Стали для режущих инструментов
Режущий инструмент изготовляют из углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей.
Л е г и р о в а н н ы е с т а л и. Химический состав некоторых легированных сталей, применяемых для изготовления режущих инструментов.
По сравнению с углеродистыми легированные стали 9ХФ, 11ХФ, 13Х имеют следующие преимущества: более равномерное распределение карбидов в структуре; меньший рост зерна при нагреве под закалку; большую прокаливаемость( возможность применения для инструмента большего сечения); большую пластичность в отожженном состоянии; возможность применения при закалке более умеренных охладителей - масла, горячих сред (меньшая деформация инструмента); более высокую прочность (при изгибе) в закаленном состоянии; более высокие режущие свойства; более постоянные и однородные свойства в разновременно обрабатываемых партиях инструмента.
Химический состав (%) некоторых легированных сталей для
режущих инструментов(ГОСТ 5950-73)
| Марка стали | Элементы | ||||
| C | Mn | Si | Cr | W, V | |
| 9ХФ | 0,80-0,90 | 0,30-0,60 | 0,15-0,35 | 0,40-0,70 | 0,15-0,30V |
| 11ХФ | 1,05-1,15 | 0,40-0,70 | 0,15-0,35 | 0,40-0,70 | 0,15-0,30V |
| 13Х | 1,25-1,40 | 0,30-0,60 | 0,15-0,35 | 0,40-0,70 | — |
| Х | 0,95-1,10 | 0,15-0,40 | 0,15-0,35 | 1,30-1,65 | — |
| 9ХС | 0,85-0,95 | 0,30-0,60 | 1,20-1,60 | 0,95-1,25 | — |
| ХВГ | 0,90-1,05 | 0,80-1,10 | 0,15-0,35 | 0,90-1,20 | 1,20-1,60W |
| ХВСГ | 0,95-1,05 | 0,60-0,90 | 0,65-1,00 | 0,60-1,10 | 0,50-0,80W 0,05-0,15V |
Назначение этих сталей следующее: 9ХФ – для круглых и ленточных пил, для ножей при холодной резке металла; 11ХФ – для метчиков и другого режущего инструмента диаметром до 30 мм, закаливаемого с охлаждением в горячих средах; 13Х – для бритвенных ножей и лезвий, острого хирургического инструмента, шаберов, гравировального инструмента.
Основной легирующий элемент в сталях Х, 9ХС, ХВГ, ХВСГ – хром. Сталь Х легирована только хромом. Повышенное содержание хрома значительно увеличивает прокаливаемость. Сталь Х прокаливается в масле насквозь в сечении до 25 мм (твердость в середине не ниже HRC60), а сталь У10 только в сечении до 5 мм. Применяют сталь Х для токарных, строгальных и долбежных резцов в лекальных и ремонтных мастерских. Сталь 9ХС кроме хрома легирована кремнием. По сравнению со сталью Х она имеет большую прокаливаемость – до 35 мм; повышенную теплостойкость – до 250-260о С (сталь Х до 200-210о С); лучшие режущие свойства более равномерное распределение карбидов. Из стали 9ХС изготовляют сверла, развертки, фрезы, метчики, плашки.
Сталь ХВГ легирована хромом, вольфрамом и марганцем. Она имеет большую прокаливаемость, чем сталь 9ХС, - до 45 мм. Являясь малодеформирующейся сталью, глубоко прокаливающейся, сталь ХВГ применяют для крупных и длинных протяжек, длинных метчиков, длинных разверток и т.п.
Сталь ХВСГ – сложно легированная сталь и по сравнению с 9ХС и ХВГ лучше закаливается и прокаливается. При охлаждении в масле она прокаливается на сквозь в сечении до 80 мм. Она меньше чувствительна к перегреву. Теплостойкость ее такая же, как у стали 9ХС. Сталь ХВСГ применяют для круглых плашек, разверсток, крупных протяжек и другого режущего инструмента.
Быстрорежущие стали. Эти стали широко применяют для изготовления разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания, в тяжелых условиях. Качество резцов, сверл и других инструментов зависит от качества быстрорежущей стали, тщательности и правильности изготовления инструмента и от его правильной термической обработки. Быстрорежущие стали являются сложнолегированными.
Быстрорежущие стали имеют высокую теплостойкость (до 620-6400 С) и износостойкость. Более высокую теплостойкость имеют стали с повышенным содержанием ванадия и кобальтовые стали.
Химический состав (%) и теплостойкость некоторых
быстрорежущих сталей (ГОСТ 19265 – 73)
| Марка стали | Элементы | Тепло стойкость 0С | ||||
| C | Cr | W | V | Mo, Co | ||
| Р18 Р12 Р6М5 | 0,7-0,8 0,8-0,9 0,80-0,88 | 3,8-4,4 3,1-3,6 3,8-4,4 | 17,0-18,5 12,0-13,0 5,5-6,5 | 1,0-1,4 1,5-1,9 1,7-2,1 | — — 5,0-5,5Мо | |
| Р14Ф4 Р6М5К5 | 1,2-1,3 0,80-0,88 | 4,0-4,6 3,8-4,3 | 13,0-14,5 6,0-7,0 | 3,4-4,1 1,7-2,2 | — 4,8-5,8Мо 4,8-5,3Со | |
| Р10К5Ф5 Р9К10 | 1,45-1,55 0,9-1,0 | 4,0-4,6 3,8-4,4 | 10,0-11,5 9,0-10,5 | 4,3-5,1 2,0-2,6 | 5,0-6,0Со 9,0-10,5Со |
Быстрорежущая сталь принадлежит к ледебуритному классу легированных сталей. В литом состоянии структура быстрорежущей стали состоит из ледебуритной эвтектики, имеющей «скелетообразный» вид, и продуктов распада аустенита. В литой быстрорежущей стали имеются три типа карбидов: первичные ( ледебуритная эвтектика), вторичные, выделившиеся при охлаждении из аустенита, и эвтектоидные, образовавшие в результате перлитного превращения.
Для разрушения неблагоприятной формы карбидов (ледебуритной эвтектики) и устранения хрупкости литую быстрорежущую сталь подвергают горячей обработке ( прокатке, ковке), а затем отжигу при температуре 830-8500С.
Твердость быстрорежущей стали после отжига НВ207-255.
Для закалки быстрорежущуюся сталь нагревают до высоких температур, например сталь Р18 до 1270 – 13000С. Процесс закалки быстрорежущей стали состоит из медленного нагрева (подогрева) до 800-8500С, выдержки при этой температуре, быстрого (окончательного) нагрева до температуры закалки, кратковременной выдержки и охлаждения (обычно в масле). При нагреве до температуры 800-8500С из исходной структуры сорбитообразного перлита с карбидами образуется структура аустенит + карбиды. Но аустенит при данной температуре содержит всего 0,2% углерода и мало лигирован, так как основная масса карбидов находится вне твердого раствора . Поэтому если быстрорежущую сталь закалить, например, с температуры 9000С , то она не будет теплостойкой и будет иметь твердость HRC 45-50.
Для увеличения легированности аустенита и количества углерода проводят окончательный нагрев до высокой температуры (закалки). Структура при 1300оС – аустенит + карбиды, т.е. такая же, как при 850оС, но в связи с тем, что при нагреве в данном температурном интервале большая часть карбидов растворяется, аустенит при 1300оС получается значительно более легированным.
При охлаждении (закалке) быстрорежущей стали аустенит распадается с образованием мартенсита, но не весь, часть его(25-30%) сохраняется в виде остаточного аустенита. Поэтому структура после закалки представляет собой мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Твердость после закалки HRC ~62. После закалки быстрорежущую сталь подвергают отпуску при температуре 550 – 570оС. При отпуске происходит выделение из мартенсита мелкрдисперсных карбидов ванадия и вольфрама( дисперсионная твердения мартенсита), а также превращения остаточного аустенита в мартенсит, в связи с чем твердость быстрорежущей стали получается более высокой (HRC~64).
Обычно отпуск быстрорежущей стали дается двух-трехкратный длительностью по 1ч. При каждом отпуске.
Иногда после закалки быстрорежущая сталь получается хрупкой с грубым зернистым изломом. Такой излом быстрорежущей стали называется «нафталинистым». Причины образования нафталинистого излома – слишком высокая температура (выше 1050 – 1100оС) конца горячей обработки с небольшой степенью деформации при последним обжатии и повторная закалка без промежуточного отжига.
Для улучшения режущих свойств и повышения стойкости инструмент из быстрорежущих сталей подвергают низкотемпературному (при 540-570оС) цианированию: жидкостному, газовому или твердому.
В результате низкотемпературного цианирования на поверхности быстрорежущей стали образуется тонкий(0,02 – 0,07 мм.) цианизированный слой, имеющий высокую твердость (HV1000 – 1100) и повышенную теплостойкость(~650оС).
Для повышения антикоррозийных свойств и некоторого улучшения режущих свойств инструмент из быстрорежущей стали можно подвергнуть обработке в атмосфере перегретого пара при температуре отпуска, т.е. при 550 – 570оС.