Доклад на тему инструментальные стали

Обновлено: 30.06.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Инструментальные материалы

Инструментальные стали применяются для изготовления различного инструмента. Они классифицируются по назначению, по свойствам, по химическому составу.

По назначению стали подразделяются на стали для режущих инструментов, стали для измерительных инструментов и стали для штампов.

Стали для режущих инструментов. Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, обеспечивающей сохранение режущей кромки, достаточной прочностью и вязкостью (для инструментов ударного действия), теплостойкостью (красностойкостью). Красностойкость – это способность инструмента сохранять высокую твердость и режущие свойства при длительном нагреве. Этот комплекс свойств обеспечивается выбором стали и оптимальным режимом термообработки. При этом важное значение имеет прокаливаемость и закаливаемость стали.

По свойствам инструментальные стали квалифицируются на стали небольшой прокаливаемости, повышенной прокаливаемости и быстрорежущие стали.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали.

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,7…1,3 %С и маркируются У7, У7А…У13, У13А. Структура сталей У7 (Ф+П), У8 (П), У9-У13 (П+Ц _ІІ ). Углеродистые стали обладают высокой твердостью, прочностью, дешевы и недефицитны и хорошо обрабатываются.

Из сталей У7, У7А, У8, У8А изготавливают деревообрабатывающий инструмент, слесарный и кузнечный (кернеры, зубила, клейма) и другие изделия, подвергающиеся ударным нагрузкам. Стали марок У9-У11А идут на изготовление инструмента, не подвергающегося ударам. Из них делают сверла, фрезы, метчики, медицинский инструмент. Стали марок У12-У13А применяют для изготовления инструментов высокой твердости и износостойкости – напильники, резцы, волочильный инструмент и др.

Предварительная обработка этих сталей ( до изготовления инструмента ) – отжиг на зернистый перлит.

Окончательная термообработка – закалка в воде и низкий отпуск. После этого стали приобретают структуру – мартенсит с включениями цементита. Твердость 56-64HRC. Для углеродистых сталей характерны низкая прокаливаемость (10-12 мм) и низкая теплостойкость (до 200°С).

Легированные инструментальные стали содержат 0,9…1,4%С и легирующие карбидообразующие элементы (Cr, W, Mn, V и др.), суммарное количество которых не превышает 5%. Задача легирования – повышение твердости, прокаливаемости и теплостойкости до 300°С. Термообработка этих сталей – закалка в масле и отпуск при температуре 150…200°С. При этом обычно достигается сквозная прокаливаемость. Твердость сталей после термообработки 62…64НRC. Из них делают метчики, пилы, граверный инструмент, напильники, крупные плашки, протяжки, зенкеры и т.д.

Теплостойкие (быстрорежущие) стали предназначены для работы при высоких скоростях резания.

Рис. 5.1. Схема режимов термической обработки инструментов из быстрорежущей стали без обработки холодом (а) и с обработкой холодом (б)

Главное их достоинство – высокая теплостойкость (до 650°С). Это достигается за счет большого количества легирующих элементов – вольфрама, молибдена, ванадия, кобальта.

Окончательно формирует теплостойкость стали ее термообработка – закалка и трехкратный отпуск. Закалку проводят с высоких (1240…1290°С) температур, обеспечивающих растворение карбидов в аустените. (Fe ₂ WC, VC, WC). Инструмент нагревают в соляных ваннах ступенчато (малая теплопроводность – возможно растрескивание), и для избежания обезуглероживания поверхности (рис. 5.1).

Закаленная сталь имеет структуру М+К+А _ост и твердость HRC60…62. Остаточный аустенит А _ост ухудшает режущие свойства, поэтому закаленный инструмент подвергают отпуску (3-х кратному) при температуре 560°С с выдержкой 1 час. После термообработки сталь имеет мартенситную структуру с карбидными включениями и твердостью НRС64…65.

В настоящее время применяют обработку холодом закаленной стали –(80-100)°С до точки окончания мартенситного превращения М _к и затем однократный отпуск при 560°С в течение 1 часа. Для повышения износостойкости инструмента применяют азотирование, цианирование, а также напыление карбидов.

Стали применяют для изготовления протяжек, резцов, зенкеров, метчиков, фрез, сверл и т.д.

Стали для измерительного инструмента. Эти стали кроме высокой твердости (HRC63…64) и износостойкости должны сохранять постоянство линейных размеров и формы.

Закалку проводят с возможно низких температур (в зависимости от марки стали) в масле, иногда проводят обработку холодом с последующим, стабилизирующим низкотемпературным (120…170°С) отпуском с выдержкой 10…30 часов. Для инструмента высокого класса точности проводится многократная (2-6 раз) обработка холодом и отпуск (120…130°С).

Штамповые стали. Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы, валики и т.д.), изготавливают из штамповых сталей. Различают стали для штампов холодного деформирования и стали для штампов горячего деформирования.

Стали для штампов холодного деформирования должны обладать высокой износостойкостью, прочностью, вязкостью и сопротивлением деформации.

Для небольших штампов (до 25 мм) используют углеродистую инструментальную сталь У10,У11,У12 после закалки и низкого отпуска. Широко используют легированные стали марок Х, Х9, ХГ, Х12М, Х6ВФ. Для повышения износостойкости инструмента после термообработки применяют цианирование или хромирование рабочей поверхности.

Для штампов с ударными нагрузками используют стали с большой вязкостью: 4ХС4, 4ХВС, 5ХМН, 5ХГМ.

Стали для штампов горячего деформирования кроме вышеперечисленных свойств должны обладать жаропрочностью, теплостойкостью, термостойкостью.

Для штампов, испытывающих большие ударные нагрузки (ковочные штампы), используют стали с 0,5-0,6%С и легирующими элементами, увеличивающими прокаливаемость и вязкость: 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНТ и др.

Для инструментов, работающих при более высоких температурах, используют стали с повышенным содержанием вольфрама: 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4В4ФМ.

Инструментальные твердые сплавы. Металлокерамические сплавы значительно превосходят быстрорежущие и другие инструментальные стали по твердости (70…80HRC), износостойкости и теплостойкости (красностойкость до 800…1000°C), но уступают сталям по прочности на изгиб и являются хрупкими. Структура твердых сплавов состоит из частиц очень твёрдых и тугоплавких карбидов WC, TiC, TaC, равномерно распределенных в мягкой, вязкой и прочной эвтектике на основе кобальта. Выпускают:

однокарбидные (вольфрамовые) сплавы системы WC – Co: ВК3, ВК6, ВК8, ВК15 и другие;

двухкарбидные (титановольфрамовые) сплавы системы WC – TiC – Co: Т5К10, Т15К6, Т30К4 и другие;

трёхкарбидные (танталотитановольфрамовые) сплавы системы WC – TiC – TaC – Co: ТТ7К12, ТТ10К8.

В обозначении: В – %WC, Т с числом – % TiC, ТТ с числом – % (TiC + TaC), К с числом – %Co. Содержание WC не указывают, а находят по формуле:

% WC = 100 – % Co – % TiC [– % ( TiC + TaC )].

Металлокерамические сплавы получают методом порошковой металлургии. Они изготовляются в виде пластин, которые припаиваются к державке, изготовленной из углеродистой стали.

Минералокерамические материалы имеют твёрдость HRA91…93 и красностойкость 1000…1200°C, но хрупки. Наиболее используемы микролит и термокорунд. Микролит (ЦМ – 332) имеет корундовую основу с добавками Mg ₂ O. Зёрна корунда Al ₂ O ₃ размером менее 2 мкм соединены минеральной связкой – синтетическим стеклом. Микролит используется в волочильном производстве и для финишной обработки при точении. Прочность в 10 раз выше, чем Р18. Для улучшения режущих свойств в минералокерамику добавляют W, Mo, Ti, Ni (до 10%).

Материалы особо высокой твёрдости. Дефицит и дороговизна вольфрама привела к созданию композиций на основе карбида бора (B ₄ C), обладающих твёрдостью и износостойкостью в несколько раз выше, чем у ВК6.

Кубический нитрид бора КНБ (боразон, эльбор) – химическое соединение, где 40% бора и 50% азота, имеет твёрдость 8500…9000HV, что близко к алмазу, но красностойкость ~ 1300°C, тогда как у алмаза ~ 800°C. Основной недостаток – хрупкость. Применяется для резания и шлифования сталей высокой твердости.

Гексанит – твёрдый сплав на основе нитрида бора. Он используется для обработки закалённых сталей, в результате производительность труда повышается в 10 раз.

Алмазы как природные, так и синтетические широко используются в качестве инструментального материала. Алмаз имеет высокую твердость, но его красностойкость невелика – 700-800С.

Из алмазного порошка изготавливают алмазно-абразивный инструмент – шлифовальные круги, притиры и другие инструменты для обработки особо твердых материалов, а также алмазные круги для заточки твердосплавного инструмента.

Характеристика стали для режущего инструмента: углеродистые, легированные. Стали для измерительных инструментов и штампов холодного горячего и деформирования. Особенность твердых сплавов. Алмаз как материал для изготовления абразивных инструментов.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	07.02.2016
Размер файла	36,5 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Содержание

1. Стали для режущего инструмента

2. Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435).

3. Легированные инструментальные стали

4. Быстрорежущие стали

5. Стали для измерительных инструментов

6. Штамповые стали

7. Стали для штампов холодного деформирования.

8. Стали для штампов горячего деформирования

9. Твердые сплавы

10. Алмаз как материал для изготовления инструментов

1. Стали для режущего инструмента

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, достаточной прочностью и вязкостью (для инструментов ударного действия).

Режущие кромки могут нагреваться до температуры 500…900 o С, поэтому важным свойством является теплостойкость, т.е., способность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве (красностойкость).

2. Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435).

Содержат 0,65…1,35% углерода.

Стали У7…У13А - обладают высокой твердостью, хорошо шлифуются, дешевы и недефицитны.

Из сталей марок У7, У8А изготавливают инструмент для работы по дереву и инструмент ударного действия, когда требуется повышенная вязкость - пуансоны, зубила, штампы, молотки.

Стали марок У9…У12 обладают более высокой твердостью и износостойкостью - используются для изготовления сверл, метчиков, фрез.

Сталь У13 обладает максимальной твердостью, используется для изготовления напильников, граверного инструмента.

Для снижения твердости и создания благоприятной структуры, все инструментальные стали до изготовления инструмента подвергают отжигу.

Для заэвтектоидных сталей проводят сфероидизирующий отжиг, в результате которого цементит вторичный приобретает зернистую форму. Регулируя скорость охлаждения можно получить любой размер зерен.

Окончательная термическая обработка - закалка с последующим отпуском.

Закалку для доэвтектоидных сталей проводят полную, а для заэвтектоидных - неполную. Структура закаленных сталей или мартенсит, или мартенсит и карбиды.

Температура отпуска выбирается в зависимости от твердости, необходимой для инструмента.

Для инструментов ударного действия, требующих повышенной вязкости, из сталей У7, У8 отпуск проводят при температуре 280…300 o С, что обеспечивает твердость HRC 56…58.

Для напильников, метчиков, плашек отпуск проводят при температуре 150…200 o С, при этом обеспечивается получение максимальной твердости -- НRC 62…64.

Основными недостатками углеродистых инструментальных сталей является их невысокая прокаливаемость (5…10 мм), низкая теплостойкость (до 200 o С), то есть инструменты могут работать только при невысоких скоростях резания.

3. Легированные инструментальные стали

Содержат 0,9…1,4% углерода. В качестве легирующих элементов содержат хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний и другие. Общее содержание легирующих элементов до 5%.

Высокая твердость и износостойкость в основном определяются высоким содержанием углерода. Легирование используется для повышения закаливаемости и прокаливаемости, сохранения мелкого зерна, повышения прочности и вязкости.

Термическая обработка включает закалку и отпуск.

Проводят закалку с температуры 800…850 o С в масло или ступенчатую закалку, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин.

Отпуск проводят низкотемпературный, при температуре 150…200 o С, что обеспечивает твердость HRC 61…66. Иногда, для увеличения вязкости, температуру отпуска увеличивают до 300 o С, но при этом наблюдается снижение твердости HRC 55…60.

Для деревообрабатывающего инструмента из сталей 6ХС и 9ХФ рекомендуется изотермическая закалка, значительно улучшающая вязкость.

Повышенное содержание кремния (сталь 9ХС) способствует увеличению прокаливаемости до 40 мм и повышению устойчивости мартенсита при отпуске. Недостатками сталей, содержащих кремний, являются чувствительность их к обезуглероживанию при термообработке, плохая обрабатываемость резанием и деформированием из-за упрочнения феррита кремнием.

Повышенное содержание марганца (стали ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества остаточного аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при закалке. Это особенно важно для инструмента, имеющего большую длину при малом диаметре, например, протяжек.

Хром увеличивает прокаливаемость и твердость после закалки.

Стали используются для изготовления инструмента и ударного, и режущего.

“Алмазная” сталь ХВ5 содержит 5% вольфрама. Благодаря присутствию вольфрама, в термически обработанном состоянии имеет избыточную мелкодисперсную карбидную фазу. Твердость составляет HRC 65…67. Cталь используется для изготовления инструмента, сохраняющего длительное время острую режущую кромку и высокую размерную точность (развертки, фасонные резцы, граверный инструмент).

4. Быстрорежущие стали

Стали получили свое название за свойства. Вследствие высокой теплостойкости (550…650 o С), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания.

Стали содержат 0,7…1,5% углерода, до 18% основного легирующего элемента - вольфрама, до 5% хрома и молибдена, до 10% кобальта

Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает щлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650 o С и вторичную твердость HRC 67…70.

Микроструктура быстрорежущей стали в литом состоянии имеет эвтектическую структурную составляющую. Для получения оптимальных свойств инструментов из быстрорежущей стали необходимо по возможности устранить структурную неоднородность стали - карбидную ликвацию. Для этого слитки из быстрорежущей стали подвергаются интенсивной пластической деформации (ковке). При этом происходит дробление карбидов эвтектики и достигается более однородное распределение карбидов по сечению заготовки.

Затем проводят обжиг стали при температуре 860…900 o С. Структура отожженной быстрорежущей стали - мелкозернистый (сорбитообразный) перлит и карбиды, мелкие эвтектоидные и более крупные первичные. Количество карбидов около 25%. Сталь с такой структурой хорошо обрабатывается резанием. Подавляющее количество легирующих элементов находятся в карбидной фазе. Для получения оптимальных свойств стали в готовом инструменте необходимо при термической обработке обеспечить максимальное насыщение мартенсита легирующими элементами. При закалке быстрорежущие стали требуют нагрева до очень высоких температур, около 1280 o С. Нагрев осуществляют в хорошо раскисленных соляных ваннах BaCl_2/, что улучшает равномерность прогрева и снижает возможность обезуглероживания поверхности. Для снижения термических фазовых напряжений нагрев осуществляют ступенчато: замедляют нагрев при температурах 600…650 o С и при 850…900 o С. График режима термической обработки быстрорежущей стали представлен на рис. 1.

Охлаждение от закалочной температуры производится в масле. Структура стали после закалки состоит из легированного, очень тонкодисперсного мартенсита, значительного количества (30…40%) остаточного аустенита и карбидов вольфрама. Твердость составляет 60…62 HRC. Наличие аустенита остаточного в структуре закаленной стали ухудшает режущие свойства.

Рис. 1. График режима термической обработки быстрорежущей стали

Для максимального удаления аустенита остаточного проводят трехкратный отпуск при температуре 560 o С. При нагреве под отпуск выше 400 o С наблюдается увеличение твердости. Это объясняется тем, что из легированного остаточного аустенита выделяются легированные карбиды. Аустенит при охлаждении от температуры отпуска превращается в мартенсит отпуска, что вызывает прирост твердости. Увеличению твердости содействуют и выделившиеся при температуре отпуска мелкодисперсные карбиды легирующих элементов. Максимальная твердость достигается при температуре отпуска 560 o С.

После однократного отпуска количество аустенита остаточного снижается до 10%. Чтобы уменьшить его количество до минимума, необходим трехкратный отпуск.

Твердость стали после отпуска составляет 64…65 HRC. Структура стали после термообработки состоит из мартенсита отпуска и карбидов.

При термической обработке быстрорежущих сталей применяют обработку холодом. После закалки сталь охлаждают до температуры -- 80 … -- 100 o С, после этого проводят однократный отпуск при температуре 560 o С для снятия напряжений.

Иногда для повышения износостойкости быстрорежущих сталей применяют низкотемпературное цианирование.

Основными видами режущих инструментов из быстрорежущей стали являются резцы, сверла, долбяки, протяжки, метчики машинные, ножи для резки бумаги. Часто из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента.

5. Стали для измерительных инструментов

сплав сталь алмаз инструмент

Основными требованиями, предъявляемыми к сталям, из которых изготавливаются измерительные инструменты, являются высокая твердость и износоустойчивость, стабильность в размерах в течение длительного времени. Последнее требование обеспечивается минимальным температурным коэффициентом линейного расширения и сведением к минимуму структурных превращений во времени.

Для изготовления измерительных инструментов применяются:

· высокоуглеродистые инструментальные стали, легированные и углеродистые (стали У12, Х, Х9, ХГ), после закалки и стабилизирующего низкотемпературного (120…170 o С) отпуска в течение 10…30 ч. До отпуска желательно провести обработку холодом. Получают твердость 62…67 HRC;

· малоуглеродистые стали (сталь 15, 20) после цементации и закалки с низким отпуском;

· нитралои (сталь 38ХМЮА) после азотирования на высокую твердость

6. Штамповые стали

Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы) изготавливают из штамповых сталей.

Различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.

7. Стали для штампов холодного деформирования

Стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, вязкостью (чтобы воспринимать ударные нагрузки), сопротивлением пластическим деформациям.

Для штампов небольших размеров (до 25 мм) используют углеродистые инструментальные стали У10, У11, У12 после закалки и низкого отпуска на твердость 57…59 HRC. Это позволяет получить хорошую износостойкость и ударную вязкость.

Для более крупных изделий применяют легированные стали Х, Х9, Х6ВФ. Для повышения износостойкости инструмента после термической обработки проводят цианирование или хромирование рабочих поверхностей.

Для уменьшения брака при закалке необходимо медленное охлаждение в области температур мартенситного превращения (например, закалка из воды в масло для углеродистых сталей, ступенчатая закалка для легированных сталей).

Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то используют стали, обладающие большей вязкостью (стали 4ХС4, 5ХНМ). Это достигается снижением содержания углерода, введением легирующих элементов и соответствующей термической обработкой. После закалки проводят высокий отпуск при температуре 480…580 o С, что обеспечивает твердость 38…45 HRC.

8. Стали для штампов горячего деформирования

Дополнительно к общим требованиям, от сталей этой группы требуется устойчивость против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении, окалиностойкость, высокая теплопроводность для отвода теплоты от рабочих поверхностей штампа, высокая прокаливаемость для обеспечения высокой прочности по всему сечению инструмента.

Для изготовления молотовых штампов применяют хромоникелевые среднеуглеродистые стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХСМФ. Вольфрам и молибден добавляют для снижения склонности к отпускной хрупкости. После термической обработки, включающей закалку с температуры 760…820 o С и отпуск при 460…540 o С, сталь имеет структуру - сорбит или троостит и сорбит отпуска. Твердость 40…45 HRC.

Штампы горячего прессования работают в более тяжелых условиях. Для их изготовления применяются стали повышенной теплостойкости. Сталь 3Х2В8Ф сохраняет теплостойкость до 650 o С, но наличие карбидов вольфрама снижает вязкость. Сталь 4Х5В2ФС имеет высокую вязкость. Повышенное содержание хрома и кремния значительно увеличивает окалиностойкость стали.

9. Твердые сплавы

В качестве материалов для инструментов используются твердые сплавы, которые состоят из твердых карбидов и связующей фазы. Они изготавливаются методами порошковой металлургии.

Характерной особенностью твердых сплавов является очень высокая твердость 87…92 HRC при достаточно высокой прочности. Твердость и прочность зависят от количества связующей фазы (кобальта) и величины зерен карбидов. Чем крупнее зерна карбидов, тем выше прочность. Твердые сплавы отличаются большой износостойкостью и теплостойкостью. Основными твердыми сплавами являются группы ВК (WC + Co), TK (WC + TiC + Co), TTK (WC + TiC + TaC + Co). Наиболее распространенными сплавами группы ВК являются сплавы марок ВК3, ВК6, ВК8, ВК20, где число показывает содержание кобальта в процентах, остальное - карбиды вольфрама WC. Сплавы группы ТК марок Т30К6, Т14К8 - первое число показывает содержание карбидов титана в процентах, второе - содержание кобальта в процентах. Сплавы этой группы лучше противостоят изнашиванию, обладают большей твердостью, тепло- и жаростойкостью, стойкостью к коррозии, но меньшей теплопроводностью и большей хрупкостью. Используются на средних и высоких скоростях резания.

Сплавы с малым количеством кобальта обладают повышенной твердостью и износостойкостью, но минимальной прочностью, Поэтому их используют для чистового точения (ВК3, Т30К4).

Сплавы с повышенным содержанием кобальта используют для чернового точения (ВК8, Т14К8).

Сплав ВК20 начинают использовать для армирования штампов, что повышает их износостойкость.

Износостойкость инструментов из твердых сплавов превышает износостойкость инструментов из быстрорежущих сталей в 10…20 раз и сохраняется до температур 800…1000 o С.

10. Алмаз как материал для изготовления инструментов

80% добываемых природных алмазов и все синтетические алмазы используются в качестве инструментальных материалов.

Основное количество алмазов используется в виде алмазного порошка для изготовления алмазно-абразивного инструмента - шлифовальных кругов, притиров, хонов, надфилей и др., для обработки особо твердых металлов и горных пород. Большое значение имеют заточные круги для твердосплавного инструмента, это увеличивает производительность труда и срок службы инструмента. Повышение стойкости твердосплавного инструмента обеспечивается высокой чистотой (отсутствие зазубрин, мелких трещин) лезвия инструмента.

Алмазный инструмент изготовляется в виде алмазосодержащих кругов с бакелитовой или металлической связкой.

Также изготавливают алмазные резцы (для обработки корпусов часов), фильеры (для волочения проволоки из высокотвердых и драгоценных металлов) и др.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1990. - 446с., ил.

3. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для студентов электротехнических и электромеханических спец. ВУЗов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. - М. Высшая школа, 2004. - 518с.: ил.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.Н. Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. - 3-е изд. - М. Машиностроение, 1990. - 528с.

5. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. - 2-е изд., перер., доп. - М. МИСИС, 1996. - 576с.

6. Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. - М.: Высшая школа, 2000. - 637с.: ил.

8. Материаловедение: Учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. - 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 646с.: ил.

10. Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов в 4 ч. Под ред. Д.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г Дубенского. - Тула. Изд-во ТулГУ. - 2007.

11. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. - 5-е изд., испр. - М. Машиностроение, 2003. - 511с.: ил

Подобные документы

Виды сталей для режущего инструмента. Углеродистые, легированные, быстрорежущие, штамповые инструментальные стали. Стали для измерительных инструментов, для штампов холодного и горячего деформирования. Алмаз как материал для изготовления инструментов.

презентация [242,3 K], добавлен 14.10.2013

Обзор режимов закалки и отпуска деталей штампового инструмента горячего деформирования. Выбор стали для изготовления деталей штампов, обрабатывающих металл в горячем состоянии. Характеристика микроструктуры и свойств штампов после термической обработки.

контрольная работа [22,5 K], добавлен 18.05.2015

Выбор марки стали в соответствии с условиями работы штампа холодного деформирования. Выбор режима термической обработки (закалки, охлаждения в масле и отпуска). Влияние легирующих элементов на превращение аустенита при нагреве и охлаждении детали.

лабораторная работа [551,7 K], добавлен 13.10.2014

Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества. Механические свойства горячекатаной стали. Стали углеродистые качественные. Легированные конструкционные стали. Низколегированный сплав, среднеуглеродистая или высокоуглеродистая сталь.

презентация [27,7 M], добавлен 19.12.2014

Назначение и особенности эксплуатации инструментальных сталей и сплавов, меры по обеспечению их износостойкости. Требования к сталям для измерительного инструмента. Свойства углеродистых и штамповых сталей для деформирования в различных состояниях.

Вопрос увеличения эффективности обработки конструкционных сталей остается всегда актуальным. Исследования в этом направлении в одно время привели к появлению новых марок стальных сплавов, предназначенных исключительно для изготовления инструмента и оснастки под него. Название они получили соответствующее - инструментальные стали и сплавы. что их отличало от обычных конструкционных? Какими свойствами они обладали?

Общие сведения

Сталь, процент углерода в которой составляет более 0,7%, называют инструментальной. В основе фазовой структуры лежит мартенсит и только в некоторых случаях ледибурит.

Используется главным образом в машиностроении в качестве материала для производства инструмента по обработке черных и цветных сплавов.

Инструментальную сталь отличает ряд особенностей по сравнению с конструкционной. Среди них наиболее важными являются:

Повышенная твердость, которая составляет 60-65 единиц по шкале Роквелла.
Дополнительная прочность. Временное сопротивление на разрыв не должно быть ниже 900 МПа.
Способность сопротивляться воздействию абразивного износа.
Высокая прокаливаемость - свойство сталей термически упрочняться.
Красностойкость, которая характеризует металл с точки зрения способности сохранять свои прочностные характеристики при увеличении температурного воздействия на него.

Согласно государственным стандартам предусмотрены следующие разновидности инструментальных марок, исходя из их технологического назначения:

Рассмотрим каждый пункт теперь более подробно.

Инструментальная углеродистая сталь

Данный класс в машиностроении используется как материал для производства режущего инструмента с минимальным габаритным размером не более 13 мм. Причина этого ограничения кроется в их ограниченной прокаливаемости. Более крупные габаритные размеры возможны только если большая часть режущей кромки находится на поверхности (короткие свёрла, зенкера и прочее).

Для большинства режущего инструмента - зенковки, ножовки и фрезы - применяются стали У13, У11 и У10. В случае если стальной сплав работает в условиях сильных ударных воздействий, рекомендуется использовать марки типа У8 и У7. Они обладают большим коэффициентом ударной вязкости и, соответственно, способны выдержать большие динамические нагрузки.

Преимуществом инструментальных сталей приведенного класса является низкая цена, приемлемая податливость резанию в отожжённом состоянии и умеренная твердость. Для повышения их механических свойств применяют разного рода термообработку. Прежде всего, это закалка в соляном растворе или воде при 820 ºС плюс низкий отпуск, главное назначение которого - снятие внутренних напряжений.

Главным недостатком углеродистой инструментальной стали — это узкий диапазон температур закаливания, что усиливает внутренние деформации стали при ее термообработке. По этой причине использование данных сплавов ограничивается инструментом, работающим с низкими скоростями резания и температурами нагрева до 220 ºС.

Легированная инструментальная сталь

По сравнению с вышеописанной легированная обладает большей толщиной прокаливаемого слоя и меньшей склонностью к перегреву, что позволяет существенно снизить риск образования трещин во время термообработки инструмента. Благодаря этому минимальный габаритный размер инструмента увеличивается с 12 до 40 мм.

Низколегированные стали марок типа 11Х и 13Х рекомендуются для изготовления метчиков, ножей и напильников толщиной 1-15 мм. Особенно если указанный инструмент при этом имеет большую длину.

Стали 9ХС и ХВГС обладают повышенной красностойкостью с критической температурой 250 ºС. Они используются для сверл, плашек, гребенок и прочего инструмента диаметром до 80 мм. Недостатком их является небольшая хрупкость в отожжённом состоянии и чувствительность к образованию трещин во время шлифовки.

Также легированная инструментальная сталь отлично зарекомендовала себя в изготовлении разного рода измерительного инструмента - штангенциркули, линейки, скобы и прочее - за счет низкого значения коэффициента теплового расширения. Наиболее подходящими из них послужили стали типа Х и ХГ.

Быстрорежущая инструментальная сталь

Быстрорежущих инструментальных сталей от всех выше представленных видов инструментальных стальных сплавов отличает более высокая красностойкость. Данные сплавы не изменяют своих механических характеристик при температурном режиме до 650 ºС. Как результат, скорость резания увеличивается в 5 раза, а долговечность инструментария в 32 раз.

Этого стало возможным благодаря включению в их химический состав вольфрама или его аналога молибдена. Также на теплостойкость положительно влияет добавление в сталь таких металлов как кобальт, ванадий и хром. Наиболее востребованными марками в машино- и станкостроении являются Р18, Р12, Р6М4 и Р10К5Ф5. Из данной группы инструментальных сталей стоит отметить Р12, т.к. она обладает лучшей технологичностью: более податлива обработке давлением.

Термическая обработка данных стальных сплавов включает в себя закалку при 1250 ºС и многократный низкий отпуск при 350 ºС. Превышение указанных температур крайне нежелательно, т.к. это приводит к резкому снижению механических характеристик, в частности образования хрупкости. Иногда для улучшения коррозионностойких свойств быстрорезы дополнительно обрабатываются паром.

Штампованная сталь

Штампованная инструментальная сталь используется в производстве матриц и пуансонов штампов. Как было сказано ранее, она подразделяется на сталь холодного и горячего деформирования.

Инструментальная сталь холодной деформации работают при температуре 250-300 ºС. Сюда относят Х12М и Х12Ф1, в основе которых лежит фазовая структура ледибурит. Их отличие — это высокое значение прокаливаемости, красностойкости и твердости (64 HRC). Из них изготовляют массивные штампы сложной формы, ролики для накатывания резьбы и т.д.

Штампованные стали горячей деформации работают с более горячим металлом, температура которого может доходить до 550 ºС. Поэтому, помимо всего прочего, они должны обладать разгаростойкосью - способностью выдерживать многократные перегревы и не трескаться при этом. Наиболее востребованными марками здесь являются 5ХНМ и ХГМ.

Инструментальные стали в свое время совершили технологический прорыв в области обработки металлов. Их использование позволило повысить скорость резания почти в 5 раз. Но прогресс не стоит на месте. Сейчас они становятся все менее актуальными. Особенно на фоне новостей об усовершенствовании керамических сплавов.

В машиностроении и других областях промышленности производственная деятельность заключается в выпуске заготовок и деталей, которые получаются путем механической обработки. Современные материалы могут обладать весьма высокими показателями твердости и прочности, за счет чего усложняется их обработка. Для того чтобы обеспечить быструю и качественную механическую обработку при изготовлении режущего инструмента или их кромки используются углеродистые инструментальные стали. Их особенность заключается в высокой стойкости к механическому воздействию.

Подобные металлы также могут использоваться при выпуске ответственных деталей, к которым предъявляются высокие требования в плане прочности и твердости.

Основные характеристики

Рассматривая основные свойства инструментальной стали следует отметить нижеприведенные моменты:

Низкая чувствительность к перегреву. При механической обработке снятие слоя материала с заготовки происходит за счет оказываемого требования. Нагрев металла приводит к изменению его основных качеств. Поэтому углеродистые инструментальные качественные стали не нагреваются даже при длительном трении с другими поверхностями.
Низкая чувствительно к привариванию к обрабатываемым деталям. Из-за оказываемого давления при подаче инструмента на момент обработки заготовок зона трения может несущественно нагреваться, что становится причиной повышения пластичности некоторые материалов. Если инструментальная сталь будет привариваться при этом к поверхности возникнет дополнительное сопротивление и качество получаемой детали существенно снизиться.
Для того чтобы упростить обработку металла его делают боле восприимчивой к обработке методом резки.
Восприимчивость к прокаливанию также определяется особым химическим составом.
Высокая пластичность в горячем состоянии позволяет получать заготовки метод плавления металла.
Высокое сопротивление процессу обезуглероживания позволяет получить наилучший результат при проведении закалки или других процессом химико-термической обработки.
Во время обработки может возникать ударная нагрузка, которая в большинстве случаев становится причиной образования трещин. Высококачественная углеродистая инструментальная сталь не имеет подобного недостатка.
Износостойкость и высокая прочность, твердость поверхности.

Химический состав углеродистых инструментальных сталей

Химический состав инструментальных углеродистых сталей во многом определяют основные эксплуатационные качества металла.

Применение

Применение инструментальных углеродистых сталей во многом зависит от химического состава. Чаще всего применяется для получения:

Режущего инструмента. На протяжении многих лет для изготовления инструментов использовали обычную сталь, которая в процессе работы могла нагреваться и быстро изнашиваться. На тот момент устанавливались станки токарной и сверлильной группы, которые могли проводить обработку только при низкой скорости и невысокой подачи. Появление современного оборудования, в частности станков с ЧПУ, привело к повышению требований, предъявляемых к инструменту. Только появление инструментальной стали и твердых сплавов позволило полностью раскрыть потенциал современного оборудования. Также не стоит забывать, что для получения качественных поверхностей должна существенно увеличиваться скорость подачи, повысить производительность можно при увеличении подачи. Современные режущие инструменты могут выдерживать неоднократные циклы нагрева и охлаждения, срок эксплуатации при этом увеличивается в несколько десятков раз.
Высококачественных деталей. Примером можно назвать конструкцию ДВС, которая имеет поверхности с точными размерами и шероховатостью. Для того чтобы при эксплуатации подвижные элементы не меняли свою форму по причине нагрева их изготавливают из инструментальной стали.
Приборов, применяемых для проведения точных измерений. Для получения небольших деталей с точностью линейных размеров в несколько сотен миллиметров заготовка не должна нагреваться или деформироваться за счет оказываемого давления со стороны режущего инструмента.
Литейной прессформы, которая должна выдерживать существенное давление.

Применение углеродистых инструментальных сталей в зависимости от марки

Для изготовления деталей больше всего подходить марка У7 или У7А, для изготовления режущего и другого инструмента У10 или У12. Данная закономерность связана с тем, что для получения режущего инструмента должны использоваться более твердые металлы.

Маркировка углеродистых инструментальных сталей в данном случае указывает на процентное содержание углерода и наличие других примесей.

Свойства углеродистой инструментальной стали во многом определяются концентрацией углерода – чем больше, тем поверхность тверже, но повышается и хрупкость.

При холодном прессовании могут применяться марки У10 – У12. Проведенные тесты указывают на то, что их твердость составляет 57-59 HRC. Среди особенностей отметим:

Достаточно высокую вязкость.
Высокий уровень сопротивления деформациям пластического типа.
Повышенная износостойкость.

Если габариты инструмента большие, то могут применяться сплавы, в состав которых включаются полезные примеси.

Классификация

Принято разделять инструментальные качественные стали на 5 основных групп:

Износостойкие, теплостойкие и высокотвердые – группа, представленная быстрорежущей легированной сталью. Кроме этого в данную группу относят сплавы с ледебуритной структурой, которая характеризуется повышенной концентрацией углерода (более 3%). Применение инструментальных углеродистых сталей данной группы заключается в изготовлении инструментов, которые могут подвергаться воздействию высокой температуры из-за установки высоких скоростей резания.
Теплостойкие и вязкие стали представлены сплавом, который имеет в своем составе молибден, хром и вольфрам. Химический состав инструментальной углеродистой стали данной группы характеризуется низким значением концентрации углерода.
Нетеплостойкие, вязкие и высокотвердые стали имеют небольшое количество примесей и среднее значение углерода. Данной группе характерен невысокий показатель прокаливаемости.
Средняя теплостойкость, высокая твердость, износостойкость – качества, свойственные металлам с 2-3% углерода и 5-12% хрома.
Низкая устойчивость к теплу и высокая твердость характерны сталям с заэвтектоидной структурой. В большинстве случае они не имеют легирующих элементов или их концентрация очень мала. Высокий уровень твердости обеспечивается за счет высокой концентрации углерода.

Высококачественная инструментальная сталь может подвергаться дополнительной химико-термической обработке для изменения состава и перестроения кристаллической решетки, за счет чего и достигаются необычные эксплуатационные качества.

Изделия из углеродистой инструментальной стали

Твердость считается основным параметром, высокое значение которого не позволяет использовать сталь при изготовлении инструментов или деталей, подвергающихся во время эксплуатации ударам или вибрации. Эта рекомендация связана с тем, что при увеличении концентрации углерода повышается твердость, но вязкость уменьшается. Уменьшение вязкости становится причиной повышения хрупкости структуры, в результате воздействия ударной нагрузки могут появляться трещины и другие дефекты, поверхность откалываться.

Классификация по уровню твердости выглядит следующим образом:

Высокий показатель вязкости и пониженная твердость характерны металлам, которые в составе имеют не более 0,4-0,7% углерода.
Высокая износостойкость и твердость поверхностного слоя достигаются при насыщении структуры металла углеродом до 0,7-1,5%.

Больший показатель концентрации углерода делает металл очень хрупким, что не позволяет его использовать в качестве материала при изготовлении инструмента. Кроме этого легирующие элементы способны повысить вязкость и снизить хрупкость при условии большой концентрации углерода. В некоторых случаях проводится химическая обработка для обеспечения износостойкой поверхности и вязкого основания, за счет чего инструмент или деталь приобретает высокие эксплуатационные качества.

Маркировка

Также можно встретить маркировку инструментальных углеродистых сталей начинающуюся с цифры. Примером приведем распространенные сплавы 9Х или 6ХГВ. Первая цифра также указывает на концентрацию в составе углерода, следующие буквы на легирующие элементы. Если после буквы легирующего элемента не указывается цифра, то принято считать, что их концентрация равна 1%. Кроме этого сама маркировка может начинаться с буквенных обозначений, свойственных легирующим элементам – это указывает на то, что концентрация.

Читайте также: