Краткие теоретические сведения

По содержанию углерода инструментальные стали могут быть классифицированы: доэвтектоидные стали, эвтектоидные стали, заэвтектоидные, ледебуритные. Ледебуритные стали имеют в структуре первичные карбиды. В литом состоянии избыточные карбиды совместно с аустенитом образуют эвтектику - ледебурит.

Инструментальные стали по назначению можно разделить на стали для изготовления режущего, мерительного, штампового и про­чего инструмента. Соответственно используют стали разного типа. Поэтому условно инструментальные стали делятся на четыре катего­рии:

- углеродистые (пониженной прокаливаемости, нетеплостойкие);

- легированные (повышенной прокаливаемости, среднетеплостойкие);

- штамповые (высокой прокаливаемости: нетеплостойкие и теплостойкие);

- быстрорежущие (высокой прокаливаемости, повышенной теплостойкости).

Для режущего инструмента, работающего в легких условиях (напильники, ножовки, метчики, развертки) и для измерительного инструмента используют углеродистые (У7-У12) и легированные ста­ли (X, 8ХФ, X, 9ХС, ХВГ), содержащие от 0,7 до 1,5 %С и легирую­щих элементов (хром, вольфрам, ванадий, марганец) в сумме от 1 до 5 %.

Структура этих сталей до термической обработки - зернистый перлит. Термическая обработка состоит из закалки с последую­щим низким отпуском при 150-170 °С.

Углеродистые стали обычно закаливают в воде, легированные -в масле. После отпуска структура состоит из мартенсита и неболь­шого количества вторичных карбидов (см. атлас). Твердость сос­тавляет HRС 60-64. При нагреве до 200 °С Твердость начинает быстро падать. Поэтому при эксплуатации нельзя допускать нагрева инс­трумента, изготовленного из данных сталей, выше 200 °С.

Углеродистые и легированные инструментальные стали с одина­ковым содержанием углерода имеют практически одинаковые режущие свойства. Назначение легирующих элементов в этих сталях - увели­чить прокаливаемость сталей и уменьшить чувствительность сталей к перегреву при закалке. Повышенная прокаливаемость позволяет закаливать эти стали в масле, что уменьшает опасность образова­ния трещин, деформаций, короблений.

Режущий инструмент, работающий при высоких скоростях реза­ния, изготавливают из сталей типа Р9, Р18, Р18К10,Р6М5, Р18Ф2, Р9К5, называемых быстрорежущими. В обозначениях этих сталей после буквы "Р" указывается содержание вольфрама (W) в процентах. Массовая доля хрома для всех марок этих сталей составляет 3,8-4,0 %. Массовая доля ванадия в сталях с 18% W составляет 1-1,4 %, а в сталях с 9 % W – 2,0-2,6 %. Содержание углерода тем больше, чем больше ванадия и колеблется от 0,7 до 1,55 %.

Быстрорежущие стали повышенно теплостойкие, обладают высо­кой красностойкостью, т.е. способностью сохранять структуру мар­тенсита, а следовательно, высокую твердость и режущие свойства при нагреве до 625-655 °С. Красностойкость стали зависит не только от легирующих эле­ментов, растворенных в мартенсите, но и от правильной технологии термической обработки.

Рассмотрим процесс термической обработки на примере стали Р18.

Для устранения ледебуритной эвтектики и для равномерного распределения карбидов применяют ковку и отжиг. После ковки и отжига структура стали состоит из зернистого перлита (сорбита) и боль­шого количества равномерно распределенных мелких вторичных и первичных карбидов (см. атлас).

Для получения высоколегированного мартенсита, обладающего высокой красностойкостью, применяют закалку от температур 1260-1280 °С. Нагрев стали под закалку необходимо производить медленно, а лучше с подогревами. Первый подогрев производят при 600-650 °С. Второй - при 800-850 °С.В процессе второго подогрева феррито-цементитная смесь превращается в аустенит. Чтобы избежать обезуглерожи­вания стали и не вызвать роста аустенитного зерна, нагрев от 850 °С до температуры закалки нужно производить очень быстро (в соляной ванне ВаСl₂). Так как критическая скорость закалки этих сталей невелика, то охлаждение при закалке можно производить либо в струе воздуха, либо в масле.

Микроструктура стали после закалки состоит из мартенсита, остаточного аустенита и первичных карбидов (см. атлас).

Твердость стали после закалки составляет НRС 61-63, но при­сутствие остаточного аустенита снижает режущие свойства этой стали. Для устранения остаточного аустенита закаленную быстроре­жущую сталь обрабатывают по одному из двух вариантов:

1. Трехкратный отпуск при 560°С, в результате которого мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, что ведет к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами. При последующем быстром охлаждении в масле аустенит превращается в мартенсит.

2. Обработка холодом при температуре ниже М_к (-80 °С) и однократный или двукратный отпуск при 560 °С.

В обоих случаях после окончательной термической обработки структура стали состоит ив отпущенного мартенсита и первичных карбидов (см. атлас).

Штамповые стали для горячего деформирования (5ХНМ, 5ХГМ, БХНСВ, 5ХНТ) должны обладать высокой жаропрочностью, термостойкостью, высокой ударной вязкостью и т.д. Для обеспечения требуемых механических свойств штамповые стали закаливают в мас­ле от 820-850 °С, затем подвергает высокому отпуску на зернис­тый сорбит.