Быстрорежущие стали

Доля режущего инструмента из быстрорежущей стали (в общем объёме режущего инструмента) составляет до 70%.

Повышенная теплостойкость данных сталей предопределяется введением в их состав легирующих элементов (W, Mo, Cr, V и Co), образующих сложные карбиды, которые связывает практически весь углерод. Поэтому коагуляция карбидов происходит при повышенных температурах и теплостойкость стали повышается до 580…700 ^оС. Высокая твёрдость быстрорежущих сталей (63…70 HRC_э), прочность на изгиб и сжатие связаны с превращением (переходом) остаточного аустенита в мартенсит, а также с дисперсионным упрочнением сталей в результате выделения карбидов, не растворившихся при закалки. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующие карбидообразующим и легирующим элементам (В-вольфрам, М-молибден, Ф-ванадий, А-азот, К-кобальт). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах. Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента.

По уровню теплостойкости быстрорежущие стали делятся на три группы:

1. Стали нормальной теплостойкости – вольфрамовые быстрорежущие (Р18, Р9, Р12) и вольфрамомолибденовые быстрорежущие стали (Р6М5,Р8М3). 2.Стали повышенной теплостойкости – вольфрамокобальтовые быстрорежущие (Р9К5, Р9К10, Р6М5К5), вольфрамованадивые быстрорежущие стали (Р12Ф3, Р6М5Ф3). 3. Стали высокой теплостойкости (В11М7К23, В14М7К25).

Быстрорежущие стали нормальной теплостойкости. Стали данной группы имеют твердость в закаленном состоянии 63-65 НRС_э, предел прочности при изгибе 2,9-3,4 ГПа, ударную вязкость 2,7-4,8 Дж/м², теплостойкость 620-630^оС (табл. 3). Указанные в табл.3 марки сталей получили наиболее широкое распространение для изготовления режущего инструмента. Режущие инструменты, изготовленные из сталей нормальной теплостойкости, используются при обработке заготовок из конструкционных сталей, чугунов, цветных сплавов и конструкционных пластмасс. Применяются стали дополнительно легированные азотом, например, Р6АМ5, которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает твердость стали и режущие свойства инструмента.

Таблица 3. Некоторые свойства быстрорежущих сталей нормальной

теплостойкости.

Марка стали	г/см3	Твердость	После закалки	Температура, оС	Тепло-стойкость, оС
После отжи-га, НВ	После закалки и отпус-ка, НRСэ	,МПа	105, Дж/м2	Закал-ки	Отпус-ка
Р18	8,75			2,9-3,1	3,0
Р9	8,3			3,35	2,0
Р6М5; Р6АМ5	8,15			3,3-3,4	4,8
11Р3АМ3Ф2	7,9			2,9-3,1	4,5
Р6М5Ф3	8,15			-	4,0
Р12Ф3	8,39			3,0-3,1	2,7
Р9К5	8,25			2,5	0,7
Р6М5К5	8,15			3,0	2,75
Р9М4К8	8,3			2,5	2,6

Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости. Повышение износостойкости и теплостойкости быстрорежущих сталей достигается дополнительным легированием их ванадием и кобальтом с соответствующим изменением содержания углерода (табл. 4, 5).

Таблица 4. Некоторые составы высокованадиевых сталей.

Стали данной группы характеризуются повышенным содержанием углерода. Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 65-67 НRC_э, теплостойкость сталей – 640-650^оС. Инструменты, изготовленные из сталей повышенной теплостойкости, используются при обработке заготовок из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности.

При легировании 2,5…5% ванадия и увеличением содержания на каждые 1% ванадия 0,2% углерода, в стали образуется повышенное количество карбидов вольфрама (типа Ме₆С), которые практически не растворяются при нагреве под закалку. Наличие в стали после закалки и отпуска ванадиевых карбидов аналогичного типа обеспечивает изготовленному из нее инструменту повышенную износостойкость. Наиболее распространенной маркой этой группы является сталь Р6М5Ф3.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия, так как твердость последних не уступает твердости зерен шлифовального круга.

Кобальт не является карбидообразующим элементом, поэтому его введение приводит к увеличению температуры превращений, повышается химическая активность углерода, вольфрама и молибдена в феррите, что является причиной образования увеличенного количества дисперсных частиц, играющие роль фазовых упрочнителей при отпуске. Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Влияние кобальта на свойства быстрорежущей стали становится заметным при его введении в сталь в количестве 5%. В связи с указанным, типичные концентрации кобальта составляют 5-8% и реже – 10-12%.

Наиболее распространенные кобальтовые стали представлены в табл. 5.

Таблица 5.Составы наиболее применяемых кобальтовых

быстрорежущих сталей.

