Химический состав и структура инструментальной стали

31.05.2018
По химическому составу действующие ОСТ устанавливают следующие классы стали, применяемой для изготовления инструмента:

1) Быстрорежущая сталь — химический состав стали марки РФ1 установлен OCT НКТП 4112, а химический состав стали марок ЭИ262 и ЭИ184 — техническими условиями завода «Электросталь», утвержденными НКЧМ (ом. табл. 2).

2) Легированная инструментальная сталь — химический состав различных марок этой стали установлен ОСТ 14958-39 (утвержден 31 октября 1939 г.), ГОСТ В-1550-42 (утвержден 30 апреля 1942 г.) и приведен в табл. 7.

3) Шарикоподшипниковая сталь, применяемая наряду с хромистыми марками X, Х09 и др., ее химический состав установлен ГОСТ 801-41 и приведен в табл. 8.

4) Инструментальная углеродистая сталь двух классов: а) качественная и б) высококачественная; последняя отличается от качественной повышенной чистотой по содержанию серы и фосфора и характеризуется поэтому меньшей склонностью к образованию трещин при закалке и к выкрашиванию при шлифовке. Кроме того, сталь с пониженным содержанием серы и фосфора лучше принимает протяжку в холодном состоянии. Для изготовления особо сложного инструмента и особенно стали серебрянки надо выбирать высококачественную сталь. Для обоих классов углеродистой инструментальной стали назначаются одинаковые режимы ковки и термической обработки (температуры нагрева, продолжительность выдержки и условия охлаждения). Поэтому в дальнейших главах при изложении этих режимов мы не разделяем инструментальную углеродистую сталь на отдельные классы.

Химический состав инструментальной углеродистой стали установлен ГОСТ В-1435-42 (утвержден 23 февраля 1942 г.) и приведен в табл. 9.







5) Качественная конструкционная углерод и- стая сталь: марки стали с низким- содержанием углерода (0,05—0,25%) применяются для цементуемого измерительного инструмента, а со средним содержанием углерода — для штампового и слесарно-кузнечного инструмента и для приспособлений (державок для резцов и т. п.).

Химический состав этих марок стали установлен ГОСТ В-1050-41; состав некоторых марок приведен в табл. 10.

6) Конструкционная легированная качественная сталь — некоторые марки этой стали применяются для цементуемого штампового инструмента (35Х, 40Х), для горячих штампов (35ХГС), прессформ (35ХМЮА), отдельных типов слесарно-кузнечного инструмента и ответственных приспособлений.

Химический состав этих марок стали установлен ОСТ НКТП 7124; состав некоторых марок приведен в табл. 11.


В табл. 12 указываются критические точки различных марок инструментальной стали по данным завода «Электросталь» и по данным наших исследований.

Марки стали, приведенные в табл. 2, 7—11, можно отнести по структуре к следующим трем группам:

1) ледебуритная сталь — к ней относятся все марки быстрорежущей стали и марки X12, Х12М и ХВ5;

2) заэвтектоидная и эвтектоидная сталь — к ней относится большая часть марок легированной инструментальной стали, а также марки углеродистой инструментальной стали У8—У13 и марки шарикоподшипниковой стали;

3) доэвтектоидная сталь, к которой относятся марки конструкционной легированной и углеродистой стали, марка У7 (углеродистая инструментальная сталь) и марки легированной инструментальной стали, применяемые для штампов: 5ХНМ, 5ХГМ, 4ХС, 4ХВС, 5ХВС, 5ХВГ. Таким образом все марки стали, применяемые для режущего и измерительного инструмента и для холодной штамповки (кроме цементуемых марок и стали 6ХВС, 5ХВГ 5ХГМ), относятся к группе ледебуритной и заэвтектоидной стали, а цементуемые марки и большая часть марок, применяемых для изготовления горячих штампов и приспособлений, — к доэвтектоидной стали.

Воздействие, оказываемое горячей механической и термической обработкой на структуру доэвтектоидной стали, значительно отличается от воздействия этой обработки на структуру заэвтектоидной и особенно ледебуритной стали.

Дендритная кристаллизация литого слитка доэвтектоидной стали разрушается ковкой или прокаткой даже при небольших обжатиях, а получение необходимой структуры и свойств достигается термической обработкой. Эта сталь обладает достаточно широким интервалом температур нагрева при закалке (50—70°).

Небольшой перегрев не ухудшает значительно ее механических свойств и может быть исправлен последующей термической обработкой, создающей перекристаллизацию стали (нормализация, закалка с нормальной температуры).

Заэвтектоидная и ледебуритная сталь содержит структурно свободные карбиды. В литой заэвтектоидной стали эти карбиды располагаются в виде сетки по границам зерен и отдельных скоплений, а в литой быстрорежущей стали и в стали Х12 и Х12М — в виде эвтектики, окружающей зерна и залегающей крупными включениями характерной «скелетообразной» формы. На фиг. 4 приведена микроструктура стали ХГ, имеющей карбидную сетку по границам крупных зерен, а на фиг. 5 — микроструктура литой быстрорежущей стали марки РФ1, содержащей ледебуритную эвтектику.

Твердые, но хрупкие карбиды при выделении их в форме сетки или эвтектики резко ухудшают режущие свойства стали, так как отдельные зерна металла оказываются заключенными в хрупкую оболочку. Выделение карбидов в виде крупных скоплений вызывает выкрашивание режущей кромки. Для улучшения структуры и свойств заэвтектоидной и ледебуритной стали необходимо уничтожение сетки, раздробление крупных карбидов и равномерное распределение их во всем объеме металла в виде мелких однородных включений.

Структурно свободный (вторичный) цементит заэвтектоидной углеродистой стали (марки У10—У13) можно перевести в раствор энергичной закалкой или нормализацией с высоким нагревом. Поэтому цементитную сетку, встречающуюся иногда в кованых или катаных прутках этой стали, можно устранить и исправить структуру способами термической обработки.

При введении хрома в высокоуглеродистую сталь устойчивость карбидов и количество их возрастают, и они полностью не переходят в раствор при нормальном нагреве при термической обработке. Если такая сталь содержит не более 1,0—1,2 % C и 1,5—1,7% Cr, то карбидную сетку в ней можно устранить высоким нагревом (880—925°) при нормализации, но карбидная неоднородность при этом не уничтожается. При более высоком содержании хрома карбидную сетку термической обработкой невозможно устранить.

Что же касается ледебуритной стали, то образующиеся в ней эвтектика и первичные карбиды выделяются из жидкой фазы и не могут быть переведены в раствор даже при самом энергичном нагреве при закалке.

Таким образом способами термической обработки нельзя значительно изменить и улучшить распределения карбидов в ледебуритной и, частично, в заэвтектоидной стали. Эту задачу надо выполнять энергичной горячей механической обработкой. Ковка и прокатка разрушают грубую карбидную и ледебуритную сетку и эвтектику и раздробляют карбиды. Однако воздействие горячей механической обработки на заэвтектоидную и ледебуритную сталь оказывается различным.

Заэвтектоидная сталь после правильно выполненной прокатки или ковки получает обычно удовлетворительную структуру с равномерно распределенными мелкими карбидами.

В ледебуритной стали энергичная ковка также приводит к раздроблению эвтектики. Однако первичные карбиды под воздействием вытяжки при ковке часто располагаются в виде цепочки или более крупных характерных «бус», залегающих вдоль направления вытяжки, сообщенной стали в процессе горячей механической обработки. Такое расположение карбидов, называемое карбидной «полосчатостью» или карбидной неоднородно стью, является значительным дефектом структуры быстрорежущей стали.

На фиг. 6 приведена микроструктура стали РФ1 с значительной карбидной неоднородностью, обнаруженной в прутке диаметром 50 мм. В стали ЭИ262, имеющей пониженное содержание вольфрама (8,5—10,0%), карбидная неоднородность несколько меньше, а в стали ЭИ184 — она значительна вследствие влияния высокого содержания хрома. На фиг. 7 приводится микроструктура стали ЭИ 184 в прутке диаметром 50 мм.

Наличие карбидной неоднородности в меньшей степени влияет на режущие свойства таких инструментов, как резцы, понижая их стойкость примерно на 5—10%, но очень заметно ухудшает качество фасонного режущего инструмента. Инструмент, имеющий значительную карбидную полосчатость или крупные скопления карбидов, приобретает повышенную склонность к образованию трещин при закалке, так как структура стали оказывается недостаточно однородной, и в участках выделения карбидов по границам зерен и по плоскостям спайности концентрируются дополнительные напряжения. Если крупные скопления карбидов находятся в тонкой режущей грани инструмента, то они вызывают преждевременный выход его из строя; стойкость инструмента понижается при этом в 2—3 раза, а число переточек сокращается. Твердые, но хрупкие крупные карбиды откалываются в работе и режущая грань в этих участках ломается, — это можно обнаружить по характерному выкрашиванию режущей грани. Если в инструменте, например, в резьбовой фрезе, выкрашивается режущая грань у одного зуба и инструмент не снимают немедленно со станка, то следующий зуб и вся нитка воспримут повышенную нагрузку, быстро истираются, и резьбовая фреза выходит из строя («садится»).
Химический состав и структура инструментальной стали

На фиг. 8 приведена микроструктура зуба такой фрезы, изготовленной из стали РФ1. Микроанализ показывает, что на режущей грани оказались крупные скопления карбидов, вызвавшие понижение стойкости фрезы.

Карбидная неоднородность более значительна в середине заготовки и, наоборот, меньше в поверхностных слоях. На фиг. 9 приведена микроструктура штанги стали РФ1 диаметром 70 мм; микрофотография фиг. 9, а показывает структуру на расстоянии 7 мм по диаметру от поверхности, а фиг. 9,б на расстоянии; 20 мм от поверхности штанг». ,Поэтому наличие в стали карбидной неоднородности еще более резко понижает стойкость инструмента, режущая грань которого находится не у поверхности, а ближе к сердцевине (например, плашки, фрезы с высоким зубом и т. д.) Инструмент, изготовленный из стали, имеющей структуру с мелкими и равномерно распределенными карбидами, обладает стойкостью, примерно в два раза более высокой.

Многие исследования показали, что карбидная полосчатость в стали РФ1 сохраняется даже после 12-кратного уменьшения поперечного сечения слитка при ковке или прокатке и наблюдается часто в прутках диаметром более 40—50 мм. При дальнейшем увеличении обжатия карбидная неоднородность уменьшается.

Поэтому при изготовлении заготовок быстрорежущей стали для ответственного и сложного фасонного инструмента диаметром более 40 мм необходимо применять специальный режим ковки, обеспечивающий получение однородной и удовлетворительной структуры.

Таким образом ковка и прокатка являются одной из решающих обработок в создании удовлетворительной структуры в ледебуритной, а также в заэвтектоидной стали; для получения высококачественного инструмента из быстрорежущей стали они являются такими же ответственными и необходимыми операциями, как и термическая обработка. Эту роль ковки надо подчеркнуть потому, что в технической литературе и, отчасти, в промышленности вопросу о воздействии горячей механической обработки на структуру быстрорежущей стали до сих пор не уделяется достаточного внимания.

Наконец, надо отметить следующие особенности обработки инструментальной стали:

1. Наряду с термической обработкой, закалкой и отпуском за последние годы получила широкое распространение специальная химико-термическая обработка инструмента: цианирование, хромирование и химическое травление. Опыт заводов показал, что эти дополнительные способы обработки позволяют повысить стойкость инструмента примерно в 1.5—3 раза. Поэтому химикотермическую обработку надо в настоящее время предусматривать в планировке каждого инструментально-термического цеха на заводе в качестве необходимой части всего цикла тепловой обработки инструментальной стали, а сдачу фасонного инструмента в эксплоатацию без хромирования или цианирования — как нарушение технологического процесса.

2. Рациональное использование быстрорежущей и легированной стали требует применения составного инструмента, в котором из быстрорежущей или высоколегированной стали изготовляется только его режущая часть, а остальное тело инструмента, непосредственно не участвующее в процессе резания, изготовляется из более дешевой углеродистой стали. Для этой цели сталь должна пройти ряд дополнительных тепловых обработок, например, нагрев для наварки резцов сварочными порошками, нагрев и специальный отжиг при стыковой сварке и т. д.

Таким образом нормальный цикл тепловой обработки инструментальной стали должен предусматривать:

1) рациональную технологию ковки заготовок;

2) технологию изготовления составного инструмента;

3) термическую обработку заготовок и инструмента;

4) химико-термическую обработку инструмента.

Горячая механическая и термическая обработка инструментальной стали является сложной и дорогой операцией. Однако высокая стоимость инструмента, являющегося одним из наиболее дорогих изделий, окупает применение такой усложненной обработки, позволяющей повысить срок его службы в несколько раз.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: