Специальные стали. Том 1

Гудремон Э.А.

Металлургия, 1966 г.

Хром в инструментальной стали

Применение хрома в инструментальной стали основывается на способности этого элемента к карбидообразованию. Усиление хромом прокаливаемости способствует повышению прочности при испытании на сжатие, а также и усталостной прочности. Наблюдающееся при высоком содержании хрома и углерода образование специальных карбидов приводит к повышению устойчивости против отпуска и в известной мере также к повышению прочности при высоких температурах. Повышенное количество карбидов в структуре приводит также к повышению износостойкости и режущих свойств.

а. Инструментальная сталь с низким содержанием хрома

Хромистая сталь с 1 % С применяется для изготовления матриц холодных штампов, просечных штампов, валков холодной прокатки диаметром менее 100 мм и т. д., т. е. во всех случаях, когда путем повышения прокаливаемости хотят получить увеличение срока службы и повышение допустимого напряжения сжатия. Закалка производится с 760—800° С, охлаждение в воде. При наличии в стали не растворимых при температурах закалки хромистых карбидов сталь оказывается относительно нечувствительной к перегреву. Одновременно поводка изделий, изготовленных из нее, оказывается несколько меньшей по сравнению с поводкой углеродистой стали. Влияние хрома на изменение размеров при закалке и на восприимчивость к закалке показано на рис. 223. После 34-кратной закалки хромистая сталь, несмотря на относительно более высокое содержание углерода, не имела трещин; в то же время в марганцовистой стали уже наблюдались трещины. Хромистая сталь характеризуется по сравнению с марганцовистой значительно меньшими изменениями объема.

Легирование хромом в количестве от 0,2—1% применяют, например, при изготовлении ленточной стали для лезвий бритв, для ленточных пил по дереву и часовых пружин (при одновременном легировании приблизительно 1% Si)  а также при изготовлении холоднотянутой стали для спиральных сверл. В последнем случае особой известностью пользуется легированная хромом сталь-серебрянка, содержащая приблизительно 1 % С и от 0,5 до 1 °/о Сr. Такая сталь в изделиях малой толщины может закаливаться в мягко действующих охладителях, например в масле.

При легировании хромом в количестве от 0,2 до 0,5% снижается чувствительность инструментальной стали к графитообразовапию при нагреве. Это особенно важно для сталей с высоким содержанием углерода и сталей, легированных элементами, способствующими графитизации, например для кремнистых и вольфрамовых сталей.

б. Инструментальная сталь со средним содержанием хрома

Сталь с несколько повышенным содержанием хрома, например с 2%Сr и 1% С, допускает закалку в масле даже в случае сравнительно крупных сечений (60—70 мм). Температура нагрева   при закалке в масле несколько выше, чем при закалке в воде, например, с 780 до 830° С и выше; при этом в раствор переходит уже значительное количество карбидов. Изделия меньших размеров охлаждают в масле с 800—830° С, более крупных размеров — с 840—860°С.

Указанная сталь обладает тем преимуществом, что при закалке в масле наблюдается весьма незначительная поводка, особенно в случае изделий малых размеров, когда достигается полная прокаливаемость. Такую сталь можно, следовательно, применять наряду с марганцовистой (2% Мn) для изготовления метчиков, фрез, различных режущих инструментов и т. д., причем она нечувствительна к перегреву. Так как марганец дешевле хрома, то часто применяется сталь, одновременно легированная и марганцем и хромом; такая сталь закаливается в масле, причем обнаруживает весьма малую поводку. Иногда, кроме хрома, добавляют еще и вольфрам (табл. 63, на стр. 420). Для изготовления таких режущих инструментов, как плашки, фрезы и т. д., легирование карбидообразующими элементами имеет то преимущество, что в структуре стали после закалки присутствует значительное количество тонко распределенных карбидов, которые повышают сопротивление износу и удлиняют срок службы инструмента.