Наряду с большими достоинствами по износостойкости, твердости, теплостойкости и теплопроводности, кобальтовые стали имеют существенные недостатки: относительно низкая пластичность, высокая склонность к обезуглероживанию, в процессе нагрева под горячее деформирование и закалку, сниженная прочность при изгибе. Последний параметр сильно зависит также и от других легирующих элементов. В частности, большей прочностью обладают кобальтовые стали Р2М9К8 ( ГПа) и Р6М5К6 ( ГПа), легированные молибденом, меньшей прочностью обладают вольфрамовые стали типа Р12Ф4К5 ( ГПа).

Быстрорежущие стали высокой теплостойкости (стали с интерметаллидным упрочнением). Данные стали характеризуются пониженным содержанием углерода (содержание С до 0,3%) и большим количеством легирующих элементов (В11М7К23, В14М7К25) (табл. 6). Они имеют твердость 69-70 НRC_э и теплостойкость 700-720^оС.

Таблица 6. Составы некоторых сталей высокой теплостойкости.

Высокая теплостойкость, твердость и износостойкость сталей данной группы определяется повышением уровня температур, приводящих к фазовым превращениям, а также большой сопротивляемостью коагуляции интерметаллидной фазы.

Стали с интерметаллидным упрочнением имеют низкую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 НRC_э), их прочность близка к прочности кобальтовых сталей ( ГПа). Поэтому инструмент, изготовленный из таких сталей, рекомендуют для обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов.

Экономнолегированные быстрорежущие стали. В связи с возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение находят стали с низким содержанием указанных элементов или не содержащие вольфрам, которые называют экономнолегированными. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3М3Ф2, которая обладает достаточно высокими показателями по твердости (НRC_э 63-64), прочности ( ГПа) и теплостойкости (до 620^оС).

Находит применение низколегированная безвольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сr; 1,5% V). Эта сталь принадлежит к новому классу заэвтектоидных сталей, в отличие от традиционных ледебуритных сталей. Нагрев под закалку позволяет растворить все карбиды типа Ме₆С (что невозможно для ледебуритных сталей), что обеспечивает легированность и свойства стали 11М5Ф примерно на уровне соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономнолегированных сталей показали, что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11Р3АМ3Ф2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Сталь 11Р3АМ3Ф2 более технологична в металлургическом производстве, однако из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

С целью улучшения свойств быстрорежущей стали 70-х годах широко начали использовать технологию электрошлакового переплава. Карбидная неоднородность металла после электрошлакового переплава снижается на 1-2 балла, стойкость инструмента возрастает на 15-20%.

Электрошлаковый переплав повышает пластичность стали в горячем состоянии, что позволяет увеличивать выход годного при производстве малотехнологичных в металлургическом производстве “сверхбыстрорежущих” сталей. Стоимость сталей электрошлакового производства примерно на 30% выше стоимости таких же марок обычной технологии выплавки.

Порошковые быстрорежущие стали. Наиболее эффективные возможности повышения свойств и качества быстрорежущих сталей является технология производства методами порошковой металлургии. Высокие режуще свойства порошковых быстрорежущих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности и уменьшению радиуса округления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и особенно шлифованием.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

Существуют два различных способа получения порошковой быстрорежущей стали: распылением водой и азотом. Изготовление инструмента из водораспыленных порошков дешевле, однако качество металла ниже ввиду сильной окисляемости зерен порошка. Поэтому для получения высококачественного металла используют порошки, получаемые распылением азотом.

Промышленное производство порошковых быстрорежущих сталей в начале 80-х годов направлено на изготовление марок, являющихся аналогами сталей традиционной технологии. Опыт ряда зарубежных фирм США, Швеции, а также отечественных исследователей, показал, что новая технология позволяет существенно изменить схему легирования с целью направленного повышения тех или иных свойств стали, определяющих работоспособность инструмента.

Предлагают следующие принципы разработки новых составов порошковых быстрорежущих сталей:

1. Введение в состав стали до 5-7% ванадия (по массе) с целью увеличения объемной доли карбидов Ме₆С в стали до 15% и повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости.

2. Повышение содержания углерода, выше его стандартного содержания в быстрорежущих сталях, т.е. введение углерода с “перенасыщением”, а также замена части углерода азотом, который вводят путем азотирования порошка непосредственно перед операцией “компактирования”.

Реализация указанных принципов позволяет использовать относительно низкие массовые доли вольфрама, молибдена и кобальта для получения максимальных значений твердости и теплостойкости. В частности, были разработаны порошковые быстрорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6-М1) по ГОСТ 28393-89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в ходе многочисленных промышленных испытаний.

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидосталей, которые по своим свойствам могут быть классифицированы как промежуточные между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Карбидостали отличаются от обычных быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном, карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание карбидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70%. Пластическим деформированием, главным образом экструзией, из спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет НRC_э 40-44, а после закалки и отпуска НRC_э 68-70.

При использовании в качества материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов.