книги / Основы металловедения и термообработки

для образования скалывающейся стружки феррито-перлитную структуру стали. Обрабатываемость низкоуглеродистых сталей повышают наклепом, способствующим образованию при реза­ нии сыпучей, легко отделяющейся стружки.

Более эффективно обрабатываемость резанием повышается введением в сталь серы, селена, теллура, кальция, изменяющих состав и количество неметаллических включений, а также вве­ дением свинца, образующего собственные включения, и фосфо­ ра, изменяющего свойства металлической основы. Такие стали называют автоматными и маркируют буквой А (автоматиче­ ская), присутствие свинца обозначает буква С, селена - Е, каль­ ция - Ц; двухзначная цифра после А, АС или АЦ обозначает среднее содержание углерода (сотые доли %).

Автоматные сернистые стали All, А12, А20, АЗО, А35, А40Г содержат 0,08-0,30 % S и 0,05-0,15 % Р. Для предотвращения красноломкости содержание марганца увеличено до 0,7-1,5 %. Образующиеся сульфиды марганца оказывают смазывающее действие, нарушают сплошность металла и вместе с фосфором охрупчивают феррит, что облегчает отделение и измельчение стружки и получение гладкой блестящей поверхности резания. Однако для этих сталей характерна анизотропия механических свойств, пониженная вязкость и усталостная прочность, низкая коррозионная стойкость.

Автоматные свинцовосодержащие стали (0,15-0,35 % РЬ) подразделяют на углеродистые с повышенным содержанием серы (АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г), легированные низкоуглеродистые (АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ) и легированные среднеуглеро­ дистые (АС30ХМ, АС38ХГМ, АС40ХГНМ). Свинец не растворя­ ется в стали и образует дисперсные частицы. Введение свинца по­ зволяет повысить скорость резания на 30-40 % или при той же скорости резания повысить стойкость инструмента в 2-7 раз.

Свинец не ухудшает прочностных свойств, но вызывает не­ которую анизотропию пластичности и вязкости. Свинцовосо161

держащие стали широко применяют для изготовления деталей

автомобильных двигателей.

Автоматные селеносодержащие стали содержат 0,04-0,10 % Se

и0,06-0,12 % S. Это углеродистые (А35Е, А45Е) и хромистые (А40ХЕ) стали. Образующиеся в них селениды и сульфоселениды обволакивают твердые оксидные включения и уменьшают истирание инструмента. Они остаются глобулярными и после обработки давлением, не вызывают анизотропию механических свойств. При их обработке возможно повышение скорости реза­ ния на 30 % и снижение расхода инструмента в 2 раза.

Введение селена не снижает коррозионную стойкость ста­ ли. Его введение в весьма вязкую сталь 12Х18Н10Е (0,15-0,30 % Se) делает ее по обрабатываемости близкой углеродистой стали.

Автоматные кальцийсодержащие стали (0,002-0,008 % Са) АЦ20, АЦ30, АЦ40Х, АЦ30ХН и др. с добавлением свинца

ителлура применяются для изготовления термоупрочняемых деталей, обрабатываемых твердосплавным инструментом при высоких скоростях резания (100 м/мин и выше). Тугоплавкие кальцийсодержащие включения только при больших скоростях резания размягчаются и проявляют смазывающее действие.

9. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Инструментальные легированные стали - наиболее обшир­ ная и важная в практическом отношении группа инструмен­ тальных материалов.

Легированные инструментальные стали принято разделять по степени легированности, свойствам и назначению на низко­ легированные, быстрорежущие, стали для штампов холодной обработки давлением и стали для штампов горячей обработки давлением. Состав некоторых из них, а также температуры на­ грева под закалку и отпуск приведены в табл. 13.

Кроме легированных сталей к инструментальным материалам относятся упоминавшиеся ранее углеродистые стали (0,7-1,3 % С), а также твердые сплавы и сверхтвердые материалы - алмаз и ку­ бический нитрид бора.

9.1. Стали для режущего и мерительного

инструмента

Для режущих инструментов назначают стали с высокой твердостью, обеспечивающей износостойкость, и способные сохранять эту твердость при длительном нагреве, температура которого возрастает с повышением скорости резания. Таким об­ разом, от теплостойкости материала инструмента зависит про­ изводительность резания.

