Конструкционные легированные стали

 

Кроме углеродистых конструкционных сталей, рассмотренных в 5-й главе, в промышленности используются стали легированные. В связи с особенностями их химического состава, условиями их производства и поставки целесообразно их разделить на следующие группы:

строительные низколегированные стали;

автоматные стали;

конструкционные стали общего назначения, в том числе: цементуемые, улучшаемые, азотируемые;

высокопрочные стали;

пружинно-рессорные стали;

стали для шариковых (роликовых) подшипников;

стали литейные.

 

Строительные стали. Строительные стали можно разделить на две подгруппы: стали доля сварных металлоконструкций и арматурная для армирования железобетонных конструкций. Свариваемые строительные стали предназначены для изготовления конструкций мостов, ферм, котлов, газо- и нефтепроводов и т.д. Важнейшим отличительным свойством таких сталей является высокая технологичность сталей при сварке, или свариваемость.

Свариваемость стали определяется углеродным эквивалентом, который зависит в основном от содержания углерода. Для того чтобы стали хорошо сваривались, значение углеродного эквивалента не должно превышать 0,3 (Сэкв ≤0,3). В связи с этим содержание углерода в строительных сталях не должно бвть более 0,22 %.

Кроме углеродистых сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-94 и проката из качественной стали по ГОСТ 1050-88 (см. гл. 5), в качестве свариваемых строительных сталей используют малолегированные малоуглеродистые стали: 09Г2; 09Г2Д; 14Г2; 17ГС; 17Г1С; 09Г2С; 10Г2С1; 15ГФ; 14Г2АФ; 14Г2АФД; 16Г2АФ; 10Г2Б; 10ХСНД по ГОСТ 19281-89. Поставка сталей в горячекатанном и термически обработанном состоянии. Предел текучести, в зависимости от марки стали, не менее 290 - 390 МПа, при относительном удлинении не менее 21 - 19%.

В качестве арматурных сталей при изготовлении железобетонных конструкций чаще всего используют стали углеродистые обыкновенного качества по ГОСТ 380-94 (Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст5сп, Ст5пс). К недостаткам углеродистых свариваемых строительных сталей относят низкую хладностойкость, что приводит к снижению механических характеристик, особенно при эксплуатации их в Сибири и районах крайнего Севера. Повышение прочности и надежности при эксплуатации является проблемой, решаемой с помощью применения легированных сталей. Применяют низколегированные стали 18Г2С; 25Г2С; 35ГС; 80С по ГОСТ 5781-82. В зависимости от марки стали и применяемой технологии упрочнения легированные стали могут иметь предел текучести не менее 290 - 590 МПа, при относительном удлинении не менее 19 - 6%.

Автоматные стали. Обрабатываемость резанием характеризуется способностью получения высокой чистоты поверхности деталей при обработке режущими инструментами при высоких скоростях резания с минимальными усилиями, за счет исключения налипания на инструмент трудноломающейся длинной стружки. Автоматные стали специально созданы для изготовления массовых деталей, к материалу которых не предъявляется высоких требований по механическим свойствам, но которые должны с высокой степенью технологичности и высокой производительностью изготавливаться на металлорежущих станках-автоматах с высокими требованиями по размерам и чистоте поверхности. Такие стали используются, например, для крепежных деталей.

Автоматные стали созданы на основе введения в сталь присадок S, Se, Ca, Fe, Pb, которые приводят к образованию включений, способствующих получению легко ломающейся стружки. Введение в сталь этих элементов понижает конструктивную прочность сталей, уменьшает предел выносливости после цементации до 40 %. Углеродистые автоматные стали маркируют буквой «А» и цифрами, обозначающими содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30. При повышенном содержании Mn (до 1 %): А12Г. При введении других элементов они указываются буквами, например: АС11, АС14 – стали, содержащие свинец до 0,15 – 0,3 %. Для сохранения высоких механических свойств автоматные стали могут легироваться марганцем, кремнием, хромом, молибденом и др. В этом случае марки стали следующие: АС38Г2, АС30ХМ, АС38ХГМ. Их используют в деталях двигателей.

Кальций вводится в виде силикокальция, глобулирует сульфидные включения, что повышает обрабатываемость. Сера способствует образованию вытянутых вдоль направления прокатки сульфидов марганца, которые оказывают смазывающее действие, и нарушают сплошность металла в зоне резания, образуя короткую и ломкую структуру стружки. Стали с повышенным содержанием серы (0,08 – 0,3 %) обладают повышенной анизотропией механических свойств. Свинец, при содержании до 0,15 – 0,3 % повышает обрабатываемость резанием при средних и пониженных скоростях резания (до 100 об/мин).

 

Конструкционные стали общего назначения, в том числе: цементуемые, улучшаемые, азотируемые. Углеродистые стали для машиностроения и других отраслей промышленности используются только в тех случаях, если к материалу изделий не предъявляются высокие требования по механическим свойствам, а также для изготовления мелких деталей, что связано с малой прокаливаемостью углеродистых сталей. Высокий комплекс механических свойств может быть получен на сталях с оптимальной степенью легирования в зависимости от размеров изделия и ответственности изделия в процессе эксплуатации. Конструкционные легированные стали общего назначения, преимущественно, поставляются по ГОСТ 4543-88.

Для изготовления цементуемых и нитроцементуемых деталей используются малоуглеродистые (до 0,25% С) мало и среднелегированные стали. Легирование одним компонентом (например, хромом) позволяет применять после цементации закалку в масло против закалки в воде углеродистых сталей, что уменьшает коробление и устраняет опасность образования трещин (стали, 15Х, 20Х). Увеличение степени легирования хромом, а также дополнительное легирование никелем, молибденом, вольфрамом увеличивает прокаливаемость и позволяет получать после цементации, нитроцементации и окончательной термической обработки высокий комплекс механических свойств не только в поверхностном цементованном слое но и в сердцевине крупногабаритных изделий (стали 20ХН, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА). Легирование титаном уменьшает склонность к росту зерна стали при цементационном нагреве (стали 18ХГТ, 25ХГТ).

Улучшаемые стали - это стали, для которых основным методом упрочнения изделий по всему сечению является улучшение, т.е. закалка с высоким отпуском. После улучшения изделия по всему сечению имеют сочетание высоких прочностных (предел прочности, предел текучести) и пластических характеристик (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость). Создание высокопрочного состояния по всему сечению требует особого подхода к легированию для изделий с разными размерными характеристиками. Для изделий малых сечений в качестве улучшаемых сталей можно применять и углеродистые стали, например, 35, 40, 45, 50. Эти стали составляют первую группу улучшаемых сталей. Они прокаливаются насквозь при диаметре до 10 мм.

Вторую группу составляют хромистые стали (30Х, 40Х), у которых критический диаметр при закалке в масле составляет 15-20 мм. В третью группу входят стали типа 30ХМ, 35ХМА, 40ХГ, 30ХГТ, 30ХГС, у которых критический диаметр 20-25 мм. Четвертую группу составляют стали типа 40ХН, 40ХНМ Д_кр=35-40мм. К пятой группе относятся комплексно легированные стали, например, 38ХН3МФА, у которых Д_кр превышает 100 мм.

Азотируемые стали относятся к группе улучшаемых сталей, поскольку, они перед азотированием подвергаются предварительной термической обработке для упрочнения сердцевины. Однако они должны иметь способность к образованию высокопрочных нитридных слоев при насыщении поверхности изделия азотом. В этой связи азотируемые стали содержат, кроме хрома, молибден и алюминий (марки 38ХМЮА, 38ХЮА, 38Х2МЮА).

Высокопрочные стали. В группу высокопрочных сталей относят такие стали, гарантированный предел прочности которых превышает 1500 МПа. К этому классу относятся, например, комплексно легированные мартенситностареющие стали (МСС) и стали с пластичностью, наведенной превращением (ПНП-стали, трип-стали). МСС марки 03Н18К9М5Т - практически безуглеродистая сталь (0,03% С) после закалки с температуры 800 - 850 ˚С с охлаждением на воздухе получает структуру безуглеродистого мартенсита, а упрочняется (σ_в = 2000МПа, δ = 12%) в результате дисперсионного твердения распадающегося мартенсита за счет выделения дисперсных включений Ni₃Ti, Fe₂Mo и др. Такое явление называется старением мартенсита, а сталь в связи с этим - мартенситностареющей. Такие стали применяются в самолето- и ракетостроении, в криогенной технике и при повышенных температурах, вплоть до 450 ˚С.

ПНП стали - это стали аустенитного класса. Примером сталей является сталь марки 30Х9Н8М4Г2С2. После закалки от 1000-1100 ˚С сталь имеет аустенитную структуру, поскольку точка начала мартенситного превращения лежит ниже 0 ˚С. Последующая пластическая деформация при температурах 400 - 600 ˚С вызывает явления наклепа и выделение карбидов, что упрочняет сталь (σ_в = 1800 - 2000Мпа, δ ≥ 20%). Высокие значения относительного удлинения обусловлены тем, что деформация стали в шейке образца при растяжении вызывает развитие мартенситного превращения, упрочняющего металл в шейке, в результате чего шейка растягивающегося образца перемещается по длине образца до тех пор, пока не произойдет критической концентрации внутренних напряжений. А это оказывается возможным только после распространения зоны шейки через всю рабочую зону образца.

Область применения стали: детали авиаконструкций, броневой лист и др.

Пружинно-рессорные стали. Основным требованием к пружинно-рессорным сталям являются высокие значения пределов упругости, выносливости, ударной вязкости, что обеспечивается повышенным содержанием в стали углерода при умеренной степени легированности. В качестве пружинных сталей широко применяются углеродистые стали марок 65, 70, 75, 80, которые для достижения комплекса свойств, соответствующих пружинам, подвергаются специальной обработке - "патентированию", при котором процессы холодного волочения чередуются с изотермической обработкой на троостит. Такая обработка позволяет получать предел прочности на тонкой пружинной патентированной проволоке до 4000-5000МПа, что недостижимо на сталях никакими другими методами обработки. Ограничением применения такой проволоки или ленты является размерный фактор, поскольку проволока диаметром 1,0 мм уже может иметь предел прочности 2 - 3 раза ниже указанных предельных значений.

Пружины более крупных размеров, изготавливаемых методами горячей навивки, а также рессоры изготавливаются из легированных пружинных сталей 65Г, 55С2, 60С2А, 70С3, 50ХГА. Для клапанных пружин, работающих при повышенных температурах, используют сталь 50ХФА. Крупные тяжело нагруженные пружины изготавливают из сталей 60СХФА, 65С2ВА. Пружины холодной навивки из патентированной проволоки требуют проведения после навивки только низкотемпературного отпуска при температуре 300-320 ˚С, а после горячей навивки или гибки рессор требуется проведение упрочняющей термической обработки, состоящей из закалки и среднетемпературного отпуска при температурах 400-500 ˚С.

Стали для шариковых и роликовых подшипников. Стали для изготовления шарико- и роликоподшипников поставляется по ГОСТ 801-78. Основной маркой является сталь ШХ15. Кроме того, известна экономно легированная сталь ШХ4 для мелких сортаментов, и сталь для тяжелонагруженных подшипников ШХ15СГ. Все эти стали содержат, в среднем, 1,0% углерода, и хром в количестве, соответствующем цифре после буквы Х в десятых долях процента, т.е. 0,4% в стали ШХ4 и 1,5% в сталях ШХ15 и ШХ15СГ. Последняя сталь содержит также повышенное количество марганца (1%) и кремния (0,4 - 0,65%). Подшипники, работающие в агрессивных средах, изготавливаются из высокохромистой стали 95Х18 с 18% хрома.

Термическая обработка подшипниковых сталей состоит из закалки с температуры 830-840 ˚С с низкотемпературным отпуском при 160-200 ˚С. При этом достигается твердость не ниже HRC 62.

Инструментальные стали

 

Инструментальные стали следует различать по назначению: стали для измерительного инструмента, для режущего и штампового инструмента. При этом, в зависимости от условий эксплуатации, различные стали применяют для ручных инструментов с малой производительностью обработки, для дереворежущих, металлорежущих, для холодной штамповки и горячего деформирования. Отдельную группу инструментальных материалов составляют твердые сплавы с широким интервалом применения, в особо сложных условиях.

Легированные инструментальные стали преимущественно поставляются по ГОСТ 5950-73. Быстрорежущие высоколегированные стали поставляются по ГОСТ 19265-73.

 

Стали для измерительного инструмента. Измерительные инструменты должны обладать исключительно высокой износостойкостью, исключающей изменение размеров во время эксплуатации по причине износа. Они должны обладать структурной стабильностью, не допускающей изменение размеров по причине развивающихся фазовых и структурных изменений в процессе эксплуатации. Этим требованиям отвечают даже углеродистые инструментальные стали: У8 - У12. Однако применение закалки в воде таких сталей вызывает большие внутренние напряжения, что может приводить к короблению инструментов и, соответственно, к изменению их размеров, что для измерительных инструментов недопустимо.

Высокую размерную стабильность при высокой износостойкости можно получить на сталях ХВГ, ХГС, 9ХС. Термическая обработка включает закалку и низкотемпературный отпуск при 160-180 ˚С. Между закалкой и отпуском проводят обработку холодом при температуре от минус 70 до минус 196 ˚С. После шлифовки и полировки инструментов в требуемый размер проводят стабилизирующее старение при температуре 140-160 ˚С с выдержкой, не менее 12 - 24 часов.

Стали для режущих и штамповых инструментов. Стали для режущих и штамповых инструментов должны обладать высокой твердостью (не менее 60-62 HRC), износостойкостью и теплостойкостью. Различают инструментальные стали: нетеплостойкие, полутеплостойкие, и теплостойкие.

 

Таблица 6.2 - Химический состав, твердость и применение низколегированных инструментальных сталей

 

Марка стали	Содержание компонентов, %(масс)	Твердость, HRC	Применение стали
C	Si	Mn	Cr	V	W	Прочие
7ХФ	0,63-0,73	0,15-0,35	0,30-0,60	0,40-0,70	0,15-0,30	-	-	58-60	Деревообрабатывающие инструменты: топоры, пилы: ленточные, дисковые
ХВ4	1,25-1,45	0,15-0,35	0,15-0,40	0,40-0,70	0,15-0,30	3,50-4,30	-	62-67	Прошивные пуансоны, резцы чистового резания с небольшими скоростями, граверные работы
В2Ф	1,05-1,20	0,15-0,35	0,20-0,50	0,20-0,40	0,20-0,30	1,60-2,00	-	62-65	Ленточные пилы по металлу, ножовочные полотна
9ХС	0,85-0,95	1,20-1,60	0,30-0,60	0,95-1,25	-	-	-	58-62	Деревообрабатывающие инструменты: плашки, сверла, развертки, метчики, штемпели, клейма для холодных работ
ХВГ	0,90-1,05	0,15-0,35	0,80-1,00	0,90-1,20	-	1,20-1,60	-	58-63	Точные измерительные и режущие инструменты, резьбовые калибры, длинные протяжки, холодновысадочный инструмент, дереворежущий инструмент, ножи для бумажной промышленности

 

К нетеплостойким относятся стали углеродистые и малолегированные, с содержанием легирующих элементов в сумме не более 3 - 4%. К полутеплостойким относятся стали, легированные хромом с содержанием его от 4 до 18%. Теплостойкие стали - это высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт в суммарном количестве до 20-25%. Такие стали называются быстрорежущими.

Углеродистые стали в данном разделе не рассматриваются. К нетеплостойким низколегированным маркам относятся стали: 7ХФ; 8ХФ; 9ХФ; 11ХФ; 13Х; ХВ4; В2Ф; 9Х1; Х; 9ХС; ХГС; 12Х1; 9ХВГ; ХВГ; ХВСГ. В табл. 6.2. приведены сведения о некоторых марках низколегированных инструментальных сталей.

В качестве предварительной термической обработки используют изотермический отжиг при температурах, соответствующих по классификации неполному отжигу (750-800 ºС для разных марок), со ступенчатым режимом охлаждения с температурой ступени 620-700 ºС. Окончательная термическая обработка предусматривает закалку с низкотемпературным отпуском от 130-150 до 210-250 ºС. Температура отпуска определяется требуемой твердостью инструментов.

Стали для штампов холодного деформирования включают подгруппы:

высокохромистых сталей повышенной износостойкости: Х12; Х12ВМ; Х12Ь, Х12Ф1, Х6ВФ, 8Х6НФТ;

высокопрочных комплекснолегированных сталей повышенной теплостойкости: 8Х4В3М3Ф2, 8Х4В2С2МФ;

экономно легированных сталей с повышенной ударной вязкостью: 7ХГ2ВМ и 7Х3ВМФС. В табл. 5.3 приведены сведения о некоторых из указанных марок.

В качестве предварительной термической обработки сталей первой подгруппы используют изотермический отжиг при температурах, соответствующих по классификации неполному отжигу (830-870 ºС в зависимости от марки стали), со ступенчатым режимом охлаждения с температурой ступени 700-740 ºС. Окончательная термическая обработка предусматривает закалку с температур от 950-980 ºС для стали Х12 до 1030-1050 ºС для стали Х12Ф1 с отпуском при различных температурах от 180-200 до 400-420 ºС, в зависимости от требуемой твердости, соответственно, от HRC 60-62 до 57-58.

В ряде случаев, стали типа Х12 могут использоваться для изготовления штампов горячего деформирования. В этом случае их подвергают закалке с повышенных температур 1115-1130 ºС, в масло с последующим 3-5-кратным отпуском при температуре 500-520 ºС. При этом достигается твердость HRC 59-62 и высокий уровень теплостойкости.

Стали второй подгруппы (представитель 8Х4В3М3Ф2, в таблице 6.3) при окончательной термической обработке закаливаются с температуры 1155-1175ºС, в масло с трехкратным часовым отпуском при 550-560 ºС, что обеспечивает получение вторичной твердости HRC 60-61, достаточной теплостойкости, и позволяет использовать их для изготовления режущих инструментов при обработке дерева.

 

Таблица 6.3 - Химический состав, твердость и применение штамповых сталей для холодного деформирования

 

Марка стали	Содержание компонентов, %(масс)	Твердость, HRC	Применение стали
C	Si	Mn	Cr	V	W	Прочие
Х12	2,00-2,20	0,15-0,35	0,15-0,40	11,5-13,0	-	-	-	57-62	Матрицы и пуансоны: гибочных, формовочных, вырубных штампов
Х12Ф1	1,25-1,45	0,15-0,35	0,15-0,40	11,0-12,5	0,70-0,90	-	-	57-62	Матрицы и пуансоны: гибочных, формовочных, вырубных штампов при рабочих давлениях до 1400-1600 МПа
Х6ВФ	1,05-1,15	0,15-0,35	0,15-0,40	5,50-6,50	0,50-0,80	1,1-1,5	-	56-63	Резьбонакатные инструменты, ножовочные полотна, матрицы и пуансоны при рабочих давлениях до 1400-1600 МПа
8Х6НФТ	0,80-0,90	0,15-0,35	0,15-0,40	5,00-6,00	0,30-0,50	-	0,9-1,3 Ni 0,05-0,15 Ti	55-57	Деревообрабатывающие инструменты: ножи, строгальные пилы, фрезы
8Х4В3М3Ф2	0,75-0,85	0,15-0,40	0,15-0,40	3,50-4,50	1,90-2,50	2,5-3,2	Мо 2,50-3,00	60-61	Резьбонакатные инструменты, гильотинные ножницы, матрицы и пуансоны при рабочих давлениях до 2000-2100 МПа
7Х3ВМФС	0,65-0,73	0,80-1,10	0,30-0,60	2,50-3,20	0,80-1,10	1,3-1,7	Мо 0,50-0,80-	58-62	Резьбонакатные инструменты, матрицы и пуансоны при динамических нагрузках и рабочих давлениях до 1400-1600 МПа

 

Сталь 7Х3ВМФС с повышенной ударной вязкостью по свойствам практически не уступает более высоколегированным сталям, но значительно дешевле по причине меньшего содержания дефицитных дорогостоящих вольфрама, молибдена, ванадия.

