Инструментальные стали и твердые сплавы

Инструментальные стали и твердые сплавы

        Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (60-65 HRC), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента.
        Для инструмента, требующего повышенной вязкости, например для штампов горячего деформирования, применяют доэвтектоидные стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры троостита или даже сорбита. Износостойкость и твердость этих сталей ниже чем эвтектоидных.
        Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), т.е. способность сохранять высокую твердость при нагреве (устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы).
Все инструментальные стали подразделяются на три группы: не обладающие теплостойкостью ( углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-4% легирующих элементов), полутеплостойкие до 400 - 500⁰С ( содержащие свыше 0,6-0,7 % С и 4 - 18 % Cr) и теплостойкие до 550-650⁰С (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, V, Mo, Co, ледебуритного класса), получившие название быстрорежущих.
        Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью.
        Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).
        Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой "У" (углеродистая); следующая за ней цифра ( У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква "А" в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная.
         Легированные инструментальные стали Х, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т.д. маркируют цифрой, показывающее среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание < 1 %. Если содержание углерода 1%, то цифра чаще отсутствует.
        Буквы обозначают легирующие элементы, а следующие за ним цифры - содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента
        Быстрорежущие стали маркируются буквой "Р". Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали - вольфрама в (в %). Среднее содержание молибдена ( в % ) в стали обозначают цифрой, поставленной за буквой "М", кобальта - цифрой за буквой "К", ванадия - цифрой после буквы "Ф" и. т. д. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается.

Сталь углеродистая инструментальная качественная

Сталь углеродистая инструментальная качественная

У12

-Высококачественная

-Заэвтектойдная

-1,2% углерода

-Режущий, мерительный и хирургический инструмент

Общие сведения о ступенчатой закалке:

При ступенчатой закалке изделие охлаждают в закалочной среде , температура которой выше , чем мартенситная точка данной стали . Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивают передачу температуры закалочной ванны во все точки сечения закаливаемого изделия . После этого следует окончательное медленное охлаждение . Именно во время этого охлаждения и происходит закалка - аустенит превращается в мартенсит .

Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У12.

В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру зернистого перлита ( Fe+Fe3C ). При нагреве получаем структуру аустенита и цементита первичного ( Fe+Fe3C ) . Происходит перестройка кристаллической решётки железа - кубическая объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную .

- атом углерода . - атом железа .

Рис.1 с

с

а

а

с/a  1

О. Ц. К. (Fe) a=2,8 A (с/а=1) Г. Ц. К. (Fe) a=3,6 A О. Ц. К. тетрагональная

При переохлаждении аустенита Г. Ц. К. решётка становится неустойчивой . Несмотря на то , что скорость диффузии при низких температурах мала , происходит

обратное перестроение кристаллической решётки без выделения углерода (бездиффузионный процесс) . То есть процесс , показанный на рис. 1 идёт в обратном направлении : Г. Ц. К. О. Ц. К. ( большая степень тетрагональности ).

При малых температурах скорость диффузии мала , следовательно превращение идёт очень быстро . Атом углерода не может выйти из кристаллической решётки и вытягивает её в объёмноцентрированную .

Fe(C) Fe(C) ( Ау М)

Так как процесс бездиффузионный , концентрация углерода в мартенсите будет такая же , как и в аустените .

Процесс кинетикоматренситного превращения протекает не до конца. При фактическом окончании процесса ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита ( Аост.) .

Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :

1. превращение происходит в интервале температур Мн - Мк .

2. п ревращение протекает путём образования всё новых и новых кристаллов мартенсита , а не роста ранее образовавшихся .

Рис. 5

Зерно аустенита :

1. до нагрева ,

2. после нагрева.

1. А 2.) М + А

Игла мартенсита сжимает зёрна аустенита .

3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур .

1. превращение протекает не до конца . При фактическом завершении превращения ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита .

Тетрагональность мартенсита объясняется наличием в кристаллической решётке углерода , она прямопропорциональна содержанию углерода .

Общие сведения о процессах , происходящих при отпуске стали У12.

В закалённой стали тетрагональность мартенсита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость , поэтому после закалки необходимо применить отпуск.

Операция отпуска заключается в нагреве закалённой стали ниже точки Ас1 , выдержке её при заданной температуре с последующим охлаждением в воде или на воздухе . Целью отпуска является снятие внутренних напряжений после закалки и получение требуемых механических свойств .

Отпуск делится на три вида :

1. нагрев до 200С - низкий отпуск - применяется для снятия внутренних напряжений ( структура : мартенсит отпущенный ) .

2. нагрев на 350- 500С - средний отпуск - повышает пластичность ( структура : мелкозернистая ферритно-цементитная смесь - троостит ) .

3. нагрев 500С - высокий отпуск - возрастает удельная вязкость , следовательно падает прочность .

После закалки имеем структуру М + Аост. . После отпуска получаем структуру с наибольшим удельным объёмом мартенсита и наименьшим удельным объёмом аустенита остаточного .

Очевидно , что в результате изменения удельного объёма ведёт к удлинению образца . Нагрев способствует выделению углерода из исходной структуры в виде карбидной фазы Fe2C - -карбида , имеющего гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие этого концентрация углерода в начальной структуре начинает уменьшаться , а степень тетрагональности стремиться к единице .

-карбид - это гетерогенная смесь Fe и необособившихся частиц карбидов . Всё это вместе составляет когерентно связанную кристаллическую решётку .

Для стали У12 выбираем отпуск с последующим охлаждением в воде - низкий отпуск. Низкий отпуск наряду с увеличением твёрдости , избавляет изделие от внутренних напряжений закалки , что необходимо в данном случае для повышения износостойкости изделия .

При нагреве до 200С происходит первое превращение при отпуске - мартенсит закалочный превращается в мартенсит отпущенный .