Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

101

то, что он выгорает. Титан представляет интерес с точки зрения измельчения

структуры, т.к. образует труднорастворимые в аустените карбиды,

уменьшает чувствительность к перегреву и повышает устойчивость против

отпуска, что позволяет легировать им и быстрорежущие стали. Кобальт

несколько упрочняет феррит, который сохраняет свои свойства и при

повышенных температурах, но использовать его экономически невыгодно,

хотя в быстрорежущих сталях его применение оправдано. Вольфрам придает

стали способность хорошо работать на истирание при высоких давлениях. Он

используется при закалке в сталях типа ХВГ, которые идут на изготовление

резьбового и фасонного инструмента.

Стали, содержащие 0,9–1,2 % С, предназначены для изготовления

основного режущего инструмента, 0,45–0,7 % С – для ударного инструмента,

т.к. они имеют значительно меньшую твердость, хрупкость и более высокую

пластичность. Марганец способствует укрупнению зерна, что снижает

механические свойства, увеличивает количество остаточного аустенита и

усиливает опасность получения трещин. Марганца вводят в сталь 0,9–1,2 %,

увеличение его содержания усиливает рост зерна.

Для формирования необходимых свойств изделий проводят закалку и

отпуск (табл. 19). Нагрев под закалку должен обеспечить получение

мелкозернистого аустенита с достаточным содержанием углерода и

легирующих элементов. Изменение твердости при варьировании

температуры нагрева под закалку и отпуск представлено на рис. 30.

Как видно из рисунка, недогрев приводит к понижению твердости и

режущих свойств, перегрев способствует росту аустенитного зерна, что

уменьшает вязкость и твердость стали. Нерастворенные частицы цементита

(при перегреве под закалку) или карбидов способствуют ограничению роста

аустенитного зерна и увеличивают износостойкость.

Таблица 19

Режимы термической обработки и твердость

инструментальных сталей повышенной прокаливаемости

Марка

стали

Температура

отжига, °C

НВ

Температура

закалки, °C

Среда

охлаждения

HRC

Температура

отпуска, °C

HRC

Х 770–790 225–207

830–860

Масло

62 150–200 64–61

9ХС 790–810 225–207

820–860 62 140–160 65–62

ХГСВФ

790

–

810

228

–

196

820

–

850

140

–

160

–

ХГ 780–800

241–197

800–830 61 150–200 64–61

ХВГ

770

–

790

225

–

207

800

–

830

140

–

160

–

В1

780–800 229–187

800–850

Вода

62 150–200 64–62

ХВ5

730

–

750

321

–

255

800

–

820

100

–

120

–

102

Рис. 30. Влияние температуры закалки (а) и температуры отпуска (б) на свойства

инструментальных сталей

Инструментальные стали склонны к обезуглероживанию и окислению при

нагреве (уже при 800–850

С), поэтому инструменты из углеродистых сталей

необходимо охладить в воде или 5–10 %-х водных растворах NaCl или KOH,

NaOH. Для сложных изделий применяют прерывистую закалку в двух средах

(вода – масло – воздух). Для легированных сталей лучше использовать

закалку в расплавах солей.

)

103

Лекция № 13.

План лекции:

Быстрорежущие стали.

Стали для измерительного инструмента.

БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ.

Свойства и структура быстрорежущих сталей.

Влияние легирования и термической обработки на свойства сталей.

Область использования.

Стали для изготовления инструментов высокой производительности

называют быстрорежущими. Основной целью легирования быстрорежущей

стали является получение красностойкости и износостойкости. В связи с

этим элементы, вводимые для изменения свойств, различны и зависят от

ресурсов страны. Основными легирующими элементами, как и раньше,

остаются W, Mo, V, Cr, Co, а эталоном служит сталь Р18. По структуре

быстрорежущая сталь принадлежит к ледебуритному классу. В этих сталях

присутствуют сложные карбиды, количество которых составляет около 30 %

от массы стали. Считают, что карбиды имеют формулы Fe

C, Fe

(Fe,W)

C, которые в общем виде можно записывать (Fe, W, Cr)

С и V

C. О

точной формуле карбидов говорить сложно. Чем выше температура, тем

больше легирующих элементов переходит в твердый раствор, тем меньше их

содержится в стали.

Превращение аустенита в быстрорежущей стали

после высокотемпературного нагрева

Для удобства рассмотрения превращений, протекающих в

быстрорежущих сталях, различают три зоны. При медленном охлаждении от

высоких температур до температуры 800

С никаких превращений не

происходит.

В первой зоне (800–400

С) ведущей фазой являются карбиды, с

выпадения которых начинается превращение. Аустенит обедняется

углеродом и легирующими элементами, устойчивость его понижается,

реакция превращения ускоряется и оно доходит до конца. Температура М

после выдержки при охлаждении в первой зоне повышается. В верхней части

первой зоны образуется Ф–К-структура. В нижней части этой зоны

формируются переходные структуры игольчатого типа, которые впервые

были обнаружены С.С. Штейнбергом.

104

Во второй зоне (от 400

С до температуры М

) ведущей фазой является

феррит. Выпадение феррита обогащает аустенит углеродом и легирующими

элементами. Аустенит становится более устойчивым, и превращение

затухает. Критическая температура М

понижается. В результате

бездиффузионного перехода образуется структура игольчатого типа,

обладающая высокой твердостью. Это превращение называют бейнитным, а

структуру – бейнитной.

Третья зона (температуры ниже М

) – область мартенситного

превращения. Здесь происходит мартенситное превращение сдвиговым

путем, которое не отличается от мартенситного превращения в углеродистой

стали.

Вид диаграммы изотермического распада аустенита при низких

температурах после предварительного нагрева до температур порядка 900

отличается от более высокотемпературного тем, что в этом случае распад

протекает быстрее, т.к. аустенит менее легирован.

ГОСТ 19265-73 предусматривает 14 марок быстрорежущих сталей,

которые по эксплуатационным свойствам делятся на две группы: нормальной

и повышенной производительности.

Группу сталей нормальной производительности образуют

вольфрамовые (P18, P12, P9, P9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6М3,

Р6М5) стали, сохраняющие твердость не ниже 58 HRC до 620

С. При

одинаковой теплостойкости эти стали отличаются главным образом

механическими и технологическими свойствами. Лучшей

обрабатываемостью давлением и шлифуемостью, а также прочностью и

вязкостью обладают стали Р6М3 и Р6М5. Стали Р9, Р9Ф5 плохо шлифуются

из-за присутствия твердых карбидов ванадия.

К группе сталей повышенной производительности относятся стали,

содержащие кобальт и повышенное количество ванадия (Р6М5К5, Р9М4К8,

Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2). Они превосходят стали первой группы по

теплостойкости (630–640

С), твердости (> 64 HRC) и износостойкости, но

уступают им по прочности и пластичности. Эти стали используются при

изготовлении инструмента для обработки высокопрочных сталей,

коррозионно-стойких и жаропрочных сталей с аустенитной структурой и

других труднообрабатываемых материалов.

Они содержат большое количество дорогостоящих элементов, в связи с

чем отличаются высокой стоимостью. Для уменьшения расхода дорогих и

дефицитных элементов, особенно вольфрама, преимущественно используют

экономно-легированные стали. Из них наиболее широкое применение

получила сталь Р6М5, также разрабатываются безвольфрамовые

быстрорежущие стали.

Сталь Р6М5 менее теплостойка, по сравнению с Р18, и чувствительна к

обезуглероживанию и разнозернистости. Эти стали упрочняют за счет

образования карбидов и интерметаллидов.

105

Влияние легирующих элементов

В быстрорежущих высоколегированных сталях при нагреве до 800–900

С получается аустенит, который содержит мало основных легирующих

элементов, т.к. они связаны в карбиды. Поэтому закалка от таких температур

не придает стали нужной твердости и красностойкости. Обогащение

аустенита легирующими элементами достигается при нагреве до температур,

близких к линии солидуса. Однако и при таких температурах не происходит

полного растворения карбидов типа МеС, Ме

С. Повышение содержания

углерода от 0,6 до 1,5 % понижает температуру нагрева под закалку от 1 330

до 1 100

С. Низкое содержание углерода (обезуглероживание) приводит к

образованию α-твердого раствора, чрезвычайно большое – к образованию

карбидов цементитного типа, что ухудшает свойства стали.

В состав быстрорежущих сталей входят C, W, Mo, Cr, V, Co. Вольфрам и

молибден – основные легирующие элементы, увеличивающие

красностойкость стали. Вольфрам образует карбиды Ме

С, которые при

нагреве под закалку переходят в твердый раствор. Молибден также образует

Мо

С и способствует легированию мартенсита.

Вольфрам, молибден, ванадий, являясь тугоплавкими и образуя

нерастворимые в аустените карбиды МеС и Ме

С, повышают

износостойкость и красностойкость, затрудняют рост зерна при нагреве

стали и уменьшают распад мартенсита при отпуске, т.е. увеличивают

устойчивость стали против отпуска. Это также увеличивает срок службы

стали. Однако вольфрам снижает теплопроводность стали, что осложняет

нагрев под закалку (нагрев стали под закалку требует 1–2 подогрева во

избежание трещин). Часть вольфрама может быть заменена молибденом в

отношении Mo/W = 1/1,5, но молибден можно вводить до 5 %, т.к. он

выгорает при высокотемпературном нагреве, поэтому наиболее применяемая

в настоящее время сталь Р6М5. Недостатком вольфрамовых сталей является

сильная карбидная неоднородность. В вольфрамомолибденовых сталях этот

недостаток менее заметен.

Ванадий увеличивает дисперсионное твердение и повышает

износостойкость, теплостойкость и вторичную твердость. Ванадий образует

твердый карбид VC (2 700–2 800 HВ), он повышает красностойкость,

твердость, способствует дисперсионному твердению и увеличивает

износостойкость, но понижает шлифуемость стали.

Хром содержится во всех быстрорежущих сталях (около 4 %). Он

хорошо растворяется в аустените и повышает прокаливаемость, а также

способствует упрочнению при отпуске.

Кобальт растворяется в твердом растворе аустенита и входит в состав

сложных интерметаллидов типа (Co, Fe)

, (W, Mo)

, что способствует

106

увеличению теплостойкости и вторичной твердости до 67–70 HRC,

повышает красностойкость, устойчивость против отпуска. У сталей,

содержащих кобальт, снижается вязкость, прочность, идет их

обезуглероживание. Кобальт повышает содержание остаточного аустенита до

40 %. Карбиды Co

и Co

или (Co, Fe)

, (Co, Fe)

хорошо

растворяются в аустените, но даже при 1 300

С растворяются не полностью,

что препятствует росту зерна.

Таким образом, большое содержание W, Co, Mo повышает температуру

мартенситного превращения (γ → α), увеличивает дисперсность, поэтому в

таких сталях выше твердость и теплостойкость. Например: сталь В11М7К23

имеет в 30–40 раз стойкость больше, чем сталь Р6М5.

Термическая обработка быстрорежущих сталей

Термическая обработка сталей заключается в проведении

предварительного и окончательного вида обработки для придания стали

определенных свойств.

Отжиг

Предварительной обработкой стали для придания ей пластичности

является отжиг. Существует три вида отжига:

При обычный отжиге сталь медленно нагревают до 870–900

С,

выдерживают 1,5–3 ч, а затем медленно охлаждают с печью (рис. 31, а). При

таких температурах α-фаза переходит в аустенит (γ) и происходит

частичное растворение карбидов, что способствует снижению твердости

стали.

Т,

С 870–900

С Т,

С 860

2 ч 3–5 ч 2–4 ч 720–760

5–7 ч 2 ч

3–5 ч 3–5 ч

207 НВ = 2

13–19 ч τ, ч τ, ч

а б

Рис. 31. Схема обычного (а) и изотермического (б) отжига

Цель отжига – смягчение стали для ее дальнейшей механической

обработки. При этом снимаются остаточные внутренние напряжения и

происходит распад мартенсита.

Если сталь охладить на воздухе, то произойдет закалка на мартенсит,

поэтому охлаждение с температур 870–900 до 750–760

С ведется со

С печью

Воздух

107

скоростью 30–50

С/ч. При этом из аустенита выделяются карбиды.

Дальнейшее охлаждение надо вести еще медленнее, чтобы получить не

мартенсит, а ферритокарбидную смесь. Скорость охлаждения около

С/ч в интервале температур 760–600

С. Дальнейшее охлаждение может

быть и на воздухе.

При изотермическом отжиге охлаждение от 860 до 720–760

С быстрое

(рис. 31, б). Из-за трудностей, связанных с оборудованием и техникой

охлаждения, он не нашел широкого применения в отечественной

промышленности.

При высоком (субкритическом) отжиге быстрорежущая сталь

нагревается до 790

С и выдерживается при этой температуре 1–2 ч. Цель –

смягчение стали за счет разложения мартенсита и снятия внутренних

напряжений, твердость НВ ≥ 300.

Закалка

Цель закалки – получить в процессе нагрева однофазный твердый

раствор с максимальным растворением карбидов в аустените. Чем выше

температурара нагрева, тем больше карбидной фазы перейдет в аустенит, тем

выше будут свойства инструмента. Однако чем выше температура нагрева,

тем ниже мартенситная точка.

При нагреве под закалку или отжиг следует принимать во внимание то,

что теплопроводность быстрорежущей стали, понижена и α → γ-прев-

ращение происходит в ней при температурах, когда сталь еще не перешла в

пластическое состояние, в связи с чем объемные изменения могут вызвать в

ней очень высокие напряжения, поэтому нагрев необходимо вести с одним

или двумя подогревами.

После нагрева быстрорежущей стали до температуры 1 000–1 050

С, при

охлаждении наблюдается раздвоение критических точек: крити-

ческая температура превращения аустенита в перлит A

= 775

С,

= 300–400

С. При нагревах до 1 300

С карбидный распад подавляется и

происходит только мартенситный переход. Закалка осуществляется на

воздухе, однако лучшей средой для охлаждения является масло или

расплавленные соли. При температурах выдержки в солях можно

производить правку изделий.

Отпуск

Отпуск – обязательная операция после закалки. Цель его – разложение

остаточного аустенита А

ост

, т.е. максимальное его превращение в мартенсит.

Как видно из рис. 32, количество остаточного аустенита резко уменьшается

при температуре отпуска 560–580

С.

При повышении температуры отпуска наблюдается уменьшение

количества А

ост

от 20–30 до 6–8 %, но происходит снижение твердости за

108

счет коагуляции карбидов. Для того чтобы полностью распался аустенит и

сохранилась твердость, проводят двух-, трехкратный отпуск на более низкую

температуру (560–580

С). В промышленности широко используется

двухкратный или трехкратный отпуск при 560–580

С с выдержкой 1 ч.

Такой отпуск позволяет снимать остаточные напряжения в аустените, не

вызывая его распада, и способствует образованию структуры М

отп

+ К + А

ост

Рис. 32. Изменение количества А

ост

в быстрорежущей стали при отпуске

Для полного завершения процесса распада аустенита и получения

наиболее легированного и устойчивого мартенсита целесообразно проводить

высокотемпературный отпуск, но с короткими выдержками, чтобы подавить

карбидный распад аустенита при отпуске. Вполне приемлем отпуск при 750

С в течение 10–15 с или даже без выдержки в условиях нагрева токами

высокой частоты (ТВЧ).

Предлагают проводить отпуск при 700–750

С, с нагревом ТВЧ и

выдержкой, равной нескольким секундам. При этом необходима

автоматизация процесса. Такая обработка перспективна, т.к. приводит к

сокращению длительности операции отпуска.

СТАЛИ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТИ

Особенности состава и термической обработки.

Структура и свойства в зависимости от требований к инструменту.

Стали для измерительных инструментов должны, наряду с

повышенной износостойкостью, удовлетворять следующим требованиям:

1. Сохранять постоянство линейных размеров и формы в течение

длительного времени (измеренного годами срока пользования).

2. Обеспечивать высокую чистоту поверхности после шлифования

(классов 13в–14а с высотой микронеоднородностей меньше 0,07 мкм). Это

0 200 300 400 500 600 Т,

ост

, %

109

возможно при твердости выше 63–65 НRС и определенном структурном

состоянии. В стали не должно быть крупных избыточных карбидов и

неоднородности их распределения.

3. Обладать хорошей сцепляемостью (притираемость плиток). Сталь не

должна иметь в повышенном количестве хром.

Закаленная и отпущенная сталь со структурой мартенсита испытывает с

течением времени дополнительные превращения (старение), которые

приводят к изменению размеров и формы, они не должны выходить за

пределы нормы для данных изделий. Вследствие старения могут

происходить следующие изменения:

перераспределение внутренних напряжений и их снижение;

уменьшение тетрагональности решетки мартенсита (процесс идет

особенно быстро в первые 3–6 мес.);

мартенситное превращение части остаточного аустенита, которое

начинается через 4-6 мес. эксплуатации и ускоряется при уменьшении или

увеличении температуры выше 170

С. Превращение 1 % остаточного

аустенита увеличивает размеры на 1,5–3 мкм. Количество остаточного

аустенита зависит от состава стали (состава аустенита).

Постоянство размеров легче достигается в легированных

заэвтектоидных и труднее в быстрорежущих и высокохромистых сталях, что

требует сложной термообработки.

Измерительные плитки изготавливают из заэвтектоидных сталей

высокой твердости (Х и 12Х1). Температура закали для стали Х достигает

850–860

С, для стали 12Х1 – 855–870

С. С повышением этих температур

увеличивается количество остаточного аустенита интенсивнее, чем

тетрагональность решетки мартенсита. Кроме того, возрастает хрупкость и

выкрашивание при шлифовании. С целью стабилизации размеров и полного

разложения остаточного аустенита изделия обрабатывают холодом (–70

С),

а затем проводят низкотемпературный отпуск для снятия напряжений и

стабилизации мартенсита.

У быстрорежущих сталей после обычно принятой термической

обработки (закалки и отпуска) отпуск осуществляют при температуре 560

три раза.

Повышение стабильности размеров обусловлено получением в

закаленном состоянии меньшего количества аустенита и созданием условий

к его максимально полному превращению при отпуске, что связано с

химическим составом стали и режимом термообработки.

Обработка скоб, шаблонов, лекал (плоских инструментов) в результате

объемной закалки может дать значительные изменения объема, если

применять стали с меньшим содержанием углерода. Деформация и старение

после закалки могут быть значительными, поэтому изделия

предпочтительнее изготавливать из низкоуглеродистых сталей (20Х, 20) или

среднеуглеродистых (50, 55 или 50Г). Инструменты из низкоуглеродистых

сталей (20Х, 20) цементуют, закаливают с 790–810

C в масле (20Х) или в

110

воде (20) и отпускают 2–3 ч при 150–180

С, лучше под плитами для правки.

Изделия из сталей 50 и 55 закаливают с индукционного нагрева.

Износостойкость закаленного слоя в этих сталях меньше, чем

цементованного, но он почти не содержит аустенита.

Высокая стабильность размеров нужна тем режущим инструментам,

которые должны сохраняться неизменными в течение длительного срока.

Для этих целей применяют вольфрамомолибденовые стали Р8М3, Р6М5 и

кобальтовые повышенной теплостойкости типа Р8М3КС. Эти стали имеют

более равномерное распределение карбидных частиц. Температуры закалки

для них такие же, как и для других сталей для режущего инструмента,

поскольку легирующие элементы не изменяют устойчивости аустенита.

Устойчивость остаточного аустенита при отпуске не возрастает и в

случае применения ступенчатой закалки с выдержкой в широком интервале

температур.

Для форм литья под давлением цинковых сплавов используют коррозионно-

стойкую сталь 2Х12ВМБФР, для магниевых сплавов – 4Х4ВМФС, 4Х5МФС,

для алюминиевых – 2Х9В6 и 2Х12МБФР. Для форм литья неорганических

материалов применяют стали марок 10Х13, 20Х13. Целесообразно проводить

диффузионное хромирование.

Температура прессуемых материалов достигает 200–250

С, но из-за

большой вязкости сильно изнашивается форма, а некоторые вызывают

коррозию. Основное требование – износостойкость. Формы сложной

конфигурации, воспринимающие динамические нагрузки при повышенном

износе, изготавливают из сталей 20Х (при малых давлениях) и 20ХНМ (при

более высоких давлениях). Стали хорошо обрабатываются резанием. Формы

из них мало деформируются при закалке. Стойкость форм, изготовленных из

воздушно-закаливающейся стали 7ХГНМ не уступает получаемой для

цементуемых сталей.

Для очень хрупких форм используют стали 70ХГНМ и 60Х3ФС. Их

закаливают и отпускают при 220–240

C, а сталь 70ХГ2ВМ – при 325–350

C и

хромируют.

Для пресс-форм полимеров, которые вызывают коррозию, используют

стали двух групп – нержавеющие (40Х13 и 90Х18) и мартенситно-

стареющие, устойчивые после коррозии. Их применяют для форм с тонкими

стенками иной конфигурации.