Лабораторная работа № 9. Изучение зависимости между структурой и свойствами инструментальных сталей

 

Цель работы: изучение влияния легирующих элементов на фазовый состав, структуру и свойства инструментальных сталей.

 

9.1 Общие положения

 

Легированные стали классифицируют по четырем признакам: по равновесной структуре, получаемой после отжига; по структуре после охлаждения на воздухе; по назначению; по составу.

По равновесной структуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные, ферритные и аустенитные. Большинство легирующих элементов сдвигают точки S и E на диаграмме состояния «железо-цементит» влево (в сторону меньшего содержания углерода), поэтому границы между вышеуказанными сталями находятся при меньшем содержании углерода по сравнению с углеродистыми сталями. Инструментальные стали по структуре после отжига, как правило, относятся к перлитному или ледебуритному классу.

По структуре после охлаждения на воздухе различают три основных класса сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный. Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного – более значительным, аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов. Получение указанных классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения снижается.

По назначению инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, штампового, мерительного инструмента.

Одной из важных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость). Теплостойкость – это способность сталей сохранять свою исходную твердость, а следовательно, износостойкость при нагреве в процессе работы. Это свойство особенно важно для материалов, идущих на изготовление режущего инструмента, работающего при повышенных и высоких скоростях резания. С увеличением скорости резания, сечения стружки, твердости обрабатываемого материала количество выделяемого тепла возрастает, а следовательно, и повышается температура режущей кромки (температура достигает до 700 ^оС). Если под действием этой температуры сталь не размягчается, инструмент долгое время сохраняет износостойкость и высокие режущие свойства.

Инструментальные стали по теплостойкости делятся на три группы:

1) не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3–4 % легирующих элементов);

2) полутеплостойкие (содержащие более 0,6–0,7 % С и 4–18 % Cr);

3) теплостойкие (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, V, Mo, Co, получившие название быстрорежущие).

Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью. Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).

По назначению различают следующие группы инструментальных сталей: для режущего инструмента, для мерительного инструмента, для штампов холодного деформирования и для штампов горячего деформирования.

Стали, не обладающие теплостойкостью пониженной прокаливаемости

В эту группу входят углеродистые стали, а также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые по своей прокаливаемости незначительно отличаются от углеродистых. Прокаливаемость таких сталей низка. Закалка их производится в воде. Это следует учитывать при выборе конструкции инструмента. Закалка в воде вызывает коробление и часто приводит к образованию трещин, особенно если инструмент имеет острые углы, резкие переходы сечений.

Полная прокаливаемость углеродистых сталей в воде достигается в сечении не более 10–12 мм. Необходимо отметить, что прокаливаемость сталей этой группы очень непостоянная. Отдельные плавки одной и той же марки могут различаться по прокаливаемости в 5 и более раз.

У7 – доэвтектоидная сталь – закалка производится путем нагрева выше линии Ас₃.

Стали У8, У9 – эвтектоидные.

В закаленном состоянии У7, У8, У9 имеют структуру мартенсита.

Температура закалки заэвтектоидных сталей У10–У13 лежит между линиями Ас₁-Ас₃. После закалки имеют структуру мартенсита и цементита вторичного. Твердость после закалки и низкого отпуска (~200 ^оС) –                     60–62 HRC.

Область применения

У7–У8 – для инструмента, подвергающегося ударам (зубила, клейма, матрицы, пуансоны, топоры и т. д.).

У9-У10 – для инструмента, не подвергающегося сильным ударам (сверла, метчики, развертки, мерительный инструмент, ножи для резки бумаги, кож).

У11-У13 – для инструментов с максимальной износостойкостью при наивысшей твердости, например, резцы, напильники, мерительный инструмент, хирургический инструмент и т. д.

К легированным сталям пониженной прокаливаемости относятся Х05, Х06, 65ХФ, 85ХФ. Небольшое содержание Cr в данных сталях устраняет склонность к графитизации, образованию мягких пятен. Эти стали применяются для тех же назначений, что и стали У9-У13. Стали, содержащие Cr и V, – мелкозернистые и вязкие, используются преимущественно для деревообрабатывающего инструмента.

Перед обработкой резанием стали подвергаются отжигу.

 

Стали, не обладающие теплостойкостью повышенной прокаливаемости

Эти стали содержат до 4 % легирующих элементов. Инструмент из таких сталей закаливается в масле и прокаливается, как правило, насквозь. Меньшая скорость охлаждения при закалке уменьшает опасность образования трещин, деформации и коробления. Легированные стали повышенной прокаливаемости можно разделить на три группы:

1) стали, содержащие» 1,5 % Cr (Х) и дополнительно легированные кремнием(9ХС). Недостатком стали 9ХС является склонность к обезуглероживанию. Si и Cr повышают критические точки, поэтому кремнистые стали приходится нагревать под закалку до более высоких температур, при которых быстрее протекают процессы обезуглероживания.

Для получения заданной твердости стали, легированной Cr, а особенно Cr и Si, ее следует отпускать при более высоких температурах, чем углеродистой. Это значит, что разогрев режущей кромки инструмента в работе менее опасен для стали 9ХС, чем для стали Х или У10.

С целью улучшения обработки резанием заготовки из стали Х подвергаются неполному отжигу (770–800 ^оС) на зернистый перлит (рисунок 9.1, а), а затем, после механической обработки, неполной закалке в масле с последующим низким отпуском. После термообработки изделия имеют структуру мартенсита отпуска (рисунок 9.1, б) с включениями цементита. Твердость составляет 61–63 HRC. Стали Х и 9ХС применяются для режущего инструмента, работающего в легких условиях (ручные сверла, развертки, плашки) и изготовления штампов для холодной штамповки;

2) стали, имеющие повышенное содержание марганца (0,45–0,7 % – ХГ; 0,8–1,0 % – ХВГ). Это приводит к уменьшению деформации. Стали данной группы деформируются в значительной степени меньше, чем углеродистые и стали первой группы. Применяются для изготовления инструмента, для которого не допускается деформация (длинные протяжки, мерительный инструмент);

3) высокотвердые стали В1, ХВ5, легированные вольфрамом.
Сталь ХВ5 называется алмазной. Стали этой группы можно закаливать и в воде, и в масле. В процессе закалки твердость может достигать 70 HRC. Более высокие температуры закалки данных сталей, по сравнению с углеродистыми, являются результатом повышения критических точек при легировании Cr, W, Si, а также следствием более медленного растворения карбидов. Высокая твердость этих сталей используется при обработке очень твердых материалов, например, камней.

 

а)                                                          б)

           

 

а – отжиг на зернистый перлит; б – неполная закалка и низкий отпуск

 

Рисунок 9.1 – Микроструктура стали Х

 

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали, в отличие от других инструментальных сталей, обладают высокой теплостойкостью, т. е. способностью сохранять свою структуру (мартенсит), высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах при нагреве до 600–620 ^оС. Поэтому применение быстрорежущих сталей позволяет значительно повысить скорость резания (в 2–4 раза) и стойкость инструментов (в 10–30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Основным легирующим элементом быстрорежущих сталей, обеспечивающим их теплостойкость, является W (или его химический аналог Мо). Теплостойкость улучшается в присутствии Cr, V, а также Со.

При кристаллизации сплава выделяются три вида карбидов – первичные (входящие в состав ледебурита), вторичные и карбиды, входящие в состав эвтектоида, образующегося в процессе распада аустенита на линии PSK. В быстрорежущих сталях ледебурит имеет скелетообразный вид, где пластины карбидов чередуются с пластинами аустенита.

Карбиды в легированных сталях делятся на две группы. К первой группе относятся карбиды типов Ме₃С, Ме₂₃С₇, Ме₇С₃ и Ме₆С. Эти карбиды имеют сложную решетку и образуются такими элементами, как Fe, Mn, Cr. Типичный представитель данной группы – цементит. Характерной особенностью карбидов этой группы является их сравнительная легкая растворимость в аустените при нагреве.

Ко второй группе относятся карбиды типов МеС и Ме₂С. Карбиды второй группы образуют такие элементы, как Мо, W, Nb, Zr, Ti. Они являются фазами внедрения с простой кристаллической решеткой. Карбиды первой группы при нагреве легко растворяются в аустените, а второй – трудно. Вследствие этого при нагреве под закалку они могут не перейти в твердый раствор и тормозят рост зерна аустенита.

Классической быстрорежущей сталью считается сталь Р18. Она содержит 0,7 % углерода, 18 % вольфрама, 4 % хрома, 1 % ванадия. Как и все быстрорежущие стали, относится к ледебуритному классу.

Наличие легирующих элементов сдвигает все точки диаграммы «железо-цементит» далеко влево (точка S – 0,2–0,3 % углерода, а точка Е –
0,6 %). Таким образом, при содержании 0,7 % углерода в структуре быстрорежущих сталей появляется ледебурит. В процессе первичной и вторичной кристаллизации стали выделяются специальные карбиды W₆С. Первичные карбиды входят в состав эвтектики (ледебурита). Вторичные карбиды W₆С_II выделяются (ниже линии SЕ вместо цементита углеродистых сталей) вследствие снижения растворимости углерода в аустените при уменьшении температуры. При температуре, примерно равной 800 ^оС (линия РSК), аустенит испытывает эвтектоидное превращение, распадаясь на смесь феррита и карбидов W₆С. Структура стали Р18 после различных видов обработки приведена на рисунке 9.2.

 

 а)                                    б)                                      в)

 

а – литое состояние (ледебуритная эвтектика); б – ковка и отжиг; в – закалка и трехкратный
отпуск

 

Рисунок 9.2 – Микроструктура быстрорежущей стали Р18

 

Типовая термическая обработка изделий из быстрорежущих сталей заключается в полной закалке и низком отпуске. Высокая температура закалки (1280 ^оС) необходима для растворения вторичных карбидов (W₆C_II) и получения высоколегированного, высокоуглеродистого аустенита, из которого при последующем охлаждении в масле образуется высоколегированный мартенсит, обладающий высокой теплостойкостью. Высокая теплостойкость объясняется тем, что атомы вольфрама, переходя при закалке из кристаллической решетки аустенита в решетку мартенсита, сильно искажают ее.

Возросшая энергия связи затрудняет диффузию углерода из кристалла мартенсита и тем самым препятствует распаду мартенсита до температур 600–620 ^оС (задерживает третье превращение при отпуске).

Первичные карбиды при нагреве под закалку практически не растворяются и препятствуют росту аустенитного зерна. После закалки сталь состоит из мелкоигольчатого мартенсита, первичных карбидов (W₆C_I) и
30–35 % аустенита остаточного. С целью разложения аустенита остаточного, снижающего режущие свойства инструмента, проводится трехкратный низкий отпуск при 560–580 ^оС. Высокая температура низкого отпуска необходима для обеспечения протекания первого и второго превращений при отпуске в связи с затруднением диффузии углерода из искаженных вольфрамом кристаллов мартенсита и аустенита. После закалки и отпуска структура состоит из мелкоигольчатого высоколегированного мартенсита отпуска и карбидов (W₆C_I).

Термическую обработку быстрорежущих сталей можно вести по двум режимам: закалка и трехкратный отпуск; закалка, обработка холодом и однократный отпуск. Второй режим дешевле и свойства лучше.

 

Штамповые стали

 

Для обработки металлов давлением используются штампы, пуансоны, ролики. Стали, применяемые для изготовления этих инструментов, называются штамповыми. Они делятся на две группы: для изготовления инструмента, деформирующего металл в холодном состоянии; для изготовления инструмента, деформирующего металл в горячем состоянии.

 

Стали для деформирования в холодном состоянии

 

От такого типа сталей требуются высокая твердость, обеспечивающая стойкость против истирания, и достаточная вязкость, особенно при изготовлении пуансонов.

Инструмент для деформирования металла в холодном состоянии имеет твердость» 58–60 HRC, а в ряде случаев – до 62 HRC. Для этого применяют стали с содержанием углерода не менее 1 %. Термическая обработка заключается в закалке и низком отпуске.

Для штампов небольших размеров простой конфигурации, работающих в сравнительно легких условиях, применяются стали У10, У11, У12 (прокаливаемость мала); для штампов сложной конфигурации и более тяжелых условий работы – легированные стали, закаливающиеся в масле Х (ШХ15).

 

Штамповые стали для деформирования в горячем состоянии

Cтали, применяемые для изготовления штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать жаропрочностью, красностойкостью, термостойкостью, прокаливаемостью, стойкостью против отпускной хрупкости.

Многие штампы имеют большие размеры, поэтому сталь для их изготовления должна обладать высокой прокаливаемостью. Это обеспечивает высокие механические свойства по всему сечению штампа.

Деформирование металла сопровождается ударными воздействиями, поэтому металл штампов должен обладать известной вязкостью, особенно при штамповке на молотах.

Так как штампы больших размеров быстро охладить практически невозможно, а отпускная хрупкость появляется при медленном охлаждении, то сталь должна быть минимально чувствительна к этому пороку.

Крупные ковочные штампы, испытывающие повышенные ударные и изгибочные нагрузки, а также инструмент ковочных машин и прессов, нагревающихся не выше 500–550 ºС при умеренных нагрузках, изготовляют из полутеплостойких сталей 5ХНМ, 5ХГМ, обладающих повышенной вязкостью. Присутствие в стали молибдена или вольфрама повышает теплостойкость, прокаливаемость и уменьшает склонность к обратимой отпускной хрупкости.

Среднегруженный инструмент, работающий с разогревом поверхности до температуры 600 ºС, а также инструмент с большой поверхностью, работающий при 400–500 ºС, изготовляют из сталей 4Х5В2ФС, 4Х5В4ФМС. Из них изготовляют выталкиватели для неглубоких отверстий, матрицы, различные вставки, инструмент для штамповки труднодеформированных металлов, пресс-форм для литья под давлением алюминиевых сплавов и т. д. Эти стали теплостойки, мало чувствительны к резкой смене температур, обладают повышенной окалиностойкостью, устойчивы против корродирующего действия жидкого алюминия и обладают высокой прочностью при хорошей вязкости.

Типовая термообработка инструментальных сталей представлена в таблице 9.1.

Для изготовления тяжелонагруженного инструмента, работающего при температурах 600–700 ºС, применяют стали повышенной теплостойкости 3Х2В8, 4Х2В5ФМ. Это прошивные пуансоны, выталкиватели для глубоких отверстий, пресс-формы для литья под давлением медных сплавов.

 

Таблица 9.1 – Типовая термообработка инструментальных сталей

Содержание углерода, %		Марка стали	Назначение изделий	Характерные свойства изделий	Вид закалки	Структура после закалки	Вид отпуска	Структура после отпуска
Инструментальные
доэвтек-тоидные	для горячей штамповки	3Х2В8Ф, 5ХНМ, 5ХГР, 4Х5В2ФС	Техоснастка для горячей штамповки (tраб ≈ 400 0С и более)	Высокие механические свойства при tраб	Полная	М	Средний (Траб = = Тотп)	Тотп
	для холодной штамповки	6ХС, У7, 6ХВ2С, 7ХГ2ВМ	Техоснастка для холодной штамповки при ударных нагрузках	Высокая твердость и прочность при повышенной вязкости инструментов	Полная	М + +Аост	Низкий	Мотп
заэвтектоидные		9ХС, Х, ХГ, ХГР, У12, В1	Режущий, мерительный, штамповый инструмент для холодной штамповки	Высокая твердость	Неполная	М + + ЦII + + Аост	Низкий	Мотп + + ЦII

 

 

Контрольные вопросы

 

1 Изучить типовую термообработку конструкционных и инструментальных сталей, получаемые структуры и свойства.

2 Объяснить явление повышенной красностойкости быстрорежущих сталей.

3 Изложить особенности термообработки быстрорежущих сталей, получаемые структуры и свойства.

 

Задание

 

1 Изучить влияние легирующих элементов на стойкость переохлажденного аустенита, мартенситное превращение, превращения при отпуске; классификацию и маркировку сталей.

2 Изучить структуры предложенных шлифов, зарисовать и указать структурные составляющие, фазы, прогнозировать свойства.