Инструментальные стали для быстрорежущего инструмента

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Белгородский государственный национальный
исследовательский университет»

ФАКУЛЬТЕТ инженерно-физический

КАФЕДРА материаловедения

Тема работы: Инструментальные стали для режущего инструмента

Курсовая работа студента

3 курса инженерно-физического факультета

дневного отделения 190805 группы

Новоселова Евгения Эдуардовича

Проверила:

проф.,д.ф.-м.н. Кайбышев Р.О.

БЕЛГОРОД, 2011

Введение.

По назначению инструменты делятся на формообразующие и измерительные. Формообразующие инструменты подразделяются на режущие (резцы, фрезы, сверла, развертки), давящие (штампы, накатки) и ударные (зубила, пробойники). В свою очередь различают штампы холодного и горячего деформирования металлов («холодные» и «горячие» штампы).

Режущие инструменты, работающие в условиях больших нагрузок, высоких температур и трения, должны удовлетворять ряду особых эксплуатационных требований: твердость материала режущей части инструмента должна значительно превышать твердость материала заготовки, высокая прочность обеспечивает сопротивляемость инструмента деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента позволяет ему воспринимать ударные динамические нагрузки, возникающие при обработке заготовок. Поскольку в процессе резания механическая энергия превращается в тепловую, режущая кромка инструмента нагревается до высоких температур.

Условия работы измерительного инструмента приближаются к условиям работы режущего инструмента при легких режимах резания, различие состоит лишь в значительно меньших удельных давлениях на рабочие поверхности. Для разных видов инструмента применяют инструментальные стали разного типа.

Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, применяемые для изготовления режущих, измерительных инструментов и штампов.

Основные свойства инструментальных сталей.

Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), то есть устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы. Различают инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3 – 4 % легирующих элементов), полутеплостойкие (содержащие свыше 0,6 – 0,7 %C и 4 – 3 %Cr) и теплостойкие (высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие Cr, W, V, Mo, Co), получившие название быстрорежущих.

Основным элементом, определяющим высокую износостойкость инструментальных сталей, является углерод, так как твердость, а следовательно и износостойкость инструмента после термообработки зависит от содержания углерода в мартенсите. Наличие легирующих элементов в значительной степени влияет на прокаливаемость стали, а также увеличивает стабильность мартенсита при нагреве закаленной стали.

Углеродистые инструментальные стали (У7, У8Г, У12А, У8ГА) маркируют буквой У (углеродистая): следующая за ней цифра – средняя массовая доля углерода в десятых доля процента, буква Г говорит о повышенном содержании марганца в данной стали, А – высококачественная, т.е. более чистая по сере и фосфору сталь.

Рис. 1. Схема микроструктуры углеродистых инструментальных сталей

а) Сталь У8 после отжига – перлит зернистый

б) Сталь У8 после закалки и низкого отпуска – мартенсит отпуска

в) Сталь У12 после отжига – перлит зернистый + цементит вторичный

г) СтальУ12 после закалки и низкого отпуска – мартенсит отпуска +цементит вторичный

Доэвтэктоидные и эвтектоидные инструментальные стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зернистого перлита (рис. 1). В структуре заэвтектоидных сталей дополнительно присутствует вторичный цементит. Стали с такой структурой имеют низкую твердость и хорошо обрабатываются резанием.

Термическая обработка.

Температура закалки у доэвтектоидных сталей должна быть выше верхней критической точки Ас₃ (t = Ас₃ + 20 – 40), ?С, а у эвтектоидных и заэвтектоидных выше нижней критической точки Ас₁ (t = Ас₁ + 20 – 40), ?С, чтобы в результате закалки сталь получила мартенситную структуру. У заэвтэктоидных сталей при этом сохраняется вторичный цементит. Закалку проводят в воде или в водных растворах солей. После закалки инструментальные углеродистые стали подвергаются низкому отпуску при 150 – 170 ?С (рис. 2), снимающего значительную часть закалочных напряжений при сохранении высокой твердости. Формируется структура мартенсит отпуска. У заэвтектоидных инструментальных сталей в структуре дополнительно присутствует вторичный цементит (рис. 1). Поскольку углеродистые стали обладают низкой прокаливаемостью, из них изготовляют в основном инструмент небольшой толщины (напильники, ножовочные полотна, хирургический инструмент).

Рис. 2. График термической обработки заэвтектоидной инструментальной стали.

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с низкой твердостью и с малой скоростью резания, так как при нагреве выше 190 – 200 ?С их твердость резко снижается.

Легированная инструментальная сталь (X, 9X, 9XC, 6XBГ) производится в основном высококачественной, поэтому буква А в конце марки не ставится. Цифра в начале марки показывает среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента. Если содержание углерода около 1 %, то цифра обычно отсутствует. Буквы означают легирующие элементы: А (внутри марки) – азот, В – вольфрам, Г – марганец, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром. Цифры, стоящие после букв, показывают среднюю массовую долю легирующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры после буквы означает, что содержание этого легирующего элемента находится в пределах от 0,1 до 1 %. Легированные инструментальные стали подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания относительно мягких материалов с небольшой скоростью. Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200 – 250 ?С. Легированные стали обладают большей прокаливаемостью, чем углеродистые.

Низколегированные стали (11Х, 13Х) рекомендуются для инструментов диаметром до 15 мм, а стали повышенной прокаливаемостью (9ХС, ХВСГ) имеют большую теплостойкость (250 – 280) ?С, хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Их используют для изготовления инструментов диаметром 60 – 80 мм.

Окончательная термическая обработка легированных сталей состоит из неполной закалки и низкого отпуска, подобно углеродистым (рис. 2).

При неполной закалке изделие нагревают до t = Ас₁ + (30 – 50) ?С, выдерживают и быстро охлаждают в масле или горячих средах, что уменьшает их коробление по сравнению с углеродистыми, охлаждаемыми в воде. Низкий отпуск проводят при температуре 150 – 180 ?С.

Структура инструментальных легированных сталей после окончательной термической обработки состоит из отпущенного легированного мартенсита и легированного зернистого цементита, т.е. она качественно подобна структуре углеродистой заэвтектоидной инструментальной стали после аналогичной термообработки (рис. 1).

Быстрорежущая сталь маркируется буквой Р, а следующая за ней цифра указывает среднюю массовую долю главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама (Р18, Р6М5, Р10К5Ф5). Среднее содержание других легирующих элементов обозначается цифрой после соответствующей буквы. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается. Кроме того, не указывается содержание молибдена до 1 % по массе и ванадия, если его содержание меньше, чем молибдена.

Красностойкость в инструментальных сталях выражается способностью противостоять распаду мартенсита при высоких температурах. Красностойкость достигается за счет уменьшение термодинамической активности углерода. Чтобы получить красностойкость, нужно подавить диффузию углерода. А это достигается за счет введения карбидообразующих элементов. Основными элементами стали, обеспечивающими высокую красностойкость, являются W, Mo, V. Карбидообразующие элементы образуют в стали специальные карбиды: Me₆C на основе W и Мо, МеС на основе V и Ме₂₃С₆ на основе Сr.

Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Их фазовый состав в отожженном состоянии представляет собой легированный феррит и карбиды Cr₇C₃, Fe₃W₃C₆, VC, в которых также растворен ванадий. В феррите растворена большая часть хрома: почти весь вольфрам, молибден и ванадий находятся в карбидах. Количество карбидной фазы в быстрорежущих сталях достигает 22 – 30 %.

Рис. 3. Схема микроструктуы быстрорежущих сталей.

а) Литая и отожженная – сорбитообразный перлит + карбиды +

ледебуритная эвтектика

б) Горячедеформированная и отожженная – сорбитообразный

перлит + карбиды

в) Закаленная – мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды

г) Отпущенная – мартенсит отпуска + карбиды.

В структуре литой бысторежущей стали присутствует сложная эвтектика, напоминающая ледебурит. В результате горячей механической обработки (ковки) сетка ледебуритной эвтектики дробится (рис. 3). Для снижения твердости, улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 800 – 860 ?С. Для придания теплостойкости стали инструменты подвергают закалке и многократному отпуску (рис. 4).

Рис. 4. График термической обработки быстрорежущей стали.

Режимы термической обработки инструментальных сталей приведены в табл. 1, 2, 3 в приложении.

Температура закалки быстрорежущей стали принимают в интервале 1200 – 1290 ?С. Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Это обеспечивает получение после закалки мартенсита, обладающего высокой теплостойкостью. Однако даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов, примерно 30 – 60 % от имеющихся у различных марок быстрорежущих сталей.

Высоколегированный аустенит, полученный при нагреве под закалку, обладает большой устойчивостью, поэтому быстрорежущие стали имеют малую критическую скорость охлаждения (закалки) и могут закаливаться на воздухе. Однако на практике в качестве охлаждающей среды применяется масло.

Структура быстрорежущей стали после закалки представляет высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3 – 0,4 %С, нерастворенные избыточные карбиды и высоколегированный остаточный аустенит, составляющий 25 – 35 %. Поскольку остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, его присутствие в готовом инструменте недопустимо.

После закалки следует отпуск при 550 – 570 ?С, вызывающий превращение остаточного легированного аустенита в легированный мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения карбидов (рис. 3), что сопровождается увеличением твердости. Чтобы весь остаточный аустенит перевести в мартенсит и произошел отпуск вновь образовавшегося мартенсита, применяют многократный (чаще трехкратный) отпуск при 550 – 570 ?С.

Список литературы.

1. И. И. Новиков Теория термической обработки металлов, М.: Металлургия, 1974 г., 397 ст.

2. М. И. Гольдштейн Специальные стали, М.: Металлургия, 1985 г., 401 ст.

3. В.С. Золоторевский Механические свойства металлов М.: Металлургия, 1983 г., 352 ст.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение, М.: Машиностроение, 1990 г., 528 ст.

5. http://www.mtomd.info/archives/1171

Приложение.

Таблица 1

Режим термической обработки инструментальных углеродистых сталей

Таблица 2

Режимы термической обработки инструментальных легированных сталей

Таблица 3

Режимы термической обработки быстрорежущих сталей