Файл: Учебное пособие Пермь, 2011 удк 621. 791 Рецензенты др техн наук, проф. Ю. Д. Щицын.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.05.2024
Просмотров: 120
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
высокая красностойкость, т.е. способность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве.
К инструментальным сталям относятся углеродистые стали, содержащие 0,7…1,2 % С и малолегированные, содержащие 1…1,5 % легирующих элементов.
Из сталей У7, 7ХФ изготавливают инструмент по дереву и ударный инструмент (пилы, зубила, долота, кузнечные штампы и т.д.), из сталей У8, 8ХФ матрицы, пуансоны, керны, ножи. При увеличении содержания углерода увеличивается не только твердость стали, но и износостойкость. Из сталей У9, У10, В1 делают сверла, метчики, развертки, фрезы. Из стали У13, имеющей максимальную износоустойчивость в этой группе сталей, изготавливают напильники, металлорежущий и граверный инструмент. Особо следует выделить сталь ХВ5, называемую «алмазной». Эта сталь благодаря присутствию вольфрама имеет мелкодисперсную избыточную карбидную фазу, значительно повышающую ее твердость. После закалки в воде твердость достигает 69…70 HRC. Из этой стали делают инструмент, от которого требуется длительное сохранение острой режущей кромки.
Легированные инструментальные стали, содержащие до 5 % легирующих элементов закаливают в масле, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин.
Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ) уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.
Из сталей этой группы изготавливают различные инструменты от ударного до режущего. Стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ используют для изготовления инструментов крупного сечения: сверл, разверток, протяжек диаметром 60…80 мм.
Красностойкость инструментов, как правило, не превышает 300 С, поэтому эти стали не используют для обработки с большими скоростями резания.
Быстрорежущие стали широко используют для изготовления режущего инструмента, обладающего большой твердостью и работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь относится к карбидному (ледебуритному) классу сталей. В их состав входят карбидообразующие элементы хром, вольфрам, ванадий, кобальт, молибден.
Высокие режущие свойства инструментов, изготовленных из быстрорежущих сталей марок Р6, Р9, Р12, Р18 связаны с высокой теплостойкостью этих сталей до 600…620 С. Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 2…4 раза и стойкость инструментов в 10…30 раз по сравнению с теми же характеристиками инструментов из стали с низкой теплостойкостью. Твердость стали Р18 после закалки 62…63 HRC, а после отпуска она увеличивается до 63…65 HRC.
Основными легирующими элементами во всех марках являются вольфрам и хром. Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повышает красностойкость, но ухудшает механические свойства. Наиболее распространенными марками быстрорежущих сталей являются Р18 и Р9.
Однако вольфрам является дефицитным элементом, поэтому часто заменяется менее дефицитным молибденом. В настоящее время около 80 % от общего производства быстрорежущих сталей приходится на сталь Р6М5. Стали с молибденом идут на изготовление сверл, фрез, метчиков и плашек, разверток и зенкеров.
6.3.3. Инструментальные твердые сплавы
Сопоставление красностойкости различных инструментальных материалов показывает, что наибольшей красностойкостью (до 800…1000 С) обладают твердые сплавы (их твердость достигает 90 НRА).
В состав твердых сплавов входят дорогостоящие и дефицитные элементы, из них делают только рабочую часть инструментов, оправку изготавливают из инструментальной стали. Литые сплавы наплавляют, а металлокерамические припаивают на рабочую поверхность инструмента.
Металлокерамические сплавы получают методами порошковой металлургии. В их состав входят карбиды вольфрама и титана. Связующим является кобальт.
Недостатком твердых сплавов является большая хрупкость, что ограничивает их применение.
6.3.4. Штамповые стали
Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валики и т.д.) изготавливают из штамповых сталей. Так как металлы можно подвергать деформации в холодном, а также в горячем состояниях (до 900…1200 С), то различают стали для штампов холодного деформирования и стали для штампов горячего деформирования. Стали для штампов холодного деформирования. Стали для изготовления инструментов этой группы должны обладать высокой износостойкостью (высокой поверхностной твердостью), прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением деформации.
Для изготовления штампов небольших размеров (диаметром до 25 мм) используют углеродистую инструментальную сталь марок У10, У11, У12. После закалки и низкого отпуска инструмент из этих сталей будет обладать нужным комплексом свойств.
Широко используют легированные стали марок Х, Х9, ХГ, 9ХС, Х12М, Х6ВФ (фильеры, плашки и др.). Для повышения износостойкости инструмента после его термической обработки применяют иногда
цианирование или хромирование рабочей поверхности. Для штампов, работающих в условиях износа и давления, применяют легированные стали глубокой прокаливаемости, например Х12, Х12Ф, ХГ3СВ и т.д.
Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то для его изготовления используют стали, обладающие большой вязкостью (стали 4ХС4, 4ХВС, 5ХНМ, 5ХГМ и т.д.). Это достигается уменьшением содержания углерода, введением легирующих элементов, увеличивающих прокаливаемость, и соответствующей термической обработкой закалка с высоким отпуском (480…580 С). Окончательная твердость 38…45 НRC.
Стали для штампов горячего деформирования. Штампы для горячего деформирования работают в более сложных условиях. Поэтому, кроме перечисленных свойств, стали для таких штампов должны обладать жаропрочностью, красностойкостью, термостойкостью. Они должны быть также минимально чувствительными к отпускной хрупкости, так как в процессе эксплуатации может неоднократно происходить нагрев штампов до высоких температур. Кроме того, эти стали должны обладать и хорошей теплопроводностью, чтобы тепло быстро отводилось от рабочей поверхности, и т.д.
Если штампы испытывают большие ударные нагрузки (например, ковочные штампы), то для их изготовления используют стали, содержащие 0,5…0,6 % С, легированные элементами, увеличивающими прокаливаемость и вязкость (хром, никель, марганец). Для уменьшения склонности к отпускной хрупкости II рода вводят молибден или вольфрам. Это стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХНСВ и т.д.
Закалку осуществляют с 760…820 С, охлаждающая среда зависит от размеров штампов. Температура отпуска составляет 460…580 С, твердость 35…45 HRC.
Инструмент для горячей протяжки, высадки и прессования нагревается в работе до более высоких температур. Для такого инструмента использую стали с повышенным содержанием вольфрама, обладающие красностойкостью до 650…670 С. Это стали марок 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4В4ФМ, 6ХВ2С и др.
6.4. Стали и сплавы с особыми свойствами
К сталям и сплавам с особыми свойствами относятся: коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие и теплоустойчивые стали и сплавы.
6.4.1. Нержавеющие стали и сплавы
Разрушение металлов и сплавов в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхность внешней агрессивной среды называется
коррозией.
Коррозия, как правило, сопровождается образованием на поверхности металла продуктов коррозионного разрушения. Так, например, на поверхности железных сплавов в результате коррозии образуется ржавчина, имеющая бурый цвет.
Сталь, стойкую против атмосферной коррозии, называют нержавеющей. Сталь или сплав, имеющие высокую стойкость при коррозионном воздействии кислот, солей, щелочей и других агрессивных сред, называют кислотостойкими.
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали обладают высокой стойкостью против коррозии в агрессивных средах (влажная атмосфера, морская вода, кислоты, растворы солей, щелочей и др.).
Углеродистые и низколегированные стали неустойчивы против коррозии. Для повышения антикоррозионных свойств в сталь добавляют хром (12…27 %), а в некоторых случаях и никель (2,8…11 %). Наибольшую коррозионную стойкость сталь приобретает после соответствующей термической обработки.
6.4.2. Хромистые нержавеющие стали
Коррозионная стойкость хромистых нержавеющих сталей объясняется образованием на поверхности защитной плотной пассивной пленки окисла Cr2O3. Такая пленка образуется только при содержании хрома более 12 % (ат.).
Стали 08Х13 и 12Х13 обладают повышенной пластичностью и их используют для изготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам (турбинные лопатки, арматура крекинг-установок, предметы домашнего обихода и т.д.).
Из сталей 30Х13 и 40Х13 после термической обработки делают измерительный и медицинский инструменты, пружины и другие коррозионностойкие детали, от которых требуется высокая твердость или прочность.
Стали, содержащие 17 и 25…28 % Cr, обладают более высокой коррозионной стойкостью. Их применяют для изготовления аппаратуры, работающей в таких агрессивных средах, как дымящаяся азотная кислота, фосфорная кислота, делают коррозионностойкую аппаратуру химической и пищевой промышленности. Из стали 12Х17 изготавливают теплообменники для горячих нитрозных газов, трубопроводы и баки для кислот и т.д.
Для изготовления шарикоподшипников, работающих в агрессивных средах, используют сталь 95Х18 (0,9…1,0 % С, 17…19 % Cr).
6.4.3. Хромоникелевые нержавеющие стали
Никель относится к числу металлов
, легко приобретающих пассивность, хотя его пассивирующая способность меньше хрома и молибдена. Добавление никеля к железу в количестве 1/8 моля улучшает коррозионную стойкость сплава в серной кислоте. При концентрации никеля 2/8 моля коррозионная стойкость повышается еще больше.
Хромоникелевые стали в зависимости от состава и структуры подразделяются на стали аустенитного, аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов.
Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионные свойства нержавеющих сталей.
Хромоникелевые нержавеющие стали, имеющие аустенитную структуру, 04Х18Н10, 12Х18Н9Т и др., обладают более высокой коррозионной стойкостью, лучшими технологическими свойствами по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, в частности лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур и в то же время аустенитные стали не теряют пластичности при низких температурах. Но так же, как и хромистые, хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом, повышающим потенциал железа, также является хром, поэтому его содержание должно быть > 13 %. Никель только дополнительно повышает коррозионную стойкость сталей.
Большинство хромоникелевых нержавеющих сталей относится к аустенитному классу: 04Х18Н10, 12Х18Н9Т и др. Эти стали пластичны, хорошо свариваются, обладают повышенной жаропрочностью, коррозионностойки во многих средах, имеющих среднюю активность. Сталь 12Х18Н10Т наиболее дешевая и поэтому чаще употребляемая.
Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с 1050…1100 С в воде. При этом получают В 500600 МПа (50…60 кгс/мм2) и = 3545 %. Эти стали упрочняют холодной пластической деформацией.
Дополнительное легирование хромоникелевых сталей молибденом и медью повышает их коррозионную стойкость и кислотостойкость. Иногда в эти стали вводят в небольших количествах титан и алюминий, которые, образуя дисперсные интерметаллиды типа N3(Ti, Al), упрочняют аустенит.
Аустенитно-мартенситные стали (стали переходного класса) имеют бóьшую склонность к коррозии по сравнению с аустенитными сталями, но превосходят их по прочности [В = 12001300 МПа (120…130 кгс/мм2)]. К сталям переходного класса относятся стали 09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю, 08Х17Н5М3.
К инструментальным сталям относятся углеродистые стали, содержащие 0,7…1,2 % С и малолегированные, содержащие 1…1,5 % легирующих элементов.
Из сталей У7, 7ХФ изготавливают инструмент по дереву и ударный инструмент (пилы, зубила, долота, кузнечные штампы и т.д.), из сталей У8, 8ХФ матрицы, пуансоны, керны, ножи. При увеличении содержания углерода увеличивается не только твердость стали, но и износостойкость. Из сталей У9, У10, В1 делают сверла, метчики, развертки, фрезы. Из стали У13, имеющей максимальную износоустойчивость в этой группе сталей, изготавливают напильники, металлорежущий и граверный инструмент. Особо следует выделить сталь ХВ5, называемую «алмазной». Эта сталь благодаря присутствию вольфрама имеет мелкодисперсную избыточную карбидную фазу, значительно повышающую ее твердость. После закалки в воде твердость достигает 69…70 HRC. Из этой стали делают инструмент, от которого требуется длительное сохранение острой режущей кромки.
Легированные инструментальные стали, содержащие до 5 % легирующих элементов закаливают в масле, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин.
Повышенное содержание марганца (ХВГ, 9ХВСГ) уменьшает деформацию инструмента при его закалке. Легирование хромом увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.
Из сталей этой группы изготавливают различные инструменты от ударного до режущего. Стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ используют для изготовления инструментов крупного сечения: сверл, разверток, протяжек диаметром 60…80 мм.
Красностойкость инструментов, как правило, не превышает 300 С, поэтому эти стали не используют для обработки с большими скоростями резания.
Быстрорежущие стали широко используют для изготовления режущего инструмента, обладающего большой твердостью и работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь относится к карбидному (ледебуритному) классу сталей. В их состав входят карбидообразующие элементы хром, вольфрам, ванадий, кобальт, молибден.
Высокие режущие свойства инструментов, изготовленных из быстрорежущих сталей марок Р6, Р9, Р12, Р18 связаны с высокой теплостойкостью этих сталей до 600…620 С. Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 2…4 раза и стойкость инструментов в 10…30 раз по сравнению с теми же характеристиками инструментов из стали с низкой теплостойкостью. Твердость стали Р18 после закалки 62…63 HRC, а после отпуска она увеличивается до 63…65 HRC.
Основными легирующими элементами во всех марках являются вольфрам и хром. Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повышает красностойкость, но ухудшает механические свойства. Наиболее распространенными марками быстрорежущих сталей являются Р18 и Р9.
Однако вольфрам является дефицитным элементом, поэтому часто заменяется менее дефицитным молибденом. В настоящее время около 80 % от общего производства быстрорежущих сталей приходится на сталь Р6М5. Стали с молибденом идут на изготовление сверл, фрез, метчиков и плашек, разверток и зенкеров.
6.3.3. Инструментальные твердые сплавы
Сопоставление красностойкости различных инструментальных материалов показывает, что наибольшей красностойкостью (до 800…1000 С) обладают твердые сплавы (их твердость достигает 90 НRА).
В состав твердых сплавов входят дорогостоящие и дефицитные элементы, из них делают только рабочую часть инструментов, оправку изготавливают из инструментальной стали. Литые сплавы наплавляют, а металлокерамические припаивают на рабочую поверхность инструмента.
Металлокерамические сплавы получают методами порошковой металлургии. В их состав входят карбиды вольфрама и титана. Связующим является кобальт.
Недостатком твердых сплавов является большая хрупкость, что ограничивает их применение.
6.3.4. Штамповые стали
Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валики и т.д.) изготавливают из штамповых сталей. Так как металлы можно подвергать деформации в холодном, а также в горячем состояниях (до 900…1200 С), то различают стали для штампов холодного деформирования и стали для штампов горячего деформирования. Стали для штампов холодного деформирования. Стали для изготовления инструментов этой группы должны обладать высокой износостойкостью (высокой поверхностной твердостью), прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением деформации.
Для изготовления штампов небольших размеров (диаметром до 25 мм) используют углеродистую инструментальную сталь марок У10, У11, У12. После закалки и низкого отпуска инструмент из этих сталей будет обладать нужным комплексом свойств.
Широко используют легированные стали марок Х, Х9, ХГ, 9ХС, Х12М, Х6ВФ (фильеры, плашки и др.). Для повышения износостойкости инструмента после его термической обработки применяют иногда
цианирование или хромирование рабочей поверхности. Для штампов, работающих в условиях износа и давления, применяют легированные стали глубокой прокаливаемости, например Х12, Х12Ф, ХГ3СВ и т.д.
Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то для его изготовления используют стали, обладающие большой вязкостью (стали 4ХС4, 4ХВС, 5ХНМ, 5ХГМ и т.д.). Это достигается уменьшением содержания углерода, введением легирующих элементов, увеличивающих прокаливаемость, и соответствующей термической обработкой закалка с высоким отпуском (480…580 С). Окончательная твердость 38…45 НRC.
Стали для штампов горячего деформирования. Штампы для горячего деформирования работают в более сложных условиях. Поэтому, кроме перечисленных свойств, стали для таких штампов должны обладать жаропрочностью, красностойкостью, термостойкостью. Они должны быть также минимально чувствительными к отпускной хрупкости, так как в процессе эксплуатации может неоднократно происходить нагрев штампов до высоких температур. Кроме того, эти стали должны обладать и хорошей теплопроводностью, чтобы тепло быстро отводилось от рабочей поверхности, и т.д.
Если штампы испытывают большие ударные нагрузки (например, ковочные штампы), то для их изготовления используют стали, содержащие 0,5…0,6 % С, легированные элементами, увеличивающими прокаливаемость и вязкость (хром, никель, марганец). Для уменьшения склонности к отпускной хрупкости II рода вводят молибден или вольфрам. Это стали 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХНСВ и т.д.
Закалку осуществляют с 760…820 С, охлаждающая среда зависит от размеров штампов. Температура отпуска составляет 460…580 С, твердость 35…45 HRC.
Инструмент для горячей протяжки, высадки и прессования нагревается в работе до более высоких температур. Для такого инструмента использую стали с повышенным содержанием вольфрама, обладающие красностойкостью до 650…670 С. Это стали марок 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4В4ФМ, 6ХВ2С и др.
6.4. Стали и сплавы с особыми свойствами
К сталям и сплавам с особыми свойствами относятся: коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие и теплоустойчивые стали и сплавы.
6.4.1. Нержавеющие стали и сплавы
Разрушение металлов и сплавов в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхность внешней агрессивной среды называется
коррозией.
Коррозия, как правило, сопровождается образованием на поверхности металла продуктов коррозионного разрушения. Так, например, на поверхности железных сплавов в результате коррозии образуется ржавчина, имеющая бурый цвет.
Сталь, стойкую против атмосферной коррозии, называют нержавеющей. Сталь или сплав, имеющие высокую стойкость при коррозионном воздействии кислот, солей, щелочей и других агрессивных сред, называют кислотостойкими.
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали обладают высокой стойкостью против коррозии в агрессивных средах (влажная атмосфера, морская вода, кислоты, растворы солей, щелочей и др.).
Углеродистые и низколегированные стали неустойчивы против коррозии. Для повышения антикоррозионных свойств в сталь добавляют хром (12…27 %), а в некоторых случаях и никель (2,8…11 %). Наибольшую коррозионную стойкость сталь приобретает после соответствующей термической обработки.
6.4.2. Хромистые нержавеющие стали
Коррозионная стойкость хромистых нержавеющих сталей объясняется образованием на поверхности защитной плотной пассивной пленки окисла Cr2O3. Такая пленка образуется только при содержании хрома более 12 % (ат.).
Стали 08Х13 и 12Х13 обладают повышенной пластичностью и их используют для изготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам (турбинные лопатки, арматура крекинг-установок, предметы домашнего обихода и т.д.).
Из сталей 30Х13 и 40Х13 после термической обработки делают измерительный и медицинский инструменты, пружины и другие коррозионностойкие детали, от которых требуется высокая твердость или прочность.
Стали, содержащие 17 и 25…28 % Cr, обладают более высокой коррозионной стойкостью. Их применяют для изготовления аппаратуры, работающей в таких агрессивных средах, как дымящаяся азотная кислота, фосфорная кислота, делают коррозионностойкую аппаратуру химической и пищевой промышленности. Из стали 12Х17 изготавливают теплообменники для горячих нитрозных газов, трубопроводы и баки для кислот и т.д.
Для изготовления шарикоподшипников, работающих в агрессивных средах, используют сталь 95Х18 (0,9…1,0 % С, 17…19 % Cr).
6.4.3. Хромоникелевые нержавеющие стали
Никель относится к числу металлов
, легко приобретающих пассивность, хотя его пассивирующая способность меньше хрома и молибдена. Добавление никеля к железу в количестве 1/8 моля улучшает коррозионную стойкость сплава в серной кислоте. При концентрации никеля 2/8 моля коррозионная стойкость повышается еще больше.
Хромоникелевые стали в зависимости от состава и структуры подразделяются на стали аустенитного, аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов.
Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионные свойства нержавеющих сталей.
Хромоникелевые нержавеющие стали, имеющие аустенитную структуру, 04Х18Н10, 12Х18Н9Т и др., обладают более высокой коррозионной стойкостью, лучшими технологическими свойствами по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, в частности лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур и в то же время аустенитные стали не теряют пластичности при низких температурах. Но так же, как и хромистые, хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом, повышающим потенциал железа, также является хром, поэтому его содержание должно быть > 13 %. Никель только дополнительно повышает коррозионную стойкость сталей.
Большинство хромоникелевых нержавеющих сталей относится к аустенитному классу: 04Х18Н10, 12Х18Н9Т и др. Эти стали пластичны, хорошо свариваются, обладают повышенной жаропрочностью, коррозионностойки во многих средах, имеющих среднюю активность. Сталь 12Х18Н10Т наиболее дешевая и поэтому чаще употребляемая.
Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с 1050…1100 С в воде. При этом получают В 500600 МПа (50…60 кгс/мм2) и = 3545 %. Эти стали упрочняют холодной пластической деформацией.
Дополнительное легирование хромоникелевых сталей молибденом и медью повышает их коррозионную стойкость и кислотостойкость. Иногда в эти стали вводят в небольших количествах титан и алюминий, которые, образуя дисперсные интерметаллиды типа N3(Ti, Al), упрочняют аустенит.
Аустенитно-мартенситные стали (стали переходного класса) имеют бóьшую склонность к коррозии по сравнению с аустенитными сталями, но превосходят их по прочности [В = 12001300 МПа (120…130 кгс/мм2)]. К сталям переходного класса относятся стали 09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю, 08Х17Н5М3.