Лабораторный практикум

Методические указания к

лабораторной работе № 6

«ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХСПЛАВОВ»

Материаловедение и ТКМ: Методические указания к лабораторной работе «Изучение структуры и свойств инструментальных сплавов» / Брян. гос. инж.-технол. акад. Сост. Л.Г.Серпик – Брянск: БГИТА, 2007. – 10 с.

Приведены классификация и маркировка инструментальных сталей и твердых сплавов, рассмотрены особенности их структур, свойств и способов термической обработки.

Для студентов немашиностроительных специальностей очной и заочной формы обучения.

Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХСПЛАВОВ

I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:изучить классификацию и маркировку инструментальных сталей и твердых сплавов, а также особенности их структур, свойств, способов термической обработки и области применения.

II. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

1ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (60-65 HRC), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость, т.е. способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве.

1.1. Классификация инструментальных сталей

Все инструментальные стали подразделяются:

1). По назначению.

а) стали для режущего инструмента;

б) стали для измерительного инструмента;

в) стали для штампов холодного и горячего деформирования

2). По теплостойкости.

а) нетеплостойкие: до 200-250°С (углеродистые стали У7-У13 и легированные стали, содержащие до 3-4% легирующих элементов; например, стали 9ХС, ХВГ и др.);

б) полутеплостойкие: до 400-500°С (содержащие свыше 0,6-0,7%С и 4-18% Cr; например, стали Х12, Х12Ф1, Х6ВФ, а также стали для штампов горячего деформирования.);

в) теплостойкие: до 550-650°С (быстрорежущие стали, например, Р18, Р12, Р6М5, Р6М5К5, Р12Ф3 и др.).

3). По прокаливаемости.

а) стали небольшой прокаливаемости (углеродистые);

б) стали повышенной прокаливаемости (легированные нетеплостойкие);

в) стали высокой прокаливаемости (высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали).

1.2. Маркировка инструментальных сталей

Углеродистые инструментальные качественные стали маркируют буквой У, а следующая за ней цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента (стали У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13). Буква А в конце марки указывает, что сталь высококачественная (У7А-У13А). Качественные стали содержат не более 0,04%S и 0,04%P, высококачественные – не более 0,025%S и 0,025%Р.

Легированные инструментальные стали Х, 9ХС, 9ХФ, 6ХВГ и т.д. маркируют сочетанием цифр и букв. Первая цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если содержание углерода примерно 1%, то цифра отсутствует. Буквы обозначают легирующие элементы, а следующие за ними цифры указывают примерное cодержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента. При содержании элемента около или менее1% цифра отсутствует. В некоторых случаях элементы обозначают буквой без цифры при их содержании значительно меньше 1% (V, Ti, Nb, N).

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (от слова «рапид» – скорость), следующая за ней цифра указывает среднее содержание основного легирующего элемента – вольфрама в процентах. Среднее содержание молибдена, кобальта и ванадия в стали обозначают цифрой за буквами М, К и Ф (при содержании ванадия не более 2,5% буква Ф может не указываться). Во всех марках этих сталей присутствуют также углерод (0,7-1,5%), хром (около 4%) и ванадий (1-2,5%), содержание которых в марке не указывается.

1.3. Стали для режущего инструмента

Углеродистые стали

Для режущего инструмента небольших размеров (фрезы, сверла, зенкеры, напильники, бритвы и т.д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12, У13). Структура этих сталей после отжига – зернистый перлит. Термическая обработка состоит из закалки (760-780°C) и низкотемпературного отпуска (150-170°С). Структура после термической обработки – мартенсит отпуска и вторичный цементит, твердость 60-64 HRC.

Для изготовления инструмента, испытывающего при работе толчки и удары (зубила, отвертки, топоры и т.д.) применяют стали с пониженным содержанием углерода (У7-У9). Термическая обработка – закалка (790-820°С) и среднетемпературный отпуск (350-450°С), образующаяся структура – троостит отпуска, твердость 45-55 HRC.

Легированные стали

Низколегированные стали 7ХФ-9ХФ, Х, 11Х, 13Х рекомендуются для инструментов диаметром до 15 мм (применяют главным образом для изготовления деревообрабатывающего инструмента). Стали повышенной прокаливаемости (60-80 мм) 6ХС-9ХС, ХВСГ и др. применяют для инструмента большого сечения (ручные сверла, развертки, плашки). Термическая обработка легированных режущих сталей состоит из закалки (830-870°С) в масле и низкотемпературного отпуска (150-250°С), образующаяся структура – мартенсит отпуска и легированный цементит. Твердость после термической обработки составляет 61-65 HRC.

Быстрорежущие стали

Инструмент из этих сталей (резцы, сверла, зенкеры, пилы и т.д.) работает на скоростях, в 3-5 раз превышающих скорости работы инструмента из нетеплостойких сталей.

Быстрорежущие стали относятся к группе сталей карбидного (ледебуритного) класса, так как в литом состоянии структура быстрорежущих сталей состоит обычно из перлита и сложной эвтектики, напоминающей ледебурит и располагающейся в виде сетки по границам зерен перлита (рисунок 1,а). Для разрушения сетки эвтектики и достижения равномерного распределения карбидов эти стали подвергают ковке и отжигу, после чего они получают дисперсную сорбито-карбидную структуру (рисунок 1,б).

Для получения высоколегированного мартенсита инструмент из быстрорежущей стали нагревают под закалку до высоких температур (1210-1290°С). Во избежание образования трещин нагрев стали производят медленно, чаще всего с одним-двумя подогревами. Точка М_к для быстрорежущих сталей лежит при отрицательных температурах. Поэтому структура стали после закалки содержит кроме мартенсита и карбидов большое количество остаточного аустенита (25-30%) (рисунок 1,в). Твердость стали после закалки составляет 61-63 HRC.

Для устранения остаточного аустенита инструмент после закалки подвергают многократному (чаще всего трехкратному) отпуску (рисунок 2, а) или обработке холодом с последующим одно- или двукратным отпуском при 540-580°С (чаще при 560°С) (рисунок 2,б). Микроструктура стали после окончательной термической обработки состоит из мартенсита отпуска и специальных карбидов Fe₃(W,Mo)₃С, упрощенно обозначаемых как М₆С, где М – металл (рисунок 1, г). Перевод остаточного аустенита в мартенсит отпуска обеспечивает повышение общей твердости стали на 2-3 единицы HRC. Это явление повышения твердости стали при отпуске называют вторичным твердением, а саму термическую обработку инструмента – обработкой на вторичную твердость.

1.4 Cтали для измерительного инструмента

Эти стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, сохранять свои размеры в течение длительного времени и хорошо шлифоваться. Обычно применяют высокоуглеродистые хромистые стали Х, 12Х1, ХГ и др. Термическая обработка этих сталей состоит из закалки (850-870°С). и низкотемпературного отпуска (140-170°С). В некоторых случаях для стабилизации размеров инструмент после закалки подвергают обработке холодом и затем искусственному старению (длительному отпуску) при температуре 120-140°С в течение 20-50 часов. Структура после термообработки состоит из мартенсита, вторичных карбидов и некоторого количества остаточного аустенита (стабильного), твердость составляет 63-64 HRC.

1.5 Стали для штампового инструмента

Стали для штампов холодного деформирования

Стали этой группы должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью. Наиболее часто применяют стали Х12, Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ (высокохромистые с карбидами типа М₇С₃), а также стали 7ХГ2ВМ, 6Х6В3МФС. Термическая обработка этих сталей: закалка (850-1100°С в зависимости от марки стали) и низкотемпературный отпуск (150-200°С). В результате термической обработки образуется структура, состоящая из мартенсита, остаточного аустенита и вторичных карбидов, твердость составляет 58-63 HRC.

В некоторых случаях для штампов холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

Стали для штампов горячего деформирования

Эти стали должны обладать высокой жаропрочностью, износостойкостью, ударной вязкостью и прокаливаемостью и не иметь склонности к отпускной хрупкости. Наиболее часто применяют стали 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, 4Х3ВМФ, 4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф. Термическая обработка состоит из закалки (830-1100°С) и высокотемпературного отпуска (500-640°С); образующаяся структура – зернистый сорбит или троостосорбит.

2МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

К твердым инструментальным сплавам обычно относят гетерогенные материалы, получаемые путем спекания из порошков и состоящие из зерен тугоплавких высокотвердых соединений (карбидов, реже нитридов, карбонитридов или боридов переходных металлов), связанных между собой пластичным металлом (кобальтом, никелем, реже железом, или их сплавами). В качестве тугоплавкой фазы твердых сплавов чаще всего используются карбиды вольфрама, титана, тантала, хрома или их смеси.

Металлокерамические (спекаемые) твердые сплавы имеют высокую твердость (80-92 HRA) и теплостойкость (до 900-1000°С), что обеспечивает им существенно более высокие режущие свойства по сравнению с быстрорежущими сталями.

Твердые сплавы подразделяют на вольфрамосодержащие и безвольфрамовые.

Вольфрамосодержащие сплавы, в свою очередь, делятся на три группы:

1). Вольфрамокобальтовые (WC+Со).

Маркируют буквами ВК и числом, показывающим содержание кобальта в процентах, остальное – карбид вольфрама (сплавы ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10, ВК20, ВК25).

2). Титановольфрамокобальтовые (WC+TiC+Со).

Маркируют буквами ТК, числа после букв Т и К показывают соответственно содержание карбидов титана и кобальта в процентах (остальное – карбид вольфрама). К этой группе относятся сплавы Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12.

3). Титанотанталовольфрамокобальтовые (WC+TiC+TaC+Со).

Маркируют буквами ТТК. После букв ТТ указывают суммарное содержание карбидов титана и тантала, а после буквы К – содержание кобальта в процентах, остальное – карбид вольфрама (сплавы ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8, ТТ20К9).

Микроструктуры некоторых твердых сплавов приведены на рисунке 3.

III НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

1. Микроскопы МИМ-7.

2. Микрошлифы инструментальных сталей и твердых сплавов.

IV МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Привести классификацию, маркировку и дать краткую характеристику каждой группы сплавов.

2. Посмотреть под микроскопом и зарисовать микроструктуры инструментальных сталей и твердых сплавов. На каждом рисунке стрелками указать структурные составляющие. Под каждой микроструктурой указать марку сплава и увеличение микроскопа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В. П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – С. 406-422.

2. Сильман, Г.И. Материаловедение: Учеб. пособ. для втузов. Часть 2. Металловедение и термическая обработка металлов. – Раздел 2. Металлические материалы / Г.И. Сильман. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2005.– 97 с.

Рисунок 1 – Микроструктуры быстрорежущей стали, х 500:

а – в литом состоянии (перлит и сложная эвтектика);

б – после ковки и отжига (сорбит и карбиды);

в – после закалки (мартенсит, аустенит и карбиды);

г – после закалки и трехкратного отпуска при 560⁰С (мартенсит и

карбиды)

Рисунок 2 – Режимы термической обработки быстрорежущих сталей: а – с трехкратным отпуском; б – с обработкой холодом

СЕРПИК Людмила Григорьевна

Дата добавления: 2014-07-14; просмотров: 575; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!