Быстрорежущие стали

Инструментальные быстрорежущие стали получили такое на­звание потому, что в период их внедрения они работали на значи­тельно больших скоростях резания, не утрачивая своих свойств, чем инструментальные углеродистые и легированные стали. С по­вышением скорости резания повышается температура нагрева ре­жущей части инструмента. Углеродистые, а также большинство леги­рованных инструментальных сталей при температурах 250-300 °С теряют свою твердость вследствие изменения структуры, поэтому не могут использоваться в качестве инструмента, работающего при больших скоростях резания.

Замечательное свойство быстрорежущих сталей — высокая крас­ностойкость, т. е. способность сохранять высокую твердость и режущую способность при нагреве до 600-630 °С. Это свойство вы­деляет быстрорежущие стали из числа всех других инструменталь­ных сталей. Красностойкость определяется в основном двумя фак­торами: химическим составом и термической обработкой. Быст­рорежущие стали имеют сложный химический состав. Наиболее важным легирующим элементом их является вольфрам (6-18 %). Они содержат также ванадий (1-5 %). Вольфрам и ванадий почти целиком находятся в виде карбидов, которые, растворяясь в крис­таллической решетке железа, обеспечивают красностойкость ста­лей. Во все быстрорежущие стали входит хром (3-4,5 %), боль­шая часть которого растворяется в кристаллической решетке же­леза. Содержащиеся в быстрорежущих сталях легирующие эле­менты уменьшают критическую скорость закалки, в результате чего стали становятся самозакаливающимися — они закаливаются даже при охлаждении на воздухе. Некоторые быстрорежущие стали содер­жат кобальт, который повышает их красностойкость, так как пре­пятствует разрастанию карбидов при нагреве. Однако с увеличени­ем содержания кобальта и ванадия шлифуемость сталей ухудшает­ся, повышается их чувствительность к обезуглероживанию. Для того чтобы придать быстрорежущим сталям высокие режущие свойства, их подвергают термической обработке по специальному режиму, ко­торый отличается от термической обработки других инструменталь­ных сталей (см. гл. «Основы термической обработки»).

Для быстрорежущих сталей принят следующий принцип мар­кировки: в начале марки стоит буква Р, следующая за ней цифра указывает среднюю массовую долю вольфрама в процентах, массо­вую долю ванадия (в процентах) показывает цифра, стоящая за буквой Ф, молибдена — цифра за буквой М, кобальта — цифра за буквой К. Массовую долю хрома в марке не указывают, так как она примерно одинакова у сталей всех марок. Если массовая доля ванадия менее 2 %, ее также не указывают. Быстрорежущие стали имеют в своем составе массовую долю углерода от 0,7 до 1,20 % (тем выше, чем больше содержится ванадия). Например, в стали марки Р18К5Ф2 содержится в массовых долях 18 % вольфрама, 5 % кобальта, 2 % ванадия.

ГОСТ 19265-73 регламентирует быстрорежущие стали, которые условно можно разделить на две группы: первая группа — стали, не содержащие кобальта, вторая группа — стали, содержащие по­вышенное количество кобальта и ванадия. Согласно стандарту бы­строрежущие стали подразделяют на горячекатаную кованую, ка­либрованную и серебрянку. Нормы на химический состав распрос­траняются на лист, ленту, поковки, штамповки и другую продук­цию. ГОСТ 19265-73 нормирует также твердость, макроструктуру, карбидную неоднородность, глубину обезуглероженного слоя и дру­гие параметры сталей. Далее приведены марки быстрорежущих сталей, их краткие характеристики и области применения:

Р18 — хорошая вязкость и шлифуемость, хорошее сопротивле­ние изнашиванию, широкий интервал оптимальных закалочных температур, красностойкость 620 °С; предназначена для изготов­ления всех видов режущего инструмента, используемого при об­работке конструкционных материалов; Т_зак = 1270 ÷ 1290 °С, Т_отп = 560 ÷ 570 °С, 64-65 HRC_э, σ_изг = 2600 ÷ 3000 МПа, красностойкость (59 HRC_э) 620 °С;

Р6М5 — повышенная вязкость, значительная склонность к обез­углероживанию, более узкий интервал оптимальных закалочных температур, чем у стали марки Р18, хорошо шлифуется и сопро­тивляется изнашиванию; назначение и красностойкость такие же, как и стали марки Р18, однако сталь Р6М5 предпочтительнее использовать для изготовления резьбонарезного инструмента, ра­ботающего с ударными нагрузками; Т_зак = 1200÷ 1230 °С, Т_отп = 540 ÷ 560 °С, 65-66 HRC_э, σ_изг = 3200 ÷ 3600 МПа, красностой­кость та же;

Р18К5Ф2, Р9М4К8, Р6М5К5 — вязкость пониженная, у стали мар­ки Р6М5К5 хорошая; сопротивление изнашиванию повышенное; шлифуемость хорошая, у стали марки Р9М4К8 пониженная; крас­ностойкость 630 °С; повышенная склонность к обезуглероживанию; изготовляемый из этих сталей инструмент применяют для обработ­ки высокопрочных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов в условиях повышенного нагрева режущей кромки;

Стоимость быстрорежущих сталей примерно в пять раз выше стоимости других легированных инструментальных сталей, по­этому ее следует применять в конкретных условиях, повышаю­щих производительность труда или требующих определенной стой­кости инструмента.

