Легированная инструментальная сталь.

Легированные инструментальные стали Х, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т.п. маркируют цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание меньше 1%. Если содержание углерода приблизительно 1%, то цифра отсутствует. Буквы обозначают легирующие элементы, а следующие за ними цифры – содержание (в целых %) соответствующего легирующего элемента.

Подобно углеродистым сталям, легирующие инструментальные стали не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания относительно мягких материалов с небольшой скоростью. Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву выше 200-250⁰С.

Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают большей устойчивостью переохлажденного аустенита, а следовательно, и большей прокаливаемостью. Инструменты из этих сталей можно охладить при закалке в масле и в горячих средах (ступенчатая закалка), что уменьшает деформацию и коробление инструмента.

Низколегированные стали 11Х и 13Х рекомендованы для инструментов диаметром до 15 мм, закаливаемых в масле или горячих средах для уменьшения деформации по сравнению с получаемой в углеродистых сталях, закаливаемых в воде.

Стали повышенной прокаливаемости (60-80 мм) 9ХС и ХВСГ имеют большую теплостойкость (250-260⁰С), хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Их применяют для инструмента большого сечения при закалке в масле или горячих средах (например, фрезы, ручные сверла, развертки и т.п.). Но сплав 9ХС обезуглероживается при нагреве. В отожженном состоянии имеет повышенную твердость (НВ187-241), что ухудшает его обработку резанием и давлением.

Вольфрамовые стали В2Ф и ХВ4 после закалки в водных растворах имеют очень высокую твердость и применяются для пил (по металлу) и граверных инструментов.

Инструментальные стали изготавливают в виде горяче - и холоднокатаных прутков и различной формой сечения, а также в виде лент. Степень обработки и точность размеров могут быть разными.

Быстрорежущая сталь.

Быстрорежущей называется сталь, которая после термической обработки сохраняет структуру высоколегированного, отпущенного мартенсита с карбидами. Она обладает высокой твердостью и износостойкостью. Режущие свойства сохраняются при высоких скоростях резания, когда инструмент продолжительное время нагревается до 560 ^оС.

У инструментальной углеродистой стали, например, У10 или У10А, после закалки и отпуска при 150⁰С получается структура отпущенного мартенсита с мелкими частицами цементита. Высокая твердость при последующем нагреве сохраняется только до 150⁰С. При работе таким инструментом нельзя допускать нагрева его режущей кромки выше 150⁰С, что ограничивает скорость резания.

Режущая кромка инструмента из термически обработанной быстрорежущей стали во время работы может нагреваться до 500⁰С без изменения структуры и свойств, поэтому для такого резца можно увеличить скорость резания в 8-10 раз по сравнению с инструментом из стали У10 или У10А.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р. Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали – W в %. Среднее содержание V в стали обозначают цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта – цифрой за буквой К и т.д. Среднее содержание Cr в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4% и в обозначении марки стали не указывается.

Наиболее распространенными марками БРСТ являются Р18 и Р9, применяемые для обработки мягких и средней твердости материалов. Химический состав Р18: С=0,7-0,8%, W=17,5-19,0; V=1,0-1,4; Cr=3,8-4,4; Р9 – С 0,85-0,95; W=8,5-10,0; V=2,0-2,6; Cr=3,8-4,4.

Сталь Р18Ф2 отличается повышенной стойкостью при удовлетворительной шлифуемости, а стали Р14Ф4 и Р10К5Ф5 применяются для обработки нержавеющих и жаропрочных сплавов и твердых материалов.

Влияние легирующих элементов: W обеспечивает красностойкость быстрорежущей стали. Gr способствует большей прокаливаемости. V в нормальном количестве способствует стойкости карбидов и повышает производительность режущего инструмента. Однако, повышение содержания V требует увеличения содержания углерода. Избыток V ухудшает шлифуемость быстрорежущей стали.

Сложные карбиды W, Cr и V с трудом растворяются в аустените. W, вследствие большого атомного объема, а V из-за большого химического сродства с углеродом при отпуске не перемещаются в решетке Fe, и вследствие этого, твердость сохраняется даже при повышенных температурах (до 560⁰С).

“Со” присутствует в твердом растворе и не влияет на карбиды. При содержании более 5%,“Со” повышает твердость, красностойкость и режущие свойства стали, но увеличивает ее хрупкость и способствует обезуглероживанию.

Литая БР сталь имеет в структуре карбиды, главным образом в составе эвтектики, которая в результате прокатки и ковки разрушается и дает отдельные карбиды в виде зерен разной величины. Структура кованой и отожженной БР стали состоит из сорбитообразного перлита и частиц двойного карбида (Fe₂W₂)C. В свою очередь, сорбитообразный перлит состоит из ферритной основы и мельчайших частичек того же карбида, называемого эвтектоидным.

Cr и V находятся в БР стали в твердом растворе в двойном карбиде (Fe₂W₂)С или феррите.

Пороком структуры БР стали является карбидная полосчатость. Она сильно снижает прочность режущего инструмента при нагружении вдоль хрупких полос карбида.

При нагреве под закалку карбиды растворяются в аустените, увеличивая его легированность. Но, общее количество карбидов, содержащихся в быстрорежущей стали, превышает их предельную растворимость в аустените, поэтому часть карбидов остается в структуре. Это увеличивает износостойкость режущей кромки и препятствует росту аустенитного зерна. Таким образом, создается природная мелкозернистость аустенита, в связи с чем Бр сталь имеет мелкий фарфоровидный излом. Большое количество первичных и вторичных карбидов в структуре стали Р18 являются ее преимуществом перед сталью Р9.

Высокие режущие свойства Бр сталь получает только после соответствующей термической обработки.

Бр сталь Р9 имеет 2 области температур быстрого превращения:

1. Перлитную (в пределах 700-800⁰С), где при достаточном времени изотермической выдержки превращение аустенита может полностью завершиться.

2. Промежуточную (250-350⁰С), в которой хотя превращение аустенита начинается рано, но протекает медленнее и останавливается при содержании аустенита приблизительно 60%.

В области температур 370-600⁰С аустенит Бр стали очень устойчив.

Положение точек Мн и Мк, т.е. начала и конца мартенситного превращения, находится в зависимости от температуры нагрева для закалки Бр стали: чем выше температура закалки, тем легированнее аустенит Бр стали и тем ниже положение точек Мн и Мк.

После прокатки или ковки Бр сталь подвергают изотермическому отжигу, чтобы понизить ее твердость и облегчить механическую обработку. После нагрева выше точки Ас₁ (880⁰С) с соответствующей выдержкой, производится охлаждение до температуры наиболее быстрого перлитного превращения аустенита в сорбитообразный перлит.

После отжига структура Бр стали должна состоять из сорбитообразного перлита с включением большого количества карбидов.

Твердость отожженной Бр стали не должна превышать НВ255.