Стали и их свариваемость.

Углеродистые стали.

Стали подразделяются на углеродистые и легированные. По на­значению различают стали конструкционные с содержанием углерода в сотых долях процента и инструментальные с содержанием углерода в десятых долях процента. Наибольший объем сварочных работ связан с использованием низкоуглеродистых и низколегированных конструк­ционных сталей.

Основным элементом в углеродистых конструкционных сталях является углерод, который определяет механические свойства сталей этой группы. Углеродистые стали выплавляют обыкновенного качест­ва и качественные.

Стали углеродистые обыкновенного качества подразделяются на три группы:

группа А — по механическим свойствам;

группа Б — по химическому составу;

группа В — по механическим свойствам и химическому составу.

Изготавливают стали следующих марок:

группа А – Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6;

группа Б – БСт 0, БСт 1, БСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5, БСт 6;

группа В – ВСт 0, ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4, ВСт 5.

По степени раскисления сталь обыкновенного качества имеет сле­дующее обозначение: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спо­койная. Кипящая сталь, содержащая кремния (Si) не более 0,07 %, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь ха­рактеризуется резко выраженной неравномерностью распределения вредных примесей (серы и фосфора) по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при раскислении марганцем, алю­минием и кремнием и содержит кремния (Si) не менее 0,12 %; сера и фосфор распределены в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Эта сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на сварочный нагрев.

Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает проме­жуточное место между кипящей и спокойной сталью. Полуспокойные стали с номерами марок 1-5 выплавляют с нормальным и повышен­ным содержанием марганца, примерно до 1%. В последнем случае после номера марки ставят букву Г (например, БСтЗГпс).

Стали группы А не применяются для изготовления сварных конс­трукций. Стали группы Б делятся на две категории. Для сталей первой категории регламентировано содержание углерода, кремния марганца и ограничено максимальное содержание серы, фосфора, азота и мы­шьяка; для сталей второй категории ограничено также максимальное содержание хрома, никеля и меди.

Стали группы В делятся на шесть категорий. Полное обозначение стали включает марку, степень раскисления и номер категории. Например, ВСтЗГпс5 обозначает следующее: сталь группы В, марка СтЗГ, полуспокойная, 5-й категории. Состав сталей группы В такой же, как сталей соответствующих марок группы Б, 2-й категории. Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех категорий и степени раскисления выпускают с гарантированной свариваемостью. Стали БСт1, БСт2, БСтЗ постав­ляют с гарантией свариваемости по требованию заказчика.

Углеродистую качественную сталь выпускают в соответствии с су­ществующими стандартами. Сталь имеет пониженное содержание серы. Допустимое отклонение по углероду (0,03—0,04 %). Стали с со­держанием углерода до 0,20 % включительно могут быть кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп). Остальные стали — только спокойные. Для последующих спокойных сталей после цифр буквы «сп» не ставят. Углеродистые качественные стали для изготовле­ния конструкций применяют в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после нормализации и закалки с отпуском.

Углеродистые стали в соответствии с существующими стандартами подразделяются на три подкласса: низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25 %; среднеуглеродистые с содержанием углерода (0,25—0,60 %) и высокоуглеродистые с содержанием углерода более 0,60 %.

В сварных конструкциях в основном применяют низкоуглеродис­тые стали.

В сварочном производстве очень важным является понятие о сва­риваемости различных металлов.

Свариваемостью называется способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соедине­ния, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эк­сплуатацией изделия.

По свариваемости углеродистые стали условно подразделяются на четыре группы: I — хорошо сваривающиеся, с содержанием угле­рода до 0,25 %; II — удовлетворительно сваривающиеся, с содержани­ем углерода от 0,25 до 0,35 %, т. е. для получения качественных свар­ных соединений деталей из этих сталей необходимо строгое соблюде­ние режимов сварки, специальные присадочные материалы, опреде­ленные температурные условия, а в некоторых случаях — подогрев, термообработка; III — ограниченно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,35 до 0,45 %, для получения качественных сварных со­единений которых дополнительно необходим подогрев, предвари­тельная или последующая термообработка; IV — плохо сваривающи­еся, с содержанием углерода свыше 0,45 %, т. е. сварные швы склон­ны к образованию трещин, свойства сварных соединений понижен­ные, стали этой группы обычно не применяют для изготовления сварных конструкций.

Все низкоуглеродистые стали хорошо свариваются существующи­ми способами сварки плавлением. Обеспечение равнопрочности сварного соединения не вызывает затруднений. Швы имеют удовлетвори­тельную стойкость против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием углерода. Однако в сталях, со­держащих углерод по верхнему пределу, вероятность возникновения холодных трещин повышается, особенно с ростом скорости охлажде­ния (повышение толщины металла, сварка при отрицательных темпе­ратурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях пре­дупреждают появление трещин путем предварительного подогрева до 120-200 °С.

Легированные стали.

Сталь, содержащая один или несколько легирующих элементов, вводимых для придания изделию определенных физико-механичес­ких свойств, называется легированной. Содержание некоторых элемен­тов, когда они не являются легирующими, не должно превышать: кремния (Si) — 0,5 %; марганца (Мп) — 0,8%; хрома (Сг) 0,3 %; никеля (Ni) – 0,3 %; меди (Cu) – 0,3 %.

Легированные стали подразделяют на подклассы: низко-, средне- и высоколегированные. Низколегированная сталь — это сталь, легиро­ванная одним элементом при содержании его не более 2 % (по верхне­му пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержании 3,5 % (по верхнему пределу). Среднелегированная сталь — легирован­ная одним элементом, при содержании его не более 8 % (по верхнему пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержа­нии, как правило, не более 12 % (по верхнему пределу).

Высоколегированная — это сталь с суммарным содержанием легирую­щих элементов не менее 10 % (по верхнему пределу), при содержании одного из них не менее 8 % (по нижнему пределу), при содержании железа более 45 %.

Маркировка всех легированных конструкционных сталей одно­типная. Первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, буквы являются условным обозначением легирующих элементов, цифра после буквы обозначает содержание легирующего элемента в процентах, причем содержание, равное 1 % и меньше, не ставится, буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная и имеет пониженное содержание серы и фосфора.

Условное обозначение элементов химического состава в основном металле и электродной проволоке

Условное обозначение элементов химического состава в основном металле и электродной проволоке

Основными элементами, влияющими на свойства стали, являются углерод, марганец и кремний.

Углерод при повышении его содержания в стали ведет к повыше­нию прочности и твердости и уменьшению пластичности. Окисление углерода во время сварки вызывает появление большого количества газовых пор.

Марганец повышает ударную вязкость и хладноломкость стали, являясь хорошим раскислителем; способствует уменьшению содержа­ния кислорода в стали. При содержании марганца в стали более 1,5 % свариваемость ухудшается, так как увеличивается твердость стали, об­разуются закалочные структуры и могут появиться трещины.

Кремний вводится в сталь как раскислитель. При содержании кремния более 1 % свариваемость стали ухудшается, так как возника­ют тугоплавкие окислы, что ведет к появлению шлаковых включений. Сварной шов становится хрупким.

Хром при значительном содержании в стали снижает ее сваривае­мость вследствие образования тугоплавких окислов и закалочных структур.

Никель повышает прочность и пластичность шва и не ухудшает свариваемость.

Алюминий — активный раскислитель стали, повышает окалиностойкость.

Вольфрам повышает прочность и твердость при повышенных тем­пературах, ухудшает свариваемость, сильно окисляется.

Ванадий затрудняет сварку, сильно окисляется, требует введения в зону плавления активных раскислителей.

Медь улучшает свариваемость, повышая прочность, ударную вяз­кость и коррозионную стойкость сталей.

Сера приводит к образованию горячих трещин.

Фосфор вызывает при сварке появление холодных трещин.

Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости. Первостепенная роль по вли­янию на свойства сталей принадлежит углероду. Доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. На этом основании о свариваемости легированных сталей можно судить по коэффициенту эквивалентности по углероду для различ­ных элементов.

Образование холодных трещин уменьшают путем выбора рацио­нального способа и технологии сварки, предварительного подогрева, снижения содержания водорода в сварном соединении, применения отпуска после сварки.

Элементами, обусловливающими возникновение горячих трещин, являются прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний и др. Элементами, повышающими стойкость швов против трещин и ней­трализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром, ванадий.

Предупреждение образования горячих трещин может быть достиг­нуто путем уменьшения количества и сосредоточения швов, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жест­кости закреплений, предварительного подогрева, применения элект­родного металла с более низким содержанием углерода и кремния.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Получение при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно термоупроченных сталей, вызывает некоторые трудности и требует определенных технологических приемов. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих слоев эти зоны становятся участками деформационного старения, приводяще­го к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к возможному появлению холодных тре­щин. В сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышен­ное количество марганца и хрома, вероятность образования холод­ных трещин увеличивается (особенно с ростом скорости охлажде­ния). Предварительный подогрев и последующая термообработка позволяют снимать остаточные сварочные напряжения и получать необходимые механические свойства сварных соединений из низко­легированных сталей.

По разрезаемости легированные стали делятся на аналогичные четыре группы с соответствующим значением показателя эквивалента углерода.

Алмазы

Алмаз как инструментальный мате­риал получил в последние годы широкое применение в машиностроении.

В настоящее время выпускается боль­шое количество разнообразного инструмента с использованием алмазов: шли­фовальные круги, инструменты для прав­ки шлифовальных кругов из электро­корунда и карбида кремния, пасты и порошки для доводочных и притирочных операций. Значительные по размерам кристаллы алмазов применяются для изготовления алмазных резцов, фрез, сверл и других режущих инструментов. Область применения алмазного инстру­мента с каждым годом все более расши­ряется.

Алмаз представляет собой одну из мо­дификаций углерода кристаллического строения. Алмаз — самый твердый из всех известных в природе минералов. Твердость алмаза выше твердости кар­бида бора в 2,3 раза, карбида кремния — в 3 раза. Высокая твердость алмаза объясняется своеобразием его кристаллического строения, прочностью связей атомов углерода в кристаллической ре­шетке, расположенных на равных и очень малых расстояниях друг от друга. Однако прочность алмаза невелика и он легко раскалывается по плоскостям спайкости. Поэтому алмаз используется для обработ­ки при относительно малых нагрузках.

Коэффициент теплопроводности алма­за в два и более раза выше, чем у спла­ва ВК8, поэтому тепло от зоны резания отводится сравнительно быстро. Алмаз имеет весьма низкий коэффи­циент линейного расширения и высокий модуль упругости. Следовательно, ин­струменты с кристаллами алмаза имеют малые деформации. В результате можно получать детали высокой точности и поддерживать эту точность в течение длительного времени. Теплостойкость алмаза характеризуется тем, что при температуре около 800° С в обычных условиях он начинает превращаться в графит.

Вместе с тем алмаз обладает наи­более высокой абразивной способнос­тью по сравнению с другими абразив­ными материалами. Так, при заточке и доводке твердого сплава расход алмаза в 100—400 раз меньше, чем при обработ­ке карбидом кремния.

Природный алмаз условно обознача­ется А, а синтетические алмазы — АС.

В природе чаще всего встречаются агрегатные разновидности алмаза: борт, карбонадо и баллас. Находки крупных алмазных кристаллов редки. К борту относятся все зернистые и неправиль­ные сростки кристаллов алмазов, час­то без признаков граней и ребер.

К карбонадо относятся весьма тон­козернистые, плотные или несколько пористые агрегаты буровато-черного цвета. Черная окраска карбонадо обус­ловлена наличием в алмазе высокодис­персного графита. Шлифовальные по­рошки из природных алмазов выпуска­ются одной марки — А.

Возросшие потребности в алмазном инструменте не могут быть полностью удовлетворены за счет природных алма­зов. В настоящее время освоено про­мышленное производство синтетических алмазов из графита при больших дав­лениях и высоких температурах. Синтетические алмазы могут быть раз­личных марок, которые отличаются меж­ду собой по прочности, хрупкости, удельной поверхности и форме зерен.

В порядке возрастания прочности, снижения хрупкости и удельной поверх­ности микропорошки марок АН и АСН, имеющие повышенную абразивную спо­собность, рекомендуются для обработ­ки сверхтвердых, хрупких труднообра­батываемых материалов.

Зернистость алмазных шлифоваль­ных порошков, контролируемая сито­вым методом, колеблется от 630 до 40 мкм, а зернистость микропорошков, определяемая под микроскопом, колеб­лется от 60 до 0 мкм.

Марки шлифовальных порошков из синтетических алмазов располагают­ся так: АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС. Зерна АСО с повышенной хрупкостью и развитой поверхностью хорошо удер­живаются в связке и самозатачиваются в процессе работы. Они рекомендуются для изготовления инструментов на ор­ганической связке, а также для паст и порошков. Зерна АСР предназначены в основном для изготовления различ­ного инструмента на металлической и керамической связках.

Зерна АСВ имеют более гладкую по­верхность по сравнению с зернами АСО и АСР и рекомендуются для изготовле­ния инструмента на металлических связ­ках, работающего при повышенных уде­льных давлениях. Зерна АСК рекоменду­ются для изготовления инструмента на твердых металлических связках, при­меняемого для обработки природного камня и других твердых материалов.

Зерна АСС, имеющие наибольшую проч­ность, предназначены для правки абразив­ных кругов, резки и обработки корунда, ру­бина и других особо твердых материалов.

Микропорошки из природных алма­зов имеют марки AM и АН, а из синтетических АСМ и АСН.

Микропорошки марок AM и АСМ нормальной абразивной способности предназначены для изготовления абра­зивного инструмента, которым обраба­тывают твердые сплавы и другие твердые и хрупкие материалы, а также детали из стали, чугуна, цветных металлов при необходимости получения высокой чистоты поверхности.

Зернистость порошков обозначается дробью, числитель которой соответст­вует наибольшему, а знаменатель — наи­меньшему размеру зерен. Она опреде­ляется размерами сторон ячеек двух контрольных сит, через одно из которых зерна должны проходить, на другом — задерживаться. Поэтому фактически в обозначении зернистости порошка чис­литель и знаменатель указывают не на наибольший и наименьший размеры зер­на, а на размеры ячеек сит.

В последние годы все более широкое развитие получают работы, связанные с синтезом крупных алмазных монокрис­таллов и поликристаллов. Промышленность успешно освоила производство балласов АСБ и карбонадо АСПК. Раз­меры выпускаемых алмазов АСБ дос­тигают по диаметру 5—7 мм, а АСПК — до 5 мм, что позволяет использовать их для изготовления резцов, фрез и дру­гих лезвийных инструментов.

Наряду с совершенствованием спо­собов получения синтетических алмазов ведутся исследования по разработке дру­гих искусственных сверхтвердых материалов. Одним из таких материалов яв­ляется кубический нитрид бора (КНБ) — эльбор или боразон, который имеет кристаллическую решетку, аналогичную решетке алмаза, и состоит из двух эле­ментов — бора и азота. Синтезируется боразон в виде кристаллов размером до 600 мкм. Он не имеет природного двой­ника.

Боразон имеет твердость, близкую к твердости алмаза, такую же прочность и большую теплостойкость и не теряет режущих свойств при нагреве до 1500— 1600° С. Он рекомендуется для изготов­ления абразивных инструментов, предназначенных для шлифования трудно­обрабатываемых сталей, особенно быст­рорежущих сталей нормальной и по­вышенной производительности.

Минералокерамические материалы

Сравнительно недавно для изготовле­ния режущих инструментов стали применять минералокерамические материа­лы. Наиболее широкое распространение получил минералокерамический матери­ал марки ЦМ-332, состоящий в основном из окиси алюминия А12О3 с небольшой добавкой (0,5—1,0%) окиси магния MgO. Окись магния препятствует росту крис­таллов во время спекания и является хорошим связующим средством.

Минералокерамические материалы из­готовляются в форме пластинок и присоединяются к корпусам инструментов механическим путем, приклеиванием или припаиванием.

Минералокерамические материалы бо­лее дешевые, чем твердые сплавы, так как в их состав не входят дефицитные и дорогие элементы кобальт, вольфрам и др. Минералокерамика ЦМ-332 обладает высокой твердостью, ее красностойкость достигает 1200° С. Однако она отлича­ется низкой прочностью при изгибе (350—400 мн/м2) и большой хрупкостью, что приводит к частым выкрашиваниям и поломкам пластинок при работе.

Существенным недостатком минерало­керамики является ее крайне низкое сопротивление циклическому изменению температуры. Вследствие этого даже при небольшом числе перерывов в работе на контактных поверхностях инструмен­та появляются микротрещины, которые приводят к его разрушению даже при небольших усилиях резания. Это обсто­ятельство ограничивает практическое применение минералокерамического ин­струмента.

Минералокерамика успешно может применяться для чистового обтачивания чугуна, сталей, неметаллических мате­риалов и цветных металлов с большими скоростями и ограниченным числом пе­рерывов в работе. Имеются примеры удачного применения минералокерами­ки также и на обдирочных операциях.

Минералокерамические инструменты целесообразно применять только на стан­ках повышенной жесткости, характери­зующихся безвибрационной работой. С целью улучшения свойств минерало­керамики проводятся работы по созда­нию керметов, состоящих из минералоке­рамики и металлических добавок в виде карбидов вольфрама, молибдена и др.

Твёрдые металлокерамические сплавы

В настоящее время для производства режущих инструментов широко исполь­зуются твердые сплавы. Они состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных небольшим количест­вом кобальта. Карбиды вольфрама, ти­тана и тантала обладают высокой твер­достью, износостойкостью и теплостой­костью. Инструменты, оснащенные твер­дым сплавом, хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и мате­риалом заготовки и не теряют своих режущих свойств при температуре на­грева до 750—1100° С.

Недостатком твердых сплавов, по сра­внению с быстрорежущей сталью, явля­ется их повышенная хрупкость, которая возрастает с уменьшением содержания кобальта в сплаве. Скорости резания инструментами, оснащенными твердыми сплавами, в 3—4 раза превосходят ско­рости резания инструментами из быстро­режущей стали. Твердосплавные инстру­менты пригодны для обработки закален­ных сталей и таких неметаллических материалов, как стекло, фарфор и т. п.

Производство металлокерамических твердых сплавов относится к области порошковой металлургии. Порошки кар­бидов смешиваются с порошком ко­бальта. Из этой смеси прессуются изде­лия требуемой формы и затем подверга­ются спеканию при температуре, близ­кой к температуре плавления кобальта. Таким путем изготовляются пластинки твердого сплава различных размеров и форм, которыми оснащаются резцы, фре­зы, сверла, зенкеры, развертки и др.

Пластинки твердого сплава крепятся к державке или корпусу напайкой или механически при помощи винтов и при­жимов. Наряду с этим в машинострои­тельной промышленности применяются мелкоразмерные, монолитные твердо­сплавные инструменты, состоящие из твердых сплавов. Они изготовляются из пластифицированных заготовок. В качест­ве пластификатора в порошок твердого сплава вводят парафин до 7—9%. Из пластифицированных сплавов прессуют­ся простые по форме заготовки, которые легко обрабатываются обычным режу­щим инструментом. После механической обработки заготовки спекаются, а затем шлифуются и затачиваются. Из пластифицированного сплава заго­товки монолитных инструментов Могут быть получены путем мундштучного прессования. В этом случае спрессован­ные твердосплавные брикеты помещают­ся в специальный контейнер с твердо­сплавным профилированным мундшту­ком. При продавливании через отверстие мундштука изделие принимает требуе­мую форму и подвергается спеканию. По такой технологии изготовляются мел­кие сверла, зенкеры, развертки и т. п.

Монолитный твердосплавный инстру­мент может также изготовляться из окончательно спеченных твердосплав­ных цилиндрических заготовок с по­следующим вышлифовыванием профиля алмазными кругами.

В зависимости от химического соста­ва металлокерамические твердые спла­вы, применяемые для производства ре­жущего инструмента, разделяются на три основные группы.

Сплавы первой группы изготовляются на основе карбидов вольфрама и кобаль­та. Они носят название вольфрамо­кобальтовых. Это сплавы группы ВК.

Ко второй группе относятся сплавы, получаемые на основе карбидов воль­фрама и титана и связующего метал­ла кобальта. Это двухкарбидные тита- новольфрамокобальтовые сплавы груп­пы ТК.

Третья группа сплавов состоит из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта. Это трехкарбидные титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы груп­пы ТТК.

К однокарбидным сплавам группы ВК относятся сплавы: ВК2, ВКЗ, ВК4, ВКб, ВК8, ВК10, ВК15. Эти сплавы состоят из зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке сплавов цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, сплав ВК8 содержит в своем составе 92% кар­бида вольфрама и 8% кобальта. Рассматриваемые сплавы применяют­ся для обработки чугуна, цветных ме­таллов и неметаллических материалов, При выборе марки твердого сплава учи­тывают содержание кобальта, которое предопределяет его прочность. Из спла­вов группы ВК сплавы ВК15, ВК10, ВК8 являются наиболее вязкими и проч­ными, хорошо противостоят ударам и вибрациям, а сплавы ВК2, ВКЗ обла­дают наиболее высокой износостойко­стью и твердостью при малой вязкости, слабо сопротивляются ударам и вибра­циям. Сплав ВК8 применяется для чер­новой обработки при неравномерном се­чении среза и прерывистом резании, а сплав ВК2 — для чистовой отделоч­ной обработки при непрерывном реза­нии с равномерным сечением среза. Для получистовых работ и черновой об­работки с относительно равномерным сечением срезаемого слоя применяются сплавы ВК4, ВК6. Сплавы ВК10 и ВК15 находят применение при обработ­ке резанием специальных труднообраба­тываемых сталей.

Режущие свойства и качество твердо­сплавного инструмента определяются не только химическим составом сплава, но и его структурой, т. е. величиной зерна. С увеличением размера зерен карбида вольфрама прочность сплава возрастает, а износостойкость умень­шается и наоборот.

В зависимости от размеров зерен кар­бидной фазы сплавы могут быть мелко­зернистые, у которых не менее 50% зерен карбидных фаз имеет размер по­рядка 1 мкм, среднезернистые — с ве­личиной зерна 1—2 мкм и крупнозер­нистые, у которых размер зерен колеб­лется от 2 до 5 мкм.

Для обозначения мелкозернистой структуры в конце марки сплава ста­вится буква М, а для крупнозернистой структуры — буква В.

Твердосплавные пластинки одного и того же химического состава, в зависи­мости от технологии их изготовления, могут иметь различную структуру. На­пример, вольфрамокобальтовый сплав ВК6, состоящий из 94% карбида воль­фрама и 6% кобальта, изготовляется трех модификаций: со среднезернистой структурой — ВК6, с мелкозернистой структурой — ВК6М и крупнозернис­той структурой — ВК6В. Крупнозернистые сплавы, в частности сплав ВК8В, применяют при резании с ударами для черновой обработки жаро­прочных и нержавеющих сталей с боль­шими сечениями среза. Мелкозернистые сплавы, такие как сплав ВК6М, исполь­зуют для чистовой обработки при тон­ких сечениях среза стальных, чугун­ных, пластмассовых и других деталей. Из пластифицированных заготовок мел­козернистых сплавов ВК6М, ВК10М, ВК15М получают цельные инструменты. Крупнозернистые сплавы ВК4В, ВК8В, более прочные, чем обычные сплавы, применяют при обработке труднообра­батываемых сталей и сплавов.

При обработке сталей инструментами, оснащенными вольфрамокобальтовыми сплавами, в особенности при повышен­ных скоростях резания, происходит быстрое образование лунки на перед­ней поверхности, приводящее к выкра­шиванию режущей кромки и сравни­тельно быстрому износу инструмента. Для обработки стальных заготовок при­меняют более износостойкие твердые сплавы группы ТК.

Сплавы группы ТК (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В) состоят из зе­рен твердого раствора карбида вольфра­ма в карбиде титана и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом. В марке сплава цифра после буквы К показывает процентное содер­жание кобальта, а после буквы Т — процентное содержание карбидов титана. Так, сплав Т30К4 содержит 4% кобаль­та, 30% карбидов титана и остальное — карбиды вольфрама. Буква В в конце марки обозначает, что сплав имеет круп­нозернистую структуру. Сплавы Т5К12В и Т5К10 являются наиболее вязкими и прочными и наименее красностойкими. Поэтому сплав Т5К12В рекомендуется применять при работе с ударными на­грузками для обтачивания стальных поковок и отливок по корке, а сплав Т5К10 — для чернового точения при неравномерном сечении среза и преры­вистом резании. Сплав Т30К4, содержащий большой процент карбидов титана, характеризу­ется высокой красностойкостью и износостойкостью, но является наименее прочным и вязким. Поэтому его приме­няют для чистового точения при не­прерывном резании с малыми сечениями среза. Для обработки сталей наиболее применим сплав Т15К6, сочетающий дос­таточно высокую красностойкость и из­носостойкость с удовлетворительной прочностью.

Сплавы группы ТТК состоят из зерен твердого раствора карбида титана, карбида тантала, карбида вольфрама и из­быточных зерен карбида вольфрама, сце­ментированных кобальтом.

К сплавам группы ТТК относятся ТТ7К12, ТТ10К8Б. Сплав ТТ7К12 со­держит 12% кобальта, 3% карбида тантала, 4% карбида титана и 81% кар­бида вольфрама. Введение в состав спла­ва карбидов тантала значительно повы­шает его прочность, но снижает красно­стойкость. Сплав ТТ7К12 рекоменду­ется для тяжелых условий при обточке по корке и работе с ударами, а также для обработки специальных легирован­ных сталей.

С целью экономии дефицитного воль­фрама разрабатываются безвольфрамовые металлокерамические твердые спла­вы на основе карбидов, а также карбидонитридов переходных металлов, в пер­вую очередь, титана, ванадия, ниобия, тантала. Эти сплавы изготовляются на никелемолибденовой связке. Получен­ные твердые сплавы на основе карбидов титана с содержанием 12—19% никеле­молибденовой связки по своим характе­ристикам примерно равноценны стан­дартным сплавам группы ТК.

Одним из путей повышения эксплуата­ционных характеристик стандартных, твердых сплавов группы ВК является нанесение покрытий из карбида титана на режущую часть. В этом случае на неперетачиваемые пластины из твердых сплавов наносится слой покрытия тол­щиной 0,005—0,02 мм. В результате поверхностный слой получает высокую твердость и повышенную износостойкость, что приводит к значительному росту стойкости инструмента.

Проводятся работы по созданию и уточнению области целесообразного применения дисперсионно-твердых сплавов: В18М7К25, В18МЗК25, В10М5К25. Эти сплавы занимают промежуточное поло­жение между быстрорежущими сталями и металлокерамическими твердыми спла­вами. Дисперсионно-твердеющие спла­вы в зависимости от их марки содержат: W— 10—19%, Со—25—26%, Мо — 3—7%, V —0,45—0,55%, Ti — 0,15— 0,3%, С—до 0,06%, Мп — не более 0,23%, Si — не более 0,28%, осталь­ное Fe.

В отличие от быстрорежущих сталей рассматриваемые сплавы имеют более высокую красностойкость (700—720° С) и твердость (HRC 68—69). Высокая твердость и теплостойкость обусловли­вают их повышенные режущие свойства.


Инструментальные стали

Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных ста­лей У10А, У11А, У12А, обладают доста­точной твердостью, прочностью и износо­стойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200 — 250° их твер­дость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназна­ченных для обработки мягких метал­лов с низкими скоростями резания, таких как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Угле­родистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабаты­ваемость резанием и давлением. Однако они плохо закаливаются и требуют при­менения при закалке резких закалоч­ных сред, что усиливает коробление ин­струментов и опасность образования трещин.

Инструменты из углеродистых инстру­ментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и по­тери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости угле­родистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасон­ных инструментов, подлежащих шлифо­ванию по профилю.

С целью улучшения свойств углеро­дистых инструментальных сталей были разработаны низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувст­вительностью к перегреву, чем углеро­дистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает брак из-за деформации и тре­щин по сравнению с получаемым при термической обработке углеродистых сталей. Примером низколегированных сталей может служить сталь У11X, ко­торая представляет собой углеродис­тую сталь с небольшими добавками хрома.

Низколегированные стали не превос­ходят углеродистые стали по режущим свойствам, так как введение в сталь небольшого количества легирующих эле­ментов не повышает теплостойкость ста­ли. Поэтому область применения для низколегированных сталей рекоменду­ется та же, что и для углеродистых ста­лей.

Легированные инструментальные ста­ли отличаются от углеродистых более высокой прокаливаемостью и закалива­емостью, что позволяет производить за­калку инструментов с охлаждением в горячих средах и получать меньшую деформацию. В производстве режущих инструмен­тов из инструментальных легирован­ных сталей наибольшее применение на­ходят хромокремнистая сталь 9ХС и хромовольфрамомарганцовистая сталь ХВГ.

У стали 9ХС наблюдается равномер­ное распределение карбидов по сечению. Это позволяет использовать ее для резь­бонарезных инструментов с мелким ша­гом резьбы, особенно для круглых плашек.

Вместе с тем сталь 9ХС имеет повы­шенную твердость в отожженном состоя­нии, пониженную обрабатываемость, вы­сокую чувствительность к обезуглерожи­ванию при нагреве.

Сталь ХВГ имеет повышенную карбид­ную неоднородность, что усиливает выкрашивание режущих кромок и не позволяет рекомендовать ее для инстру­ментов, работающих в тяжелых усло­виях. Применяется она для изготовле­ния таких инструментов, как длинные развертки, метчики, протяжки, для ко­торых крайне нежелательна деформа­ция при закалке.

Вместо сталей 9ХС и ХВГ можно при­менять сталь ХГСВФ. Она имеет меньшую твердость после отжига и обезуглерожи­вается значительно меньше, чем сталь 9ХС.

По теплостойкости легированные ин­струментальные стали незначительно пре­восходят углеродистые. Они сохраняют высокую твердость при нагреве до 200—260° С. Поэтому эти стали непригодны для резания с повышенной скорос­тью, а также для обработки твердых материалов.

В настоящее время для изготовления металлорежущих инструментов приме­няются быстрорежущие стали. В зависи­мости от назначения их можно разде­лить на две группы: 1) стали нормальной производительности; 2) стали повышен­ной производительности.

К сталям первой группы относятся Р18, Р12, Р9, Р6МЗ, Р6М5, Р9М4; к сталям второй группы – Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2. В обозначении марок буква Р указы­вает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифра, следующая за ней, показывает среднее содержание вольфрама в процентах. Среднее содер­жание ванадия в стали в процентах обо­значается цифрой, проставляемой за бук­вой Ф, кобальта — цифрой, следующей за буквой К.

Быстрорежущая сталь Р18, содержа­щая 18% вольфрама, долгое время бы­ла наиболее распространенной. Инстру­менты, изготовленные из этой стали, после термической обработки имеют твер­дость HRC 62—65, красностойкость 600° С и достаточно высокую прочность. Сталь Р18 сравнительно хорошо шлифует­ся. Существенным недостатком этой ста­ли является большая карбидная неодно­родность, особенно значительная в прут­ках большого сечения.

При увеличении карбидной неоднород­ности прочность стали снижается и при работе наблюдается выкрашивание ре­жущих кромок инструмента и снижение его стойкости.

Большое количество избыточной кар­бидной фазы делает сталь Р18 более мелкозернистой, менее чувствительной к перегреву при закалке, более износостой­кой. Из стали Р18 могут изготовляться всевозможные инструменты, в том чис­ле такие сложные как шеверы, долбяки, протяжки и др.

Сталь Р9 по красностойкости и режу­щим свойствам почти не уступает стали Р18.

Недостатком стали Р9 является по­ниженная шлифуемость, вызываемая сравнительно высоким содержанием ва­надия и присутствием в структуре очень твердых карбидов. Вместе с тем сталь Р9, по сравнению со сталью Р18, имеет бо­лее равномерное распределение карбидов, несколько большую прочность и плас­тичность, что облегчает ее деформируе­мость в горячем состоянии и имеет важное значение для инструментов, полу­чаемых различными методами пластиче­ской деформации. Из-за пониженной шли- фуемости сталь Р9 применяется в огра­ниченных пределах. Сталь Р12 равноценна по режущим свойствам стали Р18. По сравнению со сталью Р18 сталь Р12 имеет меньшую кар­бидную неоднородность, повышенную пластичность и пригодна для инструмен­тов, изготовляемых методом пластиче­ской деформации.

По сравнению со сталью Р9 сталь Р12 лучше шлифуется, что объясняется более удачным сочетанием легирующих эле­ментов.

Стали марок Р18М и Р9М отличаются от сталей Р18 и Р9 тем, что они в своем составе вместо вольфрама содержат до 0,6—1% молибдена (из расчета, что 1% молибдена заменяет 2% вольфрама). Эти стали имеют равномерно распределен­ные карбиды, но более склонны к обез­углероживанию. Поэтому закалку ин­струментов из этих сталей необходимо проводить в защитной атмосфере. По своим основным свойствам стали Р18М и Р9М не отличаются от сталей Р18 и Р9 и имеют ту же область примене­ния.

Вольфрамомолибденовые стали типа Р6МЗ, Р6М5 являются новыми сталями, значительно повышающими как проч­ность, так и стойкость инструмента. Мо­либден обусловливает меньшую карбид­ную неоднородность, чем вольфрам, вследствие чего замена 6—10% вольфра­ма соответствующим количеством молиб­дена снижает карбидную неоднородность быстрорежущих сталей примерно на 2 балла и соответственно повышает плас­тичность. Недостаток молибденовых ста­лей заключается в том, что они имеют повышенную чувствительность к обез­углероживанию.

Вольфрамомолибденовые стали реко­мендуется применять в промышленности наряду с вольфрамовыми для изготовле­ния инструмента, работающего в тяже­лых условиях, когда необходима повы­шенная износостойкость, пониженная карбидная неоднородность и высокая прочность. Сталь Р18, особенно в крупных сече­ниях (диаметром более 50 мм), с боль­шой карбидной неоднородностью целе­сообразно заменять на стали Р6МЗ и Р12. Сталь Р12 пригодна для протяжек, сверл, особенно в сечениях диаметром менее 60—70 мм. Сталь Р6МЗ целесооб­разно использовать для инструментов, изготовляемых способом пластической деформации, для инструментов, работа­ющих с динамическими нагрузками, и для инструментов больших сечений с ма­лыми углами заострения на режущей части.

Быстрорежущие стали повышенной производительности Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 используются в основном при обработке жаропрочных сплавов, высо­копрочных и нержавеющих сталей, дру­гих труднообрабатываемых материалов, а также конструкционных сталей с по­вышенными режимами резания. В на­стоящее время применяются кобальто­вые и ванадиевые быстрорежущие стали. Легирование быстрорежущих сталей ко­бальтом и ванадием понижает проч­ность, но повышает красностойкость до 630—670°С. При этом возрастают их ре­жущие свойства, т. е. повышается стой­кость инструмента в 1,5—3,0 раза по сравнению со стойкостью инструментов из стали Р18.

Вместе с тем быстрорежущие стали повышенной производительности, со­держащие кобальт, имеют повышенную чувствительность к обезуглероживанию. Быстрорежущие стали повышенной про­изводительности шлифуются хуже ста­ли Р18 и требуют более точного соблюде­ния температур нагрева при термической обработке. В порядке ухудшения шлифуемости рассматриваемые стали распо­лагаются в такой последовательности: Р18Ф2, Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10, Р14Ф4, Р9Ф5, Р10К5Ф5. Ухудшение шлифуемости выражается в повышении износа абразивных кругов и увеличении толщи­ны поверхностного слоя стали, повреж­даемого при излишне жестком режиме шлифования. Быстрорежущие стали повышенной производительности из-за технологических недостатков не являются сталями универсального назначения. Они имеют относительно узкие границы примене­ния, более пригодны для инструментов, подвергаемых незначительному про­фильному шлифованию.