Лабораторная работа 9. Термическая обработка инструментов из быстрорежущих сталей
Цель работы – экспериментально установить влияние температуры закалки и отпуск на превращения, структуру и свойства быстрорежущей стали Р6М5 и выбрать режим термической обработки режущих инструментов из этой стали.
Быстрорежущие стали являются наряду с твёрдыми сплавами основными материалами в производстве металлорежущих инструментов.
Режущие поверхности этих инструментов подвергаются в процессе их эксплуатации большому давлению и нагреву до высоких температур. Поэтому главными требованиями к свойствам быстрорежущих сталей являются:
1. Высокая твёрдость (62…65HRC), которая обеспечивает большое сопротивление пластическому деформированию, смятию лезвия инструмента, а также их износу.
2. Высокая теплостойкость. Теплостойкость – это свойство инструментальной стали сохранять достаточно большую твёрдость до температур нагрева режущих поверхностей инструмента в процессе резания. Чем больше теплостойкость, тем выше допустимая скорость резания. За количественную меру теплостойкости принимают температуру дополнительного (после стандартной термической обработки) 4-часового отпуска, после которого сталь сохраняет твёрдость не менее 58HRC. Теплостойкость стали Р6М5 составляет 620°С. Указанный уровень теплостойкости позволяет вести обработку отожжённых конструкционных сталей (например, стали 45) со скоростью резания до 40…60м/мин. Все другие углеродистые и легированные инструментальные стали (например, У12 или ХВГ) имеют невысокую теплостойкость – 220°…230°С. По этой причине допустимая скорость резания инструментами из этих сталей не превышает нескольких метров за минуту.
3. Большие предел прочности при изгибе (σизг.) и ударная вязкость (KC). Предел прочности при изгибе быстрорежущих сталей достигает 3000…3500МПа, а ударная вязкость 0,25…0,35МДж/м2. Это обеспечивает большие допустимые значения подачи и глубины резания, в особенности при прерывистом резании.
Таким образом, наиболее важными свойствами быстрорежущих сталей, равно как и всех других инструментальных материалов для режущих инструментов, по уровню которых судят об их качестве, являются: твёрдость, теплостойкость, предел прочности при изгибе и ударная вязкость.
Оптимальное сочетание этих свойств определяет наиболее важный показатель процесса обработки резанием, а именно: производительность.
Свойства быстрорежущих сталей определяются:
1) химическим составом стали;
2) технологией производства и термической обработкой заготовок и инструментов из этой стали;
3) структурой стали.
Наиболее распространённой быстрорежущей сталью является сталь Р6М5 (М2 по американскому и DMo5 по германскому стандартам). Химический состав стали Р6М5 указан в таблице:
| Марка стали | Среднее содержание компонентов, % масс. | |||||
| C | W | Мо | Cr | V | Fe | |
| Р6М5 | 0,85 | 6,0 | 5,0 | 4,0 | 2,0 | остальное |
Особенности химического состава стали Р6М5:
1. Все легирующие компоненты стали являются сильными карбидообразующими компонентами, т.к. расположены в Периодической системе Д.И. Менделеева слева от железа и особенно далеко от него ванадий, вольфрам и молибден. Это означает, что их карбиды имеют большую твёрдость (значительно большую, чем цементит) и высокую устойчивость против растворения в аустените при нагреве инструментов до температур закалки.
2. В структуре стали отсутствует карбид железа, т.к. железо менее сильный карбидообразующий компонент, чем легирующие компоненты стали Р6М5. Поэтому весь углерод отожженной стали связан в карбиды легирующих компонентов.
3. В литой быстрорежущей стали присутствует ледебурит – структура, характерная для белого чугуна.
Таким образом, благодаря особенностям легирования «сталь» Р6М5 в действительности представляет собой доэвтектический белый чугун. Структура этого чугуна состоит, как известно, из ледебурита (П + Кл), перлита (Ф + Кп) и карбидов вторичных (КII).
В процессе горячего пластического деформирования (прокатки, ковки) слитка сетка ледебурита раздробляется на отдельные карбидные частицы, т.е. исчезает как таковая, и сплав Р6М5 трансформируется в сталь.
Структура стали Р6М5 после горячего пластического деформирования и отжига состоит из перлита и карбидов (К), а фазовый состав – из феррита и карбидов (Кл, КII, Кп).
Весовое количество карбидов составляет ~20%, а карбидов ледебурита (Кл) половину из них, т.е. ~10%.
Практически все легирующие компоненты отожженной быстрорежущей стали и углерод связаны между собой в карбиды легирующих компонентов, тогда как в её металлической основе, т.е. в феррите, они отсутствуют.