образование интерметаллического соединения Co7W6 и низкое содержание углерода, до 0.1 – 0.25%. Это такие стали, как В11М7К23 (ЭП831), В14МК25, 3В20К20Х4Ф.
Термическая обработка инструмента из быстрорежущих сталей включает в себя смягчающий отжиг заготовок (проката или поковок) перед изготовлением инструмента и окончательную термическую обработку готового инструмента – закалку от высоких температур и многократный отпуск (рис. 9.4).
Рисунок 9.4 – Режим предварительной и окончательной термической обработки быстрорежущих сталей
Цель смягчающего отжига – понижение твердости и подготовка структуры стали к закалке, Цель окончательной термообработки – получение высокой теплостойкости, износостойкости, твердости и прочности инструмента.
Закалку инструмента из быстрорежущих сталей обычно проводят со скоростным, но ступенчатым нагревом в соляных ваннах и охлаждением по режиму ступенчатой закалки. Это связано в основном с пониженной теплопроводностью таких сталей. После закалки структура стали состоит из нерастворившихся эвтектических карбидов, мартенсита и остаточного аустенита в количестве более 30%. Отпуск проводят двух- или трехкратный при температуре около 560°С. Во время часовой выдержки при указанной температуре происходит отпуск мартенсита, выделение из остаточного аустенита мелкодисперсных карбидов, снижение его устойчивости, а при охлаждении – образование дополнительных порций мартенсита.