Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Инструментальные стали - файл 1.doc


Инструментальные стали
скачать (146 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc146kb.16.11.2011 04:26скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
СОДЕРЖАНИЕ:

Введение

Инструментальные материалы…………………………………………….……………2


Инструментальные стали

Высококачественная углеродистая сталь У13А………………………..……………….3

Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей…….….…………...5


Среднелегированная инструментальная сталь 3Х2МНФ ……….…………………….8

Термическая обработка..……………………………………………………….…………9


Инструментальные материалы для штампов горячего деформирования (требования, свойства, структура)…………………………………………………………….……….11


^ Требования предъявляемые к штамповым сталям…………………………….....14

Литература……………………………………………………………………………...16

ВВЕДЕНИЕ

^ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

История развития обработки металлов показывает, что одним из эффективных путей повышения производительности труда в машиностроении является применение новых инструментальных материалов. Например, применение быстрорежущей стали вместо углеродистой инструментальной, позволило увеличить скорость резания в 2...3 раза. Это потребовало существенно усовершенствовать конструкцию металлорежущих станков, прежде всего увеличить их быстроходность и мощность. Аналогичное явление наблюдалось также при использовании в качестве инструментального материала твердых сплавов.

Инструментальный материал должен иметь высокую твердость, чтобы в течение длительного времени срезать стружку. Значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания. Способность материала инструмента сохранять свою твердость при высокой температуре нагрева определяет его красностойкость (теплостойкость). Режущая часть инструмента должна обладать большой износостойкостью в условиях высоких давлений и температур.

Важным требованием является также достаточно высокая прочность инструментального материала, так как при недостаточной прочности происходит выкрашивание режущих кромок либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.

Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента и его переточек, а также быть сравнительно дешевыми.

В настоящее время для изготовления режущих элементов инструментов применяются инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие), твердые сплавы, минералокерамические материалы, алмазы и другие сверхтвердые и абразивные материалы.

^ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННАЯ УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ У13А.

Основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость (красностойкость) — способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы.

Углеродистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабатываемость резанием и давлением. Однако они требуют применения при закалке резких закалочных сред, что усиливает коробление инструментов и опасность образования трещин.

Инструменты из углеродистых инструментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и потери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости углеродистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасонных инструментов, подлежащих шлифованию по профилю.

В основном углеродистые стали применяют для режущего инструмента работающего в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурация и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (60–62 HRCЭ) и износостойкостью — способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Вместе с тем, режущий инструмент должен обладать высокой прочностью и достаточной вязкостью, чтобы сохранять форму режущей кромки и сопротивляться разрушению при изгибающем (резцы) и крутящем (сверла) моментах и динамических нагрузках.

По теплостойкости применяемые материалы подразделяются на:

  • углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью до 200 °С (нетеплостойкие);

  • среднелегированные стали с теплостойкостью до 400–500 °С (полутеплостойкие);

  • высоколегированные быстрорежущие стали с теплостойкостью до 600–640 °С (теплостойкие);

  • твердые сплавы с теплостойкостью до 800–1000 °С;

  • особотвердые материалы с теплостойкостью до 1200 °С.

Углеродистые стали

Инструментальные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1435–90 маркируют буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют качественные стали марок У7–У13 и высококачественные стали марок У7А–У13А, химический состав которых приведен в табл. 1.

Таблица 1

Марки и химический состав инструментальных углеродистых сталей

(ГОСТ 1435–90)

Марка

стали

Массовая доля элемента, %

Углерода

Кремния

Марганца

Серы

Фосфора

не более

У7

0,65–0,74

0,17–0,33

0,17–0,33

0,028

0,030

У13

1,25–1,35

0,17–0,33

0,17–0,33

0,028

0,030

У7А

0,65–0,74

0,17–0,33

0,17–0,28

0,018

0,025

У13А

1,25–1,35

0,17–0,33

0,17–0,28

0,018

0,025

Области применения углеродистых сталей указаны в табл. 2.

Таблица 2

Примерное назначение инструментальной углеродистой стали

Марка стали

Область применения

У7, У7А

Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот.

Для пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимов, бойков.

Для кузнечных штампов.

Для игольной проволоки.

Для слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.



У13, У13А

Для инструментов с пониженной износостойкостью при умеренных и незначительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки): напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравированных инструментов

Металлопродукцию из этих сталей выпускают в прутках, полосах и мотках (проволока). Углеродистые стали поставляются после отжига на зернистый перлит, что позволяет получать при последующей термообработке наиболее однородные свойства. Благодаря невысокой твердости (НВ 187–217) эти стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные процессы изготовления инструмента.

^ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

УГЛЕРОДИСТЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух этапов: предварительная и окончательная.

Предварительная термическая обработка применяется для уменьшения деформации (в 1,5–2 раза) деталей из углеродистых сталей при последующей закалке. Она заключается в предварительной закалке с 740–770 °С с охлаждением в масле и последующем отпуске при 600 °С (1 ч).

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска, режимы которых указаны в табл. 3. Структура закаленной стали состоит из мартенсита с мелкими карбидами.

Мелкие инструменты (диаметром до 120 и длиной до 250 мм) целесообразно нагревать под закалку в соляных ваннах (70 % BaCl2 + 30 % NaCl), так как при этом не надо защищать детали от окисления и обезуглероживания.

При нагреве более крупного инструмента в камерных печах без защитной атмосферы необходимо применять для его защиты упаковочные материалы, например для сталей с температурой закалки до 900 °С — древесный уголь + карбюризатор или смесь свежей и пережженной чугунной стружки. Время выдержки на 1 мм диаметра (толщины): 20–35 с при нагреве в ванне и 50–80 с при нагреве в печи.

Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки — порядка 200–300 °С/с. Замедление охлаждения при закалке недопустимо, так как приводит к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен.

Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаться насквозь.

Инструменты крупных размеров при закалке в воде и водных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инструментов представляет собой продукты распада аустенита перлитом в интервале температур. Сердцевина инструментов, имеющих такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит.

Углеродистые стали целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно закаливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливаемости, а также для инструментов диаметром или толщиной 18–25 мм, в которых режущая часть приходится только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.


Таблица 3. Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей

Марка

стали

Закалка

Отпуск

Tз, °С

Твердость HRCЭ

Тотп, °С

Твердость HRCЭ

У7, У7А

800–820

63–65

150–160

200–220

61–63

57–59

У13, У13А

760–780

64–66

150–160

200–250

62–63

58–59


Примечание. Закалочная среда — вода, отпуск проводится на воздухе. При закалке в масле Тз повышают на 20 °С.

Углеродистые инструментальные стали отпускают при температурах не более 200 °С во избежание снижения твердости. Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 57–63 HRCЭ, а прочность при изгибе составляет 1800–2700 МПа.

Достоинствами углеродистых инструментальных сталей является низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии.

Их недостатками являются невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.

^ СРЕДНЕЛЕГИРОВАННАЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СТАЛЬ 3Х2МНФ

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.

Химический состав стали 3Х2МНФ:

Марка стали

Массовая доля элемента, %

углерода

кремния

марганца

хрома

вольфрама

ванадия

молибдена

никеля

Группа II

3Х2МНФ

0,27-0,33

0,10-0,40

0,30-0,60

2,00-2,50

-

0,25-0,40

0,40-0,60

1,20-1,60


Режим термической обработки оказывает существенное влияние на структуру, физико-механические и эксплуатационные характеристики инструментальных сталей для штампов горячего деформирования.

Для улучшения обрабатываемости резанием и подготовки структуры к окончательной термической обработке инструментальных сталей их подвергают предварительной термической обработке (отжигу и высокому отпуску). Предварительная термическая обработка преследует цель: снизить твердость поковок для улучшения обрабатываемости резаньем; измельчить зерно и обеспечить равномерное распределение структурных составляющих; снизить уровень остаточных напряжений. Операция отжига заключается в нагреве на 20-40ºС выше критической точки Ас3 (доэвтектоидная сталь) или Ас1 (заэвтектоидная сталь), выдержке при этой температуре до полного завершения фазовых превращений и медленного охлаждения для обеспечения распада аустенита в области высоких температур.

По структурному признаку стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости относятся к доэвтектоидной или близки к эвтектоидным. Структура после отжига – пластинчатый или зернистый перлит. Карбидная фаза, содержание которой не превышает 7 – 9% представлена легированным цементитом. Твердость после отжига составляет 2170-2550 НВ.

При нагреве штампов под закалку необходимо обеспечить превращение исходной структуры (перлита) в аустенит, поэтому температура нагрева должна быть выше Ас3. При этом обеспечивается полное растворение цементита и легирование аустенита углеродом и легирующими элементами, содержащимися в карбидах, а следовательно, и высокая твердость мартенсита после закалки. Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нор­мальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести. Легированный аустенит является основной составляющей (матрицей) многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Дальнейшее повышение температуры нагрева под закалку приводит лишь к росту зерна аустенита и соответственно к увеличению размеров мартенситных игл после закалки и снижению механических свойств и снижению механических характеристик сталей.

При замедленном охлаждении (закалка штампов со стороной 250-300 мм) после аустенизации наблюдаются образование промежуточных структур, что приводит к заметному снижению пластичности и вязкости у стали 3Х2МНФ.


^ Режим термообработки

t, ºС

исп.

HRC

операция

t, ºС

Охлаждающая среда

сечение, мм

Закалка

910-930

масло

< 300

20

40-45

540-560

воздух

Отпуск

910-930

масло

> 300

20

38-41

560-580

воздух



^ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ШТАМПОВ ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ.

В сталях для штампов горячего деформирования вследствие того, что содержащей углерода и ле­гирующих компонентов меньше 0,6 и 12% соответственно, количество карбидов существенно меньше (5 - 15%), искажение решетки мартенсита слабее, чем у сталей. По­этому намного больше их вязкость и благодаря этому сопротивление нагрузкам па растяжение, переменным нагрузкам на растяжение и на растяжение - сжатие, а также повторяющимся тепловым нагрузкам и термической усталости. Для достижения соответствую­щей вязкости эти стали, обычно отпускают при более высоких тем­пературах, чем остальные инструментальные стали, точнее говоря, выше температуры, соответствующей максимуму твердости при дис­персионном твердении и, таким образом, соответствующей твердости HRC 36—50. Предел текучести при сжатии точно также меньше, чем у быстрорежущей и ледебуритных сталей, содержащих 12% Сг, хо­тя их пределы текучести при растяжении и сжатии примерно одина­ковы. Вследствие меньшего содержания углерода и карбидов естественно ухудшается стойкость против абразивного из­носа, но при соответствующем легировании износостойкость при на­греве становится удовлетворительной. Способность со­хранять форму и размеры, а также способность противостоять внут­ренним давлениям тем больше, чем выше при данной температуре эксплуатации предел текучести этих сталей или же чем выше их устойчивость против отпуска.

Необходимую теплостойкость обеспечивают легирование (Cr, Mo, W, V, Co и т.д.) твердого раствора и присутствующие в стали после закалки с несколько более высоких температур и отпуска, вызывающие процесс дисперсионного твердения, устойчивые карбиды и соединения.

К этой группе можно отнести инструментальные стали, содержащие 0,28 – 0,45% С, реже 0,5 – 0,6% С и в исключительных случаях 0,06 – 0,03% С. В зависимости от содержания углерода и прочих легирующих компонентов структура может быть доэвтектоидная, заэвтектоидная, мартенситной, полуаустенитной или аустенитной. Теплостойкость некоторых инструментальных сталей, предназначенных для горячей обработки, зависит от количества легирующих элементов и структуры.

Принимая за основу теплостойкость и вязкость, теплостойкие стали повышенной вязкости (стали для штампов горячего деформирования) можно разделить на несколько групп:

низколегированные инструментальные стали для штампов горячего деформирования, малой теплостойкости;

довольно вязкие и хорошо противостоящие термической усталости теплостойкие инструментальные стали;

обладающие наибольшими значениями твердости и вязкости теплостойкости инструментальные стали, стали, подвергаемые старению мартенсита (мартенситно-стареющие стали);

менее вязкие инструментальные стали для штампов горячего деформирования, повышенной теплостойкости;

вязкие инструментальные стали и сплавы очень высокой тепло­стойкости.


^ Инструментальные стали для штампов горячего деформирования,

не об­ладающие теплостойкостью.

К этой группе сталей относятся как улучшаемые конструкционные с небольшим (0,3 - 0,4) и средним (0,5 - 0,6%) содержанием углерода, так и сходные с ними инстру­ментальные стали, содержащие добавки Мn - Si, Сr - Si, Сr - Si - Mo, Cr - Si - V, Сr - Мn - V, Сr - Mn - Mo, Cr - Mo, Cr - Mo - V, W - Cr - V, Cr - Mo - Co, и главным образом Сr - Ni, Сr - Ni - Mo, Cr - Ni - W, Cr - Ni - Mo - V, Cr - Ni - Mo - V - Si, а также Ni-Mo.

Инструментальные стали со средним (0,5—0,6%) содержанием углерода и легированные Сr—Ni—Мо—V чаще всего используют для изготовления молотовых и прессовых штампов. Эти стали хоро­шо прокаливаются.

В инструментах достаточно большие размеров (480 - 600 мм), изготовленных из этих сталей, после охлаждения на воздухе (охлаж­дение сжатым воздухом) возникает, по крайней мере, бейнитно-мартенситная структура. Изделия из сталей диаметром 200 мм при закалке на мартенситную структуру охлаждают в масле, а диамет­ром 40 мм — на воздухе. Предельно короткое время окончания бей­нитного превращения в интервале температур 300—350° С составля­ет около I ч. Поэтому эти стали более всего пригодны для ступен­чатой или скорее даже изотермической, другими словами, для бейнитной закалки, которая наиболее предпочтительна, главным обра­зом при обработке инструмента большого размера. Возникающий та­ким образом так называемый «нижний бейнит» не хрупок и его вяз­кие свойства не отличаются от вязких свойств сталей, содержащих Сr—Ni—Ma, закаленных на мартенсит, а затем подвергшихся отпус­ку. Однако возникающий при медленном охлаждении инструментов с большими сечениями «верхний бейнит» вреден с точки зрения стойкости инструмента, подвергнутого высокому отпуску.

Температура нагрева при закалке инструментальных сталей для штампов горячей деформаций, содержащих Сr—Ni—Mo или Сr—Ni—Мо—V, из-за небольшого содержания карбидообразующих ком­понентов должна лишь немного превышать температуру критичес­кой точки А3: 830—870° С, при этом не требуется про­должительной выдержки при нагреве (5—20 мин). Штампы очень больших размеров помещают в печи, нагретые до температуры 400°С, затем нагревают до 680—700° С, выдерживают при этой тем­пературе и только после этого нагревают до установленной темпера­туры закалки, осуществляя тем самым ступенчатый нагрев.

Эти стали (легированные в основном ванадием) не имеют склон­ности к росту зерна.

Устойчивость против отпуска хромоникелевых сталей можно повысить, кроме ванадия, еще и молибденом, причем можно достичь точно такого же предела прочности при растяжении и такой твердости при высоком отпуске, улучшив вместе с тем вязкие свойства.


^ Теплостойкие стали повышенной вязкости,

хорошо противостоя­щие термической усталости.

К этой группе относятся инструменталь­ные стали с низким (0,3—0,4%) содержанием углерода, 3—5% Сr, 1—3% Мо, 0—1% V, 0—1% Si, реже вольфрама. Благодаря такому составу и соответствующей обработке можно до­биться хорошего сочетания различных свойств (твердости, вязкости и т. д.). Эти стали хорошо противостоят многократному нагреву и охлаждению, т. е. термической усталости. Их создавали для изготов­ления инструмента, предназначенного в первую очередь для литья под давлением алюминиевых сплавов, но уже сегодня их используют довольно широко, как инструментальные стали для штампов горя­чего деформирования. Кроме того, эти стали обладают большой со­противляемостью к повторяющимся растягивающим нагрузкам и большим пределом выносливости Н/мм2.

В отожженном состоянии они содержат относительно мало кар­бидов (максимум 6%). В основном это карбиды типа Ме23С6 и Мс6С, а в случае, если содержание ванадия составляет более 1%, карбиды типа МеС. С увеличением содержания молибдена и вольфрама возрастает количество карбидов типа Ме6С в ущерб карби­дам типа Ме23С6. При дальнейшем увеличении углерода появляются вредные с точки зрения теплостойкости карбиды Ме3С. Уменьшение содержания хрома с 5 до 3% также способствует уве­личению количества карбидов типа Ме3С в ущерб карбидам типа Ме23С6 и Ме6С. Для компенсации этого в инструментальных сталях с 3% Сr количество другого легирующего компонента, например молибдена, увеличивают. В ста­лях с меньшим содержанием хрома температура начала бейнитного превращения выше, чем в сталях с 5% Сr. Однако вязкость сталей, содержащих верхний бейнит, после одного и того же отпуска су­щественно меньше, чем вязкость сталей, закаленных на структуру чистого мартенсита или нижний бейнит. При отпуске верхнего бейнита карбиды в первую очередь выделяются по границам игл бейнита. Распределение карбидов при отпуске нижнего бейнита, более насыщенного углеродом, намного равномернее и однороднее.

При нагреве выше А1, большинство карбидов растворяется и по сравнению с отожженным состоянием в зависимости от температуры и продолжительности закалки значительно возрастает содержание легирующих компонентой в твердом растворе. Большая часть молибдена и ванадия на­ходится в твердом растворе стали марки К14, содержащей 5% Мо.

При отпуске, проводящемся после закалки, содержание легирующих компонентов в мартенсите во всех сталях убывает в незна­чительной степени, так как образуется сравнительно немного кар­бидов, которые вызывают процесс дисперсионного твердения. Одна­ко высокая степень легированности твердого раствора обеспечивает теплостойкость этих сталей. Теплостойкость и устойчивость против отпуска инструментальных сталей в значительной степени зависят от содержаний легирующих компонентов в твердом растворе (Cr—Мо—V) и эффективности процесса дисперсионного твер­дения.

Добавка 5% Сr и 1% Si увеличивает устойчивость против от­пуска этих сталей, пределы упругости и текучести при нагреве до температуры 404—500°С, и, кроме того, возрастает окалиностойкость до 600—050° С. На поверхности деталей возникает легко уда­ляемая пористая оксидная пленка. Повышение окалиностойкости способствует росту износостойкости при нагреве. Износостойкость при нагреве (за исключением предела текучести) в определенной степени связана с теплостойкостью при нагреве, а та в свою очередь – с содержанием легирующих компонентов в твердом растворе.


Инструментальные стали для штампов горячего деформирования, обладающие наибольши­ми твердостью и вязкостью и подвергаемые мартенситному старению (мартенситно-стареющие стали).

Содержащие наряду с 8—25% Ni и менее 0,03% С значительное количество кобальта, молибдена, алю­миния и титана, а также других легирующих компонентов, стали с мартенситной структурой, упрочненные дисперсионным твердением, начали производить и использовать в промышленных масштабах начиная с шестидесятых годов этого столетия. В настоящее время уже известно большое количество ма­рок сталей, подвергаемых мартенситному старению. У ста­лей, которые могут быть подвер­гнуты мартенситному старению, сочетаются высокие пределы текучести при растяжении со значи­тельной ударной вязкостью. Вяз­кость при разрушении при одина­ковых пределах текучести значи­тельно выше, чем у улучшаемых сталей или вязких и теплостойких инструментальных сталей (К 12—К14), содержащих 5% Сr. Эти стали имеют высокий предел усталости.

Вследствие высокой вязкости эти стали чрезвычайно хорошо про­тивостоят колебаниям температуры или термической усталости. Долговечность изготовленных из этих сталей форм, предназначенных для литья под давлением, в 3—4 раза выше, чем, например, анало­гичных литейных форм, изготовленных из стали марки К 13.

Сочетание наиболее благоприятных свойств обнаруживается у стали со следующим составом: Сr < 0,03%, 18% Ni, 9% Со, 5% Мо, 0,7% Тi. Эти стали обладают коррозионной стойкостью, а их склон­ность к адгезии (к налипанию) минимальна. Объемные деформа­ции, возникающие в процессе закалки, ничтожны.

Высокую прочность сталей, подвергнутых мартенситному старе­нию, в противоположность обычным инструментальным сталям оп­ределяет не количество карбидов или содержание углерода, связан­ного в твердом растворе (в мар­тенсите), а выделяющиеся вслед­ствие ограниченного растворения в процессе старения так называе­мого никелевого мартенсита с низ­ким содержанием углерода интерметаллические соединения (Ni3Ti, Ni3Al, Ni3Mo, Fе2Мо и т. д.).

В об­разующемся таким образом мартенсите путем внедрения растворено очень мало элементов: легирующие компоненты (Ni, Со, Мо, Ti) рас­творены в основном путем замещения. Поэтому в случае такого мартенситного превращения искажения кристаллической решетки мини­мальны и увеличение прочности незначительна. Микроструктура мартенсита отличается от привычной, так как вместо игольчатой структуры она представляет собой зубчатую конфигурацию с направлениями зубков, определяемыми границами зерен мартенситных кристаллитов. Внутри этих кристаллитов так называемого массивного мартенсита образуется большое количество, дислокаций. Плотность дислокаций достигает 1012/см2, что в незна­чительной степени усиливает прочность сплава, но более всего созда­ет благоприятные условия для происходящего в процессе старения возникновения равномерно распределенных выделений.

Твердость и прочность никелевого мартенсита с низким содер­жанием углерода относительно небольшая (), но он довольно вязок и пластичен. Благодаря наличию никеля значительно ослабляется сопротивление кристаллической решетки перемещению дислокации. Уменьшается энергия взаимодействия дислокаций и внедренных атомов. Деформационное упрочнение невелико, поэтому в таком состоянии эти стали легко подвергаются холодной деформа­ции. Процесс дисперсионного твердения протекает с минимальными изменениями размеров, поэтому окончательные операции по механической обработке инструмента можно осуществлять перед термической обработкой.


^ Вязкие инструментальные стали и сплавы,

обладающие очень высокой теплостойкостью.

Необходимость в таких сталях и сплавах возникает в том слу­чае, если инструмент продолжительное время подвергается воздей­ствию температур 650—700° С и выше (например, при литье под давлением медных сплавов, при штамповке, при изотермическом прессовании титановых сплавов и т. д.). Кроме теплостойкости, при таких высоких температурах большее значение приобретает окалиностойкость. Положительными свойствами являются как мож­но меньший коэффициент теплового расширения сплава и отсут­ствие аллотропных превращений.

Так как эти стали должны обладать окалиностойкостью, в их составе содержится 12% Сr. Содержание С<0,25%, но даже с таким количеством углерода можно легко достигнуть мартенситной структуры. Теплостойкость этих сталей увеличивают путем легирования W, Мо и главным образом Со, под влиянием которых выделяются интерметаллические соединения Fe2W и Co2W7, особенно устойчивые против коагуляции. Кобальт увеличивает способность аустенита к растворению карбидов, за­медляет выделение карбидов и приводит в конечном итоге к равномерному распределению выделений. Чем выше содержание кобальта в стали, тем больше ее устойчивость против отпуска и теплостойкость. Сравнивая эти стали с инструменталь­ной сталью W2 с высоким содержанием W, можно сказать, что только при температурах выше 800° С достигается более высокая теплостойкость. При повышении температуры закалки существенно изменяются температура процесса дисперсионного твердения, на­ибольшая достижимая твердость и устойчивость против отпуска. Вязкость стали 2Х12В8К10 с низким содержанием угле­рода и инструментальных сталей подобного типа при повышении рабочей температуры при эксплуатации не уменьшается, в противо­положность вязким свойствам инструментальной стали марки W2. Относительное сужение площади поперечного сечения образца при 600°С составляет 46—64%, а для сталей марок W2 и К12 только 30%, в то время как для инструментальной стали марки К1З 70%.

Обычные условия термической обработки: температура закалки 1140 – 1160° С, температура отпуска 650—680° С.

Теплостойкость сталей, подвергшихся мартенситному старению при температурах > 600оС, уже не достаточна. Так, для изготовле­ния форм дли литья под давлением латуни эти стали уже не приме­няют.

Теплостойкость сталей с аустенитной основой и 8—13%-ным со­держанием Ni, обусловленная дисперсионным твердением при температурах >700°С, превышает теплостойкость высоколегированной вольфрамом стали марки W2, однако при тем­пературе ниже 600—050° С эти стали обладают меньшей теплостой­костью.

Температура рекристаллизации аустенитных сталей выше, чем ферритных и мартенситных, поэтому они размягчаются только при нагреве до более высоких температур.


^ ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

К СТАЛЯМ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОВ.

Наиболее ответственные детали штампов, пресс-форм и форм для литья металлов под давлением изготовляются из углеродистых и легированных инструментальных сталей определенных марок, выделенных в особую категорию и называемых штамповыми.

Штамповые стали в свою очередь подразделяются на три основные группы, а именно:

1 — штамповые для деформирования металлов в холодном состоянии;

2 — штамповые для деформирования металлов в горячем состоянии;

3 — штамповые, устойчивые против коррозии.

К каждой из указанных групп сталей в соответствии с их назначением предъявляются особые требования, характеризующие данную группу.

Штамповые стали первой группы, предназначенные для изготовления штампов холодной штамповки, должны иметь после окончательной термической обработки высокую твердость на рабочих поверхностях и режущих кромках, высокую износостойкость, необходимую для сохранения формы и размеров рабочих кромок при эксплуатации штампа, высокую прочность как рабочей кромки, непосредственно воздействующей на обрабатываемый материал, так и участков штампа, воспринимающих наибольшие изгибающие и скручивающие нагрузки.

Штамповые стали второй группы должны сохранять повышенные механические свойства при высоких температурах. Их термически обрабатывают таким образом, чтобы получить большую вязкость при меньшей твердости сравнительно со сталями других групп.

Штамповые стали третьей группы применяются для изготовления из них матриц пресс-форм и форм для литья металлов под давлением. Помимо свойств сталей второй группы, они должны обладать устойчивостью против воздействия агрессивных сред — химически активных пластмасс, агрессивных сплавов отливаемого металла.

Важнейшее требование, предъявляемое ко всем видам штамповых сталей, — сочетание твердости с высокой вязкостью. Штамповые стали должны обладать также особыми технологическими свойствами, к которым относятся:

хорошая обрабатываемость, т. е. способность хорошо принимать обработку резанием и обработку давлением в холодном и горячем состоянии;

хорошая прокаливаемость, т. е. возможность получить высокую и однородную твердость, равномерную мелкокристаллическую структуру на большую глубину;

малая чувствительность к перегреву, т. е. возможность закалки с нагревом в достаточно широком интервале температур;

малая деформация при термической обработке;

небольшая чувствительность к обезуглероживанию при нагреве, снижающем твердость поверхностного (рабочего) слоя металла;

хорошая шлифуемость, определяющая высокое качество шлифованной и полированной поверхности.

С точки зрения требований, предъявляемых к сталям, идущим на изготовление технологической оснастки, углеродистые инструментальные стали имеют ряд существенных недостатков:

низкая износостойкость и красностойкость (при нагревании до температуры свыше 250° С сталь теряет свою твердость);

несквозная прокаливаемость, вследствие чего твердость в средних слоях закаленных деталей значительно ниже, чем на поверхности;

склонность к образованию трещин, усадок и значительных короблений при термообработке;

низкая коррозийная стойкость, особенно при нагреве.

Вследствие этого углеродистые инструментальные стали употребляют только для изготовления таких деталей оснастки, которые работают с низкими нагрузками, а также в тех случаях, когда к конструкции самой оснастки не предъявляется высоких требований.

Стали инструментальные легированные. Легированной называют сталь, в состав которой наряду со всеми элементами, входящими в углеродистую сталь, входят еще и специальные добавки, влияющие на физико-механические и технологические свойства стали.

Легирующие добавки изменяют твердость, прочность, вязкость, износостойкость, коррозийную стойкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения и другие свойства металла.

Изменение свойств стали в результате легирования зависит не только от состава и количества легирующих элементов, но и от характера взаимодействия их с железом и углеродом, а также взаимодействия между собой. Особенно сильно сказывается влияние легирующих элементов на свойства стали в результате ее термической обработки.

В сравнении с углеродистыми сталями легированные инструментальные стали обладают следующими преимуществами:

повышенной вязкостью в закаленном состоянии;

более глубокой прокаливаемостью;

меньшей склонностью к короблению, изменению размеров и трещинам при закалке;

большей стойкостью против коррозии;

большей износостойкостью и красностойкостью.

Для изготовления менее ответственных деталей оснастки применяются углеродистые конструкционные стали с нормальным и повышенным содержанием марганца. Наиболее часто используются стали марок: Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, 15, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 70, 60Г, 65Г.

Для изготовления отдельных видов деталей оснастки находят применение также легированные конструкционные стали, например: 15Х, 20Х, 30Х, 35Х, 40Х, 50Х, 30ХМ, 35ХМ, 20ХГ, 35X12, 40ХН, 45ХН, 50ХН, 20ХГС, 30ХГС.

ЛИТЕРАТУРА


Скачать файл (146 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации