Лабораторая работа №8 «Инструментальные стали»
Цель работы:
изучение структуры, свойств, способов термической обработки инструментальных сталей и области их применения.
1. Характеристика инструментальных сталей
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких сталей изготавливают только рабочую часть инструмента, а крепежные части выполняют из конструкционных сталей.
Для уменьшений скорости изнашивания режущего, измерительного и штампового инструмента необходимо, чтобы используемые для его изготовления стали обладали достаточной износостойкостью, обеспечивающей длительное сохранение неизменными размеров и формы рабочей части.
Для правильного выбора марки стали и режима термической обработки важно знать условия работы инструмента, требования, предъявляемые к нему.
И
зносостойкость
стали определяется ее твердостью
(увеличивается с ее ростом) и микроструктурой.
При твердости, равной 60...65 НRСэ,
наиболее износостойка сталь, состоящая
из мартенсита и равномерно расположенных
в нем карбидов ванадия, вольфрама, хрома
и других элементов.
Инструментальные стали содержат не менее 0,6 % С и подвергаются закалке с низким отпуском на необходимую твердость (исключение составляют стали, подвергающиеся горячему деформированию и содержащие 0,3...0,6 % С). В результате названной термической обработки достигаются твердость стали 60...65 HRС и предел прочности ее при изгибе σи = 250...350 МПа.
Способность стали сохранять структуру и эксплуатационные свойства при повышенных температурах называется теплостойкостью или красностойкостью. Это технологическое свойство стали, определяемое по максимальной температуре, при нагреве до которой она сохраняет в течение определенного времени эксплуатационную твердость. Теплостойкость стали достигается легированием ее вольфрамом, молибденом, ванадием.
Важной характеристикой стали является прокаливаемость, которая может быть повышена за счет легирования ее хромом и марганцем. В этом случае увеличивается интервал устойчивости переохлажденного аустенита стали и снижается икр. Стали, легированные хромом и марганцем, можно использовать для изготовления крупного инструмента. Тонкий и сложный по форме инструмент, изготовленный из таких сталей, можно закаливать в менее интенсивных, чем вода, охлаждающих средах.
Инструментальные стали легируют карбидообразующими элементами: V, W, Мо, Сr, Мn. Последние не только повышают износостойкость и теплостойкость стали, но и, растворяясь в аустените, уменьшают растворимость углерода в нем. Иначе говоря, они сдвигают линию ES диаграммы состояния системы Fe-Fe3C. Особенно сильно влияют на положение линии ES вольфрам и хром.
2. Классификация инструментальных сталей по свойствам
Инструментальные стали по теплостойкости классифицируют на нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.
Нетеплостойкие стали. Сохраняют высокую твердость при нагреве до 200...250 °С. При дальнейшем нагревании происходят распад мартенсита и коагуляция (рост с округлением) частиц карбидов. Инструмент из таких сталей применяют для резания мягких материалов с небольшой скоростью и для холодного деформирования. По структуре в равновесном состоянии они могут быть доэвтектоидными (Ф+П), эвтектоидными (П), заэвтектоидными (П+ЦII). По прокаливаемости подразделяются на стали небольшой, повышенной и высокой прокаливаемости.
Полутеплостойкие стали. Характерные стали – высокохромистые (3–18 % Cr), высокоуглеродистые (1–1,5 % C), главным образом ледебуритные. Часть из них имеет, кроме того, повышенное содержание ванадия. Подобно сталям предыдущей группы, они приобретают высокую твердость и прочность в результате мартенситного превращения при закалке. Однако при отпуске 250–400°С в них выделяются карбиды хрома и легированный цементит, обладающий большой устойчивостью против коагуляции, вследствие чего эти стали сохраняют повышенную твердость до более высоких температур.
Теплостойкие стали. К этой группе относятся высоколегированные стали, приобретающие высокую твердость, прочность и износостойкость в результате двойного упрочнения: а) мартенситного при закалке и б) дисперсионного твердения при относительно высоком отпуске (500–625 °С, вызываемом выделением упрочняющих фаз. Такими фазами для большинства ста лей являются сложные карбиды вольфрама, молибдена, а также карбиды ванадия, создающие карбидное упрочнение, а у некоторых сталей и сплавов – интерметаллиды, создающие интерметаллидное упрочнение. Карбиды названных элементов выделяются из мартенсита и коагулируют при 500–650°С, а интерметаллиды – при 650-720°С. Свойства, полученные термической обработкой, сохраняются при высоком нагреве.
Стали с карбидным упрочнением при повышенном содержании углерода (> 0,6 %) – ледебуритные, их называют быстрорежущими, они представляют одну из наиболее характерных и часто применяемых групп инструментальных сталей. При меньшем содержании углерода и легирующих элементов стали с карбидным упрощением – заэвтектоидные (их используют преимущественно как штамповые для горячего деформирования).
Таким образом, нетеплостойкие и теплостойкие стали незначительно различаются по твердости, прочности и износостойкости при нормальных температурах, но при нагреве эти важнейшие свойства изменяются.
По назначению инструментальные стали делятся на следующие группы:
– для режущего инструмента (углеродистые, низколегированные и быстрорежущие стали);
– для штампового инструмента при холодной деформации;
– для штампового инструмента при горячей деформации;
– для измерительного инструмента.
В данной лабораторной работе рассматриваются стали для режущего инструмента