Контрольні питання для самоперевірки

1. Як класифікують конструкційні леговані сталі?

2. Яким чином маркують леговані сталі?

3. Яку кількість вуглецю містять цементовані леговані конструкційні сталі?

4. Яку мікроструктуру вони мають?

5. Які зміни відбуваються при легуванні фериту?

6. Якій термічній обробці піддають цементовані сталі після цементації?

7. Як змінюються механічні властивості в процесі термічної обробки?

8. Що таке поліпшення?

9. Які леговані сталі піддають поліпшенню?

10. Які вимоги пред'являються до конструкційних сталей?

11. Перечисліть сталі які входять у розряд конструкційних?

12. Де застосовуються хромисті сталі?

13. Які сталі називають швидкорізальними? Визначте область їх застосування?

14. Леговані сталі. Вплив легуючих елементів на діаграму Fe-С, температуру мартенситного перетворення. Маркування легованих сталей?

15. Леговані сталі. Їхня класифікація по складу, структурі, призначенні. Маркування легованих сталей?

16. Конструкційні леговані сталі, що поліпшуються. Групи, марки, властивості, термообробка. Критерії при виборі марки сталі?

17. Пружинні сталі, їх склад, марки, термообробка?

18. Шарикопідшипникові сталі, їх склад, марки, термообробка?

19. Інструментальні сталі для різального інструменту, їх склад, марки, термообробка?

20. Інструментальні штампові сталі для гарячого й холодного штампування, їх склад, марки, термообробка?

21. Високоміцні сталі, їх склад, марки, термообробка?

22. Вплив легуючих елементів на критичні крапки сталей.

23. Вплив легуючих елементів на температуру мартенситного перетворення.

Таблиця 3. Застосування інструментальної легованої сталі

Марка сталі		Область застосування
Х12МФ		Деталі для роботи під тиском порядку 1400-1600МПа. Профілювальні ролики складної форми, еталонні шестірні, накатні плашки, секції ковальських штампів, складні діркопрошивні матриці й пуансони вирубних і просічних штампів, пуансони й матриці холодного видавлювання для більших тисків. Не застосовується для зварених конструкцій.
4-9ХС, ХВГ		Відповідальні деталі з підвищеною зносостійкістю, втомною міцністю при вигині, контактному навантаженні, а також пружними властивостями. Свердла, розгорнення, мітчики, плашки, гребінки, фрези, машинні штампелі, клейма для холодних робіт. Не застосовується для зварених конструкцій.
4Х5МФС		Дрібні молотові штампи, великі молотові й пресові вставки при гарячому деформуванні конструкційних сталей і кольорових сплавів в умовах крупносерійного й масового виробництва, прес-форми лиття під тиском алюмінієвих, цинкових і магнієвих сплавів.
3Х3М3Ф		Інструменти для гарячого деформування на кривошипних пресах і горизонтально-кувальних машинах, що зазнають у процесі роботи інтенсивному охолодженню (як правило, для дрібного інструмента), прес-форми лиття під тиском мідних сплавів, ножі для гарячого різання.
Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р6М5ДО8, Р18, Р7М2Ф6, Р12МФ5 Р9М4К8, Р10М4ДО14, Р12М3ДО5Ф2, Р12М3ДО8Ф2, Р12М3ДО10Ф2, Р12М3ДО10Ф2		Дискові фрези, свердли розгорнення, зенкери, мітчики, протягання; фрези черв'ячні, кінцеві, дискові; шевери.
Таблиця. 4. Маркування легованих сталей.
Маркування	Назва		Елемент
Г	Марганець		Mn
С	Кремній		Sі
Х	Хром		Cr
Н	Нікель		Nі
Д	Мідь		Cu
А	Азот		N
Ф	Ванадій		V
Б	Ніобій		Nb
В	Вольфрам		W
Е	Селенів		Se
К	Кобальт		Co
Л	Берилій		Be
М	Молібден		Mo
Р	Бор		B
Т	Титан		Tі
Ю	Алюміній		Al
Ц	Цирконій		Zr
П	Фосфор		P
Ч	лужноземельні метали

Таблиця 5. Масова частка елементів (%) у легованих сталях ДЕРЖСТАНДАРТ 5950-2000

Марка сталі	Масова частка елемента, %
	вуглецю	кремнію	марганцю	хрому	вольфраму	Ванадію	молібдену	нікелю
Примітка - У позначенні марок перші цифри означають масову частку вуглецю в десятих частках відсотка. Вони можуть не вказуватися, якщо масова частка вуглецю близька до одиниці або більше одиниці. Букви означають: Г - марганець, З - кремній, Х - хром, В - вольфрам, Ф - ванадій, Н - нікель, М - молібден, Д - мідь, Т - титан. Цифри, що коштують після букв, означають середню масову частку відповідного легуючого елемента в цілих одиницях відсотків. Відсутність цифри означає, що масова частка цього легуючого елемента приблизно рівна 1%. В окремих випадках масова частка цих легуючих елементів не вказується, якщо вона не перевищує 1,8 %.

Таблиця 6. Класифікація легованих сталей

По кількості легуючих елементів	високолегована - загальна маса легуючих елементів більш 10%; середньолегована - загальна маса легуючих елементів більш 2,5-10%; низьколегована - загальна маса легуючих елементів до 2,5%.
По призначенню	І - для виготовлення інструмента, використовуваного для обробки металів і інших матеріалів у холодному стані; ІІ - для виготовлення інструмента, використовуваного для обробки металів тиском при температурах вище 300°С.
По способу подальшої обробки	а - гарячекатана й кута металопродукція для гарячої обробки тиском і холодного волочіння без контролю структурних характеристик; б - гарячекатана й кута металопродукція для холодної механічної обробки з повним обсягом випробувань.
По якості виготовлення	звичайна; високоякісна – А.
По якості й обробці поверхні	гарячекатана й кута: 2ГП - для підгрупи "а", 3ГП - для підгрупи "б" підвищеного якості, 4ГП - для підгрупи "б" звичайної якості; калібрована - Б и В; зі спеціальною обробкою поверхні - В, Г, Д.

Таблиця 7. Хімічний склад (%) деяких, що поліпшуються середньолегованих сталей (ДЕРЖСТАНДАРТ 1050-74 і4543-71)

Марка сталі	Елементи				Інші елементи
	C	Mn	Сг	Nі
45Х	0,41-0,49	0,5-0,8	0,8-1,1	<0,25	-
30ХРА	0,27-0,33	0,5-0,8	1,0-1,3	<0,25	0,001- 0,005В
30ХГСА	0,28-0,34	0,8-1,1	0,8-1,1	<0,25	0,9-1,2Sі
45ХН	0,41-0,49	0,5-0,8	0,45-0,75	1,0-1,4	-
40ХН2МА	0,37-0,44	0,5-0,8	0,6-0,9	1,25-165	0,15-0,25Мо

Таблиця 8. Хімічний склад (%) деяких пружинно-ресорних сталей (ДЕРЖСТАНДАРТ 14959 - 69)

Марка сталі	Елементи			Інші елементи
	C	Sі	Mn
65Г	0,62-0,70	0,17-0,37	0,90-1,20	<0,25Cr
60С2	0,57-0,65	1,50-2,00	0,60-0,90	<0,30Cr
50ХГ	0,46-0,54	0,17-0,37	0,70-1,00	0,90-1,20Cr
50ХФА	0,46-0,54	0,17-0,37	0,50-0,80	0,80-1,10Cr 0,10-0,20V
65С2ВА	0,61-0,69	1,50-2,00	0,70-1,00	<0,30Cr 0,80-1,20W
60С2Н2А	0,56-0,64	1,40-1,80	0,40-0,70	<0,30Cr 1,40-1,70Nі
70С2ХА	0,65-0,75	1,40-1,70	0,40-0,60	0,20-0,40Cr

Таблиця 9. Хімічний склад(%) деяких автоматних сталей (ДЕРЖСТАНДАРТ 1414-54)

Марка сталі	Елементи
	C	Mn	Sі	S	P
А12	0,08-0,16	0,60-0,90	0,15-0,35	0,08-0,20	0,08-0,15
А20	0,15-0,25	0,60-0,90	0,15-0,35	0,08-0,15	<0,06
А30	0,25-0,35	0,70-1,00	0,15-0,35	0,08-0,15	<0,06
А40Г	0,35-0,45	1,20-1,55	0,15-0,35	0,18-0,30	<0,06

Таблиця 10. Хімічний склад (%) деяких жароміцних сталей і сплавів

Марка й клас сталі	Елементи					Інші елементи
	C	Cr	Nі	Mo	V
15ХМ Перлітний	0,11-0,18	0,8-1,1	-	0,4-0,55	-	-
12Х1МФ	0,08-0,15	0,9-1,2	-	0,25-0,35	0,15-0,3	-
15Х11МФ Мартенситний	0,12-0,19	10-11,5		0,6-0,8	0,25-0,4	15Х11МФ Мартенситний
40Х9С2	0,35-0,45	8-10	-	-	-	2-3 Sі
20Х12ВНМ Ф	0,17-0,23	10,5- 12,5	0,5-0,9	0,5-0,7	0,15-0,3	0,5-0,9 Mn 0,7-1,1 W
09Х14Н16Б Аустенітний	0,07-0,12	13-15	14-17			1-2 Mn 0,9-1,3 Nb
45Х14Р14В2 М	0,4-0,5	13-15	13-15	0,25-0,4	-	2-2,8% W
40Х15Н7Г7 Ф2МС	0,38-0,47	14-16	6-8	0,65-0,95	1,5-1,9	0,9-1,4 Sі 6-8 Mn
ХН77ТЮР Сплав	<0,07	19-22	Осн.			2,4-2,8 Tі 0,6-1 Al <0.01B
ХН55ВМТФ КЮ	<0,12	9-12	>	4-6,	0,2-0,8	1,4-2 Tі 12-16 Co 4.5-6.5 W 3.6-4.5 Al <0.02 B

ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ СТАЛІ

ЦІЛЬ РОБОТИ

Вивчити призначення, класифікацію, маркування й режими термічної обробки інструментальних сталей.

ПРИЛАДИ Й МАТЕРІАЛИ

Мікроскоп, зразки інструментальних сталей, наочні приладдя й довідкові матеріали

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ:

По призначенню інструменти діляться на формотворні й вимірювальні. Формотворні інструменти підрозділяються на ріжучі (різці, фрези, свердла, розгортки), давлячі (штампи, накатки) і ударні (зубила, пробійники). У свою чергу розрізняють штампи холодного й гарячого деформування металів ("холодні" і "гарячі" штампи).

Різальні інструменти, що працюють в умовах більших навантажень, високих температур і тертя, повинні задовольняти ряд особливих експлуатаційних вимог: твердість матеріалу ріжучої частини інструмента повинна значно перевищувати твердість матеріалу заготовки, висока міцність забезпечує опір інструмента деформаціям у процесі різання, а достатня в'язкість матеріалу інструмента дозволяє йому сприймати ударні динамічні навантаження, що виникають при обробці заготовок. Оскільки в процесі різання механічна енергія перетворюється в теплову, ріжуча кромка інструмента нагрівається до високих температур.

Сталь у штампах витримує значні теплові й ударні навантаження, що розподілені по значній поверхні. При цьому найкращою сталлю є та, у якої при температурах, відповідних до умов роботи штампа, спостерігається оптимальна комбінація твердості й пластичності.

Умови роботи вимірювального інструмента наближаються до умов роботи різального інструменту при легких режимах різання, відмінність полягає лише в значно менших питомих тисках на робочі поверхні. Для різних видів інструмента застосовують інструментальні сталі різного типу.

Інструментальними сталями називають вуглецеві й леговані сталі, що мають високу твердість, міцністю, зносостійкістю, застосовуються для виготовлення ріжучих, вимірювальних інструментів і штампів.

Однієї з головних характеристик інструментальних сталей є теплостійкість (або червоностійкість), тобто стійкість проти відпускання при нагріванні інструмента в процесі роботи. Розрізняють інструментальні сталі, що не є теплостійкими (вуглецеві й леговані сталі, що містять до 3 - 4% легуючих елементів), напівтеплостійкі (понад 0,6 - 0,7% C і 4 - 3% Cr) і теплостійкі (високолеговані сталі ледебуритного класу, що містять Cr, W, V, Mo, Co), що одержали назву швидкорізальних.

Основним елементом, що визначає високу зносостійкість інструментальних сталей, є вуглець, тому що твердість, а отже й зносостійкість інструмента після термообробки залежить від вмісту вуглецю в мартенситі. Наявність легуючих елементів у значній мірі впливає на закалювання сталі, а також збільшує стабільність мартенситу при нагріванні загартованої сталі.

Вуглецеві інструментальні сталі (У7, У8Г, У12А, У8ГА) маркують буквою У (вуглецева): наступна за нею цифра - середня масова частка вуглецю в десятих частках відсотка, буква Г говорить про підвищений вміст марганцю в даній сталі, А - високоякісна, тобто більш чиста по сірці й фосфору сталь.

Рис. 1. Схема мікроструктури вуглецевих інструментальних сталей

а) Сталь У8 після відпалу - перліт зернистий, б) Сталь У8 після загартування й низького відпуску - мартенсит відпуску, в) Сталь У12 після відпалу - перліт зернистий + цементит вторинний, г) Сталь У12 після загартування й низького відпуску - мартенсит відпуск + цементит вторинний

Доевтектоїдні й евтектоїдні інструментальні сталі у вихідному (відпаленому) стані мають структуру зернистого перліту (рис. 1). У структурі заевтектоїдних сталей додатково присутній вторинний цементит. Сталі з такою структурою мають низьку твердість і добре обробляються різанням. Температура загартування в доевтектоїдних сталей повинна бути вище верхньої критичної крапки Ас3 (t = Ас3 + 20 - 40),°С, а в эвтектоидних і заевтектоїдних вище нижньої критичної крапки Ас1 (t = Ас1 + 20 - 40),°С, щоб у результаті загартування сталь одержала мартенситну структуру. У заевтектоїдних сталей при цьому зберігається вторинний цементит. Загартування проводять у воді або у водяних розчинах солей. Після загартування інструментальні вуглецеві сталі зазнають низького відпуску при 150 - 170°С (рис. 2), що знімає значну частину гартівних напруг при збереженні високої твердості. Формується структура мартенсит відпуску. У заевтектоїдних інструментальних сталей у структурі додатково присутній вторинний цементит (рис. 1). Оскільки вуглецеві сталі мають низьку загартованість, з них виготовляють в основному інструмент невеликої товщини (напайки, ножівкові полотна, хірургічний інструмент).

Рис. 2. Графік термічної обробки заевтектоїдної інструментальної сталі.

Вуглецеві сталі можна використовувати в якості різального інструменту тільки для різання матеріалів з низькою твердістю й з малою швидкістю різання, тому що при нагріванні вище 190 - 200 °С їх твердість різко знижується.

Легована інструментальна сталь (X, 9X, 9XC, 6ХВГ) виготовляється в основному високоякісною, тому буква А наприкінці марки не ставиться. Цифра на початку марки показує середню масову частку вуглецю в десятих частках відсотка. Якщо зміст вуглецю близько 1%, то цифра звичайно відсутня. Букви означають легуючі елементи: А (усередині марки) - азот, В - вольфрам, Г - марганець, В - кобальт, М - молібден, Н - нікель, З - кремній, Т - титан, Ф - ванадій, Х - хром. Цифри, що стоять після букв, показують середню масову частку легуючого елемента в цілих відсотках. Відсутність цифри після букви означає, що вміст цього легуючого елемента перебуває в межах від 0,1 до 1%. Леговані інструментальні сталі подібно вуглецевих не є теплостійкими і придатні тільки для різання відносно м'яких матеріалів з невеликою швидкістю. Їх використовують для інструмента, що не нагрівається під час обробки понад 200 - 250 °С. Леговані сталі мають більшу закалюваність, ніж вуглецеві.

Низьколеговані сталі (11Х, 13Х) рекомендуються для інструментів діаметром до 15 мм, а сталі з підвищеною закалюваність (9ХС, ХВСГ) мають більшу теплостійкість (250 - 280) °С, гарні ріжучі властивості й порівняно мало деформуються при загартуванні. Їх використовують для виготовлення інструментів діаметром 60 - 80 мм.

Остаточна термічна обробка легованих сталей складається з неповного загартування й низького відпуску, подібно вуглецевим (рис. 2).

При неповному загартуванні виріб нагрівають до t = Ас1 + (30 - 50) °С, витримують і швидко охолоджують у маслі або гарячих середовищах, що зменшує їхнє жолоблення в порівнянні з вуглецевими, охолоджуваними у воді. Низький відпуск проводять при температурі 150 - 180 °С.

Структура інструментальних легованих сталей після остаточної термічної обробки складається з відпущеного легованого мартенситу й легованого зернистого цементиту, тобто вона якісно подібна структурі вуглецевої заевтектоїдної інструментальної сталі після аналогічної термообробки (рис. 1).

Швидкорізальні сталі - леговані сталі, призначені, головним чином, для виготовлення металорізального інструмента, що працює при високих швидкостях різання.

Швидкорізальна сталь повинна мати високий опір руйнуванню, твердість (у холодному стані й гарячому) і червоностійкістю.

Характеристики швидкорізальних сталей

- Гаряча твердість;

- Червоностійкість;

- Опір руйнуванню.

Високим опором руйнуванню й твердістю в холодному стані наділені і вуглецеві інструментальні сталі. Однак інструмент із них не в змозі забезпечити високошвидкісні режими різання. Легування швидкорізальних сталей вольфрамом, молібденом, ванадієм і кобальтом забезпечує гарячу твердість і червоностійкість сталі.

Швидкорізальна сталь маркірується буквою Р, а наступна за нею цифра вказує середню масову частку головного легуючого елемента швидкорізальної сталі - вольфраму (Р18, Р6М5, Р10К5Ф5). Середній вміст інших легуючих елементів позначається цифрою після відповідної букви. Середній зміст хрому в більшості швидкорізальних сталей становить 4% і тому в позначенні марки сталі не вказується. Крім того, не вказується вміст молібдену до 1% по масі й ванадію, якщо його вміст менше, чим молібдену.

У швидкорізальних сталях теплостійкість досягається легуванням карбідоутворюючими елементами (вольфрамом, молібденом, хромом, ванадієм) у такій кількості, при якій вони зв'язують майже весь вуглець у спеціальні карбіди. Ці сталі зберігають мартенситну структуру при нагріванні до 600 - 650°С, тому їх застосування дозволяє значно підвищити швидкість різання (в 2 - 4 рази) і стійкість інструмента (в 10 - 30 раз) у порівнянні зі сталями, що не є теплостійкими.

Швидкорізальні сталі відносять до карбідного (ледебуритного) класу. Їхній фазовий склад у відпаленому стані являє собою легований ферит і карбіди Cr₇C₃, Fe₃W₃C₆, VC, у яких також розчинений ванадій. У фериті розчинена більша частина хрому: майже весь вольфрам, молібден і ванадій перебувають у карбідах. Кількість карбідної фази у швидкорізальних сталях досягає 22 - 30 %.

Рис. 3. Схема мікроструктури швидкорізальних сталей.

а) Лита й відпалена - сорбітовидний перліт + карбіди + ледебуритна евтектика, б) горячодеформована й відпалена - сорбітовидний перліт + карбіди, в) загартована - мартенсит загартування + аустеніт залишковий + карбіди, г) відпущена - мартенсит відпуск + карбіди.

 

У структурі литої швидкоріжучої сталі присутня складна евтектика, що нагадує ледебурит. У результаті гарячої механічної обробки (кування) сітка ледебуритної евтектики дробиться (рис. 3). Для зниження твердості, поліпшення обробки різанням і підготовки структури сталі до загартування після кування швидкорізальну сталь піддають відпалу при 800 - 860 °С. Для додання теплостійкості сталі інструменти піддають загартуванню й багаторазовому відпуску (рис. 4).

Рис. 4. Графік термічної обробки швидкорізальної сталі.

Режими термічної обробки інструментальних сталей наведені в табл. 1, 2, 3.

Температура загартування швидкорізальної сталі приймають в інтервалі 1200 - 1290 °С. Високі температури загартування необхідні для більш повного розчинення карбідів і одержання при нагріванні аустеніту, високолегованого хромом, вольфрамом, молібденом і ванадієм. Це забезпечує одержання після загартування мартенситу, що має високу теплостійкість. Однак навіть при дуже високому нагріванні розчиняється тільки частина карбідів, приблизно 30 - 60 % від наявних у різних марок швидкорізальних сталей.

Високолегований аустеніт, отриманий при нагріванні під загартування, має велику стійкість, тому швидкорізальні сталі мають малу критичну швидкість охолодження (загартування) і можуть гартуватися на повітрі. Однак на практиці в якості охолоджуючого середовища застосовується масло.

Структура швидкорізальної сталі після загартування представляє високолегований мартенсит, що містить 0,3-0,4% С, нерозчинені надлишкові карбіди й високолегований залишковий аустеніт, що становить 25 - 35%. Оскільки залишковий аустеніт знижує ріжучі властивості сталі, його присутність у готовому інструменті неприпустимо.

Після загартування виконують відпуск при 550-570°С, що викликає перетворення залишкового легованого аустеніту в легований мартенсит і дисперсійне твердіння в результаті часткового розпаду мартенситу й виділення карбідів (рис. 3), що супроводжується збільшенням твердості. Щоб увесь залишковий аустеніт перевести в мартенсит і провести відпуск мартенситу, що знову утворився, застосовують багаторазовий (частіше трикратний) відпуск при 550 - 570 С.