Лекції 13 14 Леговані конструкційні та інструментальні

Лекції № 13, 14 Леговані конструкційні та інструментальні сталі 1. 2. 3. 4. Маркировка легованих сталей. Леговані конструкційні сталі. Леговані інструментальні сталі. Переваги і недоліки легованих сталей.

1. Маркировка легованих сталей Позначення елементів в легованих сталях А - азот ( в середині марки сталі) Б - ніобій В - вольфрам Г - марганець Д - мідь Е - селен К - кобальт М - молібден Н - нікель П Р С Т Ф - фосфор - бор - кремній - титан - ванадій Х - хром Ц – цирконій Ч – рідкоземельний елемент Ю - алюміній

Правила розшифровки марок легованих сталей Конструкційні леговані сталі: 40 ХН 2 М 4 40 – вміст вуглецю в сотих частках відсотка: 0, 40 %, Х - хром, вміст хрому 1 %, Н 2 – нікель, вміст нікелю 2%, М 4 – молібден, вміст молібдену 4 %.

Правила розшифровки марок легованих сталей Інструментальні леговані сталі: 9 ХС 9 - вміст вуглецю в десятих частках відсотка: 0, 9 %, Х - хром, вміст хрому 1 %, С – кремній, вміст кремнію 1%

Леговані конструкційні сталі. За призначенням розділяють на дві групи: будівельні машинобудівельні (елементи будівельних конструкцій) (деталі машин)

Будівельні леговані сталі Призначення легування: 1. Підвищення міцності 2. Підвищення корозійної стійкості 3. Зниження порогу холодноламкості Основні легуючі елементи: Mn, Si, V, Cu, N

Хімічний склад і механічні властивості деяких марок легованих будівельних сталей Хімічний склад, % Марка сталі C Si Mn Cr Ni Cu V Інші 09 Г 2 < 0, 12 0, 17 -0, 37 1, 4 -1, 8 <0, 30 - - 16 ГС 0, 12 -0, 18 0, 4 -0, 7 0, 9 -1, 2 <0, 30 - - 09 Г 2 С < 0, 12 0, 5 -0, 8 1, 3 -1, 7 <0, 30 - - 15 ГФ 0, 12 -0, 18 0, 17 -0, 37 0, 9 -1, 2 <0, 30 0, 05 -0, 12 - 15 Г 2 СФ 0, 12 -0, 18 0, 4 -0, 7 1, 3 -1, 7 <0, 30 0, 05 -0, 10 - 16 Г 2 АФ 0, 14 -0, 20 0, 3 -0, 6 1, 3 -1, 7 <0, 4 <0, 30 0, 08 -0, 14 Марка сталі Механічні властивості (не менше) σв , σт , δ, Ударна в’язкість при t, МДж/м 2 +20 о. С МПа % 09 Г 2 440 305 21 - 16 ГС 490 -450 325 -275 21 0, 59 550 390 18 - 15 Г 2 СФ 0, 0150, 025 N -40 о. С 0, 39 -0, 29 0, 39 -70 о. С 0, 29 -0, 24 -

Підвищення міцності у низьковуглецевих легованих будівельних сталях пояснюється: 1) зміцненням фериту у зв’язку з розчиненням в ньому таких елементів, як марганець і кремній (сталі 09 Г 2, 09 Г 2 С); 2) із подрібненням зерен фериту внаслідок присутності дрібних часток спеціальних карбідів, наприклад, карбіду VC (сталі 15 ГФ та 15 Г 2 СФ); 3) утворенням великої кількості дрібних часток карбонітриду при введенні невеликої кількості азоту (0, 015. . . 0, 025%) (сталь 16 Г 2 АФ).

Машинобудівельні сталі Сталі для штампування За останні роки обсяги виробництва сталей для штампування постійно зростають, з’являються нові марки легованих сталей. Основними легуючими елементами в них є алюміній, титан та ін. , які додають з метою подрібнення зерна, підвищення корозійної стійкості та ударної в’язкості. Додаткові вимоги - створення нестаріючих сталей, наприклад: • 08 Фкп, мікролеговану ванадієм (0, 02… 0, 04%), • 08 Ю і 10 ЮА з присадкою Al (0, 02… 0, 5%), 08 ЮТ додатково леговану Ti; • 08 ГСЮФ з присадками алюмінію і ванадію, які у даному випадку зв’язують вуглець та залишковий азот у карбіди та нітриди, виводять домішки проникнення з твердого розчину та попереджають розвиток старіння. Для деталей підвищеної міцності (диски колес) використовують сталі 12 ХМ, 18 ХГ 2 ФТЮДР.

Групи машинобудівельних сталей Група Для штампування (≤ 0, 15 %С) Для цементації (0, 2≤%С ≤ 0, 3) Марки сталі Призначення легування Основні л. е. 05 Фкп, Отримання рівномірного 08 ЮТ, 10 ЮА розміру зерен А; підвищення корозійної стійкості та в’язкості; гальмування старіння Аl, Ti, V 20 Х, 25 ХН, 12 ХН 3 А Підвищення міцності та прогартовуваності; Cr, Ti, Ni, Mn Термічна обробка Рекристалізаційний відпал Цементація із неповним гартуванням та низьким відпуском

Група Марки сталі Для покращання (0, 3<%С < 0, 5) 40 Х, 45 Х 2 Н 2 38 Х 2 МЮА Пружиноресорні (%С > 0, 5) 65 С 2 А, 50 ХФА. . . Призначення легування Основні л. е. Підвищення міцності та прогартовуваності; Гальмування зростання зерна аустеніту при т/о; Зниження порогу холодноламкості Cr, Ti, Ni, Mn Термічна обробка Повне гартування із високим відпуском Додатково для поверхонь тертя : гартування СВЧ з низьким відпуском або азотування (38 Х 2 МЮА) Підвищення міцності, Повне гартування із прогартовуваності, пруж- середнім відпуском ності та теплостійкості; Додатково наклеп Підвищення стійкості проти відпускання Si, Cr, V, В

Типові мікроструктури конструкційної сталі після термічної обробки до гартування після високого відпуску

Сталі для цементації Для виготовлення деталей двигунів і машин, які в процесі роботи піддають великим ударним навантаженням і що повинні бути стійкими проти стирання, а також мати досить міцну серцевину, застосовують низьковуглецеві леговані сталі з кількістю вуглецю до 0, 3%. Після цементації і термічної обробки поверхневий шар таких деталей має високу міцність, а осердя залишається в’язким з підвищеною міцністю. В таблиці наведений хімічний склад і механічні властивості деяких марок сталей для цементації після термічної обробки (гартування з низьким відпуском). Марка сталі С Мn Ni Cr Інші σв , МПа δ, % 10 0, 07 -0, 14 0, 35 -0, 65 - < 0, 15 - 330 31 20 0, 07 -0, 14 0, 35 -0, 65 - < 0, 25 - 410 25 15 Х 0, 12 -0, 18 0, 4 -0, 7 - 0, 7 -1, 0 - 690 12 20 ХН 0, 17 -0, 23 0, 4 -0, 7 1, 0 -1, 4 0, 45 -0, 75 - 780 14 18 ХГТ 0, 17 -0, 23 0, 8 -1, 1 - 980 9 12 ХН 3 А 0, 09 -0, 16 0, 3 -0, 6 930 11 2, 75 -3, 15 1, 0 -1, 3 0, 6 -0, 9 0, 03 -0, 09 Ti -

Сталі для покращання Найліпше поєднання міцності і в’язкості сталей для деталей машин забезпечує покращанння, тобто гартування на мартенсит з високим відпусканням. Головне призначення легування сталей для покращанння - підвищення їх прогартовуваності. Для цього використовують такі легуючі елементи, як хром, нікель і марганець. Ванадій і титан, у невеликій кількості(до 0, 1. . . 0, 18%), утворюють карбіди, які важко розчиняються і стримують зростання зерна аустеніту, через що зростає в’язкість сталі. Дуже цінний вплив має нікель: цей легуючий елемент не тільки сприяє зростанню прогартовуваності, а й водночас підвищує в’язкість та знижує поріг холодноламкості.

Хімічний склад і механічні властивості деяких марок легованих сталей для покращання Марка сталі С Mn Cr Ni Інші σв , МПа δ, % 900 12 900 10 0, 9 -1, 2 Si 1100 10 - 1000 11 1000 10 1100 12 Сталі, що прогартовуються в деталях діаметром не більше 25 -35 мм 30 Х 0, 24 -0, 32 0, 5 -0, 8 -1, 1 40 ХФА 0, 37 -0, 44 0, 5 -0, 8 - 0, 8 -1, 1 0, 1 -0, 18 V Сталі, що прогартовуються в деталях діаметром не більше 50 -75 мм 30 ХГС 0, 28 -0, 35 0, 8 -1, 1 40 ХН 0, 36 -0, 44 0, 5 -0, 8 0, 45 -, 75 1, 0 -1, 4 Сталі, що прогартовуються в деталях діаметром не більше 75 -100 мм 30 ХН 3 А 0, 27 -0, 33 0, 3 -0, 6 -0, 9 2, 75 -3, 15 40 ХН 2 МА 0, 37 -0, 44 0, 5 -0, 8 0, 6 -0, 9 1, 25 -1, 65 0, 15 -0, 25 Mo Сталі, що прогартовуються в деталях діаметром більше 100 мм 36 Х 2 Н 2 МФА 0, 33 -0, 44 0, 25 -0, 5 1, 3 -1, 7 0, 2 -0, 3 Mo 0, 1 -0, 18 V 1200 12 38 ХН 3 МФА 0, 33 -0, 44 0, 25 -0, 5 1, 2 -1, 5 3, 0 -3, 5 0, 35 -0, 45 Mo 0, 1 -0, 18 V 1200 12