Как известно, высокая твердость стали достигается закал­ кой на структуру углеродистого мартенсита с дисперсными включениями карбидов. Заэвтектоидные стали У10, У11, У12, У13 после закалки и низкого отпуска (160-200 °С) имеют высо­ кую твердость (HRC 62-64), но она сохраняется при нагреве

только до 200 °С. Кроме того, низкая прокаливаемость углеро­ дистых сталей делает их пригодными только для относительно мелких инструментов сечением до 25 мм.

Т а б л и ц а 13

Состав и режимы термообработки наиболее применяемых инструментальных легированных сталей

Низколегированные инструментальные стали X, ХВГ, 9ХС, ХВСГ, ХВ4, В2 (см. табл. 13) содержат до 5 % леги­ рующих элементов, которые вводят для увеличения прокаливаемости (до 100 мм), закаливаемости, а также для уменьше­ ния деформации и опасности растрескивания при закалке. Те­ плостойкость их остается низкой (до 260 °С), но твердость несколько выше твердости углеродистых сталей (HRC 62-69) из-за легированности цементита и наличия карбидов вольф­ рама типа МебС (сталь ХВ4).

Быстрорежущие высоколегированные инструментальные стали (Р18, Р9, Р6М5, Р18К5Ф2 и др.) предназначены для изго­ товления инструментов высокой производительности. Основное их свойство - высокая теплостойкость, обеспеченная наличием большого количества вольфрама и других карбидообразующих элементов (хрома, молибдена, ванадия). Быстрорежущие стали обозначаются буквой Р, цифра после которой указывает содер­ жание W (в процентах). Содержание V (до 2 %) и Сг (до 4 %) в марке сталей не указывается. Их твердость HRC > 64.

Комплексное легирование быстрорежущих сталей сохраня­ ет их теплостойкость до температуры 560-640 °С, так как кар­ бидообразующие элементы сдерживают распад мартенсита и образуют дисперсные карбиды. Кобальт не образует карбидов, но, повышая энергию межатомной связи, затрудняет укрупнение карбидов при нагреве.

Быстрорежущие стали весьма дорогие. Для уменьшения расхода дорогих и дефицитных элементов, особенно W, исполь­ зуют экономно-легированные стали, например Р6М5. Разраба­ тываются безвольфрамовые быстрорежущие стали.

Термообработка быстрорежущих сталей (рис. 92) включает закалку с высокотемпературного нагрева (1270-1290 °С) и трех­ кратный отпуск. При закалке мелкий инструмент охлаждают на воздухе, крупный - в масле. После закалки в структуре стали кроме мартенсита и первичных (ледебуритных) карбидов со­ держится 30-40 % остаточного аустенита, так как температура

Для плоских скоб, шаблонов применяют стали 15Х, 20Х, 12ХНЗА с цементацией или стали упрочняемые закалкой поверх­ ности с нагревом ТВЧ.

Для инструмента большого размера и сложной формы при­ меняют азотируемую сталь 38Х2МЮА.

9.2.Стали для инструмента холодной

игорячей обработки давлением

Стали для инструментов холодной обработки давлением

должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью в сочетании с удовлетворительной вязкостью.

Низколегированные стали типа X, 9ХС, ХВГ и др. приме­ няют для вытяжных и высадочных штампов и пуансонов. Их термообработка включает неполную закалку с 820-840 °С и отпуск при 150-180 °С (HRC 52-54) для инструмента, рабо­ тающего с ударными нагрузками.

Высоколегированные стали типа Х12, Х12М, Х12Ф1 (1,5-2,0 % С), обладающие высокой износостойкостью и прокаливаемостью (150-200 мм), применяют для крупного инструмента сложной формы (штампы вырубные, обрезные, чеканочные по­ вышенной точности, штампы выдавливания, накатные ролики, калибровочные волочильные доски и др.). Эти стали проходят термообработку на первичную твердость HRC 61-63 (закалка с 1020-1070 °С, 4-6-кратный отпуск при 500-580 °С).

Для штампов с тонкой гравюрой и резьбонакатных роликов применяют более вязкую сталь Х6ВФ (1,1 % С; 1,1-1,5 % W; 0,5-0,8 % V) термообрабатываемую только на первичную твердость.

Для зубил, гибочных штампов, обжимных матриц и других инструментов, испытывающих ударные нагрузки, применяют стали повышенной вязкости 4ХС, 6ХС (отпуск при 240-270 °С, 167

HRC 52-55), 4XB2C, 6XB2C (200-250 °C, HRC 53-58 или 430-470 °C,HRC 45-50).

Стали для гтструментов горячей обработки давлением, ис­ пытывающие интенсивное ударное нагружение, периодический нагрев и охлаждение поверхности, должны обладать достаточной

прочностью, износостойкостью, вязкостью, теплостойкостью,

окалиностойкостью и разгаростойкостью. Под разгаростойкосгью понимают устойчивость к образованию поверхностных трещин, вызываемых объемными изменениями в поверхностном слое при резкой смене температур. Это свойство обеспечивается снижени­ ем содержания углерода в стали.

Этим требованиям удовлетворяют легированные стали, со­ держащие 0,3-0,6 % С, подвергаемые после закалки отпуску при 550-680 °С на структуру троостита или троостосорбита.

Для молотовых штампов лучшей считается сталь 5ХНМ, имеющая высокую прокаливаемость (до 500 мм) и сохраняющая высокие механические свойства (ов = 900, Оо,2 = 650 МПа) до температуры 500 °С. Стали 5ХГМ и 5ХНВС уступают стали 5ХНМ в вязкости и предназначены для средних штампов или штампов простой формы.

Крупные штампы подвергают отпуску при 540-580 °С на твердость HRC 35-38. Фигуру штампа нарезают после термооб­ работки. Средние штампы подвергают отпуску при 520-540 °С (HRC 35-40), оставляя припуск на чистовую доводку фигуры штампа. Для небольших штампов (штампуемая заготовка быстро подстывает) добиваются повышенной твердости (HRC 40-45) и износостойкости снижением температуры отпуска до 480-520 °С.

Для штампов горитзонталъно-ковочных машин и прессов, ис­ пытывающих высокие давления без больших ударных нагрузок, но разогреваемых до высоких температур, применяемые стали долж­ ны обладать, прежде всего, высокой теплостойкостью и разгаро­ стойкостью. Для таких условий работы применяют комплексно-

легированные стали ЗХ2В8Ф, 4Х2В5МФ, 4Х5В2ФС и др. Для по­ вышения теплостойкости они подвергаются закалке с высоких температур (1025-1125 °С), обеспечивающей при отпуске в интер­ вале температур 500-580 °С дисперсионное твердение и эффект вторичной твердости (как в быстрорежущих сталях). Для повыше­ ния вязкости отпуск проводят при 600-650 °С на структуру троостита и твердость HRC 45-50.

Стали ЗХ2В5МФ, 4Х2В5МФ предназначены для изготов­ ления тяжелонагруженных инструментов, работающих с разо­ гревом поверхности до 700 °С. Они сохраняют высокую проч­ ность (<т0,2 « ЮОО МПа) и твердость (HRC ^ 45) до температуры 650-670 °С.

Стали 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС теплостойки до 600 °С. Новый класс штамповых сталей типа 4Х2Н5МЗК5Ф с регу­ лируемым аустенитным превращением при эксплуатации значи­ тельно более эффективен по сравнению со сталями типа ЗХ2В8Ф. Рассмотренные стали используют также для изготовления пресс-форм литья под давлением цветных сплавов на основе меди (*„„ * 1000 °С), магния и алюминия (/щ, = 500-650 °С). Для изготовления пресс-форм используют также мартенсито­

стареющие стали.

Для пресс-форм менее нагруженных в тепловом отноше­ нии, применяют стали 4ХВ2С, Х12, 7X3, 30X13 и даже конст­ рукционные стали типа 40Х, 30ХГС и др. Для повышения рабо­ тоспособности пресс-форм и штампов часто применяют азоти­ рование на глубину 8 « 0,2 мм.

10. СТАЛИ И СПЛАВЫ

СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

10.1. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

Высокая сопротивляемость стали воздействию окислитель­ ной окружающей среды достигается легированием элементами, склонными к пассивированию. Пассивное состояние связывают с образованием на поверхности защитных пленок. Основным легирующим элементом нержавеющих сталей является хром, при наличии которого в составе стали на поверхности образует­ ся плотная пленка оксида Сг20 3. Содержание в стали > 12,5 % Сг делает ее нержавеющей (рис. 93). При содержании > 17 % Сг низкоуглеродистая сталь имеет однородную ферритную струк­ туру, что увеличивает ее коррозионную стойкость.

Рис. 93. Влияние химического состава сплавов Fe - Сг на скорость коррозии в воде

Хромистые стали 20X13, 30X13,40X13 относятся к мартен­ ситному классу и могут упрочняться термообработкой (закалка