Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

пластинчатого перлита. Нормализацию проводят с высоких температур

нагрева для укрупления зерна, что несколько увеличивает допустимую

скорость резания.

Обрабатываемость низкоуглеродистых сталей повышают холодной

пластической деформацией, которая, снижая пластичность сталей,

способствует получению сыпучей, легкоотделяющейся стружки.

Более эффективны металлургические приемы, предусматривающие

введение в конструкционную сталь серы, селена, теллура, кальция,

изменяющих состав и количество неметаллических включений; свинца,

создающего собственные металлические включения; фосфора,

изменяющего свойств металлической основы.

Эти добавки и образуемые ими включения создают как бы внутреннюю

смазку, которая в зоне резания снижает трение между инструментом и

стружкой, а также облегчают измельчение стружки.

Стали с повышенным содержанием серы или дополнительно

легированные указанными выше элементами относят к автоматным сталям.

В соответствии с ГОСТ- 1414-75 их маркируют буквой А (автоматная);

присутствие свинца обозначается буковой С, селена- Е, кальция - Ц,

двузначная цифра после букв А, АС или АЦ - указывает среднее содержание

углерода в сотых долях процента.

Автоматные сернистые стали АН, А20, АЗО, А35, А40Г являются

углеродистыми, содержат 0,08-0,3% серы и 0,05-0,15 % фосфора. Для того, чтобы

не проявлялась красноломкость, в них увеличено количество марганца (0,7-

1,55%).

Сера образует большое количество сульфидов марганца, вытянутых в

направлении прокатки. Сульфиды оказывают смазывающее действие. Кроме того,

нарушая сплошность металла, они вместе с фосфором, повышающим хрупкость

феррита, облегчают отделение и измельчение стружки. Отсутствие налипания

металла на инструмент способствует получению гладкой блестящей поверхности

резания. Однако, повышенное количество серы и фосфора снижает качество

стали. Автоматным сернистым сталям свойственна анизотропия механических

свойств - пониженные вязкость, пластичность и особенно сопротивление

усталости в поперечном направлении прокатки. Это ограничивает их

применение для изготовления ответственных деталей машин. Стали АН, А20

используют для крепежных деталей, а также малогруженных деталей сложной

формы, к которым предъявляются требования высокой точности размеров и

чистоты поверхности. Стали АЗО, А40Г предназначены для деталей,

испытывающих боле низкие напряжения.

Автоматные свинцовосодержащие (0,15-0,35 свинца) стали

подразделяют на углеродистые с повышенными содержанием серы ( АС14,

АС40, АС35Г2, АС45Г2) и легированные, среди которых имеются

низкоуглеродистые (АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ) и

среднеуглеродистые (АСЗОХМ, АС38ХГМ, АС40ХГНМ). По

обрабатываемости эти стали лучше, чем сернистые. Свинец не растворяется в

стали и находится в виде дисперсных частиц, которые вместе с сульфидами

действуют как эффективные измельчители стружки. Корме того, от теплоты

резания свинец плавится, растекаясь в виде пленки по обрабатываемой

поверхности, и эффективно снижает трение между инструментом и деталью.

Введение свинца повышает скорость резания на 30-40% без снижения стойкости

инструмента и в 2-7 раз увеличивает стойкость инструмента при сохранении

принятой скорости резания. Свинец не ухудшает прочностных свойств, вызывая

некоторую анизотропию пластичности и вязкости. Свинцовосодержащие стали

применяют на автомобильных заводах для изготовления многих деталей

двигателя.

Автоматные селеносодержащие стали подразделяют на углеродистые

(А35Е, А45Е) и хромистую (А 40ХЕ). Огни содержат 0,04-0,1% селена и 0,06-

0,12% серы. Повышение обрабатываемости связано с образованием селенидов и

сульфоселенидов. Они обволакивают твердые оксидные включения и тем самым

устраняют их истирающее действие. Корме того, селениды сохраняют

глобулярную форму после обработки давлением, поэтому практически не

вызывают анизотропию свойств стали. Применение селеносодержащих сталей

позволяет в 2 раза снизить расход инструмента и до 30% повысить

производительность обработки.

В отличие от серы селен практически не снижает коррозионных свойств.

Его вводят в аустенитную хромоникелевую коррозионно-стойкую сталь. Так,

12Х18Н10Е (ГОСТ 5632-72) содержит 0,15-0,3% селена и обрабатываемости

приближается к простой углеродистой стали.

Автоматные кальцийсодержащие (0,002-0,008% кальция) стали (АЦ20,

АЦ30, АЦ40Х, АЦ30ХН и др.) с добавлением свинца и теллура

предназначены для изготовления термически упрочненных деталей,

обрабатываемых твердосплавным инструментом при высоких (100 м/мин и

более) скоростях резания. Необходимость использования высоких скоростей

обработки диктуется тем, что тугоплавкие кальцийсодержащие включения,

образующиеся в этих сталях, способны размягчаться и проявлять

смазывающее действие лишь при высоких температурах в зоне резания.

РЕЛЬСОВЫЕ СТАЛИ.

Требования.

Основные марки сталей.

Термическая обработка для получения нужных характеристик,

легирование для повышения эксплуатационной стойкости стали.

Работоспособность железнодорожного транспорта зависит от качества

рельсов. Рельсы подвергаются воздействию периодических контактных

нагрузок, знакопеременных нагрузок, трения, ударных нагрузок .

Скольжение, пластическая деформация металла на поверхности,

прохождение тока, идущего через контактные площадки от колеса к рельсу,

приводит к нагреву поверхности и резкому охлаждению ее из-за быстрого

отвода тепла внутрь металла с образованием мартенситно-карбидной пленки.

Твердость и хрупкость этой пленки вызывает ее отслаивание и увеличивает

износ рельсов. Условия эксплуатации приводят к возникновению различных

дефектов и повреждений.

Контактно-усталостные повреждения являются основным видом

разрушения.

Таким образом, к рельсовым сталям предъявляют требования: высокая

износостойкость, контактно-усталостная прочность, определенная живучесть

(характеризуется скоростью роста поперечных усталостных трещин),

высокое сопротивление хрупкому разрушению, надежность в эксплуатации.

Работоспособность сталей определяется их массой, содержанием

углерода, ее качеством, технологией термической обработки и другими

факторами.

Стали для рельсов М76, М74 (ГОСТ 24182-80) содержат 0.71-0.82 %С,

0.75-1.0 %Мн, 0.18 - 0.40 %Si, ≤0.035 %Р, ≤0.045 %S, ≤ 0.15%Аs. В марке

стали указывается средний процент содержания углерода в сотых долях

процента.

Структура стали в горячекатаном состоянии представляет собой

тонкопластинчатый перлит, либо с отдельными выделениями структурно

свободного феррита. Повышенное содержание углерода и марганца

способствует получению высокой прочности и сопротивлению износу и

смятию. Однако, контактно-усталостная прочность неупрочненных рельсов

из углеродистых сталей не отвечает современным требованиям.

Повышение эксплуатационной стойкости рельсов достигается

применением термической обработки на тонкопластинчатый сорбит.

Рельсы подвергают упрочняющей термической обработке по всей

длине по различной технологии. Рельсы обрабатывают по всей длине.

Объемная закалка проводится при 860-840ºС с охлаждением в масле, при

этом получается структура тонкопластинчатого сорбита закалки. Твердость

стали после закалки 352-375 НВ. Можно применять закалку поверхностную с

объемного печного нагрева. Однако в этом случае твердость после

термической обработки будет различной 341-375 НВ., а на концах до 400 НВ.

Структура при этом тоже неоднородна: на глубине 3-5мм от поверхности

сорбит отпуска,

на глубине 55-8мм отпущенный бейнит, на глубине 8-10мм сорбит

закалки. Слой бейнита отпуска имеет более низкую твердость, способствует

ускоренному развитию трещин в рельсах при эксплуатации.

Кроме того, на рельсах проводят противофлокенную обработку, путем

замедленного охлаждения, либо при помощи изотермической выдержки

рельсов после прокатки, что связано с удалением из стали водорода.

Раздел 3. Инструментальные стали.

Лекция № 12.

План лекции:

Инструментальные стали.

Стали для режущего инструмента.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ.

Условия работы инструмента.

Основные требования к свойствам и структуре сталей.

Классификация: по назначению, по твердости, по теплоемкости.

Микроструктура и ее влияние на свойства при эксплуатации.

Инструментальными называются стали, применяемые для обработки

материалов резанием и давлением, имеющие определенные свойства:

твердость, износостойкость, теплостойкость. К инструментальным относятся

углеродистые (содержащие > 0,6–0,7 % С) и легированные (содержащие ≥

0,2–0,4 % С) стали, обладающие высокой твердостью (60–65 HRC),

прочностью и износостойкостью. Обычно это заэвтектоидные или

ледебуритные стали.

Металлообрабатывающий инструмент работает в условиях настолько

высоких нагрузок, тепловых и изнашивающих воздействий, что условия

работы даже наиболее ответственных деталей не могут с ними сравниться.

Инструмент в процессе работы подвергается изгибу (резцы), кручению

(сверла, метчики), причем нагрузка носит характер динамического

воздействия или ударный (фрезы).

В зоне контакта лезвия с обрабатываемым предметом и со стружкой

вследствие трения возникает тепло, которое отводится от лезвия за счет

теплопередачи самого инструмента и охлаждения эмульсией. Однако большая

часть его концентрируется в малом объеме работающего лезвия и при

тяжелых условиях вызывает разогрев инструмента до 500–600

С. При более

легких режимах работы разогрев меньше, но всегда находится на грани

устойчивости аустенита. Поэтому и требования, предъявляемые к

инструменту и инструментальным сталям, такие высокие, что могут быть

удовлетворены только материалами наивысших свойств при тщательном

соблюдении выбранной термической обработки.

Классификация.

Основным требованием для инструментальных сталей является

высокая твердость. Она определяет износостойкость и долговечность

инструмента, способность материала противостоять контактным

напряжениям и пластической деформации.

Твердость стали зависит от химического состава материала, вида

термической обработки, а также от получаемой структуры (остаточный

аустенит снижает твердость). По твердости стали подразделяют:

на стали высокой твердости (58–65 HRC), но пониженной вязкости;

стали повышенной вязкости, но пониженной твердости (40–55 HRC).

В зависимости от назначения можно классифицировать инструменты

следующим образом:

1. Инструмент с твердостью 62–64 HRC, режущий без нагрева

(углеродистая и легированная сталь).

2. Инструмент из быстрорежущей стали обычного состава с твердостью

63–65 HRC.

3. Инструмент из быстрорежущей стали повышенной

производительности с нагревом режущих кромок до 550–650

(высоколегированные стали с твердостью 65–66 HRC).

4. Ударный инструмент с твердостью 35–45 HRC. Такой инструмент

используют для холодной обработки металлов (пуансоны, молотки, зубила),

а также для горячей обработки (штампы).

5. Инструмент с тонкими режущими кромками (метчики, тонкие

ножовки по металлу), имеющими твердость 59–62 HRC.

Особо выделяют измерильный инструмент, который, наряду с высокой

твердостью, требует малого коэффициента линейного расширения (т.е.

сохранения размеров в течение эксплуатации) и высокой чистоты

поверхности (отсутствия старения).

Инструментальная сталь не может быть хрупкой и слишком пластичной,

т.к. в первом случае будет выкрашиваться кромка, а в последнем – сминаться

режущее лезвие. Следовательно, сталь должна быть твердой и способной к

небольшой пластической деформации.

Работоспособность инструментальной стали непосредственно зависит от

ее теплостойкости. Теплостойкость (красностойкость) – свойство материала

сохранять до определенной температуры высокую твердость, прочность и

износостойкость. Она характеризует способность инструмента

сопротивляться изменению структуры и свойств рабочей кромки при

разогреве в процессе эксплуатации. Если в условиях температурного режима,

который устанавливается в процессе работы, сталь будет терять твердость, то

такой инструмент, очевидно, будет неработоспособным. Снижение твердости

происходит в результате отпуска мартенсита. Следовательно, необходимо

повышать теплоустойчивость мартенсита. Это достигается дополнительным

легированием аустенита, который без изменения состава при закалке

превращается в мартенсит. По теплостойкости стали классифицируют на три

группы:

1. Нетеплостойкие, сохраняющие высокую твердость (более 60 HRC) при

нагреве не выше 190–225

С и используемые для резания мягких материалов

с небольшой скоростью и для холодного деформирования. Это

заэвтектоидные и близкие к эвтектоидному составу стали (углеродистые и

легированные), которые имеют цементит, коагулирующий при сравнительно

низких температурах.

2. Полутеплостойкие, в основном штамповые, рабочая кромка которых

выдерживает нагрев до 400–500

С. Это близкие к эвтектоидным,

легированные хромом и дополнительно V, W, Mo стали. Они имеют

легированный цементит и карбид хрома (Me

, Me

3. Теплостойкие, сохраняющие твердость и другие свойства при нагреве

до температур 550–600

С и выше.

Ударная вязкость – характеристика надежности инструмента (KCU,

KCV), зависит от содержания неметаллических включений, примесей,

карбидной неоднородности, твердости.

Износостойкость – способность сопротивляться различным видам

износа поверхности. Это характеристика долговечности инструмента, она

определяется химическим составом, структурой, свойствами стали,

условиями эксплуатации.

Прокаливаемость обуславливается устойчивостью переохлажденного

аустенита. От прокаливаемости зависит твердость и закаливаемость стали.

Выделяют стали неглубокой прокаливаемости – углеродистые и

низколегированные; глубокой прокаливаемости – высоколегированные

стали.

Возможна классификация инструментальных сталей и по другим

признакам (табл. 18).

Таблица 18

Классификация инструментальных сталей

Признак

классификации

Виды стали

Состав

Углеродистые

Низколегированные

Легирова

нные

Высоколегированные

Структура

Доэвтектоидные

Заэвтектоидные

Ледебуритные

Назначение

Для режущего инструмента

Штамповые для холодного деформ

рования

Штамповые для горячего деформирования

Для измерительных инструментов

Углеродистые стали применяют для изготовления малоответственного

инструмента; низколегированные стали – для изготовления метчиков,

пуансонов, ножей холодной резки, пил, зубил; легированные стали – для

штампового и измерительного инструмента; высоколегированные – для

быстрорежущего инструмента.

СТАЛИ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Углеродистые стали. ГОСТ 1435-74.

Низколегированные стали. ГОСТ 5950-73.

Влияние легирующих элементов на прокаливаемость.

Карбидное влияние на износостойкость инструмента.

Недостатки сталей и возможности их устранения.

Термическая обработка. Применение.

Стали для режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы, протяжки,

метчики, пилы и т.д.) должны обладать высокой твердостью режущей

кромки – 63–66 HRC; большой прочностью и сопротивлением малой

пластической деформации; теплостойкостью (красностойкостью), особенно

при высоких скоростях резания и обработке труднообрабатываемых деталей.

Углеродистые и легированные стали при правильном применении

могут удовлетворять первым двум требованиям, но не являются

теплостойкими (отдельные марки легированных сталей являются

полутеплостойкими).

Стали пониженной прокаливаемости.

Для режущего инструмента используют углеродистые стали, имеющие

твердость 63–66 HRC, высокие прочность и сопротивление малым

пластическим деформациям.

Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми.

Как правило, их применяют для изготовления малоответственного режущего

инструмента, работающего при малых скоростях резания, не подвергаемого

разогреву в процессе эксплуатации.

В соответствии с ГОСТ 1435-90 используют стали марок: У7, У7А

(63–65 HRC после закалки от 800

С в воде, масле); У8, У8А, У9 (63–65 HRC

после закалки от 800–780

С на воздухе, в масле); У10, У12, У12А (64–66

HRC после закалки 760–780

°С на воздухе или в масле).

Режимы резания предполагаются такими, что лезвие инструмента

может нагреваться до температуры меньше 200

С. Углеродистые стали легко

обрабатываются (из-за более низкой твердости) и достаточно экономичны.

Так стали У10, У11 имеют твердость в отожженном состоянии 170–180 НВ, а

легированные – 200–240 НВ. Верхний предел содержания углерода в этих

сталях 1,15–1,20 %. При больших содержаниях углерода сталь становится

хрупкой.

Углеродистые стали относятся к сталям неглубокой прокаливаемости,

нетеплостойким. Малая устойчивость переохлажденного аустенита

углеродистых сталей обусловливает их низкую прокаливаемость (до сечений

5–10 мм). Низкая устойчивость аустенита определяет основные достоинства

и недостатки таких сталей.

Недостатком сталей является малая прокаливаемость, поэтому их

называют сталями с пониженной прокаливаемостью. Она не позволяет

применять эти стали для инструмента сечением более 20–25 мм. Стали

нетеплостойки, высокая твердость сохраняется лишь до температур 250–200

С. Прокаливаемость углеродистой инструментальной стали в некоторой

степени можно регулировать за счет исходной структуры и температуры

закалки. С целью получения лучших свойств выбирают термическую

обработку на структуру с зернистой формой цементита.

Возможность регулирования прокаливаемости стали за счет

температуры закалки весьма ограничена, т.к. ее увеличение ведет к

укрупнению зерна, что сопровождается охрупчиванием, снижением

прочности, пластичности, вязкости и усилением склонности к закалочным

трещинам.

Недостатком сталей является также неоднородность твердости в

инструментах небольших сечений из-за малой устойчивости аустенита и его

распада при переносе в охлаждающую среду. Стали имеют высокую

чувствительность к перегреву за счет избыточных карбидов в аустените.

Может наблюдаться неоднородная твердость на поверхности инструмента

вследствие возможности частичного распада по перлитной ступени при

переносе инструмента из печи в охлаждающую среду. Из-за существенных

недостатков углеродистых сталей их мало применяют в промышленности,

особенно в механизированном производстве.

Достоинствами углеродистых сталей являются:

высокая твердость на поверхности;

сохранение вязкой сердцевины при закалке, способность воспринимать

повышенные динамические нагрузки;

содержание небольшого количества (5–8 %) остаточного аустенита,

обеспечивающего высокое сопротивление пластической деформации в

рабочих кромках;

низкая твердость в отожженном состоянии, позволяющая изготовить

инструмент пластической деформацией и обуславливающая хорошую

обрабатываемость резанием;

сохранение чистой поверхности (нет окисления и обезуглероживания)

вследствие низкой температуры.

Технология изготовления режущего инструмента включает:

предварительную смягчающую обработку – для улучшения структуры

и обрабатываемости стали (для исправления карбидной сетки пластинчатого

перлита – нормализация 880–900

С, высокий отпуск при 600–650

С);

механическую обработку;

упрочняющую термическую обработку;

100

контроль, шлифовку, заточку инструмента.

Заэвтектоидные стали закаливают от температур Ас

+ (30–50)

С, а

доэвтектоидные – от Ас

+ (30–40)

С, т.е. углеродистые стали имеют низкую

температуру закалки. Такая температура нагрева под закалку технологически

легко выполнима, вызывает малое окисление и обезуглероживание

инструмента.

Закалка осуществляется в воде. После закалки углеродистые стали

содержат малое количество остаточного аустенита (до 5–8 %), что не

уменьшает их твердости и исключает необходимость проведения обработки

для распада остаточного аустенита.

Стали 85ХФ, Х06, Х05 используют как углеродистые стали,

небольшое содержание хрома устраняет склонность к графитизации,

образованию мелких пятен на поверхности. Эти стали не прокаливаются

насквозь, в качестве среды охлаждения используется вода.

После закалки в структуре сталей должен быть М + А

ост

+ К. Отпуск

сталей проводят в зависимости от необходимых (требуемых) свойств –

низкий, средний.

При низком отпуске (200–300

С) происходит снятие внутренних

напряжений и образуется структура М

отп

+ А

ост

Стали повышенной прокаливаемости.

В эту группу вход

ят стали, содержащие легирующие элементы

(1–3 %) и обладающие повышенной прокаливаемостью. Инструмент из этих

сталей закаливают в масле (при ступенчатой закалке – в соли) и

прокаливают, как правило, насквозь. Малая скорость охлаждения при закалке

уменьшает опасность образования трещин, деформации и коробления, к

которому склонны углеродистые инструментальные стали. Это важно,

особенно для инструментов, имеющих сложную форму. Основным

легирующим элементом является хром, который понижает критическую

скорость закалки, но увеличивает количество остаточного аустенита.

Другими элементами, вводимыми в инструментальную сталь, могут быть W,

V, Si, Mn, Ni.

Как показывает опыт, наиболее хорошие результаты получаются при

комплексном легировании 2–3 элементами.

Стали с хромом и кремнием хорошо прокаливаются и мало

деформируются, но наименьшую деформацию имеют хромомарганцевые

стали. Присутствие карбидов хрома сообщает нужную твердость, никеля –

вязкость, что является хорошим сочетанием для ударного инструмента.

Ванадий способствует снижению чувствительности стали к перегреву.

Молибден повышает режущие свойства инструмента и сохраняет их до

температур порядка 600

С, т.е. придает стали красностойкость и

износостойкость. Существенным недостатком введения молибдена является