Изучение микроструктур углеродистых сталей в отожжённом состоянии

СТАЛИ ДЛЯ ШТАМПОВ  ГОРЯЧЕГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

 Штампы для горячего деформирования  работают в жёстких условиях  нагружения и выходят из строя  (разрушаются) вследствие пластической  деформации (смятия), хрупкого разрушения, образования сетки разгара (трещин) и износа рабочей поверхности. Поэтому стали, применяемые для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью, т. е. способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин. Кроме того, стали должны иметь высокую износостойкость и теплопроводность для лучшего отвода теплоты, передаваемой обрабатываемой заготовкой.

 Многие штампы имеют большие  размеры, поэтому сталь для  их изготовления должна обладать  высокой  прокаливаемостью. Это  обеспечивает высокие механические  свойства по всему сечению  штампа.

 Марки сталей, используемых для штампов горячего деформирования:

5ХНМ, 4Х3ВМФ, 3Х2В8Ф, 4Х5МФ1С и др.

11.

Машиностроительные или конструкционные стали, содержащие углерод до 0,85%. Эти стали в зависимости от назначения и окончательной термической обработки, применяемой к готовым деталям, в свою очередь подразделяются на цементируемые (до 0,3% С), улучшенные (03-0,5 % С) и рессорно-пружинные (0,5-0,85% С). Строительные и конструкционные стали по структуре относятся к доэвтектоидным сталям, их структура состоит из зерен феррита и перлита.

Стали конструкционные  рессорно-пружинные

14ХН4А, 38Х2Н5М, 20ХН3А.

Общее требование, предъявляемое к  рессорно-пружинным сталям, — обеспечение  высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений). Эти характеристики обеспечивают точность и надёжность работы пружин и постоянство во времени таких эксплуатационных свойств, как крутящий момент, силовые параметры. Пружинные стали в виде проволоки и ленты упрочняют холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.

Стали конструкционные  подшипниковые

Особенностью эксплуатации подшипников  являются высокие локальные нагрузки. В связи с этим к чистоте стали предъявляются чрезвычайно высокие требования, особенно по неметаллическим включениям карбидной неоднородности. Обеспечение высокой статической грузоподъёмности достигается применением в качестве материала для подшипников заэвтектоидных легированных хромом сталей, обработанных на высокую твёрдость.

Маркировка: ШХ9, ШХ15. Содержание углерода — около 1 %; Содержание хрома в  десятых долях процента (например: ШХ15 — хром — около 1.5 %)

Стали конструкционные  теплоустойчивые

К теплоустойчивым конструкционным  относятся стали, используемые в  энергетическом машиностроении для  изготовления котлов, сосудов, паронагревателей, паропроводов, а также в других отраслях промышленности для работы при повышенных температурах. Рабочие  температуры теплоустойчивых сталей достигают 600—650 °C, причём детали из них должны работать без замены длительное время (до 10000-20000 ч.).

При давлениях 6 МПа и температурах до 400 °C используются углеродистые котельные  стали (12К, 15К, 18К, 20К). Для деталей энергоблоков, работающих при давлении до 25.5 МПа и температурой до 585 °C применяются стали, легированные хромом, молибденом, ванадием. Содержание углерода 0.08-0.27 %. Термообработка этих сталей заключается в закалке или нормализации с обязательным высоким отпуском.

12.

Инструментальные стали. Это в  основном заэвтектоидные стали с  содержанием углерода до 1,3%. Структура  таких сталей состоит из зернистого перлита. Для некоторых видов  инструмента могут быть использованы доэвтектоидные стали (типа У7) и эвтектоидные (У8).

Инструментальная углеродистая сталь — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно.

Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих  марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.

К группе качественных сталей относятся  марки стали без буквы А (в  конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов — марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У — углеродистая, следующая за ней цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г — повышенное содержание марганца.

Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой стоимости и достаточно высокой твёрдости по сравнению  с другими инструментальными  материалами. К недостаткам следует  отнести малую износостойкость  и низкую теплостойкость.

Классификация инструментальных сталей

Инструментальные стали делятся  на четыре категории:

1. Пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые).
2. Повышенной прокаливаемости (легированные).
3. Штамповые стали.
4. Быстрорежущие.

Применение инструментальной углеродистой стали

• У7, У7А Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот; пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимок, бойков; кузнечных штампов; игольной проволоки; слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.
• У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: фрез, зенковок, поковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых; накатных роликов, плит и стержней для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек. Для калибров простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.
• У10А, У12А Для сердечников.
• У10, У10А Для игольной проволоки.
• У10, У10А, У11, У11А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: пил ручных поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных; штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению; калибров простой формы и пониженных классов точности; накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др. Для напильников, шаберов холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.
• У12, У12А Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных; штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших размеров и без переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов точности.
• У13, У13А Для инструментов с повышенной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки); напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов.

13.

Инструментальные стали предназначены  для изготовления следующих основных групп инструмента: режущего, измерительного и штампов. По условиям работы инструмента к таким сталям предъявляют следующие требования: стали для режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, фрезы и др.) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью; стали для измерительного инструмента должны быть твердыми, износостойкими и длительное время сохранять размеры и форму инструмента; стали для штампов (холодного и горячего деформирования) должны иметь высокие механические свойства (твердость, износостойкость, вязкость), сохраняющиеся при повышенных температурах; кроме того, стали для штампов горячего деформирования должны обладать устойчивостью против образования поверхностных трещин при многократном нагреве и охлаждении.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-74). Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца. Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь высокого качества, содержащая 1,2% С.

Инструменты, применение которых связано  с ударной нагрузкой, например зубила, бородки, молотки, изготовляют из сталей У7А, У8А. Инструменты, требующие большой твердости, но не подвергающиеся ударам, например сверла, метчики, развертки, шаберы, напильники, - из сталей У12А, У13А. Стали У7-У9 подвергают полной, а стали У10-У13 неполной закалке.

Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость – способность сохранять большую твердость при высоких температурах нагрева. При нагреве выше 200°С инструмент из углеродистых сталей теряет твердость.

Легированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-73). Легирующие элементы, вводимые в инструментальные стали, увеличивают теплостойкость (вольфрам, молибден, кобальт, хром), закаливаемость (марганец), вязкость (никель), износостойкость (вольфрам).

В сравнении с углеродистыми  легированные инструментальные стали имеют следующие преимущества: хорошую прокаливаемость; большую пластичность в отожженном состоянии, значительную прочность в закаленном состоянии (см. гл. V), более высокие режущие свойства.

Низколегированные инструментальные стали содержат д о 2,5% легирующих элементов, имеют высокую твердость (HRC 62-69), значительную износостойкость, но малую теплостойкость (200-260°С). В отличие от углеродистых сталей их используют для изготовления инструмента более сложной формы.

В низколегированных сталях X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ основной легирующий элемент - хром. Сталь X легирована только хромом. Повышенное содержание хрома значительно увеличивает ее прокаливаемость. Сталь X прокаливается в масле полностью в сечении до 25 мм, а сталь У10 - только в сечении до 5 мм. Применяют сталь X для изготовления токарных, строгальных и долбежных резцов. Сталь 9ХС кроме хрома легирована кремнием. По сравнению со сталью X она имеет большую прокаливаемость – до 35 мм; повышенную теплостойкость - до 250-260°С (сталь X до 200-210°С) и лучшие режущие свойства. Из стали 9ХС изготовляют сверла, развертки, фрезы, метчики, плашки.

Сталь ХВГ легирована хромом, вольфрамом и марганцем; имеет прокаливаемость  на глубину до 45 мм. Сталь ХВГ используют для производства крупных и длинных  протяжек, длинных метчиков, длинных разверток и т. п.

Сталь ХВСГ - сложнолегированная сталь  и по сравнению со сталями 9ХС и  ХВГ лучше закаливается и прокаливается. При охлаждении в масле она  прокаливается полностью в сечении  до 80 мм. Она меньше чувствительна к перегреву. Теплостойкость ее такая же, как у стали 9ХС. Сталь ХВСГ применяют для изготовления круглых плашек, разверток, крупных протяжек и другого режущего инструмента.

Высоколегированные инструментальные стали содержат вольфрам, хром и  ванадий в большом количестве (до 18% основного легирующего элемента); имеют высокую теплостойкость (600-640°С). Их используют для изготовления высокопроизводительного режущего инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных сталей и других труднообрабатываемых материалов. Такие стали называют инструментальными быстрорежущими (ГОСТ 19265-73). Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, цифра после которой указывает содержание вольфрама. Содержание хрома (4%) и ванадия (2%) в марках быстрорежущих сталей не указывают. В некоторые быстрорежущие стали дополнительно вводят молибден, кобальт и большое количество ванадия. Марки таких сталей содержат соответственно буквы М, К, Ф и цифры, указывающие их количество. Наиболее распространены Р18, Р9. Р10К5Ф5 и другие быстрорежущие стали.

Для изготовления измерительных инструментов применяют X, ХВГ и другие стали, химический состав которых приведен в ГОСТ 5950-73. Для измерительного инструмента (особенно высоких классов точности) большое  значение имеет постепенное изменение  размеров закаленного инструмента в течение длительного времени, что связано с уменьшением и перераспределением внутренних напряжений. Поэтому при термической обработке измерительного инструмента большое внимание уделяется стабилизации напряженного состояния. Это достигается соответствующим режимом низкого отпуска – при температуре 120-130°С в течение 15-20 ч и обработкой при температурах ниже нуля (до -60°С).