Широкое применение находит сталь с содержанием ~0,85% С и от 1,5 до 2,3% Сr; она используется для изготовления валков холодной прокатки самых крупных размеров и в этих случаях подвергается закалке в воде (на максимальную твердость). Такие легирующие элементы, как никель, для повышения прокаливаемости используются в очень редких случаях, так как при этом повышается количество остаточного аустенита. Более благоприятно легирование молибденом в количестве от 0,3 до 1%, которое увеличивает прокаливаемость, не повышая существенно количества остаточного аустенита. В большинстве случаев закаливают также и шейки валков, при этом достигается не только уменьшение износа подшипников скольжения, но и делается возможным применение также и роликовых подшипников. Иногда закаливают и внутреннюю полость валков, что приводит к уменьшению напряжений. В частности, при закалке внутренней полости происходит повышение сопротивления усталостному разрушению (по отверстию). В последнее десятилетие имеется тенденция непрерывного повышения скорости лентопрокатных станов; поэтому такие валки охлаждают изнутри, а так как коррозия (в воде) под напряжением может привести к коррозионному усталостному излому, то во внутреннюю полость валков вставляют медные трубки.

Чтобы облегчить изготовление валков очень крупных размеров, их иногда делают составными: закаленный обод надевают на отдельно обработанный стержень. Для закалки подобных валков с успехом применяют индукционный нагрев или нагрев газопламенной горелкой; при этом до температуры закалки нагревается только зона, подлежащая упрочнению.

На закаленных до максимальной твердости валках могут появляться шлифовочные трещины, если шлифовка производится недостаточно тщательно (см. рис. 230). Сетка шлифовочных трещин, которая на гладкой поверхности обнаруживается с трудом, может вызвать скорлупообразное шелушение валков в эксплуатации. Подобные ответственные изделия особенно чувствительны' к местным перенапряжениям, которые могут вызываться, например, наличием заворотов или других подобных дефектов на поверхности листов или лент или попаданием посторонних тел между валками. Такие перенапряжения могут служить причиной появления трещин (надрывов) в местах перехода от закаленного слоя к незакаленной сердцевине; эти надрывы могут увеличиваться и переходить в трещины усталости, что будет тем самым приводить к скорлупообразному шелушению (рис. 455). Шлифовочные трещины, а вместе с ними и шелушение могут возникать и в процессе самой шлифовки валков из-за местного нагрева поверхности.

в. Инструментальная сталь с высоким содержанием хрома

В качестве стали, стойкой при отпуске и работающей в нагретом состоянии, находит применение сталь с 0,5% С и 3—5% Сr, используемая для изготовления ковочных штампов, деталей ковочных машин и т. п. Красностойкость этой стали может быть еще повышена присадкой молибдена и ванадия. Иногда ее применяют также для прокаливающихся насквозь штампов для столовых приборов, работающих при высоких напряжениях . Наряду с устойчивостью против отпуска решающую роль играет повышение износоустойчивости за счет присутствия карбидов. Сталь, содержащую приблизительно 1% Си 4—5% Сr, применяют как закаливающуюся без поводки при хорошем сопротивлении износу . В качестве еще одного примера можно было бы назвать сталь с 2% С и 3% Сr, которая применяется как износостойкая для изготовления форм при прессовании брикетов, кирпичей, а также используется в виде фасонного стального литья для частей водяных турбин благодаря высокому сопротивлению кавитации'. Вследствие высокого содержания карбидов в стали закалку форм для брикетов производят с 900° С в масле.

Дальнейшее повышение износостойкости наблюдается в стали с содержанием углерода от 0,4 до 2,2% и хрома от 12 до 15%, что объясняется наличием в ней твердых карбидов хрома. Эту сталь закаливают с температуры 950—1000° С, при которой уже достаточно большое количество карбидов переходит в раствор; сталь закаливается уже при охлаждении на воздухе и отличается при этом малой поводкой.

Сталь, содержащая 0,4—0,5% С и около 14% Сr, применяется для изготовления нержавеющих ножей, которые при надлежащей закалке обладают хорошей режущей способностью. Слишком низкие температуры закалки, например 850—900° С, связаны вследствие недостаточного растворения карбидов с получением низкой твердости. Чрезмерно высокие температуры закалки также приводят к недостаточной твердости вследствие резкого увеличения количества остаточного аустенита. При глубоком охлаждении часть аустенита может быть превращена в мартенсит; при этом получают повышение твердости и коррозионной стойкости (из-за высокого содержания хрома в растворе). Однако чрезмерно высокая твердость для ножей и нежелательна из-за связанной с ней высокой хрупкости. Максимально достигаемая твердость доходит до 58—60 HRC.Повышенную способность к резанию при еще достаточном сопротивлении ржавлению имеет сталь, содержащая 0,8—0,9% С, 16% Сr и присадки марганца, никеля, молибдена или кобальта.

Хромистая сталь с содержанием 1,4% С и 12—15% Сr обладает очень высокой износостойкостью: она применяется для изготовления пил по металлу, фрез и т. д. Присадка около 3% Со еще больше улучшает режущую способность: сталь с 2,2% С и 12—18% Сr при дополнительном легировании небольшими количествами вольфрама, молибдена и кобальта закаливается на воздухе, является весьма износостойкой и может применяться для изготовления чеканочного инструмента, притирочных плит, прорезных штампов, волочильных досок, разверток и т. д. Повышенная устойчивость против снижения твердости при отпуске привела к применению ее для деталей, работающих в нагретом состоянии: уширяющих бойков, мелких валков и т. д. Хорошей стойкостью при горячем прессовании снарядов обладают, например, пуансоны! из стали с 0,2% С и 14% Сr. Хром добавляют ко всем сталям, предназначенным для изготовления высокопроизводительных инструментов, работающих со снятием стружки. Так как устойчивость против отпуска, определяемая легированием хромом, сохраняется только до

500° С, в то время как красностойкость, вызываемая другими карбидообразующими элементами, сохраняется до более высоких температур, хром следует рассматривать главным образом как элемент, повышающий прокаливаемость и увеличивающий количество карбидной фазы. Поэтому быстрорежущая сталь почти всегда содержит 4—5% Сr. Однако нет недостатка в попытках применять в качестве экономичной быстрорежущую сталь с содержанием от 8 до 12% Сr, до 5% Wи 2,5% V (см. об этом также в разделе «Быстрорежущая сталь», т. II).

Сталь карбидного класса применяют для изготовления инструментов, от которых требуются высокие твердость и сопротивление износу, причем одновременно необходимо, чтобы сталь закаливалась в масле для уменьшения поводки, что особенно важно для сложных деталей. Этоособенно относится к стали ледебуритного класса, для которой возможна воздушная закалка и которая, кроме того, обнаруживает весьма  высокую устойчивость против отпуска. Такую сталь, следовательно, можно применять для сложных инструментов, работающих в условиях нагрева. Когда при закалке такой стали необходимо получить минимальную поводку инструмента, рекомендуется нагревать его до температуры около 950—1000° С (при этом переводят возможно большее количество карбидов в раствор), а затем медленно охлаждать до 850°С в печи и, наконец, закаливать в масле или в струе сжатого воздуха. Появляющиеся при закалке ледебуритной хромистой стали весьма незначительные изменения размеров, как показал Фрезер, зависят от карбидной строчечности, определяемой условиями ковки и прокатки. Как правило, в продольном направлении размеры изменяются сильнее, чем в поперечном (см. стр. 265). В стали с более низким содержанием углерода и хрома и, следовательно, с меньшим содержанием карбидов, например с 1 % С и 4—5% Сr, изменения размеров при закалке меньше зависят от условий предварительной деформации (карбидной строчечности), чем в стали с содержанием 12—14% Сr и 1,5—2% С.