Инструментальные стали для быстрорежущего инструмента

Зарегистрировано « » 20 г. Подпись (расшифровка подписи) 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. 3 Основные свойства инструментальных сталей. 4 Термическая обработка.

5 Список литературы. 10 Приложение. 11 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), ºС, а у эвтектоидных и заэвтектоидных выше нижней критической точки Ас1 (t = Ас1 + 20 – 40), ºС, 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 ºС (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 ºС 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 ºС. 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) ºС, 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) ºС, 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 ºС. 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 ºС.

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 ºС. 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 ºС, 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 ºС. 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 Марка стали Отжиг Закалка Отпуск Темпе ратура, °С Твердость НВ Температура, °С Среда охлаждения Температура, °С Твердость НRС У7 690 – 710 187 800 – 820 Вода 150 – 160 62

У8 690 – 710 187 780 – 800 Вода 150 – 160 62 У10 750 – 770 197 770 – 810 Вода 150 – 160 63 У11 750 – 770 207 770 – 800 Вода 150 – 160 63 У13 750 – 770 217 760 – 790 Вода 150 – 160 63 Таблица 2 Режимы термической обработки инструментальных легированных сталей Марка стали Отжиг Закалка Отпуск Температура,°С Твердость

HB Температура,°С Среда охл. Температура,°С Твердость HB X 770 – 790 225 –207 830 –860 Масло 180 – 200 66 – 59 9XC 790 – 810 255 – 207 820 – 860 Масло 140 – 160 60 – 62 XГСВФ 790 – 810 228 – 196 820 –850 Масло 140 – 160 61 – 63 ХГ 780 – 800 241 – 197 800 – 830 Масло 150 – 200 61 – 62 ХВГ 770 – 790 255 –207 820 – 840

Масло 160 – 180 62 – 63 ХВСГ 790 – 810 229 –197 840 – 860 Масло 160 – 180 62 – 63 ХСВФ 830 – 850 228 –187 840 – 860 Масло 170 – 180 61 – 63 3Х2В8Ф 1140 – 1160 255 – 207 1120 – 1160 Масло 550 – 560 45 – 51 4Х8В2 750 – 780 255 – 207 1120 – 1140 Масло 550 – 560 49 – 51 Таблица 3 Режимы термической обработки быстрорежущих сталей

Марка стали Отжиг Закалка Отпуск Тем-ра ºС Твердость НВ Тем-ра ºС Среда охл. Тем-ра ºС Твердость НВ Р18 830 – 850 207 – 255 1260 – 1300 Масло, соли 550 – 570 64 – 65 Р10К5Ф5 840 – 860 285 1220 – 1240 Масло, соли 575 – 585 65 – 67 Р9К5 840 – 860 269 1220 – 1240 Масло, соли 555 – 565 65 – 67

Р6М3 830 – 850 207 – 235 1210 – 1230 Масло, соли 555 – 565 65 – 66 Р18Ф2К8М 850 – 870 263 – 277 1220 – 1260 Масло, соли 560 – 570 67 – 68 Р9Ф5 840 – 860 269 1240 – 1260 Масло, соли 575 – 585 65 – 67 Р14Ф4 850 – 860 269 1240 – 1260 Масло, соли 575 – 585 67 – 68 Р18Ф2 840 – 860 269 1260 – 1380 Масло, соли 575 – 585 67 – 68