Специальные стали и сплавы

      Инструметальные стали 

      Легирование и ТО инструментальных сталей и сплавов.

      ИС  целесообразно подразделять по их назначению на 3 осн категории:

1. Стали  для режущих инструментов с  62…68 HRC

2. Стали  для штампов холодного деформирования  и ударных инструментов с 52…62 HRC

3. Стали для штампов гор деформирования с 40…55 HRC. 

      Высокая стойкость и надёжность инструментов может обеспечить, как правило, тогда, когда для конкретных условий  их эксплуатации удаётся получить оптимальное  сочетание сопротивления стали  пластической деформации и хрупкому разрушению.

      Сопротивление пластической деформации характеризуется твёрдостью, а хрупкому разрушению – вязкостью.

      Т.к. наиб важные эксплуатационные свойства ИС находятся в обратной зависимости, то задача решается путём выбора стали  и способа её упрочнения, что позволяет ↑ те свойства, кот определяют стойкость данного инструмента при допустимом уровне ↓-я др свойств.

      Заданный  уровень твёрдости, т.е. необходимые  свойства ИС, можно получить либо с  помощью дисперсионного твердения (обычно после М превращения, либо с пом М превращения с низким отпуском). При этом теплостойкость и сопротивление хрупкому разрушению существенно зависит от способа упрочнения.

      Как правило, дисперсионному твердению  сталей предшествует М превращение, кот, не являясь в этом случае окончательным упрочнением, существенно ↑ уровень упрочнения при дисперсионном твердении.

      Дисперсионное твердение – это упрочнение сталей при отпуске засчёт выделения из пересыщенного твёрдого раствора большого количества дисперсных частиц карбидов или интерметаллидов легирующих компонентов. Обычно ДТ обеспечивает высокую теплостойкость и прочность. Вместе с тем, выделение частиц, особенно по границам бывших зёрен γ может заметно ↓ вязкость. Упрочнение при М превращении, реализуемое в результате закалки, обеспечивает невысокую теплостойкость, однако позволяет получить после низкого отпуска, снимающего значительную часть закалочных напряжений, повышенное сопротивление хрупкому разрушению. 

      !!! Низкий отпуск проводится где-то до 200⁰С. Основная цель: снятие закалочных напряжений. 

      В связи с определяющим влиянием способа  упрочнения на эксплуатационные и многие технологические свойства ИС, каждую их трёх категорий можно разделить  на 2 группы по способу упрочнения, а  их, в свою очередь, на подгруппы по уровню упрочнения. (см.табл.)  

     При выбранном способе и уровне упрочнения вязкости той или иной стали сильно зависит от особенностей её структуры  и её однородности, т.е. величины зёрен  и разнозернистости, а также количества, размеров и условий распределения карбидов и интерметаллидов. В то же время, НВ и теплостойкость определяются хим составом стали и условиями ТО, поэтому применение гор пластическай деформации с большим обжатием, различных способов переплава, а также методов порошковой металлургии в производстве сталей позволяет без понижения НВ и теплостойкости заметно ↑-ть сопротивление ИС хрупкому разрушению. – В том случае, если перечисленные методы улучшают структуру, но не изменяют хим состав и мало влияют на режимы ТО.

Классификация ИС для формообразующих инструментов. 
 
 

      Стали для режущих инструментов с 62…68 HRC.

      Стали, упрочняемые в основном при отпуске  дисперсионным твердением на базе исходной М структуры (быстрорежущие стали и сплавы). Для этих сталей и сплавов характерны высокие значения теплостойкости (600…700⁰) и прочности при изгибе (до 1000 МПа), но невысокая вязкость, что является следствием наибольшего уровня упрочнения при дисперсионном твердении, а также присутствие в структуре множества хрупких карбидов (до 10%). Комплекс свойств этих сталей отвечает требованиям, предъявляемым к режущим инструментам, которые работают в следующих условиях:

      1. В условиях высоких температур  разогрева режущих поверхностей  из-за увеличенных скоростей резания  (до 60 м/мин) при обработке обычных  КС и сплавов или труднообрабатываемых материалов с более низкими скоростями резания (до 10 м/мин);

      2. Увеличенные подачи (глубина врезания  инструмента;

      3. Небольшие динамические нагрузки. 

      Быстрорежущие стали и сплавы делятся на стали  обычной и повышенной теплостойкости.

      Стали обычной теплостойкости предназначены для обработки КС и сплавов с временным сопротивление разрыву до 1000 МПа.

      Стали и сплавы повышенной теплостойкости применяют для обработки КС и сплавов с временным сопротивлением разрыву более 1000 МПа, а также нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, сплавов на основе Ti и др труднообрабатываемых материалов.

      Находят всё большее применение низколегированные быстрореж стали типа 11М5Ф для обработки отожжённых КС с временным сопротивлением разрыву 600…700 МПа.

      Стали, упрочняемые в  основном при закалке  М превращением имеют невысокие значения теплостойкости (до 270⁰), прочности при изгибе (до 2500 МПа) и несколько повышенную по сравнению с быстрореж сталями вязкость:

      стали неглубокой прокаливаемости до диаметра 15…20мм: см.табл.

      стали глубокой прокаливаемости до диаметра 30мм, кото предназначены для режущих  инструментов, работающие с невысокими скоростями резания (до 8 м/мин) при обработке  КС невысокой прочности (временное  сопротивление разрыву 500…600 МПа). 

      Стали для штампов холл деформирования с 58…65 HRC. Инструменты из этих сталей должны сочетать высокую твёрдость и износостойкость с повышенной вязкостью. Вместе с тем, Тразогрева холодных штампов, как правило, ниже или равна 350⁰С, поэтому большинства сталей для штампов холл деформирования упрочняют мартенситным упрочнение.

      Стали, упрочняемые в  основном при закалке  при М превращении. Износостойкость этих сталей ↑ с ↑ количества избыточных карбидов, однако ударная вязкость при этом ↓.

      Стали, упрочняемые при отпуске дисперсионным твердением на базе исходной М структуры используются для изготовления тяжелонагруженных инструментов прессования и выдавливания, испытывающих давление до 2500 МПа, но работающих без больших динамических нагрузок. В результате отпуска ↑ НВ и прочность таких сталей, поскольку из мартенсита выделяются частицы упрочняющих фаз, а γ_ост(т.е. фаза с невысокой НВ) превращается в М. Эти превращения ↑ предел текучести при сжатии, однако дополнительно ↓ вязкость.

      Стали для штампов гор деформирования с 40…55 HRC.Штампы гор деформирования для литья под давлением эксплуатируют в разнообразных условиях изменения Тры, давления и дин нагрузок. Поэтому для таких инструментов используют самый широкий круг сталей, у кот теплостойкость и вязкость сочетаются в наиб пределах. Оптимальное сочетание этих свойств для конкр случаев эксплуатации достигается, прежде всего, регулирование уровня упрочнения при дисперсионном твердении путём выбора сталей определённого хим состава и режимов ТО.

      Для сталей, упрочняемых в основном при отпуске дисперсионным твердением характерна высокая теплостойкость, что позволяет работать инструментами из этих сталей вплоть до Т=750⁰С. В этой группе различают:

      1. Стали обычной теплостойкости с невысоким уровнем упрочнения при отпуске (42…48 HRC). Достаточная теплостойкость и высокая вязкость этих сталей обеспечивают высокую стойкость инструментов для штамповки при нагреве до 650⁰С в условиях увеличенных дин нагрузок.

      2. Стали повышенной теплостойкости (52…55 HRC) предназначены для работы при повышенных температурах и давлении, т.е. для деформирования труднообрабатываемых материалов, но без больших дин нагрузок.

      3. Стали для штампов гор деформирования, упрочняемые при закалке в результате М превращения – полутеплостойкие стали, сохраняющие необходимую твёрдость ~45HRC после нагрева лишь до Т=400…450⁰С благодаря замедленному распаду легированного Мартенсита при отпуске. Стали этой группы предназначены для производств в основном штампов крупных размеров диаметра (более 500мм). Инструменты из этих сталей работают в условиях дин нагрузок и сравнительно небольшого разогрева.

      Технологические свойства ИС.

      Для получения инструментов в условиях их массового автоматизированного  производства необходимо, чтобы ИС обладали

     хорошей обрабатываемостью резанием и давлением.

     свариваемостью

     шлифуемостью

     устойчивостью против перегрева, обезуглероживанию  и окислению

     минимальной деформацией при ТО

      стабильной  прокаливаемостью и закаливаемостью.

      Вообще, технологические свойства ИС сильно влияют на надёжность инструментов, что особенно важно для работы автоматических линий и станков с программным управлением. Технологические свойства, как и механические, и эксплуатационные, определяются структурой ИС, зависящей от хим состава, условий производства и ТО. 

14.10.11 

      Особенности упрочнения ИС

      Особенности упрочнения ИС теплостойких, упрочняемых  дисперсионно. 

     Пласт деформация стали в проц эксплуатации инструментов развивается перемещением имеющихся и генерируемых дислокаций. Эти дислокации перерезают когерентно связанные с М матрицей дисперсные частицы упрочняющих фаз или обходят частицы карбидов поперечных скольжением и переползанием. Уровень упрочнения сталей, полученных при отпуске, ↓ сравнительно мало при нагреве до хар-ных для каждой стали предельных температур, но весьма заметен при нагреве выше этих температур, поэтому в нижнем Т интервале НВ тем выше, чем больше объёмное количество, удельная масса и плотность распределения частиц, перерезаемых дислокациями. При нагреве выше предельных Т инструменты подвергаются ускоренному износу вследствие динамической рекристаллизации и образование пор и трещин по границам зёрен, характерных для высокотемпературной ползучести. На этой стадии дислокации огибают упрочняющие частицы и разупрочнение сплавов мало зависит от удельной массы частиц. Характерные Т нагрева ИС тем выше, чем выше Т фазовых превращений этих сталей и, в первую очередь, Т крит точек α-гамма превращений. Обычно предельная Т работы ИС составляет 0,7…0,8 от Тначала α-γ превращений. 

     Нетеплостойкие и полутеплост стали, упрочняемые в осн при М превращении

     Твёрдость, вязкость, прочность и износостойкость  этих сталей во многом определяется содержаниемС и лег компонентов в М и  их среднем содержании в стали. Низкий отпуск у нетеплостойких сталей существенно ↓ остаточные зак напряжения и заметно ↑ вязкость и прочность стали. При этом НВ ↓ сравнительно на малую величину ~2…3HB, так как концентрация С в М остаётся высокой (около 0,4%). Вместе с тем, в структуре нетеплостойких сталей после н.о. сохраняется до 20% γ_ост, пристутствие кот немного ↑ вязкость, но ↓ предел текучести при сжатии. Отпуск полутеплост сталей при Т 400…450⁰ ↑ их НВ, но при этом особенно сильно ↑ вязкость, на 60 или даже 100%. В структуре полутеплост сталей после средне и высокотемпературного отпуска γ_ост отсутствует.  

       Влияние величины зёрен и неоднородности ИС на прочность и вязкость.

       Для всех ИС важно сохранить высокую  прочность, а для многих из них – обеспечить высокую износостойкость при высоких и повышенных Т эксплуатации. Достаточно высокая прочность сохраняется в том случае, если при нагреве до Т-р закалки зёрна γ остаются мелкими и не превышают 9…11 балла по ГОСТ 5639. Повышенная износостойкость харна для сталей с большим объемным количеством твёрдых карбидов, кот остаются в структуре стали после закалки. Вместе с тем, это неравн распределение избыточных карбидов заметно ↓ прочность и вязкость ИС. Поэтому оно регламентируется в зависимости от размера проката по ГОСТ 19265 для быстрорежущих и ГОСТ 5950 для легированных ИС. С ↑ степени горячей пласт деформации стали улучшается равномерность распределения карбидов. Поэтому с ↓ диаметра проката обычно ↑ прочность и вязкость ИС.