Инструментальные быстрорежущие стали

Р18, Р18К5, Р18Ф2, Р6М5, Р9К5 и др.

Применяются для изготовления режущего и штампового инструмента, должны обладать высокой твердостью (HRC 60÷ 65), теплостойкостью (способность сохранить твердость HRC 60 после четырехчасового нагрева), прочностью, износостойкостью, технологичностью (то есть стали должны обладать горячей пластичностью, необходимой при ковке, хорошо обрабатываться резанием в отожженном состоянии и шлифоваться в закаленном состоянии). Из быстрорежущих сталей изготавливают инструмент для скоростного резания. Эти стали теплостойкие ледебуритного класса. В литом состоянии они содержат в структуре ледебурит, сорбит и карбиды. Ледебурит – эвтектическая фазовая смесь – состоит из аустенита и скелетообразных карбидных образований: Me₂C, MeC, Me₂₃C₆. Эвтектика снижает механические свойства, поэтому перед отжигом слитки прокатывают, но и после больших деформаций карбидная неоднородность сохраняется. Окончательная термообработка быстрорежущих сталей заключается в высокотемпературном нагреве под закалку для растворения карбидов хрома, вольфрама, ванадия в аустените (1270÷ 1290°С), охлаждении в масле, и трехкратном отпуске при 350÷ 560 °С. Для предотвращения выгорания углерода нагрев под закалку проводится в соляной ванне BaCl₂. При температурах 600÷ 650 °С и 850÷ 900 °С замедляют нагрев для уменьшения термических фазовых напряжений. Чтобы предотвратить рост зерна аустенита, длительность выдержки при температуре закалки очень мала (~1 мин). Структура после закалки: мартенсит, карбиды (10÷ 15%) и остаточный аустенит (до 30%). Структура после отпуска: мартенсит отпуска, карбиды, остаточный аустенит (1÷ 3%). Твердость в процессе отпуска высоколегированного мартенсита, претерпевающего дисперсионное твердение, повышается с 58 до 65 HRC.

Вольфрам, молибден придают стали теплостойкость.

Кобальт и в меньшей степени ванадий повышают теплостойкость и твердость после термообработки.

Ванадий образует очень твердый карбид VC, повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость.

Штамповые стали в отличие от сталей, предназначенных для изготовления режущих инструментов, должны обладать повышенной вязкостью, а штамповые стали для горячего деформирования – повышенной теплостойкостью (способностью сохранять высокую твердость, прочность, износостойкость при повышенных температурах), окалиностойкостью (устойчивость к газовой коррозии при высоких температурах), разгаростойкостью (устойчивостью против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении).

Штамповые стали для холодного деформирования

Х, ХСГ, ХВГ, 6ХС, 7ХФ, Х6ВФ, Х12, Х12М, Х12МН, Х12ВФ, Х6ВФ

Полутеплостойкие стали высокой твердости. По структуре после отжига относятся к ледебуритному (карбидному) классу, после нормализации – к мартенситному. Закалка стали Х12М проводится с температур 1000÷ 1400 °С (чтобы растворились карбиды хрома в аустените) в масле с последующим низким отпуском при 170÷ 210 °С. Конечная структура – мелкоигольчатый мартенсит и вторичные карбиды. Стали отличаются высокой прокаливаемостью, твердостью, износостойкостью после термообработки.

Молибден и ванадий в составе этих сталей способствуют измельчению зерна.

Штамповые стали для горячего деформирования

5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, 4ХСМФ, 3Х2В8Ф, 4Х5В2С

Это стали перлитного класса повышенной вязкости полутеплостойкие (5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ) или повышенной теплостойкости (например, 3Х2В8Ф). Применяются для изготовления штампов, работающих при незначительной длительности соприкосновения с горячим металлом. Эти стали имеют хорошую прокаливаемость, высокую прочность и вязкость после закалки с температуры 760÷ 820 °С в масле и отпуска при 460÷ 540 °С. Твердость после отпуска 40÷ 45 НRС. Структура – троосто-сорбит отпуска. Эта структура стабильна при многократных нагревах до 600÷ 700 °С и обладает достаточной вязкостью.

Молибден повышает теплостойкость, прокаливаемость, уменьшает склонность к обратимой отпускной хрупкости.

Для штампов горячего прессования, имеющих длительный контакт с горячей поверхностью металла, используются стали повышенной теплостойкости 4Х3ВМФ, 3Х3М3Ф, 4Х5В2ФС.

Оборудование, инструменты и материалы для выполнения работы

Металлографические микроскопы МИМ-7, МИМ-8М, коллекции микрошлифов легированных сталей, альбомы фотографий микрошлифов легированных сталей.

Методические указания и порядок выполнения работы

1. Отчет по работе представить в виде табл. 5.3.

Таблица 5.3

Наименова-ние стали	Марка стали	Химичес-кий состав	Структурный класс стали	Вид термической обработки	Микроструктура	Механические свойства и применение стали
название	рисунок

Исследовать под микроскопом микроструктуры легированных сталей различных марок, сравнить с описанием фотографий, представленных в альбоме.

3. Определить по марке химический состав стали. Исходя из химического состава, научиться определять структурный класс стали.

4. Зарисовать микроструктуру. Выписать из справочного материала данные по каждому образцу: структурный класс стали, вид термической обработки, структура после окончательной термической обработки, применение стали.

Контрольные вопросы

1. Какой легирующий элемент растворяется в феррите, повышает одновременно его прочность и вязкость?

2. Какую обработку надо провести, чтобы после закалки высоколегированные стали приобрели максимальную твердость?

3. На какие классы разделяют легированные стали после отжига?

4. Назовите содержание углерода в сталях марок 12ХНМ, Х12, 9ХС.

5. Каков типовой режим термообработки среднеуглеродистой легированной стали? Какая получается структура?

6. Для чего применяют стали марок 50Г, 60С2, 50ХФА?

Лабораторная работа 6

Макроскопический анализ металлов и сплавов

Цель работы: ознакомление с методикой проведения макроструктурного анализа, получение практических навыков изготовления макрошлифов, изучения поверхностей деталей, изломов, макрошлифов, выявления макродефектов, неоднородности, причин разрушения металла.

Краткие сведения из теории

Макроскопический метод исследования ( макроанализ ) металлов и сплавов заключается в исследовании их строения невооруженным глазом или при помощи небольших увеличений (до 30 раз) с использованием лупы. При этом изучаются достаточно большие поверхности деталей (заготовок).

Макроанализ позволяет выявить:

· наличие в материале макродефектов (поры, трещины, усадочные раковины, рыхлоты, газовые пузыри);

· характер предшествующей обработки сплава (литье, обработка давлением, резание, сварка, наплавка, термическая и химико-термическая обработка и др.);

· структурную и химическую неоднородность;

· форму и размер зерна, в том числе волокнистость;

· причины и характер разрушения.

Структура материалов, наблюдаемая невооруженным глазом или при небольших увеличениях, называется макроструктурой.

Макроанализ проводят путем изучения:

· изломов;

· макрошлифов;

внешних поверхностей заготовок и деталей.

Наружные, или поверхностные, макродефекты расположены непосредственно на поверхности изделий.

В отливках часто встречаются пригар (трудноотделимая корка из смеси металла, формовочного песка и шлака), усадочные пустоты (образующиеся из-за уменьшения объема металла при его затвердевании), газовые пузыри (возникающие из-за большой газонасыщенности расплава), ужимины (полости в твердом металле, заполненные формовочным материалом), трещины, а также неметаллические включения (эндогенные и экзогенные).

В пластически деформированных изделиях наследуется часть дефектов литого материала, остальные могут видоизменяться. Усадочные пустоты превращаются в расслоения. Газовые пузыри окисленные и потому не заварившиеся, вытягиваются и образуют волосовины – тонкие трещины, расположенные в направлении деформирования. В некоторых легированных сталях возникают флокены – тонкие трещины, которые в поперечном сечении представляют собой овальные пятна серебристо-белого цвета. Причина их появления – внутренние надрывы, которые возникают в результате больших напряжений при выделении водорода в процессе остывания поковок стали, особенно крупногабаритных. Дефектами пластически деформированного металла является пережог (связанный с окислением металла по границам зерен), надрывы (обусловленные слишком большой степенью деформации), окалина (слой окисленного металла).

В термически обработанном металле чаще всего обнаруживается обезуглероживание (является результатом окислительного действия печной газовой среды, при этом на поверхности возникают мягкие пятна – участки с пониженной твердостью) и закалочные трещины, имеющие зигзагообразный характер и часто образующие сетку. В сварных изделиях основным дефектом являются трещины и непровар.

Внутренние дефекты выявляются при изучении изломов и макрошлифов. Излом – это поверхность, образовавшаяся вследствие разрушения металла. Изломы изучает наука фрактография. Анализ изломов играет важную роль при оценке причин и динамики разрушения металлических деталей, узлов, которое нередко приводит к авариям.

Цвет излома может быть разным – у сталей и белых чугунов он светло-серый, у серых чугунов и графитизированных сталей он черный. В зависимости от состава, строения сплава, наличия дефектов, условий обработки и эксплуатации изломы могут быть:

· вязкими;

· хрупкими;

· усталостными.

Вязкий излом – матовый, имеет волокнистое строение, свидетельствует о существенной пластической деформации, предшествующей разрушению. Такой излом – результат вязкого разрушения, когда работа развития трещины значительна, а скорость распространения трещины мала. Форма и размер зерен при этом сильно искажаются. Вязкое разрушение характеризуется ямочным («чашечным») изломом.

Хрупкий излом – светлый, имеет кристаллическое строение, на его поверхности наблюдаются блестящие плоские участки. Работа развития трещины при хрупком разрушении мала, а скорость распространения трещины весьма велика. Разрушение протекает без заметной пластической деформации. Интеркристаллическое, или интеркристаллитное, разрушение происходит по границам зерен; в этом случае видны исходные форма и размер зерен – примером является камневидный излом металла при перегреве, когда границы зерен обогащаются примесями и тем самым охрупчиваются. Транскристаллическое, или транскристаллитное, разрушение проходит по телу зерна вдоль определенных плоскостей скола – примером является нафталинистый излом с крупным зерном и избирательным блеском. Различают и другие виды хрупких изломов – ручьистый, шиферный, фарфоровидный и др. Обычно изломы имеют смешанный характер.

Усталостный излом возникает в результате разрушения металла под воздействием циклических (знакопеременных) нагрузок. Излом имеет ряд характерных зон:

· очаг разрушения – небольшая зона, содержащая фокус излома, – место локальной концентрации напряжений, где возникла зародышевая микротрещина усталости и откуда начинается ее развитие. Эта зона плоская и гладкая, располагается на поверхности детали или вблизи нее.

· зона усталости (зона постепенного развития трещины усталости) формируется при последовательном продвижении трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки (линии усталости), имеющие конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении фронта трещины усталости. Направление продвижения указывают ручьи.

· зона долома образуется на последней стадии усталостного разрушения, когда в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастают настолько, что вызывают практически мгновенное разрушение.

Еще один метод макроанализа – исследование макрошлифов. Макрошлиф – это образец с плоской шлифованной и протравленной поверхностью, вырезанный из исследуемого участка детали или заготовки. Для его приготовления одну из плоских поверхностей вырезанного образца ровняют напильником или на плоскошлифовальном станке. Затем образец шлифуют вручную или на специальных станках шкурками различной зернистости, совершая возвратно-поступательное движение и переходя последовательно от крупного зерна к более мелкому. Образец при переходе поворачивается на 90 ^оС, обработку проводят до полного исчезновения рисок предыдущей стадии шлифования. Образец промывают водой, просушивают и подвергают глубокому или поверхностному травлению, погружая его в специальный реактив-травитель, выдерживая образец в нем по определенному режиму. Протравленный макрошлиф промывают водой, обрабатывают спиртом, высушивают фильтровальной бумагой.

Поверхностное травление, проводимое менее агрессивными травителями, позволяет:

· выявить в сплавах ликвацию (химическую неоднородность сплава, возникающую при его производстве);

· наблюдать дендритное строение литых сплавов и волокнистость, характерную для строения деформированных сплавов;

· установить способ изготовления деталей обработкой давлением или резанием;

· обнаружить дефекты и присутствие неметаллических включений;

· оценить качество сварных соединений;

· выявить структурную (возникшую в результате термической обработки) или химическую (возникшую в результате химико-термической обработки или наплавки) неоднородность сплавов и готовых изделий.

Нарушение сплошности металла выявляют, применяя реактивы для глубокого травления. На макрошлифе сварного соединения выделяются зона основного металла и зона наплавленного металла (иногда с выраженным дендритным строением), разделяющая их линия сплавления, зона термического влияния (околошовная зона) – часть основного металла, примыкающая непосредственно к зоне наплавленного металла и испытавшая его тепловое воздействие. Можно также наблюдать дефекты сварного соединения – поры, трещины, непровар, подрез.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89