Стали для штампов горячего деформирования должны удовлетворять сложным эксплуатационным требованиям. Они должны иметь высокую прочность. Штампы, особенно, молотовые, работают в условиях ударного приложения нагрузок, в связи с чем стали должны быть вязкими.

Контакт рабочей поверхности с деформируемой раскаленной заготовкой приводит к быстрому нагреву тонкого поверхностного слоя на рабочей фигуре штампа, который сменяется последующим быстрым охлаждением при нанесении на поверхность штампа смазочной жидкости, а также за счет теплотвода к относительно холодной сердцевине штампа.

Это вызывает усталостное термоциклическое разрушение поверхностного слоя (трещины разгара). Штампы, как правило являются массивными (сечение до полуметра и более), что требует большой прокаливаемости стали. Высокие значения вязкости сталей штампов для горячего деформирования обеспечиваются сравнительно невысоким содержанием углерода (чаще всего 0,4-0,6%), наличием в стали никеля, молибдена. Типичными представителями сталей для штампов горячего деформирования являются 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС, 3Х3М3Ф, 3Х2В8Ф и др.

Стали типа 5ХНМ, 5ХНВ высокой вязкости подвергаются закалке в масле с температуры 840-860 ºС, с последующим отпуском при 400-550 ºС, в результате чего достигается твердость штампа HRC 38-46, что обеспечивает надежную работу штампа в условиях эксплуатации.

Сталь 3Х2В8Ф является классической высоковольфрамовой штамповой сталью с высокой теплостойкостью, близкой теплостойкости быстрорежущих сталей. Термическая обработка этой стали заключается в закалке с температуры 1130-1150 ºС и отпуске при 640-660 ºС, после чего сталь имеет твердость HRC 42-46, что позволяет деформировать горячим деформированием легированные конструкционные стали, жаропрочные сплавы, использовать ее для прессформ литья под давлением сплавов на основе меди.

Быстрорежущие инструментальные стали относятся к высоколегированным сталям ледебуритного класса, в структуре которых при кристаллизации образуется значительное количество эвтектических карбидов легирующих элементов (хрома, вольфрама, молибдена), которые, с одной стороны, становятся фазовыми составляющими, затрудняющими получение однородного распределения легирующих элементов по сечению изготавливаемого инструмента, ухудшающими технологичность стали при обработке давлением, а, с другой, обеспечивающими высокую степень легирования твердых растворов (аустенита и мартенсита) за счет их растворения при температурах нагрева под закалку, а также позволяющими сохранять очень мелкозернистое строение стали и высокий комплекс ее механических свойств. Главное достоинство быстрорежущих сталей - ее высокая теплостойкость (красностойкость), т.е. способность сохранять высокую твердость и стойкость режущей кромки инструментов при нагреве вплоть до 600 ºС. Это обеспечивает высокую стойкость режущего инструмента в условиях высокоскоростных и высокопроизводительных процессов резания.

Основной классической маркой быстрорежущей стали является сталь Р18, которая в своем составе содержит около 1% углерода, 4% хрома, 18% вольфрама, 1-1,4% ванадия. Режущий инструмент (резцы, сверла, фрезы, зенкеры, метчики и др.) подвергается закалке путем ступенчатого нагрева до температуры 1260 - 1280 ºС, с охлаждением в масле с последующим трехкратным часовым отпуском при температуре 560 ºС. Твердость инструмента HRC 62-65.

Стали быстрорежущие поставляются по ГОСТ 19265-73. Стандарт содержит ряд марок быстрорежущей стали, в том числе с меньшим содержанием вольфрама Р9, Р12, стали с заменой части вольфрама молибденом Р6М5, Р6М3, Р8М3, с дополнительным легированием ванадием, кобальтом: Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, Р10Ф5К5 и др.

Все эти стали обладают высокой твердостью, износостойкостью, теплостойкостью (красностойкостью), не уступающими или превышающими аналогичные показатели для классической стали Р18.

При оценке режущей стойкости быстрорежущих сталей в процессах резания проявляется влияние множества факторов, влияющих на стойкость, но не связанных непосредственно с качеством инструментального материала. Нами разработана номограмма (рисунок 6.5), определяющая комплексную характеристику стойкости (Модуль стойкости М), который определяется только качественными показателями материала инструмента, в том числе его структурного состояния и механических свойств (предел прочности при изгибе, твердость и теплостойкость, выражающаяся твердостью после четырехчасового нагрева до температуры 625 ˚С) после окончательной термической обработки.

На номограмме светлыми линиями показана методика пользования предлагаемой номограммой. Ее использование требует определения на образцах твердости стали после окончательной термической обработки, предела прочности стали при испытании образцов на изгиб, выразив его в МПа, а также количественной характеристики теплостойкости, выраженной твердостью HRC, измеренной на образцах, которые после окончательной термической обработки дополнительно были нагреты на температуру 625 ˚С и выдержаны в течение 4-х часов.

За единицу модуля стойкости принята стойкость режущего инструмента, имеющего после окончательной термической обработки твердость 63 ед.HRC, предел прочности при изгибе 2500 МПа и теплостойкость 58 HRC. На номограмме это соответствует центральной точке на пересечении главных линий.

Для определения модуля стойкости инструментов, характеризующихся иными свойствами на нижней шкале номограммы следует отметить соответствующую твердость стали, провести вертикальную линию до пересечения с линией соответствующей пределу прочности при изгибе (например, 3000 МПа), затем от полученной точки пересечения - горизонтальную линию до основной линии теплостойкости (HRC 58) и поднять ее (или, соответственно, опустить) до реального значения теплостойкости (например, HRC 61). Точка пересечения определяет на оси ординат значение модуля стойкости (в примере, М=2,4). Это означает, что стойкость инструмента со свойствами, указанными в примере в 2,4 раза выше, чем для инструмента, стойкость которого принята за единицу.

 

Рисунок 6.5. Номограмма определения стойкости режущего инструмента по его свойствам. Светлыми линиями показан пример пользования номограммой

 

Металлокерамические твердые сплавы не относятся к классу сталей, но являются одними из наиболее высокопроизводительных режущих материалов. Согласно действующей классификации, режущие твердые сплавы относятся к спеченным порошковым материалам. Они состоят из карбидов вольфрама, титана и тантала, спеченных на кобальтовой связке. Для получения твердых сплавов порошки карбидов смешиваются в определенной пропорции с порошком кобальта. Из смеси порошков в прессформах формуются пластинки или изделия заданной формы, которые затем спекаются в среде водорода или в вакууме при температурах 1500-2000 ºС.

Твердые сплавы могут быть вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые. Вольфрамовые твердые сплавы имеют марки ВК3, ВК6, ВК8, ВК10. Цифры в марках обозначают процентное содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама. Теплостойкость твердых сплавов типа ВК выше теплостойкости быстрорежущей стали, и составляет 800 ºС. Двухкарбидные твердые сплавы состоят из карбидов вольфрама, карбидов титана и кобальта. В марке Т15К6 15% - содержание карбида титана, 6% - содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама. Теплостойкость этого сплава 900-1000 ºС. Представителем трехкарбидного твердого сплава является ТТ7К12, где 7%- суммарное содержание карбидов тантала и титана, 12% - содержание кобальта, остальное - карбиды вольфрама. Этот сплав имеет наиболее высокую теплостойкость порядка 1000 ºС, повышенную прочность и сопротивляемость к выкрашиванию. Применяется при черновой обдирке стальных слитков, поковок, литья, когда требуются наиболее высокий комплекс свойств режущего инструмента.

В машиностроении в настоящее время широкое применение находят материалы, созданные на основе нитридов бора, нитридов кремния, искусственных алмазов, которые в основном применяют при чистовом точении с высокими скоростями и малыми подачами, поскольку при высокой стойкости этих материалов к износу, они обладают повышенной хрупкостью и не могут выдерживать значительных динамических нагрузок.