Структура и свойства быстрорежущих сталей повышенной крас­ностойкости резко улучшаются при изготовлении их методом по­рошковой металлургии. Этот метод обеспечивает равномерное рас­пределение дисперсных (диаметром не более 1,0 мкм) эвтектических карбидов по сечению заготовки любого размера и улучшает за счет этого шлифуемость стали. Порошковые быстрорежущие стали отли­чаются от аналогичных по химическому составу сталей, изготовлен­ных по традиционной технологии, повышенными массовыми доля­ми углерода и ванадия и более высокой объемной долей дисперсных высокотвердых карбидов типа МС в структуре. Благодаря этому порошковые быстрорежущие стали после термической обработки по оптимальным режимам приобретают повышенные значения вторичной твердости (на 1-3 HRC_э). Повышаются красностойкость и сопротивление изнашиванию при трении (таблица 14.2). Их приме­няют при изготовлении тяжелонагруженных и высокопроизводи­тельных режущих инструментов. Например, сталь Р7М2Ф6-МП с наиболее высокими массовыми долями углерода и ванадия изго­товляют только методом порошковой металлургии. Ее применяют взамен кобальтосодержащих сталей на чистовых операциях реза­ния жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов.

17.4 Твёрдые сплавы

В инструментальном производстве широкое распространение получили твердые спеченные сплавы (ГОСТ 3882-74). Они состо­ят из смеси порошков карбида вольфрама (основа) с массовой долей 66-97 % и кобальта (3-25 %). В зависимости от марки сплава в него добавляют такие компоненты, как карбид титана с массовой долей 3-30 % и карбид тантала (2-12 %). Физико-механические свойства сплавов: σ_изг= 1176 ÷ 2156 МПа (120-220 кгс/мм²), плот­ность γ= 9,6 ÷ 15,3 г/см³, твердость 79-92 HRA. По массовой доле компонентов порошков в смеси твердые спеченные сплавы подраз­деляют на три группы: вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые; по области применения — на спла­вы для обработки материалов резанием, для оснащения горного инструмента, для бесстружковой обработки металлов, для деталей и наплавки быстро изнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений.

Марки сплавов для обработки материалов резанием. ВКЗ — чистовое точение с малым сечением среза, окончательное нареза­ние резьбы, развертывание отверстий и других аналогичных видов обработки серого чугуна, цветных металлов и их сплавов и неме­таллических материалов (резины, фибры, пластмассы, стекла, стек­лопластиков и т. д.); резка листового стекла;

17.5 Сверхтвёрдые материалы

ГОСТ 25003-81 регламентирует многогранные сменные кера­мические пластины марок ВОК-60, ВОК-71 и В-3. Пластины име­ют различные конфигурацию, размеры и массу, а также буквен­ные и цифровые обозначения.

Основной частью минералокерамических материалов является оксид алюминия с добавкой вольфрама, титана, тантала и кобаль­та. Керамика отличается высокой, теплостойкостью (1200 °С) и износостойкостью. При чистовом обтачивании чугуна скорость резания доходит до 3700 м/мин, что в два раза выше, чем у твер­дых сплавов.

Введение в состав минералокерамики металлов или карбидов металлов улучшает ее физико-механические свойства при умень­шении хрупкости.

Рекомендуемая литература

1. Энциклопедический словарь по металлургии: Справочное издание. В 2-х т. / Н.П. Лякишев и др.- М.: «Интермет Инжиниринг», 2000.-412 с.

2. Стерин И.С. Машиностроительные материалы. Основы металловедения и термической обработки/ Учебное пособие.-СПб.: Политехника, 2003.-344 с.

3. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. В.М. Воздвиженский, В.А. Грачев, В.В. Спасский.-М.: Машиностроение, 1984. – 432 с., ил.

4. Литейное производство: Учебник/Михайлов А.М., Бауман Б.В., Благов Б.Н. и др. Под ред. А.М. Михайлова. – М.: Машиностроение. 1987.-255 с.

5. Литейное производство цветных и редких металлов/ Кудрюмов А.В., Пикунов М.В.-М.: Металлургия, 1982. -352 с.

6. Материаловедение и технология материалов:Учебник/ Жадан В.Т., Полухин П.И., Нестеров А.Ф. и др.- М.: Металлургия, 1994.-623 с.

7. Свойства элементов: справочник/Под ред. М.Е. Дрица- М.: Металлургия, 1985.-671 с.

8. Сера и фосфор в стали/ Лунев В.В., Аверин В.В.- М.: Металлургия,, 1988.-256 с.

9. Металловедение и термическая обработка стали: Срав. изд. В 3-х т. /Бернштейн М.Л., Рахщтадта А.Г. -4-е изд. М.: Металлургия, 1991.-1131 с.

10. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов / Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И.- М.: Металлургия, 1981.-414 с.