Термообработка легированных инструментальных сталей
Обновлено: 05.05.2024
Различные свойства и прокаливаемость отдельных марок и даже плавок инструментальной стали должны учитываться при назначении режима обработки (условий нагрева, продолжительности выдержки и условий охлаждения) разных инструментов, в том числе изготовляемых из одной и той же марки стали. Поэтому ниже приводится режим обработки более широко применяемых типов инструмента: сверл, метчиков, плашек, фрез, зенкеров и разверток.
Сверла. Сверлам надо сообщать сквозную закалку по сечению, для того чтобы перемычка сверла получила закалку по всей длине рабочей части; поскольку перемычка сверла от конца постепенно утолщается, то глубина закаленного слоя должна быть не менее половины толщины перемычки на расстоянии 100 мм от конца сверла. Следовательно, при изготовлении и обработке сверл надо:
1) для мелких сверл применять углеродистую сталь с более высоким баллом по прокаливаемости, отвечающим № 2 и 3 согласно табл. 14;
2) для сверл более крупного диаметра применять легированную сталь (табл. 6), как более глубоко прокаливающуюся;
3) при нагреве для закалки сообщать инструменту выдержку, обеспечивающую его полный прогрев по сечению. Для определения продолжительности выдержки сверл различного диаметра можно применять нормы скорости прогрева, указанные в табл. 34.
Наиболее целесообразно вести нагрев сверл в свинцовой или соляной ванне, как дающих быстрый и равномерный нагрев и позволяющих сообщить высокую твердость рабочей части сверла без закалки хвостовика.
При нагреве в печи не следует укладывать сверла непосредственно на подине во избежание их неравномерного нагрева. Лучше всего устанавливать сверла вертикально в подставках из огнеупорного кирпича; в этом случае сверла помещают хвостовиком в специальных углублениях, сделанных в подставке, а рабочей частью кверху. Такой способ установки сверл позволяет создать более равномерный нагрев рабочей части и избежать закалки хвостовика на излишне высокую твердость.
Для уменьшения поводки сверл при закалке надо:
1) нагревать их в ванне или печи в вертикальном положении;
2) охлаждать мелкие сверла диаметром до 10 мм под «утюгом», для чего их укладывают в закалочном баке на гладкую покатую плиту, по которой сверла прокатывают несколько раз специальным катком (утюгом); однако еще лучшие результаты дает охлаждение сверл в горячих средах по способу изотермической закалки;
3) крупные сверла погружать в масло в вертикальном положении и вынимать их для правки еще горячими.
Сверла из углеродистой стали погружают при закалке в воду или до полного охлаждения или при необходимости правки — до температуры 120—150°
Метчики. В метчиках, в отличие от сверл, нет необходимости получать сквозную закалку по всему сечению, так как рабочей частью метчика является его поверхностный слой. Более того, процесс закалки метчиков надо построить таким образом, чтобы получить требуемую твердость на поверхности и сохранить не-закалившимися и вязкими нижележащие слои и сердцевину.
Сохранение вязкой сердцевины повышает стойкость метчика в работе, предохраняя от поломки при толчках и перекосах, и облегчает правку метчика. Кроме того выполнение несквозной закалки позволяет уменьшить деформацию и избежать значительного изменения в шаге нарезки. При сквозной закалке по всему объему стали образуется структура мартенсита, имеющего наибольший удельный объем, в то время как при несквозной закалке эти изменения происходят только в поверхностном слое, и общие объемные и линейные изменения оказываются меньше.
Опыт показывает, что при сквозной закалке метчики диаметром до 20—25 мм дают растяжение шага; при уменьшении глубины закалки растяжение шага уменьшается.
По этим соображениям при изготовлении и обработке метчиков надо:
1) при выборе углеродистой стали применять плавки с меньшей прокаливаемостью, отвечающие № 1 для мелких метчиков диаметром до 20 мм и № 2 для более крупных метчиков, согласно указаниям табл. 14. Это требование позволяет изготовлять также и крупные метчики из углеродистой стали — в отличие от сверл, штампового инструмента и т. д.;
2) температуру нагрева при закалке назначать по нижнему пределу температур, указанных в табл. 33;
3) продолжительность выдержки при закалке устанавливать небольшую, необходимую главным образом для прогрева поверхностного слоя (перьев). Для сокращения выдержки нагрев метчиков производят в свинцовой или в соляной ванне. Электрическая или пламенная печь дает более глубокий прогрев, так как выдержка инструмента в ней должна быть соответственно большей;
4) охлаждение метчиков из углеродистой стали надо вести с замочкой в воде на 4—8 сек. и с передачей их затем в масло. При таком способе охлаждения поверхность получает требуемую твердость, а сердцевина метчика остается незакалившейся и вязкой, что, наряду с уменьшением деформаций наружного закаленного слоя, предохраняет от образования трещин;
5) метчики диаметром до 10 мм для предохранения от поломок в работе охлаждать в масле; после отпуска при 160—180° продолжительностью 2 часа они получают твердость 58—62Rс.
Для уменьшения деформации шага метчиков применяют также и следующие способы обработки:
1) метчики, изготовленные из стали 9ХС, 9ХВГ и др., охлаждают в расплавленной соли с рабочей температурой 150—170°; этот способ позволяет получать сравнительно постоянные изменения в размерах даже в различных партиях метчиков и заранее учесть эти изменения при механической обработке, а, следовательно, изготовлять метчики с коррелированным шагом
2) после черновой механической обработки метчики проходят предварительную закалку и высокий отпуск по режиму, указанному в табл. 19, что наряду с улучшением обрабатываемости стали позволяет понизить деформацию при окончательной закалке; структура сорбита, образующаяся после закалки и высокого отпуска, обладает большим удельным объемом, чем структура перлита в отожженных заготовках, и, следовательно, процесс превращения сорбит-мартенсит вызовет при окончательной закалке меньшие объемные изменения, чем при превращении перлит-мартенсит.
Плашки. Режущие кромки плашек расположены ближе к сердцевине прутка; для изготовления плашек надо отбирать прутки, имеющие минимальную ликвацию и усадочную рыхлость и с карбидным баллом 1—2.
Для устранения поломок плашек в работе необходимо, чтобы перемычки плашки сохраняли максимальную вязкость. Поэтому выдержки при нагреве плашек должны быть короткими, аналогично тому, как это применяют для метчиков. Поскольку плашки имеют резкие переходы в сечении, то для предохранения от образования трещин следует избегать быстрого нагрева и резкого охлаждения их при закалке.
По этим соображениям:
1) лучшей средой для (нагрева плашек является соляная, а не свинцовая ванна; при необходимости нагрева плашек в свинцовой ванне их следует сначала подогреть до 300—400° и лишь затем передать в свинцовую ванну;
2) крупные плашки надо охлаждать в горячих средах: плашки из углеродистой стали — в горячем масле при 150—170°; а плашки из легированной стали — в расплавленных солях при 180—200°; охлаждение вести в клещах-патронах, оставляющих открытыми режущую часть, и закрытыми — цилиндрическую;
3) перемычки с резкими переходами надо перед нагревом для закалки изолировать асбестом; в ряде случаев достаточно изолировать одну перемычку;
4) отпуск плашек надо производить более длительный для снятия большей части образующихся при закалке остаточных напряжений; продолжительность отпуска при температурах, указанных на стр. 138, должна составлять 3—5 час.
Фрезы. Фрезы сложной конфигурации (цилиндрические, дисковые и т. п.) надо нагревать медленно. Если окончательный нагрев ведут в соляной или свинцовой ванне, то фрезы надо сначала подогреть при 300—400°. Выдержка ори нагреве должна обеспечить сквозной прогрев фрез, особенно насадных (с внутренним отверстием), так как охлаждение их происходит почти одинаково интенсивно как с наружной, так и с внутренней стороны. При недостаточном прогреве могут возникнуть в процессе охлаждения значительные и неравномерные напряжения, вызывающие образование трещин.
Зенкеры и развертки. Зенкеры и развертки нагревают по такому же режиму, как и метчики. При охлаждении разверток необходимо предохранять их от значительной деформации. Поэтому лучшей средой для охлаждения разверток являются нагретое масло или легкоплавкие соли с температурой 150—170°
Некоторое отличие представляет закалка ступенчатых разверток, имеющих по длине разные диаметры рабочей части с резкими переходами. При погружении всей развертки сразу в воду или в масло в местах переходов могут возникнуть трещины. Кроме того, ввиду различных условий отдачи тепла твердость в тонких и в толстых частях развертки будет разной.
Для предотвращения образования трещин и получения более однородной твердости ступенчатые развертки охлаждают постепенно: сначала погружают в воду более тонкую часть, через 2—3 сек. развертку опускают ниже и погружают среднюю часть, а затем уже погружают всю рабочую часть развертки.
В табл. 35—39 приводится режим термической обработки в виде типовых технологических карт для основных марок легированной и углеродистой стали, применяемых для изготовления режущего инструмента: 9ХС, X, 9ХВГ, У12 и У10.
В этих таблицах дан режим закалки и отпуска следующих типов инструмента:
4) фрезы, дисковые модульные с небольшой поводкой при закалке,
5) круглые плашки.
Термическая обработка хвостовой части. Хвостовая часть многих типов инструмента не подвергается обработке. Если, однако, в работе наблюдаются случаи скручивания и недостаточной прочности хвостика, то его подвергают закалке и отпуску.
Для того чтобы- эта обработка не вызвала изменения в твердости и в структуре и не создала окисления режущей части, ее выполняют до закалки и отпуска последней и, кроме того, нагрев для закалки хвостовика производят в свинцовой ванне, а нагрев для отпуска — в соляной ванне с минимальной выдержкой.
Если режущая часть и хвостовик изготовлены из одной стали, то хвостовик нагревают до температуры, установленной для закалки режущей части. Если же хвостовик изготовлен из стали 40, 45 или 40Х, то температура нагрева должна составлять 820—830 °. Поскольку при изгибе и скручивании основную нагрузку воспринимает поверхностный слой изделия, то закалка хвостовика может быть несквозной.
Температура нагрева хвостовика гари отпуске должна составлять 350—400°, для небольших хвостовиков температуру нагрева можно устанавливать в пределах 300—350°. Продолжительность отпуска составляет 5—10 мин.
Основные марки и категории инструментальных сталей
В его состав стали могут входить различные легирующие добавки — марганец, свинец, хром, никель, фосфор и другие. Главной функцией легирующих добавок является улучшение свойства материала — повышение прочности, снижение коррозийного потенциала, улучшение электропроводности. Особое положение занимают так называемые инструментальные стали, из которых делают различные детали и инструменты (топоры, иголки, зубила, кувалды, молотки и так далее). Но какими физико-химическими особенностями обладают инструментальные стали? Как их производят? И какие существует основные марки таких сталей?
Основные особенности
Инструментальная сталь — это такая сталь, в состав которой входит не менее 0,7% углерода. В ее состав могут входить и некоторые другие легирующие компоненты (свинец, хром, алюминий, никель, фосфор). Однако их содержание в большинстве случаев невелико — менее 0,1%. Так как инструментальные стали содержат повышенное количество углерода, их очень часто называют углеродистыми. Подобное терминологическое словоупотребление не совсем корректно с точки зрения ГОСТ, однако обыкновенные люди часто используют такое название на бытовом уровне.
- Качественные сплавы. Главный критерий — низкое содержание серы (до 0,03%) и фосфора (до 0,035%). Низкая концентрация легирующих веществ делает сплав твердым и прочным. Детали из этого сплава не ломаются, не деформируются, сохраняют форму при ударе и нагреве. Качественные сплавы не имеют специальной маркировки в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения стали.
- Высококачественные сплавы. Главный критерий — сверхнизкое содержание серы (до 0,02%) и фосфора (до 0,03%). По физико-химическим свойствами высококачественные сплавы повторяют просто качественные. Но за счет более низкого содержания легирующих добавок высококачественные сплавы обладают более высокой прочностью, не ржавеют, не гнутся при нагреве и так далее. Высококачественные сплавы имеют специальную маркировку в виде буквы А в конце буквенно-числового обозначения марки стали.
Сплав инструментальных сталей высокопрочный. Поэтому из него часто делают различные инструменты. Это молотки, отвертки, пилы, оборудование для механических или электронных устройств. За счет прочности сплава инструменты сохраняют свою форму даже при длительной эксплуатации. Чистые инструментальные сплавы обладают пониженными антикоррозийными свойствами, поэтому в состав многих сплавов добавляют легирующие добавки, снижающие коррозийную активность материала. В качестве легирующих добавок применяют хром, вольфрам, алюминий и другие вещества.
Виды углеродистой стали
- Инструментальные углеродистые стали стандартного типа. Отличаются средним или высоким содержанием углерода (более 0,7%) и низким содержанием легирующих добавок (суммарно менее 1%). Обладают неплохими физическими свойствами — высокая прочность, устойчивость при ударе или деформации, химическая инертность, низкий коррозийный потенциал. Применяются для изготовления ручных, механических и электронных инструментов.
- Легированные. По составу похожи на предыдущую марку, однако содержат повышенное количество легирующих добавок. Содержание легирующих веществ от 1 до 20%. В качестве дополнительных компонентов чаще всего выступают хром или вольфрам. Эти добавки улучшают антикоррозийные свойства материала, что хорошо сказывается на сроке годности деталей. Также в металл могут вноситься и другие добавки — алюминий, марганец, кремний, медь, азот, кобальт, бор, никель. Их назначение — увеличение пластичности, повышение прочности, снижение электрического потенциала, снижение магнитных свойств.
- Быстрорежущие. Представляет собой особую разновидность легированного сплава, который прошел специальную финальную обработку. Основные легирующие добавки — углерод (0,7-1,5%), хром (3-4%), вольфрам (0-18%), молибден (0,5-6%), кобальт (0-9%). Материал обладает высокой прочностью и прекрасно сохраняет форму при физической деформации, ударе или высокотемпературном нагреве. Поэтому из него делают различное режущие оборудование — дисковые пилы, ножи, лезвия, хирургические инструменты. Материал проходит многократную закалку, отпуск, что усложняет его производство, увеличивает себестоимость.
- Валковые. Материал содержит ряд легирующих добавок (алюминий, кремний, ванадий), улучшающих прочность и пластичность металла. Валковую сталь обычно выплавляют в виде длинных пластин или листов, которые потом нарезаются на нужные детали. Сфера применения — изготовление опорных, прокатных, листовых валков. Также из валковых материалов делают небольшие плоские инструменты для резки металла — обрезные матрицы, пуансоны, ножи, рамные пилы. На финальном этапе обработки материал может проходить отпуск или закалку в цехах для улучшения физических свойств металла.
- Штамповые. Материал содержит среднее количество углерода (от 0,7 до 1,5%) и небольшое количество легирующих добавок (алюминий, хром, никель, марганец). Главное отличие материала заключается в том, что на финальном этапе выплавки материал проходит штамповку. Это обуславливает ряд физических свойств материала — повышенная устойчивость, минимальный риск образования трещин, высокая теплопроводность, устойчивость к образованию окалины. На этапе выплавки материал отличается высокой вязкостью, однако после застывания он становится прочным и однородным. Высокая вязкость при нагреве позволяет упростить процедуру штамповки, а также улучшает теплопроводность металла после остывания.
Марки и категории
Различают множество категорий инструментальных сталей — У7, У7А, У8, У8ГА, У9 и другие. Самые используемые материалы марок У7А, У8, У8А и У9, поскольку они отличаются высокой прочностью, устойчивостью к нагреву, не деформируются при ударе. Марки У10 и выше также отличаются хорошей прочностью, однако они становятся пластичными при длительном контакте с высокими температурами, что снижает их универсальность. Основные марки инструментальных сталей:
| Категория | Марки | Физические особенности |
| Углеродистая, стандартная | У7, У7А | Марки отличаются хорошей прочностью, низкой электропроводностью, низким риском коррозии. Подходят для производства деревообрабатывающих инструментов — топоры, стамески, долота. Также могут применяться для изготовления зубил, иголок, плоскогубцев, кусачек, молотков, ручных пил, крючков. |
| Углеродистая, повышенной прочности | У8, У9 + подвиды | Марки обладают повышенной прочностью, но хуже переносят локальный или общий нагрев. Поэтому их используют для производства деревообрабатывающего оборудования — топоры, стамески, станковое оборудование, пилы, ролики. Также могут применяться для производства мелких деталей, которые не будут подвергаться нагреву — запчасти для часов, иголки, крючки, заклепки, гвозди, болты, шурупы. |
| Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, с легирующими добавками или без них | У10, У11 + подвиды | Марки хорошо выдерживают деформацию и локальный нагрев до невысоких температур, отличаются пониженным риском коррозии. Легирующие добавки могут улучшать физические свойства марок (устойчивость к нагреву, пониженный риск коррозии, повышенная пластичность). Основные запчасти — сверла, ленточные пилы, фрезы, ролики, шаберы, напильники. Некоторые марки применяются для изготовления медицинского оборудования, деталей для электронных инструментов. |
| Углеродистая, повышенной или стандартной прочности, без легирующих добавок | У12, У12А | Марки относятся к категории грубых сталей, отличающихся пониженным классом точности. Сфера применения — производство прочных запчастей или деталей, которые не будут нагреваться до средних, высоких температур. Примеры запчастей — резцы, молотки, топоры, ручные пилы, напильники. |
| Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, без легирующих добавок | У13, У13А | Марки относят к группе грубых сталей, которые становятся пластичными при нагреве. Обладают пониженным классом точности, поэтому эти марки используют для производства ручных обрабатывающих инструментов. Примеры — напильники, лезвия, надфили, инструменты для гравировки, хирургическое оборудование. |
Особенности закалки, отжига
- В первой ванне температура находится в пределах от 400 до 550 градусов. Металл сперва помещаются в эту ванну на срок не более 1 часа.
- После равномерного обогрева запчасти деталь переносят в другую соляную ванну, где температура будет на 200-300 градусов выше.
- После нагрева деталь вновь переносят в третью ванну, где температура составляет 1250-1300 градусов. В этой ванне проходит финальная закалка металла.
Ступенчатая закалка позволяет равномерно распределить мартенсит, аустенит по всему материалу, что благоприятно сказывается на его физических свойствах. Чтобы расплавить часть аустенита, нужно выполнить финальный отпуск в ванне, температура которой составляет не более 550 градусов. Отпуск рекомендуется повторять хотя бы 3 раза, чтобы снизить количество аустенита ниже критического уровня. Для дополнительной закалки можно также применять технологию обработки холодом. Для этого закаленный металл следует поместить в емкость с жидким материалом, температура которого составляет от -100 до -50 градусов. Низкотемпературная закалка выполняется в один этап, повторная закалка не требуется, что связано с особенностью расплава аустенита при низких температурах.
Несколько слов о маркировке
Все инструментальные стали имеют специальное буквенно-числовое обозначение. По ГОСТ этот код должен наноситься на все упаковки со стальными деталями, а в ряде случаев обозначение должно наноситься и на саму деталь. В случае транспортировки детали на территорию другого государства маркировка наносится в обязательном порядке. Также должны быть учтены государственные стандарты принимающей сторон. Скажем, государство может потребовать, чтобы помимо отечественной маркировки на нее наносился дополнительный код, соответствующий национальному законодательству.
Код ГОСТ имеет следующую структуру: X1 X2 Y Z. Расшифровка будет такой:
- X1 — этот показатель отражает высокое содержание углерода в сплаве. Переменная X1 может принимать только одно значение — символ У. Так как инструментальные сплавы содержат повышенное количество углерода, то этот символ указывается всегда. Поэтому по факту у всех инструментальных сплавов код начинает с символа У.
- X2 — этот показатель отражает концентрацию углерода в десятых долях процента. Минимальное значение, которое может принимать инструментальная сталь, равно 7 (что ясно из определения этой стальной марки). Формально значение X2 не ограничено, однако по факту содержание углерода в инструментальных сплавах редко составляет более 1,2%. Поэтому обычно переменная X2 находится в пределах от 7 до 12.
- Y — этот показатель указывает на наличие легирующих добавок. Основная легирующая добавка — это марганец, из-за которой переменная может принимать значение Г. В качестве легирующих веществ могут также использоваться хром (символ X), вольфрам (символ В) и другие. Обратите внимание, что при отсутствии легирующих добавок переменная Y будет отсутствовать.
- Z — этот показатель указывает на категорию сплава (качественная или высококачественная). Если сплав является высококачественным, то ставится буква А. Если сплав является просто качественным, то какие-либо символы не ставятся.
- Скажем, у нас имеется деталь марки У8ГА. Символы У и 8 означают, что в состав материала входит повышенное содержание углерода, а точная концентрация углерода составляет 0,8%. Буква Г указывается на то, что в сплаве содержится марганец. Буква отражает тот факт, что сталь является высококачественной.
- Теперь рассмотрим другой пример. У нас имеется сплав с маркировкой У12. Символы У и 12 указывают на то, что в составе сплава содержит углерод в концентрации 1,2%. Переменная Y отсутствует — это значит, что материал не содержит легирующие добавки в значительных количествах. Также у сплава нет буквы А в конце кода — это значит, что материал относится к категории качественных (но не высококачественных).
Заключение
Углеродистые инструментальные стали — стальной сплав, который содержит не менее 0,7% углерода. Материал обладает хорошими физическими свойствами — высокая прочность, хорошая пластичность, низкий риск коррозии, сохранение формы при ударе. Сплав обладает простой выплавкой, что хорошо сказывается на себестоимости материала. Чтобы улучшить свойства металла, в него добавляют различные легирующие добавки — хром, вольфрам, кобальт, алюминий и другие.
Сера и фосфор ухудшают физические свойства материала, поэтому их содержание должно составлять менее 0,03% для серы и менее 0,035% для фосфор. Если металл содержит до 0,02% серы и до 0,03% фосфора, то его называют высококачественным. Из инструментальных углеродистых сплавов делают различные инструменты — молотки, пилы, ролики, отвертки, кусачки и так далее. В зависимости от состава и способов обработки различают несколько категорий стали. Основные типы — стандартная сталь, легированная, быстрорежущая, валковая, штамповая. Популярные марки — У7А, У8, У8А, У9. По ГОСТ инструментальные сплавы должны иметь специальную маркировку в виде буквенно-числового кода.
Инструментальная легированная сталь
Легированные стали для режущего и измерительного инструмента. По характеру легирования, свойствам и областям применения стали можно разделить на две группы:
1) небольшой прокаливаемости (7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 13Х, ХВ4, ХВ5);
2) повышенной прокаливаемости (9Х, X, 9ХС, ХГС, 12X1, 9ХВГ, ХВГ, ХВСГ).
Химический состав легированных инструментальных сталей приведен в ГОСТ 5950-2000 .
Стали, входящие в первую группу, по устойчивости переохлажденного аустенита незначительно превосходят углеродистые стали У7-У13, но благодаря легированию хромом (0,2-0,7 %), ванадием (0,15-0,3%) и вольфрамом (до 4 %) имеют повышенные устойчивость против перегрева, износостойкость и теплостойкость.
Так же как и углеродистые стали У7-У13, они после термической обработки содержат мало остаточного аустенита, что обеспечивает им высокий предел текучести. Большинство из этих сталей с успехом используют при изготовлении инструментов, подвергаемых поверхностной (местной) закалке. Некоторые из сталей небольшой прокаливаемости имеют специализированное применение: сталь 13Х предназначена главным образом для бритвенных ножей, лезвий, хирургического и гравировального инструмента; сталь ХВ4 рекомендуется для резцов и фрез, используемых для обработки резанием с небольшими скоростями материалов высокой твердости; сталь В2Ф используется для изготовления ленточных пил и ножовочных полотен для резки конструкционных сталей средней твердости.
Комплексное легирование даже относительно небольшими количествами элементов существенно повышает прокаливаемость, способствует увеличению дисперсности и однородности распределения карбидов (за исключением сталей типа ХВГ), уменьшает чувствительность к перегреву, способствует сохранению более мелкого зерна при закалке. Стали повышенной прокаливаемости применяют для изготовления инструментов больших сечений, охлаждаемых при закалке в масле или горячих средах. Указанные особенности сталей второй группы (9ХС, ХГС, ХВГ, ХВСГ) позволяют использовать их для изготовления режущего (метчики, плашки, развертки, фрезы, протяжки), а также штампо-вого инструмента более ответственного назначения, чем из углеродистых и низкопрокаливающихся сталей. Отличительной особенностью марганецсо-держащих сталей (ХВГ, ХВСГ, 9ХВГ) является их малая деформируемость при термической обработке, обусловленная повышенным содержанием остаточного аустенита. Это позволяет рекомендовать их для изготовления тех инструментов, к которым предъявляются жесткие требования относительно стабильности размеров при термической обработке. Недостатком указанных сталей является повышенная склонность к образованию карбидной сетки по границам зерен в результате выделения карбидов в Процессе замедленного охлаждения после горячей пластической деформации или высокотемпературного нагрева. Стали ХВГ и ХВ4 характеризуются также неблагоприятным распределением карбидов в деформированном металле сечением более 30—40 мм. Карбидная неоднородность наблюдается также и в стали X, которая обладает, кроме того, повышенной чувствительностью к перегреву и существенным колебанием прокаливаемости в различных плавках. К особенностям термической обработки низколегированных инструментальных сталей следует отнести необходимость использования резких охлаждающих сред (водные растворы солей и щелочей) для сталей небольшой прокаливаемости, закаливаемых на максимальную твердость (7ХФ, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 13Х).
Стали повышенной прокаливаемости (9ХС, ХВГ, 9ХВГ, ХВСГ) для уменьшения термических напряжений и коробления у инструментов сложной формы целесообразно подвергать неполной изотермической (выдержка при 180-250 °С длительностью 30-60 мин) или ступенчатой (охлаждение в горячих средах с температурой 150- 220 °С с последующим переносом на воздух) закалке.
Продолжительность выдержки при аустенизации низколегированных сталей выбирают из расчета 50-70 с/мм при нагреве в воздушной печи и 35- 40 с/мм при нагреве в соляной ванне.
Продолжительность отпуска обычно составляет 1-2 ч плюс 1 - 1,5 мин на 1 мм толщины крупногабаритного инструмента.
Сортамент поставляемых легированных инструментальных сталей: кованая круглая и квадратная (ГОСТ 1133-71), калиброванная (ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75 и ГОСТ 8560-78); прокат горячекатаный круглый (ГОСТ 2590-88), горячекатаный квадратный; полосы горячекатаные и кованые (ГОСТ 4405-74).
Допускаемая глубина обезуглеро-женного слоя регламентирована ГОСТ 5950-2000 .
Критические точки, режимы ковки и отжига, режимы окончательной термической обработки и назначение ле-гурованных инструментальных сталей приведены в таблицах ниже:
| Критические точки (температура, С) легированных инструментальных сталей | ||||||
| Сталь | Ас1 | Асм | Аrм | Аr1 | Мн | Мк |
| Стали небольшой прокаливаемости | ||||||
| 7ХФ * 1 | 770 | 780 | 740 | 710 | - | - |
| 8ХФ * 1 | 740 | 750 | - | 700 | 215 | - |
| 9ХФ | 700 | — | - | - | 215 | - |
| 11ХФ | — | — | - | - | 195 | - |
| 13Х | 760 | 780 | 740 | 710 | - | - |
| В2Ф | 750 | 800 | 690 | 650 | - | - |
| Стали повышенной прокаливаемости | ||||||
| 9Х | 730 | 860 | - | 700 | 270 | |
| X | 745 | 900 | - | 700 | 240 | - |
| 9ХС | 770 | 870 | - | 730 | 160 | -30 |
| 12X1 | 750 | 890 | - | - | 245 | -40 |
| 9ХВГ | 750 | 900 | - | - | 205 | - |
| ХВГ | 750 | 940 | - | 710 | 210 | -50 |
| ХВСГ | 770 | 785 | 730 | 720 | 200 | 20 |
| Х6ВФ | 815 | 845 | 775 | 625 | 150 | -100 |
| Для сталей 7ХФ и 8ХФ Ас3 и Аr3 | ||||||
| Режимы ковки и отжига легированных инструментальных сталей | |||
| Сталь | Интервал ковочных температур, °С | Режим отжига | НВ после отжига, МПа, не более |
| 7ХФ | 1160—850 | Нагрев на 780—800 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 640—680 °С, выдержка 2—3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2290 |
| 8ХФ | 1150—850 | Такой же, как для стали 7ХФ | 2550 |
| 9ХФ | 1180—800 | Нагрев на 760—790 °С, далее как для стали 7ХФ | 2550 |
| 11ХФ | 1100—800 | Нагрев на 750—790 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 670—700 °С, выдержка 2—3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2290 |
| 13Х | 1100-800 | Такой же, как для стали 11ХФ | 2410 |
| ХВ4 | 1125-850 | Нагрев на 800-820 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 600 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2850 |
| В2Ф | 1200-900 | Нагрев на 780-800 °С, охлаждение со скоростью 50 °С до 710-730 °С, выдержка 2- 3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2850 |
| 9X1 | 1150-850 | Нагрев на 800-820 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 670-680 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550°С, далее на воздухе | 2290 |
| X | 1150-850 | Нагрев на 780-800 °С, охлаждение со скоростью 50 °С/ч до 670-720 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2290 |
| 9ХС | 1140-800 | Нагрев на 790-810 °С, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 670-720 "С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 550 °С, далее на воздухе | 2410 |
| 12X1 | 1120-850 | Такой же, как и для стали X | 2410 |
| 9ХВГ | 1120-850 | Такой же, как и для стали X | 2410 |
| ХВГ | 1150-850 | Такой же, как и для стали X | 2550 |
| ХВСГ | 1140-850 | Такой же, как для стали 9ХС | 2410 |
| Х6ВФ | 1100-850 | Нагрев на 830-850 °С, охлаждение со скоростью 40°С/ч до 700-720 °С, выдержка 2-3 ч, охлаждение со скоростью 50 °С/ч до 550 °С | 2410 |
Режимы окончательной термической обработки легированных инструментальных сталей
Назначение легированных инструментальных сталей:
| Сталь | Назначение |
| 7ХФ | Деревообрабатывающий инструмент (топоры, долота, зубила), круглые и ленточные пилы со сплющенными и разведенными зубьями, инструмент для чеканки |
| 8ХФ | Ножи для холодной резки металла, обрезные матрицы и пуансоны, кернеры, штемпели |
| 9ХФ | Рамные, ленточные, круглые, строгальные пилы, ножи, обрезные матрицы и пуансоны для холодной обрезки заусенцев, кернеры, штемпели |
| 11ХФ | Метчики и другие режущие инструменты диаметром до 30 мм, закаливаемые в горячих средах, хирургические инструменты, штампы для холодной штамповки, пуансоны, калибры |
| 13Х | Вместо стали У13, У13А для мелких инструментов диаметром 1- 15 мм, чтобы иметь возможность проводить закалку в масле; для инструментов диаметром до 30-35 мм (при закалке в воду) получают более глубокий закаленный слой, чем у стали У13, У13А; назначение то же, что и у стали У13, У13А (см. табл. 6) |
| ХВ4 | Инструменты для чистового резания твердых материалов (отбеленный чугун, валки с закаленной поверхностью) с небольшой скоростью, граверный инструмент, прошивные пуансоны |
| В2Ф | Ленточные пилы по металлу, ножовочные полотна |
| 9X1 | Деревообрабатывающий инструмент, валки холодной прокатки, клейма, пробойники, холодновысадочные матрицы и пуансоны |
| X | Токарные, строгальные и долбежные резцы, работающие при небольших скоростях резания; зубила, гладкие цилиндрические калибры и кaлибeрные кольца |
| 9ХС | Сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы; машинные штемпели; клейма; деревообрабатывающий инструмент |
| 12X1 | Измерительные инструменты (плитки, калибры, шаблоны) |
| 9ХВГ | Резьбовые калибры сложной формы, штампы для холодного деформирования сложной формы, которые при закалке не должны подвергаться значительным объемным изменениям и короблению |
| ХВГ | Режущие и измерительные инструменты, в том числе крупных сечений, для которых повышенное коробление при закалке недопустимо (протяжки, длинные метчики и развертки, плашки, резьбовые калибры; деревообрабатывающий инструмент; ножи для бумажной промышленности; холодновысадочные матрицы и пуансоны) |
| хвсг | Инструмент для ручной работы (плашки, сверла, развертки, гребенки, штемпели, клейма); холодновысадочные матрицы и пуансоны; деревообрабатывающий инструмент; ножи для бумажной промышленности |
| Х6ВФ | Дереворежущий фрезерный инструмент, ручные ножовочные полотна, резьбонакатной инструмент, матрицы и пуансоны холодного деформирования |
Автор: Администрация
| Краткие обозначения: | ||||
| σв | - временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа | ε | - относительная осадка при появлении первой трещины, % | |
| σ0,05 | - предел упругости, МПа | Jк | - предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа | |
| σ0,2 | - предел текучести условный, МПа | σизг | - предел прочности при изгибе, МПа | |
| δ5,δ4,δ10 | - относительное удлинение после разрыва, % | σ-1 | - предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| σсж0,05 и σсж | - предел текучести при сжатии, МПа | J-1 | - предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| ν | - относительный сдвиг, % | n | - количество циклов нагружения | |
| s в | - предел кратковременной прочности, МПа | R и ρ | - удельное электросопротивление, Ом·м | |
| ψ | - относительное сужение, % | E | - модуль упругости нормальный, ГПа | |
| KCU и KCV | - ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2 | T | - температура, при которой получены свойства, Град | |
| s T | - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа | l и λ | - коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С) | |
| HB | - твердость по Бринеллю | C | - удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T ), [Дж/(кг·град)] | |
| HV | - твердость по Виккерсу | pn и r | - плотность кг/м 3 | |
| HRCэ | - твердость по Роквеллу, шкала С | а | - коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T ), 1/°С | |
| HRB | - твердость по Роквеллу, шкала В | σ t Т | - предел длительной прочности, МПа | |
| HSD | - твердость по Шору | G | - модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа | |
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Инструментальные легированные стали.
Содержание углерода в легированных инструментальных сталях такое же высокое, как и в углеродистых инструментальных: более 1%. Все инструментальные стали обязательно подвергаются термической обработке для повышения твердости.
В свою очередь легированные инструментальные стали подразделяются еще на несколько групп
Легированные стали для режущего инструмента (работающие с низкими скоростями резания) – низколегированные стали с невысоким содержанием легирующих элементов таких, как хром, вольфрам, кремний, марганец в количестве 1 – 3%. Эти стали должны отвечать общим требованиям, предъявляемым к инструментальным сталям: высокой твердостью и износостойкостью. Легирующие элементы вводятся в эту группу сталей для улучшения процесса термической обработки (для увеличения прокадиваемости).
Быстрорежущие стали работают с высокими скоростями резания, поэтому в процессе работы они нагреваются до достаточно высоких температур. Причем, чем выше скорости резания, тем выше температура нагрева режущей кромки инструмента и тем больше вероятность ее поломки.
К быстрорежущим сталям помимо основных требований предъявляются требования к теплостойкости. Высокую теплостойкость обеспечивает введение легирующего элемента вольфрама. Кроме того, быстрорежущие стали обязательно подвергаются специальной термической обработке.
Штамповые стали используются для изготовления штампов, форм и пуансонов для штамповки деталей. При этом штамповка может быть холодная и горячая. В связи с этим различают легированные штамповые стали для холодного и горячего деформирования.
Основными требованиями для штамповых сталей являются высокая твердость, износостойкость, а также способность сохранять форму и размеры штампов при длительном использовании. Для горячих штампов требуются стали с высокой теплостойкостью.
Штамповые стали легируют хромом, марганцем, никелем, молибденом, вольфрамом. Все штамповые стали используются после термической обработки.
Твердые сплавы состоят из смеси порошков карбида вольфрама (основа) и кобальта. В зависимости от марки этих сплавов в их состав добавляют карбид титана или карбид тантала. Таким образом, твердые сплавы формируются на карбидной основе методом порошковой металлургии. Они представляют собой спеченные материалы. Твердые сплавы имеют очень высокие значения твердости.
Используются как инструментальные материалы для обработки твердых материалов; для оснащения горного инструмента; для деталей быстро изнашивающихся элементов машин; для различных приспособлений режущего инструмента.
Стали с особыми свойствами.
К этой группе легированных сталей относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали; жаропрочные и жаростойкие стали.
Требования, предъявляемые к каждой группе зависят от условий их работы и соответствуют эксплуатационным свойствам, которые были рассмотрены ранее: жаростойкость, жаропрочность, устойчивость против воздействия агрессивных сред.
Коррозионностойкие стали.
Коррозионностойкие стали устойчивы воздействию агрессивных сред – коррозии.
Коррозией называют разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.
1. Электрохимическую коррозию (контакт двух материалов, обла-
дающих разными электродными потенциалами);
2. Точечную (язвенную) коррозию (возникает при локальном воз-
действии агрессивной среды);
3.Щелевую коррозию (возникает в узких зазорах между металлами);
4. Коррозионное растрескивание КР (возникает под воздействием
агрессивной среды и нагрузки);
5. Межкристаллитная коррозия (растрескивание по границам зерен).
Методы защиты от коррозии:
1. Нанесение защитных покрытий и пленок.
Основной легирующий элемент в нержавеющих (коррозионностойких) сталях – Хром.
Хром вводят в нержавеющие стали в количестве более 12,5%. При таком содержании хрома электрохимический потенциал стали меняется с отрицательного на положительный (рис.12.1).
Помимо хрома в нержавеющие стали вводят дополнительно никель. В зависимости от легирующих элементов коррозионностойкие стали подразделяются на:
1. Хромистые (легирующий элемент – только хром)
2. Хромоникелевые ( легирующие элементы - хром и никель).
Примеры хромистых нержавеющих сталей: 08Х13, 20Х13, 30Х13, 12Х17, 15Х25, 15Х28.
Примеры хромоникелевых нержавеющих сталей: 08Х18Н9, 10Х18Н10, 12Х18Н10Т.
Жаростойкие стали.
Как было показано выше жаростойкость (окалиностойкость) - способность металла сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.
Железо с кислородом может образовывать оксиды следующего вида: FeO, Fe2О3, Fе3О4. При рабочих температурах порядка 550 - 600°С окалина состоит в основном из достаточно прочного слоя оксидов Fe2О3 и Fе3О4. При температурах выше 600°С происходит растрескивание этих оксидов. Поверхность металла защищена только рыхлым оксидом FeO, который не осуществляет необходимого по прочности защитного слоя, что приводит к интенсивному окислению сталей при температурах, превышающих 600°С.
Таким образом, основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав стали, определяющий защитные свойства оксидной пленки. Основными принципами легирования жаростойких сталей является введение в их состав элементов, образующих прочные соединения скислородом. В первую очередь это такие элементы, как хром, кремний и алюминий.
Однако, следует учитывать влияние этих элементов и на другие факторы и свойства стали. Так, высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологические свойства стали. Поэтому, основным легирующим элементом в жаростойких сталях считаетсяхром. Причем с увеличением содержания хрома растут жаростойкие свойства, а, следовательно, и применение сталей при более высоких рабочих температурах.
Сталь с 5% хрома сохраняет свои свойства до 600°С, содержащая 9% хрома не подвержена образованию окалины в газовой среде до температур 800°С, а сталь с 17% - до 900°С. Для сохранения высокой окалиностойкости при температурах 1000 - 1100°С следует применять хромо-никелевые стали аустенитного класса.
Жаростойкие стали используют для изготовления различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.
Большинство жаростойких сталей являются также нержавеющими, а некоторые коррозионностойкие стали являются также жаростойкими.
Таким образом нержавеющие и жаростойкие стали могут быть взаимозаменяемыми.
Жаропрочные стали.
Ранее было показано, что жаропрочность - способность сталей сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Также были рассмотрены такие характеристики жаропрочности, как горячая прочность, предел длительной прочности и предел ползучести.
В качестве жаропрочных сталей используют стали легированные хромом, молибденом, ванадием. Эти стали сохраняют свои свойства при рабочих температурах 500 - 550°С. Их используют для изготовления крепежа, труб, паропроводов, пароперегревателей энергетических установок.
При температурах 600 - 620°С используются стали легированные хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием, никелем. Эти стали используют для деталей энергетического оборудования таких как роторы, турбинные лопатки и диски.
Хромо-никелевые стали используются для изготовления лопаток и дисков газовых турбин, клапанов дизельных двигателей и других деталей, работающих при температурах 650 - 700°С. Эти стали дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием.
Для деталей и изделий, работающих при более высоких рабочих температурах, порядка 1000 - 1100°С. применяют так называемые суперсплавы - никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промышленных энергоустановок.
Для работы при еще более высоких температурах применяют сплавы на основе тугоплавких металлов и керамические материалы.
Краткая характеристика всех групп легированных сталей (конструкционные, инструментальные, нержавеющие) приведена в таблицах 1 и 2..
Поведение легированной и углеродистой стали при термической обработке
Основными марками инструментальной стали, применяемыми для изготовления режущего инструмента, являются:
а) углеродистая сталь У10 и У12;
б) легированная сталь 9ХС; в отдельных случаях, перечисленных ранее, применяется также хромистая сталь X, Х05, Х09 и хромовольфрамовая сталь ХВ5, ХВГ, 9ХВГ;
в) высокохромистая сталь Х12М.
Углеродистая сталь. На фиг. 64, а показана твердость стали У12 после закалки в зависимости от температуры нагрева, а на фиг. 64, б — твердость правильно закаленной стали У12 в зависимости от температуры отпуска. Углеродистая инструментальная сталь У10 и У12 (а также сталь У7, У8 и У9) в процессе термической обработки характеризуется следующими свойствами.
а) Углеродистая сталь имеет узкий интервал температур нагрева при закалке и очень чувствительна к перегреву; при нормальной закалке, например, при нагреве стали У12 в интервале 760—780°, сталь получает твердость 62—65 Rс и структуру скрытокристаллического мартенсита, а при перегреве (для стали У12 нагрев выше 790—800°) твердость стали сохраняется в тех же пределах, но микроструктура характеризуется образованием игольчатого мартенсита. С повышением температуры нагрева размер игл мартенсита возрастает и одновременно увеличивается хрупкость инструмента, а стойкость его в работе значительно понижается.
б) Аустенит углеродистой стали в области перлитного превращения, особенно в интервале температур 530—650°, обладает минимальной устойчивостью. S-образная диаграмма, приведенная на фиг. 65 для стали типа У12, показывает, что распад аустенита на ферритно-цементитную смесь начинается в области перлитного превращения после 1—2 сек. выдержки. Поэтому для получения в закаленной стали структуры мартенсита надо обеспечить максимально быстрое прохождение указанного температурного интервала в процессе охлаждения. Это требует применения весьма энергичного охладителя, а именно воды. Однако, вода создает ускоренное охлаждение не только в области перлитного превращения, но и при более низких температурах: в области мартенситного превращения (нижняя область S-образной диаграммы), что создает чрезмерные напряжения и даже трещины в инструменте сложной формы.
Диаграмма (фиг. 65) показывает, что мартенситное превращение начинается при температуре примерно 180—200°. Для уменьшения напряжений охлаждение стали У12 при прохождении ею этой области надо производить в менее энергичном охладителе. Поэтому инструмент, изготовленный из стали У12, охлаждают (замачивают) сначала в воде до потемнения поверхности, а затем переносят в масло для окончательного охлаждения.
Аналогичными свойствами характеризуется сталь У8, У10 и У13.
Углеродистая сталь У7, содержащая меньший процент углерода, также характеризуется быстрым распадом аустенита в области перлитного превращения. Однако эта сталь обладает большей пластичностью, а превращение в мартенсит происходит в ней при несколько более высокой температуре и сопровождается не столь значительными объемными изменениями. Поэтому сталь У7 менее склонна к образованию трещин при ускоренном охлаждении, что позволяет охлаждать изготовленные из нее изделия в воде без переноса в масло.
в) Сталь имеет небольшую глубину прокаливаемости, зависящую, кроме того, от свойств отдельных плавок: величины зерна, структуры перед закалкой и т. д. (способы определения прокаливаемости указаны ранее); поэтому инструмент, изготовленный из углеродистой стали, имеет после закалки неоднородные свойства по сечению: высокую твердость в поверхностном слое и низкую твердость, но более высокую вязкость в сердцевине; это свойство углеродистой стали используется, как будет показано далее, при изготовлении ряда инструментов, например, метчиков, развертой. Легированная сталь: хромистая (X, Х05, Х09, ШХ15, ШХ12, ШХ6), хромокремнистая (9ХС), вольфрамовая (B1, В2), хромовольфрамовая (ХВ5, 9ХВГ и ХВГ). На фиг. 37 и 66 приведены значения твердости и количества остаточного аустенита в зависимости от режима закалки и отпуска стали X (ШX15)), а на фиг. 67 и 68 — аналогичные характеристики для стали Х09. На фиг. 69 и 70 даны значения твердости для стали 9ХС в зависимости от режима закалки и отпуска. Перечисленные здесь марки стали в процессе термической обработки обнаруживают следующие свойства.
а) Легированная сталь обладает несколько более широким, интервалом оптимальных температур закалки, чем углеродистая сталь; в этом отношении следует выделить марки стали 9ХС и ХВ5, имеющие интервал температур нагрева при закалке 30—40°; на следующее за ними место можно поставить сталь марок X и ШХ15, если она имеет перед закалкой структуру мелкозернистого перлита.
б) Карбиды легированной стали, в отличие от цементита углеродистой стали, обладают меньшей скоростью диффузии и медленнее растворяются в аустените; поэтому выдержка при нагреве для закалки инструмента, изготовленного из легированной стали, должна быть несколько больше, чем при нагреве углеродистой стали.
в) Аустенит легированной стали (содержащей более 1% Cr) в области перлитного превращения обладает несколько большей устойчивостью, чем аустенит углеродистой стали; поэтому скорость охлаждения, сообщаемая маслом, оказывается достаточной для получения в закаленной стали структуры мартенсита и высокой твердости в пределах 62—65 Rс. Однако инструмент небольших размеров и простой формы, изготовленный из стали с пониженным содержанием хрома (марки ШХ6, Х09), надо закаливать в воде для получения высокой и равномерной твердости. Недостаточно однородную и высокую твердость и неудовлетворительную прокаливаемость обнаруживает часто сталь марок B1 и В2, что требует предварительной проверки отдельных плавок этой стали на чувствительность к закалке. После закалки твердость стали марок X, Х09, 9ХС, ХВГ, 9ХВГ составляет 62—65 Rс. Более высокую твердость после закалки показывает сталь Х05 (64—66 Rс) и особенно сталь ХВ5 (66—67 Rс).
г) При правильной закалке с охлаждением в масле инструмент, изготовленный из легированной стали, получает меньшую деформацию, чем такой же инструмент, изготовленный из углеродистой стали и охлажденный при закалке в воде. Незначительной деформируемостью характеризуется, в особенности, легированная марганцем сталь марок ХВГ, 9ХВГ и ХГ и в несколько меньшей степени — сталь 9ХС.
д) После нормальной закалки структура стали — скрытокристаллический мартенсит и свободные карбиды, не перешедшие полностью в раствор при нагреве. На фиг. 71 дана микроструктура стали X после нормальной закалки и отпуска. При перегреве твердость стали, как показывают кривые фиг. 37, 67, 69, изменяется незначительно, но в структуре образуется игольчатый мартенсит; с ростом игл мартенсита резко увеличивается хрупкость стали и снижается износоустойчивость и стойкость режущего инструмента. Количество свободных карбидов при этом уменьшается вследствие их более полного растворения в аустените.
е) В структуре закаленной стали сохраняется некоторое количество остаточного аустенита, обычно в пределах 5—25%. Количество его зависит как от температуры нагрева, так и от режима охлаждения: оно возрастает при повышении температуры нагрева при закалке и в случае охлаждения стали в масле, а не в воде. Применение расплавленных солей в качестве охлаждающей среды или горячего масла (изотермическая закалка) дополнительно увеличивает количество остаточного аустенита. Микроанализ обычно его не обнаруживает (фиг. 35 и 71).
ж) Легированная сталь по сравнению с углеродистой получает при закалке большую глубину прокаливаемости, возрастающую с повышением содержания легирующих элементов (хрома, марганца, вольфрама); сталь X и ШХ15, имеющая в среднем 1,5% хрома, дает более глубокую прокаливаемость, чем, например, сталь XO5 и ШX6, содержащая в среднем 0,5—0,6% хрома.
Различные плавки одной и той же марки легированной инструментальной стали (кроме стали марок B1 и В2) дают однородную прокаливаемость.
В качестве общего правила можно отметить, что чем более равномерная твердость и однородная структура были получены в результате отжига, тем лучше поведение такой стали при закалке, о чем было подробно указано ранее.
Высокохромистая сталь Х12М (и сталь Х12) имеет устойчивый аустенит, не распадающийся полностью в области перлитного превращения даже при охлаждении на воздухе, и получает в этом случае примерно такую же структуру и твердость как после закалки с охлаждением в масле.
Охлаждение стали X12М на воздухе позволяет избежать значительных остаточных напряжений при закалке. Из стали Х12М целесообразно изготовлять инструмент сложной формы, так как она характеризуется минимальной деформируемостью при закалке.
На фиг. 72—74 приведены значения твердости и количества остаточного аустенита стали Х12М в зависимости от режима закалки и отпуска. Эти диаграммы показывают, что при повышении температуры нагрева в закаленной стали X12М возрастают количество остаточного аустенита и его устойчивость против отпуска; одновременно понижается твердость стали. Однако с повышением температуры нагрева стали возрастает количество карбидов хрома, переходящих в раствор, что повышает красностойкость стали.
Режущий инструмент, изготовленный из стали Х12М, нагревают при закалке обычно до температур 1000—1050°; в закаленном состоянии сталь имеет структуру, состоящую из аустенита, мартенсита и карбидов.
В 1941 г. В.Н. Берхин предложил нагревать сталь Х12М до еще более высокой температуры 1115—1130°; после такой закалки сталь Х12М получает почти полностью аустенитную структуру (практически теряет магнитность). Режущие свойства инструмента в результате такого нагрева возрастают, но одновременно усложняется процесс последующего отпуска вследствие трудности в результате двух-трехкратного отпуска перевести полностью остаточный аустенит в мартенсит и получить требуемую высокую твердость.
Твердость стали Х12М при закалке с температур 1115—1130° составляет 45—48 Rс и повышается после многократного отпуска при 500—520° до 60—62 Rс. На фиг. 75—76 приведена структура стали Х12М после закалки, а на фиг. 77 — после отпуска.
Читайте также: