Тема 11 Інструментальні сталі і сплави
З інструментальної сталі виготовляють різальні, вимірювальні, штампові та спеціальні інструменти. За хімічним складом інструментальну сталь поділяють на вуглецеву та леговану. Інструментальною вуглецевою сталлю звичайно називають сталь, яка містить 0,65...1,35 % вуглецю. Вуглецеву сталь з більшим вмістом вуглецю не застосовують, бо вона надмірно крихка.
Вуглецеву інструментальну сталь виплавляють в мартенівських і електричних печах. Ці сталі поділяють на якісні та високоякісні. Якісні сталі маркірують літерою У з цифрами 7...13. Літера вказує на те, що сталь вуглецева інструментальна, а цифра визначає вміст у ній вуглецю в десятих частках відсотка.
Маркірування високоякісної вуглецевої інструментальної сталі містить літеру А, наприклад У7А. У високоякісній сталі порівняно з якісною менше мангану та шкідливих домішок (сірки до 0,02 %, фосфору до 0,03 %). Літера Г в марках (У8Г, У8ГА та ін.) вказує на підвищений вміст мангану в сталі.
Недоліком вуглецевих інструментальних статей є те, що у них високий коефіцієнт теплового розширення, низька корозійна стійкість в агресивних середовищах і за високих температур, знижені властивості міцності за підвищених температур та чутливість до перегрівання. Тому інструменти з цих сталей застосовують для різання з невеликими швидкостями. Особливо погано такі інструменти працюють при високій температурі, коли знижується їх стійкість і твердість.
У легованих сталей (табл. 4.1) цифри в марці сталі означають склад компонентів, що входять до неї. Перша цифра (зліва від літери) вказує на вміст вуглецю в десятих частках відсотка, якщо вміст вуглецю менше 1 %. Цифри після літери показують середній вміст легуючого елемента у відсотках.
До високоякісних інструментальних матеріалів належать швидкорізальні сталі їх застосовують для виготовлення фасонних, різьбових і відрізних різців та інших інструментів. Швидкорізальні сталі мають високу твердість, стійкість до спрацювання, червоностійкість (здібність зберігати високу твердість під час нагрівання до температури 600 °С, тобто бути стійкими до відпускання), міцність, в'язкість. На відміну від вуглецевих сталей вони мають більшу глибину прогартованості, забезпечують більш високу працездатність, витримують більші силові та теплові навантаження. У вказаних сталях: мангану не більше 0,5 %, силіцію не більше 0,5 %, нікелю - 0,4 %, азоту — 0,05...0,1 %, ніобію — 0,05...0,2 %.
Для маркірування швидкорізальної сталі прийнята літерно-цифрова система. Літерами в марках сталі позначають карбідоутворюючі та легуючі елементи, наприклад В — вольфрам, М — молібден, Ф — ванадій, А — азот, К — кобальт, цифрами, що стоять за літерами, — середній вміст елемента в відсотках. Літерою Р позначають швидкорізальну сталь, якщо вона стоїть на початку.
Швидкорізальна сталь порівняно з вуглецевими та легованими сталями має більш високу червоностійкість, опірність малим пластичним деформаціям і глибоку прогартованість, що дає змогу підвищити швидкість різання в 2,5...3 рази.
За різальними властивостями залежно від хімічного складу швидкорізальні сталі поділяють на вольфрамові, вольфрамомолібденові та вольфрамованадієві, які зберігають твердість не менше НRСе 58 до температури 620 °С; врльфрамокобальтові, вольфрамові, вольфрамомолібденові та вольфрамомолібденованадієві з кобальтом, які зберігають твердість НRСе 68...69 до температури 700...725 °С.
До вольфрамових швидкорізальних належать сталі Р18, Р12, Р9, які йдуть на виготовлення різців, фрез, мітчиків тощо. Вольфрамомолібденові сталі Р6АМ5 застосовують для виготовлення інструментів, що працюють за умов важких силових режимів. Ці сталі краще куються, ніж сталь Р18, але за стійкістю їй не поступаються.
Вольфрамованадієву сталь Р12ФЗ застосовують для виготовлення різців, фрез, розверток, інструментів для обробки середньолегованих сталей. Інструменти з такої сталі більш тверді та теплостійкі, ніж інструменти з сталі Р18. Вольфрамокобальтову сталь Р9К5 використовують для виготовлення фрез, довбачів, мітчиків, інструментів для обробки важкооброблюваних матеріалів.
Вольфрамованадієву сталь з кобальтом марки Р18К5Ф2 застосовують для виготовлення різців, свердел і фрез, що працюють за умов важких режимів різання, обробки важкооброблюваних матеріалів. Вольфрамомолібденові сталі з кобальтом марок Р6М5К5 та Р9М4К8 застосовують для виготовлення інструментів, що працюють в напівобдирних режимах. Ці сталі йдуть на виготовлення свердел, зенкерів, фрез, довбачів, інструментів, необхідних для обробки легованих сталей у важких режимах різання.
Швидкорізальні сталі мають високі інструментальні, характеристики та здатність підвищувати твердість за нагрівання до температури 500 °С. Ці сталі використовують для виготовлення інструментів, які йдуть на обробку важкооброблюваних матеріалів. Так, у випадку різання титанових сплавів стійкість інструментів із цієї сталі порівняно зі сталлю Р18 вища в ЗО...80 разів.
Швидкорізальні інструменти можна одержати литтям або порошковою металургією, тоді їх називають порошковими швидкорізальними сталями.
Термічна обробка легованих швидкорізальних сталей
Швидкорізальна сталь належить до високолегованих сталей. Термічна обробка таких сталей порівняно з вуглецевими має особливості. Так, температура, швидкість нагрівання, витримування та спосіб охолодження відрізняються від цих показників для вуглецевих сталей. Леговані та вуглецеві сталі мають різні властивості, тому режимні параметри за термічної обробки повинні підбиратися для кожної сталі. Так, залежно від складових елементів критичні точки деяких сталей вищі або нижчі в порівнянні з вуглецевими. Легуючі складові (мідь, ванадій, вольфрам, силіцій, титан) підвищують критичні точки Ас і Ас, тому температура нагрівання цієї групи сталей для відпалу, нормалізації та гартування повинна бути вищою, ніж для вуглецевих. Сталі, леговані манганом, нікелем, знижують критичні точки, тому відповідно вибирають і температуру нагрівання термічної обробки. Леговані сталі мають гіршу теплопровідність, ніж вуглецеві, тому витримування в процесі нагрівання повинно бути тривалішим. Збільшення витримування під час нагрівання легованих сталей сприяє покращанню механічних властивостей.
Швидкість охолодження легованих сталей вибирають за критичною швидкістю гартування. Звичайно швидкість охолодження легованих сталей менша, ніж вуглецевих. Наприклад, багато легованих сталей на мартенсит гартують у маслі, тому що вони мають вищу прогартованість, ніж вуглецеві, а сталі високолеговані можуть гартуватися на повітрі.
Кожен із елементів сталі надає їй певних властивостей, наприклад, вольфрам робить сталь червоностійкою, ванадій зменшує схильність сталі до перегрівання, підвищує червоностійкість і твердість, вуглець сприяє підвищенню твердості, хром знижує критичну швидкість гартування, його вміст близько 4 % робить сталь «самогартуючою» (сталі можуть гартуватися на повітрі).
Швидкорізальні сталі застосовують для виготовлення високопродуктивного різального інструменту. Основними легуючими елементами швидкорізальних сталей є вольфрам, молібден, ванадій, а також кобальт, які дають змогу зберігати різальні властивості загартованої сталі, коли під час різання інструмент нагрівається до температур 560...600 °С. Важливими елементами цієї сталі є вуглець і хром, а домішки мангану допускаються до 0,5 %, силіцію до 0,5 %, сірки та фосфору разом не більше 0, 06 %.
Швидкорізальні сталі після гартування мають структуру, яка складається з первинного мартенситу, залишкового аустеніту та надлишкових карбідів, а після відпускання одержуємо сталь, яка складається з відпущеного мартенситу та карбідів. Швидкорізальні сталі мають специфічні особливості внаслідок наявності в їх структурі великої кількості карбідів, що спричиняють крихкість, збільшують твердість і знижують теплопровідність. Звичайно це високолеговані сталі, які піддаються під час гартування нагріванню до високих температур, близьких до евтектичних, для розчинення в аустеніті повторних карбідів. Нагрівання виконують ступінчасте: до температури 800...850 °С - повільно, а від 850 до 1200...1290 °С -швидко. Охолодження виконують у масляній підігрітій ванні або на повітрі. Загартовану сталь піддають багаторазовому відпусканню (2...З рази) за температури 560 °С з витримкою до 1 год. Якщо швидкорізальну сталь обробляють холодом, то роблять одне відпускання. Інколи інструменти з швидкорізальних сталей після відпускання піддають низькотемпературному ціануванню або обробці в атмосфері водяної пари.
Тверді сплави
В сучасний промисловості для виготовлення ріжучого, бурового та штампового інструменту використовують тверді сплави. Іх виготовляють методами порошкової металургії з порошків високотвердих та тугоплавких карбідів вольфраму, титану, танталу об’єднаних металевою основою з кобальту чи нікелю.
Тверді сплави мають більшу твердість ніж швидкоріжучі сталі і більшу теплостікість, яка сягає 900...1000 °С. Теплостікість швидкоріжучих сталей 600...620 °С. Ріжучий інструмент, оснащений пластинками з твердих сплавів, працює з швидкостями різання, які в 5...8 раз перевищують швидкість при різанні інструментом з швидкоріжучою сталі.
Тверді сплави виготовляють трех груп: вольфрамові (ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, ВК10, ВК15,), титановольфрамові (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10), титанотанталовольфрамові (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8).
Розроблені тверді сплави, які не містять дефіцитного вольфраму. Вони містять TiC + Ni + Mo (сплав ТН-20) та Ti (Nc) + Ni + Mo (КНТ-16). В усіх марках цифра, що стоїть після букви К показує вміст кобальта (відсотки), після букви Т в сплавах ТК - вміст карбіду титану; в сплавах ТТК - сумарний вміст карбіду титану та карбіду танталу, вміст карбіду вольфраму - решта.
Порошкові тверді сплави
До спечених твердих сплавів належать матеріали, які складаються з високотвердих і тугоплавких карбідів вольфраму, титану, танталу, сцементованих металевих зв'язок методом порошкової металургії. Вони широко застосовуються для виготовлення різальних інструментів і деталей, які витримують високі температури нагрівання, що об'єднує їх в загальну групу червоностійких матеріалів. Інструменти, виготовлені з порошкових сплавів, за нагрівання до 1200 °С, а мінералокерамічні — до 1500 °С не втрачають твердості та різальних властивостей.
Спечені тверді сплави одержують способом порошкової металургії. Він полягає в пресуванні порошкової суміші та спіканні її за температури, яка не перевищує температуру плавлення складових тугоплавких елементів, або з частковим плавленням найменш тугоплавкого компонента суміші. Технологія виготовлення деталей з порошків включає такі процеси: приготування порошків і суміші елементів, які входять в майбутні деталі, заповнення прес-форм сумішшю, пресування та спікання суміші, калібрування або карбування в прес-формах, термічну обробку та обробку різанням. Порошкові матеріали називають спеченими твердими сплавами тому, що їх виробляють з дрібних порошків карбідів металів вольфраму, титану та інших за технологією, подібною до виготовлення деталей з кераміки. З них виготовляють пластинки для різців, фрез, свердел та розверток.
Розрізняють три групи твердих сплавів; вольфрамові (ВКЗ-М, ВК4, ВК6-ОМ, ВК8-В, ВК10-ОМ, ВК11-ВК, ВК20-КС, ВК20-К тощо), титано-вольфрамові (ТЗОК4, ГІ5К6, Т5К12) і титано-тантало-вольфрамові (Т17К12, ТТ10К8-Б, ТТ20К9). Тверді сплави містять вольфрам, титан, тантал і кобальт приблизно в такому відсотковому співвідношенні, яке вказано числом, що стоїть поряд з літерним позначенням. Наприклад, сплав ВК8 містить 92 % карбіду вольфраму та 8 % кобальту; сплав Т15К6 містить 15 % карбіду титану та 6 % кобальту, а решта 79 % становить карбід вольфраму. Твердосплавні пластинки, напаяні на різальну частину інструментів, за твердістю наближаються до алмазу та застосовуються для обробки деталей із загартованих сталевих, відбілених чавунних та інших матеріалів.
У зв'язку з дефіцитом вольфраму виробляють безвольфрамові тверді сплави — кермети, які мають одночасно жароміцність, окалиностійкість, корозійну стійкість і твердість. Кермети — це порошкові сплави металів і неметалевих матеріалів (карбідів, оксидів, нітритів тощо). Як зв'язний матеріал використовують порошки нікелю, кобальту, хрому. Кермет на алюмінієвій основі САП (80 % Аl і 20 % Аl2О3) не втрачає властивостей за температури 630 °С.
Жаростійкі та жароміцні порошкові матеріали — кермети менш крихкі, але термостійкі, бо зберігають якості кераміки. Кермети на базі ТіС застосовують для роботи за температури 1100 °С. Композиції на базі В4С можуть короткочасно витримувати температуру до 3000 °С. Застосовують кермети на основі боридів перехідних металів - бороліти та кермети на оксидній основі (композиція на основі А12О3), які мають високу окалиностійкість за температури 1500 °С і задовільну термостійкість.
Тверді сплави застосовують для обробки матеріалів різанням, оснащення гірничого бурового інструменту та безстружкової обробки металів тиском.
Великого поширення для виготовлення бурового, різального інструменту та різних деталей машин набула металокераміка. На один з таких зносокорозійностійких композиційних матеріалів на основі карбіду хрому недавно видано патент України на винахід за № 10037А МП «Металокераміка». Він має високі фізико-технічні властивості: міцність на стиск 2500 МПа, на згин 1600 МПа, ударна в'язкість 60 кДж/м2, твердість 85 НRАе, зносостійкість 2,8 %, коефіцієнт тертя 0,02, пористість спечених виробів до 5 %, робоча температура 1100 °С, корозійна стійкість перевищує в 6—8 разів відомі тверді сплави ВК. У порівнянні з іншими металокерамічними та керамічними матеріалами ця металокераміка легко оброблюється різанням і наноситься на поверхні деталей як покриття відомими методами (плазмовим, електроіскровим тощо).
Високі якості матеріалу дали можливість використовувати його для виготовлення деталей нафтових свердловинних насосів, що працюють в агресивних середовищах за високих навантажень і корозійних зносів. Такими є пара сідло-кулька насосів. Металокераміку можна застосовувати в машинобудуванні (різці, інструменти, різні деталі), автомобіле- і суднобудуванні, нафтовій, гірничій промисловості тощо.