Механические свойства криогенных сталей

Марка стали	Порог хладоломкости		Механические свойства
	Т90	Т50	в (+20 оС), МПа	ан (-196 оС), КДж/м2
10Х14Г14Н4Т	-196	<-196	635	2000
10Х18Н10Т	<-196	<-196	540	2000
07Х21ГАН5	<-196	<-196	685	2000
03Х20Н16АГ6	<-269	<-269	685	2000
03Х19ГЮН7АМ	<-196	<-196	782	1000

1.4.4. Инструментальные стали

Инструментальные стали применяют для изготовления режущих, измерительных инструментов и штампов. К ним предъявляются высокие требования по прочности, износостойкости и твердости. Они подразделяются на углеродистые и легированные инструментальные стали. Углеродистые стали маркируются буквой У и цифрой, указывающей на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце обозначает, что сталь высококачественная.

Углеродистые инструментальные стали марок У7, У8, У 10 (У10А), У11 (У11А), У12 (У12А) вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость. После закалки имеют высокую твердость (60 HRC), которая сохраняется при низком отпуске (150 - 180 °С) но твердость этих сталей при нагреве выше 190 - 200 °С резко падает. Поэтому их используют для изготовления режущих инструментов (сверла, зенкеры, фрезы и др.) небольших размеров при обработке непрочных материалов с малыми скоростями резания.

Легированные инструментальные стали марок 11Х, 11ХФ, 13Х, ХВГ, ХВСГ, 9ХС и др. имеют большую прокаливаемость и это предотвращает деформацию инструмента и его коробление при термической обработке. Эти стали применяются для изготовления режущего инструмента (сверла, развертки и т.п.), не подвергаемого в работе нагреву свыше 220 - 250 °С, так как при больших температурах твердость падает.

Быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью) , так как они способны сохранять мартенситную структуру и вследствие этого высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах (600 - 650 °С), возникающих в режущей кромке инструмента. Применение быстрорежущих сталей позволяет повысить скорость резания в 2 - 4 раза, а стоимость инструментов в 10 - 30 раз по сравнению с инструментальными сталями, не обладающими термостойкостью. Все быстрорежущие стали маркируют буквой Р (рапид - скорость), следующая цифра обозначает содержание вольфрама в процентах (буква В опускается), затем указываются ле­гирующие элементы молибден М, ванадий Ф, кобальт К и содержание их в процентах. Быстрорежущие стали всегда содержат около 4 % Cr, ко­торый опускается в маркировке. Например, сталь Р18 содержит 0,7 - 0,8 % С, 4 % Cr, 18 % W; сталь марки Р6М5К5 содержит около 0,8 % С , 4 % Cr, 6 % W, 5 % Мо, 5 % Со.

В зависимости от химического состава, а следовательно, и уровня основных свойств быстрорежущие стали подразделяют на стали с нормальной теплоемкостью и стали с повышенной теплоемкостью. Стали с нормальной теплостойкостью содержат не более 2 % V. Это стали Р18, Р9, Р6МЗ, Р6М5 и др. Стали повышенной теплостойкости содержат большее количество ванадия, они дополнительно легированы хромом (Р12ФЗ, Р6М5ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8 и др.), твердость их составляет 68-78 HRC.

Сочетание твердости и высокой теплостойкости обеспечивается закалкой с температуры 1200-1300 °С с последующим отпуском при 550-560 °С, а для некоторых сталей при 600-650 °С. Высокая твердость и высокая теплоемкость обусловлены выделением карбидов типа MC, M₆C, M₂₃C, либо интерметаллидов типа Co₇W₆.

Быстрорежущие стали широко применяют для режущих инструментов, работающих в условиях значительного нагружения и нагрева рабочих кромок (600-650 °С). Инструмент из быстрорежущей стали обладает достаточно высокой стабильностью свойств, что особо важно в условиях автоматизированного производства.

Твердые сплавы. Твердыми называют сплавы, изготовленные методом порошковой металлургии и состоящие из зерен высокотвердых тугоплавких соединений (карбидов, реже нитридов или боридов переходных металлов), сцементированных пластичным металлом-связкой. В качестве тугоплавкой фазы твердых сплавов широко используются карбиды WC, TiC, TaC, CrC или их смеси, а в качестве связки Со, Ni, реже Ре и их сплавы. Твердые сплавы имеют высокую твердость в зависимости от состава (HRA 80-92) и теплостойкость (до 900-1000 °С), что обеспечивает им существенно более высокие режущие свойства по сравнению с быстрорежущими сталями. При высокой твердости твердые сплавы обладают повышенной хрупкостью и малой прочностью при растягивающих напряжениях. При работе с ударами и толчками твердый сплав выкрашивается и стойкость снижается.

В нашей стране изготовляют сплавы в основном трех групп (ГОСТ 3882-74); вольфрамовые (ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10), состоящие из карбидов WC, связанных кобальтом; титановольфрамовые (ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12), состоящие из карбидов WC, TiC связанных Со; титанотанталовольфрамовые (ТТ17К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ20К9), состоящие из карбидов WC, TiC, TaC и в качестве связки используют Со.

Наибольшей твердостью (HRA 89-91) и износостойкостью, но пониженной прочностью и сопротивлением удару обладают сплавы ВКЗ и ВКЗ-М. Эти сплавы применяют для чистового точения изделий из цементированных и закаленных сталей, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов (пластмассы, стеклопластиков и т.д.).

Сплавы ВК6, ВК8 (содержание Со 6 и 8 % соответственно) имеют пониженную твердость (по сравнению с ВКЗ) и износостойкость, но обладают высокой эксплуатационной прочностью и сопротивляемостью ударам, вибрациям. Сплав ВК8 применяется для обработки коррозионно-стойких и высокопрочных сталей и сплавов на основе титана. Сплав ВК10-М имеет высокую твердость и износостойкость, обладает высокой эксплуатационной прочностью. Применяется для сверления, зенкерования, развертывания деталей из сталей, трудно обрабатываемых неметаллических материалов мелкоразмерным инструментом. Этот сплав применяется при изготовлении сверл для сверления отверстий в основаниях печатных плат из стеклотекстолита, гетинакса. Так как твердые сплавы имеют очень высокую твердость, то их нельзя подвергать никакой механической обработке, кроме шлифования. Поэтому сплавы изготовляют в виде стандартных пластин различной формы для оснащения резцов, фрез, сверл и т.д. Пластины в режущем инструменте крепят или с помощью медного припоя, или механическим способом.

Штамповые стали. При производстве деталей РЭС применяют в основном методы холодной штамповки. Поэтому мы рассмотрим стали штампов холодного деформирования.

Инструментальные штамповые стали должны иметь высокую прочность, вязкость и износостойкость, способность существенно повышать твердость после термической обработки, высокую прокаливаемость.

При изготовлении деталей из легких листовых металлов простой формы, у которых _в < 500 МПа применяют инструментальные стали У10, У10А, 7ХГНМ.

Для изготовления рабочих деталей штампов сложной формы при формообразовании деталей из металлов, у которых _в > 500 Мпа применяют износостойкие стали с повышенным содержанием карбидов X12М, Х12Ф1, Х6ВФ, Х12ВМ, Х12Ф4М и др.

При выполнении операций вырубки, пробивки, просечки, отрезки наблюдается наименьшая стойкость инструмента вследствие возникновения больших давлений, неблагоприятного напряженного состояния и нагрева рабочих частей инструментов. Рабочие органы для таких операций выполняются из износостойких сталей Х12, Х12ВМФ, Х12МФ и др.

Для прецизионной вырубки, пробивки, вытяжки деталей из цветных сплавов и низкоуглеродистых сталей применяется высокопрочная сталь с повышенной ударной вязкостью 7ХГ2ВМФ.