Пружино-ресорні сталі Пружинно-ресорні сталі легують такими елементами, які підвищують границю пружності, наближаючи її значення до границі міцності. Це кремній і марганець. Додаткове легування вольфрамом, ванадієм та молібденом підвищує стійкість проти відпускання, що дуже важливо саме для пружніх елементів. Крім того такі сталі можуть працювати при нагріванні до 200. . . 250 о. С. Для зниження критичної швидкості гартування та збільшення прогартовуваності такі сталі легують бором, який також підвищує пружні властивості сталі. Для виготовлення пружин і ресор середньої міцності застосовують леговані сталі марок 55 С 2, 50 СГ, 60 СГ, а для пружин високої міцності - сталі 60 С 2 А, 70 С 3 А, 60 С 2 ХФА, 50 ХФМА, 60 С 2 Н 2 А. В таблиці наведений хімічний склад та механічні властивості деяких марок пружинно-ресорних сталей. Для знищення концентраторів напружень (волосових тріщин, рисок та ін. ) та підвищення границі витривалості ресори і пружини в готовому вигляді піддають дробоструминному наклепу.

Хімічний склад і механічні властивості деяких марок пружинно-ресорних сталей Марка сталі С Si Mn Cr Інш σт, і МПа σв , МПа δ, % 55 С 2 0, 52 -0, 60 1, 5 -2, 0 0, 6 -0, 9 < 0, 30 - 1175 1270 6 60 С 2 А 0, 58 -0, 63 1, 6 -2, 0 0, 6 -0, 9 < 0, 30 - 1375 1570 6 70 С 3 А 0, 66 -0, 74 2, 4 -2, 8 0, 6 -0, 9 < 0, 30 - 1470 1670 6 50 ХФА 0, 46 -0, 54 0, 17 -0, 37 0, 5 -0, 81, 1 0, 10, 2 V 1080 1270 8 1, 4 -1, 8 0, 91, 2 0, 10, 2 V 1470 1670 6 60 С 2 ХФА 0, 56 -0, 64 0, 4 -0, 7

Леговані інструментальні сталі Інструментальні леговані сталі – це леговані сталі, які мають високу твердість та стійкість проти спрацювання, необхідні для обробки матеріалів різанням та тиском. Інструментальні сталі легують з метою підвищення: міцності, твердості, прогартовуваності, теплостійкості

Класифікація легованих інструментальних сталей За теплостійкістю: • Низької теплостійкості (до 2000 С) 7 ХФ, 8 ХФ, 9 ХФ, 11 ХФ, 13 Х, ХВ 4, В 2 Х • Підвищеної теплостійкості (до 3000 С) 9 ХВГ, 9 ХС, Х, ХСВГ, ХГС • Високої теплостійкості (до 6000 С) Р 18, Р 12, Р 9, Р 6 М 5, Р 6 М 3 Ф 3

Теплостійкість інструментальних матеріалів Теплостійкість інструментальних сталей – це здатність сталі зберігати при підвищених температурах високі твердість та стійкість проти спрацювання. 1 – тверді сплави 2 – швидкорізальні сталі 3 – вуглецеві інструментальні сталі

За призначенням: • Для різального інструменту Х, 9 ХС, ХСВГ, Р 18, Р 6 М 5 • Для вимірювального інструменту Х, ХГ, ХВГ, 9 ХС • Для штампового інструменту - для холодних штампів Х 12 М, Х 12 Ф 1, Х 6 ВФ - для гарячих штампів 4 ХМ, 3 Х 2 В 8 Ф, 5 ХНМ

Особливості термічної обробки легованих інструментальних сталей При термічній обробці легованої сталі слід мати на увазі, що її теплопровідність значно нижче, ніж вуглецевої, тому нагрівати слід значно повільніше для запобігання утворення внутрішніх тріщин. Додаткові напруження створюють і гострі кути на інструментах (різальні кромки, поверхня штампа та інші робочі поверхні). Температури нагріву для термічної обробки вищі, ніж для вуглецевої сталі через вплив легуючих елементів на температури фазових перетворень.

Особливості термічної обробки легованих інструментальних сталей 1. Особливості відпалу: • Неповний на зернистий перліт • Ізотермічний 2. Особливості гартування: • Неповне з охолодженням: - в одному охолоднику (в маслі) - ступінчасте • Повне – для гарячих штампів

3. Особливості відпуску: • Для різального інструменту низький відпуск • Для вимірювального інструменту низький до 48 годин при температурі не вище 1400 С • Для холодних штампів низький відпуск • Для гарячих штампів високий відпуск • Для точного інструменту перед низьким відпуском слід призначити обробку холодом для усунення залишкового аустеніту

Типові мікроструктури інструментальної сталі після термічної обробки після відпалу після гартування після низького відпуску

Характеристика швидкорізальної сталі Високолеговані інструментальні сталі внаслідок своїх основних властивостей одержали назву швидкорізальних. Ці сталі мають високу теплостійкість (“червоностійкість”) і здатні зберігати тривалий час високу твердість при розігріванні різальної кромки інструменту до 500. . . 600 о. С.

Маркировка швидкорізальної сталі: 1. Базові марки: Р 18, Р 12, Р 9 Р 18 Р – швидкорізальна сталь ( rapid – швидкий) 18 – вміст вольфраму 2. Марки із замінниками вольфраму: Р 6 М 5, Р 8 М 3, Р 9 М 4 К 8 Ф Р 6 М 5 - швидкорізальна сталь, 6 % W, 5 % Mo 3. Безвольфрамові швидкорізальні сталі : Р 0 М 9 Ф 10 К 3 - безвольфрамова швидкорізальна сталь, 0 % W, 9 % Mo, 10 % V, 3 % Co

Хімічний склад деяких марок швидкорізальних сталей Ма рка ста лі C C W r P 1 0, 70 - 3, 8 17, 08 0, 80 - 18, 5 4, 4 Р 9 0, 85 - 3, 8 8, 50, 95 - 10, 0 4, 4 V M o 1, 0 - До 1, 4 1, 0 2, 0 - До 2, 6 1, 0 P 6 0, 82 - 3, 8 5, 5 - 1, 7 - 5, 0 M 5 0, 90 6, 5 2, 1 5, 5 4, 4

Особливості формування структури швидкорізальної сталі у литому стані 0, 8 % С t ↓ до t 1 : Р 0, 8 Розплав (Р) t 1→ t 2 : Р 0, 8 → Р 1, 0 + А 0, 6 А+Р 1 А 2 0, 6 при t 2 : Р 1, 0 → (А 0, 6 + К)Левтектика 13300 С t 2→ t 3 : А 0, 6 → А 0, 2 + КІІ 1, 0 при t 3 : А 0, 2 → (Фα + К)П А+К 3 Фα 8500 С 0, 2 Фα+К 4 Fe Клег Л (П + К) + КІІ + П

Наявність евтектичних карбідів значно знижує пластичність сталі й утруднює її обробку тиском. Під час наступного гарячого кування або прокатування карбіди роздрібнюються та більш рівномірно розподіляються за перерізом. Гарячедеформовану швидкорізальну сталь з метою зниження твердості й поліпшення оброблюваності різанням піддають ізотермічному відпалюванню через велику стійкість переохолодженого аустеніту. Температура нагрівання становить 840. . . 860 о. С (сталь Р 6 М 5 - 800. . . 830 о. С), а температура ізотермічного витримування відповідає перлітосорбітному перетворенню в даній сталі. Структура після відпалювання - сорбітообразний перліт і карбіди.

Попередня термічна обробка швидкорізальної сталі Т А 1 нагрівання ізотермічне витримування охолодження в печі охолодження на повітрі час Сорбіт Карбіди

Особливості гартування швидкорізальної сталі По-перше, через низьку теплопровідність сталі нагрівання її до температур 800. . . 850 о. С відбувається поступово протягом 10. . . 15 хвилин для запобігання великих термічних напружень й тріщин, що можуть виникати при різкому нагріванні від 20 о. С до температур гартування, які становлять для сталі Р 18 1270. . . 1290 о. С, а для сталі Р 6 М 5 - 1210. . . 1230 о. С. Саме такі високі температури нагрівання становлять другу особливість гартування швидкорізальних сталей. Таке нагрівання необхідне для максимально можливого розчинення в аустеніті карбідів вольфраму, молібдену й ванадію. Чим більше легованість аустеніту цими елементами, тим більше їх концентрація в мартенситі, що в подальшому забезпечує стійкість останнього при розігріві інструменту під час різання. При нагріванні під гартування карбід хрому розчиняється повністю, а карбіди тугоплавких металів частково, що сприяє зростанню стійкості інструменту проти стирання. Третьою особливістю гартування швидкорізальної сталі є дуже мале витримування сталі при температурі гартуваня з метою запобігання зростання аустенітного зерна, окислення та зневуглецювання. Для інструмента перерізом 10. . . 15 мм воно становить 10. . . 15 с на кожний міліметр діаметру при нагріванні у розплаві солі (частіше Ba. Cl 2) або 12. . . 14 с при нагріванні в печі.

1260 -12900 С 8500 С А 1 (а) масло 1260 -12900 С (б) А 1 8500 С 500 -6300 С ступінчасте Високолегований аустеніт, який виникає при нагріванні під гартування, має велику стійкість, тому охолодником є масло (а). Крім того, для зменшення деформації інструменту використовують ступінчасте гартування (б) у розплавах солей (частіше при температурах 500. . . 630 о. С).

Особливості відпуску загартованої швидкорізальної сталі Структура загартованої швидкорізальної сталі складається з високолегованого мартенситу, надлишкових карбідів й великої кількості (30 -40%) залишкового аустеніту Азал, який знижує механічні властивості сталі та стабільність розмірів інструменту. Тому присутність залишкового аустеніту небажана в готовому інструменті. Для усунення залишкового аустеніту та надання потрібних властивостей загартовану сталь піддіють: 1) Обробці холодом та низькому відпуску при температурі 5600 С 2) Триразовому низькому відпуску при температурі 5600 С

Особливості термічної обробки швидкорізальної сталі

Кінцева мікроструктура швидкорізальної сталі Мартенсит відпуску Карбіди

Основні марки сталей для різального інструменту різного призначення Тип інструменту Різці та різцеві головки: фасонні на автоматах довбальні, стругальні, відрізні Рекомендована марка сталі Р 18, Р 12 Ф 3 Р 6 М 5, Р 12, Р 9 Свердла: для обробки металів, твердість НВ до 260 для обробки металів більшої твердості для важкооброблюваних металів Р 6 М 5, Р 6 М 3 Р 12 Ф 3, Р 12 Ф 4 К 5 Фрези: різьбові черв’ячні те ж, для різання з підвищеною швидкістю Р 6 М 5, Р 12, Р 8 М 3, Р 18 Р 6 М 5, Р 12 Ф 3, Р 12, Р 8 М 3 Р 12 Ф 4 К 5, Р 8 М 3 К 6 С

Довбачі Протяжки діаметром, мм: до 80 – 100 Мітчики: машинні ручні Р 12, Р 6 М 5, Р 12 Ф 3, Р 8 М 3 ХВСГ, Р 6 М 5 Плашки круглі: для нарізання м’яких металів те ж, для твердих металів Розгортки: машинні те ж, для важкооброблюваних сплавів ручні ХВСГ Р 6 М 5, Р 8 М 3 Р 6 М 5, Р 18 11 ХФ, У 11 А, У 12 А Р 6 М 5, Р 8 М 3, Р 12 Ф 3, Р 12 Р 8 М 3 К 6 С ХВСГ, Р 6 М 5, Р 8 М 3

Зенкери: Р 6 М 5, Р 12, для обробки м’яких металів Р 8 М 3, те ж, для обробки твердих металів Р 9 М 4 К 8 Ф, Р 8 М 3 К 6 С Пилки: сегменти для круглих пилок та Р 9, Р 6 М 5 ножівкового полотна Х 6 ВФ, 9 ХФ, машинні та ручні для обробки У 10 А деревини Напилки: для м’яких металів Х, У 13 А для твердих металів Р 6 М 5, Р 8 М 3 Стамески, долота, сокири для 7 ХФ, У 7 А обробки деревини

4. Переваги і недоліки легованих сталей. • Переваги: – високий рівень властивостей для виробів, які працюють при високих навантаженнях, великого перерізу (більше 20 -25 мм, пружини більше 8 мм), який зберігається при роботі вище 2000 С (пружини вище 1000 С) – велика прогартовуваність – висока теплостійкість • Недоліки: – висока вартість.