Специальные стали и сплавы

21.10.11

      Особенности легирования ИС.

Теплостойкие  стали, упрочняемые  дисперсионным твердением.

      Для повышения устойчивости выделяющихся при отпуске частиц против коалесценции при нагреве в качестве упрочняющих фаз выбирают карбиды на осн сильных карбидообразующих элементов, т.е. Cr (Me₂₃C₆), Mo и W(Me₂C), V(MeC), а также интерметаллидные фазы типа Ме`₇, Me``₆. Карбиды хрома типа Ме₂₃С₆ упрочняют сталь при отпуске лишь при доп легировании Mo, W, V: (Cr,Fe)₂₁(Mo,V)₂C₆. Карбиды типа Ме₂₃С₆ могут выделяться при отпуске стали в наибольшем объёмном колве, а карбиды на осн Mo и V типа Ме₂С, и особенно V типа Ме₂С в меньшем, т.к. растворимость этих фаз в γ до закалочных Т ↓ от карбида Cr к карбиду V и, соотв, ↓ содержание л.э. в мартенсите. Наиб высокие свойства, т.е. модуль сдвига и плотность, характерны для карбидов на осн W и Mo типа Ме₂С, а также для интерметаллидов. Более низкими свойствами, в т.ч. сравнительно низкой устойчивостью против коалесценции, обладают карбиды на осн Cr и Fe типа Ме₂₃С₆, поэтому многие штамповые и некот быстрореж стали с отн высокой концентрацией Cr и небольшим содержанием W и Mo приобретают дост выс НВ благодаря выделению при отпуске большого объёмного количества Cr типа Ме₂₃С₆, т.к. этому способствует небольшая плотность карбидов на основе Cr. Но Эти стали не отличаются высоким сопротивлением пласт деформации при нагреве из-за пониженной прочности этих карбидов. Т.о., осн лег компонентами наиболее теплостойких быстрореж и штамповых сталей явл Mo и V. Упрочняющие сталь карбиды типа Ме₂С метастабильны, и в результате выс температурного и длительного отпуска или отжига превращаются в стабильные карбиды типа Ме₆С : (Fe, Mo, Cr, V)₆С, поэтому о теплостойкости стали можно судить по диаграммам состояния сплавов Fe-W-C и Fe-Mo-C, в фазовых областях которых указаны типы присутствующих карбидов в зависимости от содержания С и лег элементов. Для того, чтобы карбиды типа Ме₆С были основной карб фазой в сплавах Fe-Mo-C как в сплавах Fe-W-C при равной %С, содержание Mo в первых д.б. в 1,5 раза меньше, чем W во вторых. Введение в такие сплавы до 2% V сдвигает границу существования карбидов Ме₆С в сторону ↓ %W и Mo, т.к. атомы V замещают атомы W и Mo в решётке карбидов Ме6С в колве до 7масс%.

      В быстрореж сталях с концентрацией  С 0,7…0,8 , обеспечивающей более 62HRC при мелком зерне карбиды Ме6С явл осн фазой, если %W составляет не менее 18% при W до 1% или 12…13% W при содержании V 2…2,5 масс%. В W-Mo бысрореж сталях с содV 2…2,5% с этой же целью суммарное содержание W и Mo должно так же составлять 12…13% при условии, что 1%Mo=1,5%W. По этим причинам W-Mo W и Mo стали типа Р6М5Ф3, Р6М5, Р12Ф3, Р12, Р0М5 и др с 2% V и сталь Р18 с 1% V являются основными быстрореж сталями. Введение Co дополнительно ↑ Т фазового α- γ превращения, и следовательно, характерные Тнагр, выше кот развивается динамическая рекристаллизация и по этой причине ↑ теплостойкость сталей, характеризуемая величиной твёрдости при нагреве. Поэтому стали типа Р6М5К5, Р12Ф4К5, Р8Н3К6 и др легированные Co, явл основными бысрореж сталями повышенной теплостойкости. По этим же причинам теплостойкие стали и сплавы для режущих инструментов и штампов гор деформирования не вводят лег элементы, понижающие Тфаз превращений (γ стабилизаторы), напр, Ni и Mn. Их содержание в рассм сталях регламентируется и составляет не более 0,4% каждого элемента.

      Состав  известной теплостойкой стали 3Х2В8Ф  для штампов гор деформирования соответствует присутствию в структуре в основном карбида типа Ме₆С. Состав наиболее теплостойких штамповых сталей 2Х6В8Н2К8 отвечает присутствию в структуре карбидов типа Ме₂С и интерметаллидов Ме`₇ Ме``₆.  

      Нетеплостойкие  и полутеплостойкие стали и особенности их легирования.

      (упрочненные  преим. засчет реализации М превращения)

      В сталях с выс твёрдостью ~62HRC, предназначенных для штампов хол деформирования и для реж инструментов, концентрация С обычно устанавливается выше 0,6%, а содержание л.э. определяется след условиями:

     1.Улучшение  закаливаемости, т.е. использование  низколег сталей неглубокой прокаливаемости,  т.е. до Ф20мм марок 11ХФ, 13Х  и некот других, вместо углеродистых  сталей типа У11А, У13 позволяет  ↑ равномерность распределения НВ на повти реж инструментов после закалки.

     2.↑прокаливаемости. Для этого используются стали глубокой прокаливаемости (до100мм) после закалки в масле, горячих средах и даже на воздухе. Напр., стали ШХ15, ХГС, ХВГ, ХВГС и др. Эти стали применяются для реж и штамповых инструментов холодного деформирования. Кроме того, для изготовления штампов холл деформирования иногда примся стали с ещё большей прокаливаемостью: 100 или 250мм: 7ХГ2ВН, Х6ВФ, Х12ВА и др.

     3.↓деформации. Для этого применяются стали глубокой прокаливаемости, что позволяет использовать ступенчатую и изоТ закалку или даже закалку с использованием охлаждения на воздухе

     4.↑износостойкости инструментов благодаря образованию в структуре сталей избыточных карбидов высокой твёрдости. 

     Три первых условия выполняются путём легирования стали в осн Mn, Cr, Ni, а также Cr , введение которых, особенно Mn, значительно ↓ крит скорости охлаждения при закалке и ↑ прокаливаемость стали. Наиб эффективным считается совместное легирование перечисленными компонентами. Если в состав теплост сталей Mn и Ni не вводят из-за того, что они ↓ Тфаз превращений и предельные Тнагр, то легирование этими компонентами нетеплостойких и полутеплост сталей, инструменты из кот работают при сравн невыс Т, широко применяют в разумных пределах, необходимых для соблюдения перечисленных выше условий. Для производства штампов холодного деформирования, работающих в условиях повышенного износа, используют стали типа Х6ВФ, Х12М и др., в кот увеличена концентрация Cr до 6 или даже 12% и увеличена %С до 1…2%. Соответственно, при этом в структуре сталей образуется большое количество карбидов Cr типа Ме7С3, кот имеют повыш НВ и обеспечивают выс износостойкость инструментов.

     Сталь 7ХГ2ВМ, немного уступая по прокаливаемости  сталям Х12М и Х12Ф1, превосходит их по прочности (особенно в крупных сечениях, более 60мм) и вязкости. Кроме того, имеет значительно меньшую анизотропию свойств и деформации. Это следствие того, что в структуре заэвт стали 7ХГ2ВМ присутствует небольшое количество равн распределённых избыточных карбидов, тогда как для ледебуритных сталей с 12% Cr характерно выражена карбидная неоднородность, возрастающая с ↑ сечения проката. Вместе с тем, износостойкость сталей Х12М и Х12Ф1 заметно выше, чем стали 7ХГ2ВМ.

     Применение  заэвт сталей с 6% Cr, напр Х6ВФ для ряда инструментов позв реализовать повыш износостойкость по сравнению со сталью 7ХГ2ВМ, а также увеличенная по ср с высокохромистыми  сталями прочность. Минимальная деформация многих этих сталей объясняется тем, что после закалки в их структуре, наряду с высокоугл мартенситом, содержащим более 0,6%С, сохраняется γ_ост, около 20%. Удельный объём закалённой стали с такой структурой мало отличается от удельного объёма той же стали со структурой зернистого перлита, т.е. структурой стали в исходном отожжённом состоянии.

     %С  в сталях для ударных инструментов, напр. 6ХС, и для крупных штампов  (5ХНМ) устанавливается не более  0,5 или 0,6. Это позв сохранить  наиб выс уровень вязкости  при значительной твёрдости ~55HRC, благодаря тому, что М в этом случае имеет пакетное строение и обладает повышенной вязкостью. 

     Коалесценция (от лат. coalesce — срастаюсь, соединяюсь) — слияние частиц (например, капель или пузырей) внутри подвижной среды (жидкости, газа) или на поверхности  тела.   

28.10.11

     Содержание  лег компонентов в сталях для молотовых штампов выбирают т.о., чтобы обеспечить прокаливаемость в больших сечениях, а с др стороны избежать ликвации и ↓ вязкости крупных штампов.

     Во  всех сталях этой группы присутствует Mo или V в небольших количествах для предупреждения обратимой отпускной хрупкости, опасность возникновения которой особенно велика из-за замедленного охлаждения крупных штампов после нагрева до Т отпуска (500…600⁰С) 

     Особенности легирования ИС

     Легирование Mo широко используют для замены W в след соотношениях:

1.1%Mo к 2%W по массе в сталях с основной карбидной фазой Ме23С6

2. 1%Mo к 1,5%W в сталях с осн карб фазой Ме6С

3. 1%Mo по массе к 1 или 1,5%W в сталях с карбидами Ме₂₃ или МеС₆ в зависимости …, в сплавах с и интерметаллидами замена W Mo-ном осуществляется из соотношения 1%mo к 1…1,5%W в зависимости от соотношения между этими фазами. Вместе с тем, введение Mo, в т.ч. и вместо W, ↑ вязкость быстрореж и штамповых сталей, т.к. ↓ склонность карбидов к выделениям по границам зёрен во время отпуска. Кроме того, легирование Mo-ном от ,4 до ,7% заметно ↑ прокаливаемость сталей, т.к. Mo, в отличие от др л.э. в ИС, расширяет область существования переохлаждённого аустенита как в верхнем, так и в нижнем Т интервале превращения. Однако, при ↑ %Mo ↑ склонность стали к обезуглероживанию. Легирование V сталей для реж и штамповых инструментов, упрочняемых дисперсионным твердением, ↑ их теплостойкость, при этом наибольший эффект достигается в случае мах растворимости V в основных карбидных фазах этих сталей, т.е. Ме₆С и Ме₂₃С₆ у быстрореж и штамповых сталей соответственно. Растворимость этих карбидов в аустените при закалке больше, чем карбидов V типа МеС. Поэтому концентрация V в аустените и, соответственно, в М, оказывается максимальной, а теплостойкость повышена, благодаря выделению при отпуске упрочняющих фаз типа Ме₆С и Ме₂₃С₆ , легированных V, и поэтому особенно устойчивых против коагуляции. Вместе с тем, шлифуемость таких сталей удовлетворительна, т.к. в структуре присутствует min количество карбидов V, твёрдость которых равна или выше твёрдость корундовых шлифовальных кругов, которые наиб часто используют для заточки и шлифования инструментов.

      Указанные особенности легирования реализованы  в быстрорежущих сталях типа Р12, Р6М5, Р12Ф3 и т.д., а также в штамп 5Х3В3МФС, 4Х5МФ1С и многих других. В сталях с повышенной концентрацией V, заметно превышающей его растворимость в карбидах Ме₆С и Ме₂₃С₆, образуется увеличенное количество карбида V типа МеС. Это ↑ износостойкость стали, но резко ↓ шлифуемость инструментов из этих сталей, напр стали Х12Ф4, Р9 и Р10К5Ф5. В порошковых сталях или в случае применения для заточки инструментов сверхтвёрдых материалов, напр, нитрида бора, алмаза и т.д., влияние карбидов V на шлифуемость существенно ↓. В сталях с невысокой концентрацией др сильных карбидообразующих элементов введение V в колве ,2…,4% приводит к образованию в структуре небольшого количества мелких карбидов МеС. 9ХФ, 11ХФ и др.. Это обеспечивает мелкозернистую структуру после закалки, что, в свою очередь, ↑ вязкость. Кроме того, легирование V этих сталей ↓ склонность к росту зерна в аустените и расширяет интервал Т при закалке.

      Легирование Co, т.е. некарбидообразующим элементом, ↑ хим активность С, W и Mo в феррите. Это проявляется в уменьшении растворимости Mo и W в феррите, ↑ количества дисперсных карбидов, выделяющихся при отпуске, вследствие чего ↑ НВ и теплостойкость быстрорежущих и штамповых сталей. Легирование Co расширяет область существования γ в высоколег и низкоуглеродистых штамповых сталях, выклинивая область дельта-феррита. Поэтому введение Co позволяет дополнительно повысить Т фазовых превращений при снижении концентрации С и тем самым увеличить предельные Тнагрева . Вместе с тем, стали, легированные Co в колве более 4%, склонны к обезуглероживанию. 

     Легирование Si более 1% многих нетеплостойких и теплостойких сталей обеспечивает:

1. ↑ теплостойкости сталей, упрочняемых М превращением

2.↑ прокаливаемости нетеплостойких сталей в присутствии Cr и особенно Cr и Mn, а также ↑ прокаливаемости теплост штамповых сталей с содержанием Cr до 6%

3. улучшение  распределения избыточных карбидов  и ↓ их размеров. Прежде всего, это необходимо для инструментов с тонкой режущей кромкой (метчиков), у кот режущие поверхности расположены в центре проката, т.е. там, где карбидная неоднородность выражена наиб сильно.

4. увеличенное  сопротивление стали пластической  деформации при сжатии, особенно  ↑ сопротивление малым пластическим деформациям. (считается, что Si ↑ модуль упругости) 

      Указанные особенности влияния Si реализованы:

1. В  нетеплост сталях для штамповых  инструментов с ТВ 58…65 HRC : ХВС, ХВСГ

2. Во  всех сталях для ударных инструментов: 6ХС, 6Х3С, 5ХВ2С и др  и в сталях  для холодного выдавливания и  прессования, в первую очередь,  из-за увеличения сопротивления  пласт деформации

3. В  теплост сталях типа 5Х3В3МФС, 4Х4ВМФС, 4Х5МФС и др 

     ТО  ИС. Структура и  свойства.

      Основными операциями ТО ИС явл отжиг, закалка  и отпуск. 

      Отжиг

      Целью отжига ИС явл:

     1. Обеспечить хорошую обрабатываемость  резанием и холл пласт деформацией

     2. Исправить структуру стали после  предшествующей обработки: