Как закалить сталь р18

Обновлено: 28.04.2024

В настоящей работе изучалось влияние температуры и степени деформации на структуру и свойства быстрорежущей стали Р18 (0,74% С, 0,23% Мn; 0,25% Si; 4,12% Сr; 17,63% W; 1,11% V; 0,024% S; 0,017% Р).

После деформации свободной ковкой со степенями 25,50 и 75% были получены образцы 7,5×7,5×90 мм. Аустенизацию проводили при 1275 °С, а пластическую деформацию — при 900, 1000, 1100, 1200 и 1275 °С. До температур деформации образцы подстуживали в камерной печи, затем деформировали одним ударом и немедленно закаливали в масле.

Трехкратный отпуск проводили при 560 °С. Определяли предел прочности на изгиб, стрелу прогиба на базе 60 мм и твердость, а также — по стандартной методике — красностойкость при 600, 620, 640, 660 °С.

Рис.1. Влияние степени деформации на предел прочности при изгибе. Цифры у кривых обозначают температуру деформации.

На рис. 1 показано изменение предела прочности в зависимости от степени и температуры деформации. Эффект высокотемпературной термомеханической обработки наблюдается при температурах деформации 1200-1100 °С и деформации 25%. При деформации 50 и 75% мелкие микротрещины развиваются в видимые макротрещины, что снижает прочность. После ВТМО по режиму: аустенизация при 1275 °С, деформация 25% при 1100 °С, немедленная закалка и трехкратный отпуск при 560 °С 1 ч были получены значения σиз в среднем 440 кГ/мм 2 . Данные показывают, что после исследованных режимов обработки значения стрелы прогиба мало изменяются (1,5-2 мм). С понижением температуры деформации до 1100 °С предел прочности повышается, но дальнейшее понижение температуры деформации приводит к снижению прочности, очевидно, из-за интенсивного выделения и коагуляции карбидной фазы (рис. 2).

Рис.2. Влияние температуры деформации на предел прочности при ε=25%.

Степень деформации в % Температура деформации в °С HRC после нагрева при температуре в °С
600 620 640 660
0 1275 61,5 57 50 44
1200 59 55 48 42
1100 56 51 46 41
1000 56 51 44 40
900 56 51 44 40
25 1275 60 56 50 45
1200 58 54 48 42
1100 56 51 46 41
1000 55 50 44 41
900 53 46 44 41
50 1275 60 56 50 44
1200 58 54 48 42
1100 56 52 46 41
1000 55 51 45 41
900 53 46 41 40
75 1275 59 56 48 44
1200 58 54 48 42
1100 56 52 46 41
1000 55 51 45 41
900 53 46 41 40

Деформация аустенита при высокой температуре ускоряет образование и коагуляцию карбидной фазы (рис. 3), что способствует обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами и, следовательно, понижает красностойкость (см. таблицу).

Изменение степени обжатия при высокотемпературной термомеханической обработке почти не влияет на твердость стали Р18, однако понижение температуры деформации уменьшает твердость.

Микроструктура стали Р18 после ВТМО и трехкратного отпуска

Рис.3. Микроструктура стали Р18 после ВТМО и трехкратного отпуска при 560 °С (×350): температура деформации 1100 °С: а) ε=0%; б) ε = 25%; в) ε=50%; г) ε=75%.

Влияние различных режимов высокотемпературной термомеханической обработки на механические свойства быстрорежущей стали следует связывать прежде всего с изменениями в тонком строении стали, а также с карбидообразованием и перераспределением легирующих элементов между α-твердым раствором и карбидной фазой.

ВТМО при всестороннем сжатии позволяет повысить стойкость инструментов из стали Р18 на 40-50% [1]. Сталь P18 была подвергнута ВТМО со степенями деформации 25, 50, 75% при 1100 °С без предварительной аустенизации при 1275 °C. После такой обработки предел прочности повысился на 40% (с 253 до 364 кГ/мм 2 ), а стрела прогиба и красностойкость не изменились по сравнению с этими же характеристиками после стандартной обработки (закалка от 1275 °С и последующий трехкратный отпуск при 560 °С).

Выводы. 1. После высокотемпературной термомеханической обработки быстрорежущей стали Р18 по оптимальному режиму предел прочности при изгибе равен 440 кГ/мм 2 , а после стандартной обработки 250 кГ/мм 2 .
2. Понижение температуры деформации приводит к обеднению твердого раствора углеродом и легирующими элементами, способствует выделению и коагуляции карбидной фазы и резко снижает красностойкость.
3. Высокотемпературная термомеханическая обработка с деформацией при 1100 °С на 25% без предварительной аустенитизации при 1275 °С повышает предел прочности на 40%; стрела прогиба остается неизменной по сравнению со стандартной обработкой
4. ВТМО не повышает красностойкость стали Р18.

Термообработка Р18

Закалка производится при температуре 1280°С в масле. Во избежание обезуглероживания и окисления нагрев лучше проводить в соляных печах-ваннах. Продолжительность выдержки в таких ваннах при закалочной температуре должна быть минимально необходимой. Ориентировочно она устанавливается из расчета 8—9 с на 1 мм наименьшей толщины или диаметра инструмента.

Мы заботимся о наших клиентах и предлагаем следующий комплекс услуг:

  • производим отгрузку малотоннажными партиями;
  • производим комплектацию сборных вагонов (до 50 наименований);
  • осуществляем отгрузку на экспорт;
  • ответхранение

Термообработка стали Р18

tисп, 0 С σВ, Мпа KCU, Дж/м2 HRCэ
Закалка 1280 °С, масло. Отпуск трехкратный по 1 ч.
400 1370 23 61
500 1470 19 63
550 2350 17 66
600 2210 65

Твёрдость быстрореза Р18 после термообработки

Твердость Температура, °С
после отжига после закалки с отпуском HRC3 (HRC), не менее закалки отпуска
НВ, неболее диаметр отпечатка, мм, не менее
255 3,8 63(62) 1270 560

Быстрорежущую сталь применяют для разнообразных инструментов, работающих при высоких скоростях резания (резцов, сверл, фрез и др.). Основное преимущество быстрорежущей стали заключается в том, что она обладает красностойкостью, т. е. не теряет твердость при больших скоростях резания, когда режущая кромка инструмента разогревается до 600 °С. При этом в темноте становится заметным ее свечение темно-карсным цветом. Наибольшее распространение на заводах получили три марки быстрорежущей стали: Р9, Р12 и Р18. Наряду с ними применяют стали, в которых дорогостоящий вольфрам частично заменен молибденом, кобальтом и др.: Р9Ф5, Р9К5, Р6М5 и др. Буква Р в обозначении марки стали взята из слова rapid (рапид), что в переводе с английского означает быстрый.

Стали Р9 и Р18 по красностойкости примерно равноценны. Сталь Р18 дороже, так как она содержит 18% W, в то время как в стали Р9 содержание его вдвое меньше. Однако сталь Р9 сложнее в обработке, или, как говорят, менее технологична: она склонна к обезуглероживанию, перегреву и хуже шлифуется.

Сталь Р12 при одинаковой по сравнению со сталью Р18 теплостойкости и шлифуемости в то же время обладает меньшей карбидной неоднородностью и более высокой пластичностью. К тому же она обеспечивает значительную экономию вольфрама (30%).

В связи с высокой стоимостью быстрорежущей стали инструмент с размером более 10 мм в сечении экономически более выгодно изготовлять сварным: режущую часть — из быстрорежущей стали, а хвостовую, т. е. державку, — из углеродистой стали 40—45 или низколегированной 40Х. Обе части соединяются с помощью стыковой сварки.

Быстрорежущая сталь относится к высоколегированным сталям, и потому после прокатки или ковки охлаждение ее даже на спокойном воздухе вызывает повышение твердости. Это затрудняет обработку резанием при изготовлении инструментов. Для снижения твердости и подготовки структуры к закалке проводят отжиг. Хорошие результаты дает изотермический отжиг, который по сравнению с обычным требует меньше времени и в то же время позволяет получить более однородную структуру.

Температура закалки стали Р9 составляет 1220— 1240°С, а стали Р18 — 1270— 1290°С. При закалке инструментов сравнительно простой формы, таких как резцы, устанавливают температуру ближе к верхнему пределу, а при закалке фасонного инструмента — ближе к нижнему. Хотя указанная температура значительно выше критических точек для данных сталей, однако такой высокий нагрев необходим для более полного растворения карбидов в аустените. Благодаря этому аустенит насыщается легирующими элементами, без чего не могут быть получены необходимые свойства после закалки.

Быстрорежущая сталь имеет низкую теплопроводность, поэтому во избежание трещин инструмент сравнительно небольших размеров и несложной формы, как, например, резцы, плашки и др., вначале подогревают в одной печи до 800 °С, а затем переносят в другую печь, где происходит окончательный нагрев до закалочной температуры. Инструмент сложной формы с размерами сечения более 30 мм следует подогревать 2 раза; первый — до температуры 400—600°С, а второй — до 800 °С.

Во избежание обезуглероживания и окисления нагрев лучше проводить в соляных печах-ваннах. Продолжительность выдержки в таких ваннах при закалочной температуре должна быть минимально необходимой. Ориентировочно она устанавливается из расчета 8—9 с на 1 мм наименьшей толщины или диаметра инструмента.

Для закалки инструментов из быстрорежущей стали применяют следующие способы:

1) охлаждение в масле до 150—200 °С и дальнейшее охлаждение на спокойном воздухе; во избежание трещин можно перед погружением инструмента в масло подстуживать его на воздухе до 900—1000 °С; этому соответствует оранжевый цвет излучения;

2) охлаждение в струе вентиляторного воздуха; применяется для мелкого инструмента;

3) охлаждение в селитряной ванне с температурой 450—500 °С и последующее охлаждение на воздухе; применяется для инструмента сложной формы (фрез, протяжек), при этом уменьшается коробление.

Действенным средством по предупреждению трещин и уменьшению коробления является так называемая высокоступенчатая закалка. Она представляет собой ступенчатую закалку в ванне с температурой, повышенной по сравнению с обычной (600—675 °С). Выдержка в такой ванне дается до 30 мин.

Для удаления с поверхности инструмента соли и масла, остающихся после закалки, проводится промывка в водном растворе каустической соды, а для предотвращения ржавления после такой промывки — пассивирование путем обработки в горячем растворе нитрита натрия с добавкой кальцинированной соды.

После закалки в быстрорежущей стали получается много остаточного аустенита: в стали Р9 — 30—35%, а в стали Р18 — 25—30%. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит и повышения твердости стали применяют трехкратный отпуск. Продолжительность каждого отпуска 45—60 мин, температура 550—570°С. После закалки твердость получается в пределах HRC 61—63, а после отпуска — HRC 63—65.

Температура нагрева под закалку должна быть выдержана с максимально возможной точностью. Если был допущен незначительный перегрев, то образуется повышенное количество остаточного аустенита, и твердость окажется пониженной. Для получения нормальной твердости можно осторожно повысить температуру отпуска. Если же был допущен недогрев, то это выявится в повышенной твердости после закалки. Если после отпуска твердость будет понижаться, то это подтверждает недогрев, и инструмент надо перезакалить. Перед повторной закалкой обязательно следует проводить отжиг. Этим ни в коем случае нельзя пренебрегать, иначе инструмент после окончательной термической обработки будет хрупким, а стойкость его снизится в несколько раз.

Термическая обработка стали Р6М5 имеет некоторые особенности. Продолжительность нагрева под закалку (1230°С) должна быть на 25% больше, чем для стали Р18, при этом необходимо принимать меры по защите от обезуглероживания путем раскисления ванн бурой или фтористым магнием. Режим отпуска: 1-й — при 350 °С, 2-й и 3-й — при 560—570 °С по 1 ч. Для инструментов, работающих без ударной нагрузки, с целью повышения твердости и теплостойкости рекомендуется 2—3-кратный отпуск при 540—550 °С.

Термическую обработку сварного инструмента необходимо проводить с таким расчетом, чтобы при переходе от рабочей части к месту стыка с хвостовиком твердость плавно снижалась до HRC 50—55. Это нужно для уменьшения хрупкости в месте сварки. С этой целью инструмент загружают в ванну так, чтобы место сварки не доходило до зеркала ванны на 15—20 мм. Рабочую часть и хвостовик закаливают раздельно.

Для повышения стойкости и антикоррозионных свойств инструмента проводят дополнительно цианирование и обработку паром. Цианирование проводят низкотемпературное жидкостное или газовое на слой глубиной 0,01—0,03 мм. Стойкость цианированного инструмента повышается в 1,5—2 раза.

Обработка паром создает на поверхности инструмента тонкую (2—5 мкм) пленку окиси железа Fe3O4. В результате этого предотвращается приваривание стружки к поверхности инструмента, повышается стойкость его на 25—30% и улучшается внешний вид: поверхность приобретает красивый темно-синий цвет.

Обработка паром может быть проведена в герметически закрывающейся шахтной печи типа цементационной. Ее можно совместить с отпуском. При отпуске в атмосфере пара очищенный сухой инструмент в корзинах загружают в печь с температурой 350—370 °С и выдерживают в течение примерно 1 ч до полного прогрева садки. После этого для вытеснения воздуха в печь подается сухой пар, перегретый до 300—400 °С. Спустя 20— 30 мин, температуру печи повышают до рабочей (550— 570 °С) и дают обычную при таком отпуске выдержку (45—60 мин). Давление пара поддерживается избыточное (в пределах 0,1—0,3 ат). Это предотвращает подсос воздуха в печь.

Для получения стабильных высоких свойств при термической обработке режущего инструмента, а также для обеспечения высокой производительности на отечественных заводах внедряются полуавтоматические и полностью автоматизированные агрегаты непрерывного действия.

Сталь Р18 инструментальная быстрорежущая

Буква «Р» означает, что сталь является быстрорежущей.
Цифра 18 после буквы «Р» указывает среднее содержание вольфрама в процентах, т.е. для стали Р18 содержание вольфрама 18%.

Вид поставки

Характеристики и описание

Быстрорежущая сталь Р18 появилась на рубеже XIX-XX веков (изобретатели Ф. Тейлор и А. Уайт). Сталь Р18 характеризуется следующими свойствами:

  • Вязкость — хорошая,
  • Сопротивление износу — хорошее,
  • Шлифуемость — повышенная
  • Красностойкость 59HRCэ при отпуске в течении 4ч, °C — 620

Кроме того сталь Р18 характеризуется пониженной склонностью к перегреву при закалке.

В отожженном виде структура стали Р18 состоит из &alfa;-твердого раствора и карбидов. Все легирующие элементы (Cr, W, Mo, V). Основными карбидами в быстрорежущей стали являются карбиды М6С, МС, М23С6 и М3С приблизительно одинакового для всех сталей состава (смотри таблицу ниже).

Состав карбидов в быстрорежущей инструментальной стали Р18

В зависимости от состава стали, в первую очередь соотношение (W + Mo)/V меняется и соотношение М6С/МС. В стали Р18 почти нет карбида МС. Кроме этих
карбидов в отдельных случаях могут присутствовать в небольшом количестве карбиды M23C6, М3С, карбид М2С выделяется при отпуске.

B связи с дефицитом вольфрама в 70-х годах прошлого века сталь Р18 начали заменять на сталь марки Р6М5.

Назначение и применение

Быстрорежущая сталь Р18 применяется при изготовлении деталей и всех видов режущего инструмента для обработки конструкционных сталей с прочностью до 1000 МПа, от которых требуется сохранение режущих свойств при нагревании во время работы до 600 °С, например:

  • резцы,
  • сверла,
  • фрезы,
  • резьбовые фрезы,
  • долбяки,
  • развертки,
  • венкеры,
  • метчики,
  • протяжки

Температура критических точек, °С

Химический состав (ГОСТ 19265-73)

Марка стали Массовая доля элемента, %
углерода марганца кремния хрома вольфрама ванадия кобальта молибдена никеля меди серы фосфора азота ниобия
не более
Р18 0,73-0,83 0,20-0,50 0,20-0,50 3,80-4,40 17,00-18,50 1,00-1,40 Не более 0,50 Не более 1,00 0,6 0,25 0,030 0,030

Термообработка (закалка)

Для придания быстрорежущей стали наилучших режущих свойств необходимо перевести наибольшее количество легирующих элементов из карбидов в металлическую основу, в твердый раствор. Это осуществляется при нагреве под закалку.

Перлитно-аустенитное превращение при нагреве стали Р18 происходит при 780-820°С. Так как в перлите содержится 0,1-0,2% углерода, то закалка после такого нагрева приводит к получению малоуглеродистого мартенсита с низкой твердостью: HRC 45-50.

Рекомендуется следующий режим закалки стали Р18:

  • скорость нагрева vср = 50-100 °C/c (индукционный нагрев);
  • температура нагрева 1280-1320 °C
  • охлаждение в масле или на воздухе

Температурные режимы термической обработки инструмента из стали Р18

Закалка
температура, °C Твердость
HRC
количество
аустенита, %
1270-1290 62-64 25
Отпуск
температура, °C число отпусков Твердость
HRC
560 3 63-65

Твердость стали Р18 (ГОСТ 19265-73)

Твердость стали Р18 в отожженном состоянии, твердость образцов после закалки и отпуска, температура закалки и отпуска должны соответствовать значениям, указанным в таблице ниже.

Марка стали Твердость Температура, °C
после отжига после закалки с отпуском HRC3 (HRC), не менее закалки отпуска
НВ, не более диаметр отпечатка, мм, не менее
Р18 255 3,8 63(62) 1270 560

Механические свойства стали в состоянии поставки (после отжига) при 20 °С (ГСССД 9-79)

Механические свойства стали в термообработанном состоянии (ГСССД 9-79)

σ0,05, МПа σв, МПа σсж0,2, МПа σсж, МПа τк, МПа σизг, МПа КСU, Дж/см 2
2480(70) 2150(110) 3060(90) 3820(120) 1880(100) 3000(200) 30(3)

Механические свойства стали в состоянии поставки (после отжига) при повышенных температурах (ГСССД 9-79)

tисп, °С σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ % σсж, МПа τк, МПа KCU, Дж/см 2 Твердость НВ
200 450(50) 830(80) 13(2) 22(4) 1050(50) 520(30) 227(6)
400 420(40) 700(70) 15(2) 22(4) 850(50) 450(30) 210(6)
600 300(40) 480(50) 31(3) 55(6) 620(20) 300(20) 140(6)
800 110(20) 200(20) 60(5) 70(6) 100(20) 100(20) 30(4)
1000 90(20) 100(20) 42(4) 55(6) 50(10) 50(10) 100(10) 24(4)
1100 130(15)
1200 30(10) 30(10) 12(3) 25(5) 40(10) 40(10) 45(5) 4(1)

Механические свойства стали в термообработанном состоянии при повышенных температурах (ГСССД 9-79)

tисп °С σизг, МПа Твердость tисп °С σизг, МПа Твердость
HV HRCэ HV HRCэ
200 3570(180) 815(10) 64 550 3060(150) 661(10) 58
400 3730(180) 755(10) 62 600 2430(120) 615(10) 56
500 3290(160) 712(10) 60 650 2180(110) 504(10) 51

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

tотп, °С σв, МПа KCU,
Дж/см 2
Твердость
HRCэ
400 1370 23 61
500 1470 19 63
550 2350 17 66
600 2210 65

ПРИМЕЧАНИЕ. Закалка с 1280 °С в масле; отпуск трехкратный по 1 ч.

Технологические свойства

Температура ковки, °С: начала 1200, конца 900. Охлаждение в колодцах при 750-800 °С.

Свариваемость — хорошая при стыковой электросварке со сталями 45 и 40Х.

Обрабатываемость — Kv тв.спл = 0,6 и Kv б.ст = 0,3 резанием при НВ 212-228.

Сталь 95Х18 коррозионно-стойкая мартенситного класса

Закалка с 1010-1070 °C в масле или на воздухе и последующий низкий отпуск при 150-370 °C.

При контроле закаливаемости рекомендуется температура закалки 1050°C и 150-200 °C для стали 95X18. Для полного смягчения стали (~220 HB) рекомендуется отжиг при 880-920 °C с замедленным охлаждением (скорость охлаждения 25 °C/ч), для улучшения обрабатываемости при точении рекомендуется отжиг при 730-760 °C. Следует избегать отпуска при 450-600 °C, а также нагрева при закалке выше 1065 °C, вызывающего рост зерна, так как в обоих случаях наблюдается снижение ударной вязкости. [1]

Влияние температуры закалки на свойства стали 95X18

tзак, °C Остаточный
аустенит γ, %
Твердость
HRC
Диаметр
аустенитного
зерна, мкм
Содержание
хрома в
твердом
растворе, %
900 >1 47 18 9,5
1000 55 16
1050 17 58 40 11,0
1100 32 55 12,2
1150 76 40 35
1200 33 42
1250 93 26 63 16,4

Влияние продолжительности отпуска при 200 °C на твердость сортовой стали 95X18 после закалки с 1040-1060 °C [6]

Продолжительность отпуска, ч Твердость HRC
0 57,5
1 55,5
1,5 55
2 54
3 53

Влияние температуры отпуска на свойства стали 95X18 (закалка с 1040 °C) [1]

tзак, °C Остаточный
аустенит γ, %
Твердость
HRC
140 15 56
300 12 51

Механические свойства прутков стали 95X18 после различных режимов отжига и закалки [1]

Режим
термической
обработки
Твердость HB σв, Н/мм 2 σ0.2, Н/мм 2 δ5 % ψ, %
Закалка с
1010-1065 °C в масле,
охлаждение на воздухе
60-62 HRC
Закалка и отпуск
при 150-379 °C
55-60 HRC
Неполный отжиг
при 730-790 °C,
2-6 ч
22-27 HRC ≥880 ≥770 ≥12
Полный отжиг
при 885-920 °C,
1-2 ч
215-240 ≥770 ≥420 ≥12 ≥30

Механические свойства

Состояние поставки σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ, % KCU, Дж/см 2 Твердость HRCэ
не менее
Закалка с 1000-1050 °C
в масле; отпуск при
200-300 °C,
охл. на воздухе или в масле
Св. 56
Пруток. Полный отжиг
при 885-920 °C, 1-2 ч
420 770 15 30
Пруток. Неполный отжиг
при 730-790 °C, 2-6 ч
770 880 12 25 24-29
Подогрев 850-860 °C;
закалка с 1000-1070 °C
в масле или на воздухе;
обработка холодом при 70-80 °C;
отпуск при 150-160 °C,
охл. на воздухе
1980-2300 63 Св. 5

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска [3]

Механические свойства при повышенных температурах [3]

ПРИМЕЧАНИЕ. Закалка с 1050 °C в масле; обработка холодом при -70 °C; отпуск при 400 °C.

Предел выносливости [5]

Термообработка σ-1, МПа
Закалка с 1050 °C в масле;
отпуск при 150 °C;
твердость HRCэ 61
960

Механические свойства по ТУ [5]

Вид
полуфабриката
ТУ Состояние
полуфабриката
или контрольных
образцов
НВ
dотпмм
не менее
Прутки
горячекатаные
ТУ 14-1-377-72 Отпущенные
или
отожженные
3,7

Механические свойства при комнатной температуре [5]

Вид полуфабриката Состояние σ0,2 σв δ ψ HRC
кгс/мм 2 %
Прутки Термически
обработанные
по режиму:
закалка с
1010-11б5 °C
в масле или
на воздухе
60-62
Термически
обработанные
по режиму:
закалка с
1010-1065 °C
и отпуск при
150-370 °C
190 200 2 10 55-60

ПРИМЕЧАНИЕ. После отпуска в интервале температур 450-600 °C сталь обладает наименьшим сопротивлением удару. Нагрев под закалку выше 1060°C вызывает рост зерна и снижает вязкость стали.

Жаростойкость [5]

Сталь устойчива против окисления в воздушной среде при температурах до 800°C.

Коэффициент термического линейного расширения [5]

Температура °C αx10 6 1/град
20-100 11,8
20-200 12,3
20-300 12,7
20-400 13,1
20-500 13,4
Температура °C αx10 6 1/град *
100-200 12,8
200-300 13,6
300-400 14,4
400-500 14,6

* После термической обработки по режиму: закалка с 1050°C (выдержка 45 мин) в масле, отпуск при 425°C (выдержка 1 час), охлаждение на воздухе.

Читайте также: