Быстрорежущие стали

В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т. е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость до 68–75 HRC, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600–650⁰С, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2–4 раза) и стойкость инструментов (в 10–30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Снижение твёрдости быстрорежущих сталей на 2–4 HRCпо сравнению с получаемой максимальной сопровождается ухудше­нием вязкости, прочности, ростом коэффициента трения и износостойкости. Поэтому быстрорежущие стали не­обходимо использовать в состоянии высокой твердости, получае­мой для марки и при работе без больших динамических нагрузок.

В соответствии с условиями эксплуатации инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, к ним предъявляют следующие требования: высокая прочность, высокая твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость (красностойкость). Наряду с характеристиками работоспособности весьма важными являются технологические характеристики быстрорежущей стали: пластичность стали в холодном и горячем состоянии, свариваемость, обрабатываемость резанием, прокаливаемость, закаливаемость, склонность к росту зерна аустенита и к обезуглероживанию при нагреве под закалку, шлифуемость.

Легирование сталей производят в соответствии с требуемыми свойствами.

Теплостойкостьсоздается в результате воздействия двух причин: 1) специальным легированием и 2) закалкой с очень вы­соких температур 1200–1300 °С.

Основные легирующие элементы – W или W вместе с Mo. Основным карбидом является М₆С. Для создания теплостой­кости достаточно большая доля карбида должна быть переведена в раствор (аустенит, мартенсит), что насыщает его W (Mo), V (Cr).

Последующий отпуск при повышенных температурах 550–560 °С увеличивает твердость до максимальных значений вслед­ствие выделения дисперсных карбидов, размеры которых значи­тельно меньше, чем они были в отожженной стали. Высокую твёрдость, получаемую отпуском, называют вторичной твёрдостью. Это – другое важнейшее свойство быстрорежущих сталей.

Отпуск на вторичную твёрдость вызывает также превращение остаточного аустенита в мартенсит (при охлаждении). Поэтому в структуре быстрорежущих сталей не сохраняется аустенита. Это обеспечивает высокое сопротивление пластической деформации. Оно возрастает дополнительно при повышении твёрдости.

Карбид М₆С растворяется (и лишь частично) только при указанных ранее высоких температурах, при которых может происходить значительный рост зерна. Поэтому дальнейшие цели легирования:1) создание условий для более полного растворения карбидов и 2) ограничение роста зерна.

Первая задача решается образованием карбидов М₆С сложного состава, содержащих, кроме W (Mo), также Cr и V, лучше растворяющихся в аустените, и небольшое количество карбидов М₂₃С₆, полностью растворимых при еще более низком нагреве. По этой причине быстрорежущие стали содержат, кроме того, 1,0–1,2 % V и 3,2–4,5 % Cr; содержание хрома в этих пределах повышает теплостойкость.

Наоборот, увеличение содержания элементов, понижающих температуры превращения А₁:Ni и Mn, ухудшает теплостойкость и вторичную твердость. Их содержание в боль­шинстве сталей не превышает 0,4 %.

Вторая задача решается увеличением, но в определенных пре­делах, количества карбидов (избыточные М₆С), которые сохра­няются при высоком нагреве и задерживают рост зерна.

Для повышения теплостойкости быстрорежущие стали леги­руют, кроме того, Co (а также N). Для улучшения технологических свойств в некоторые стали вводят модифицирующие добавки, преимущественно Zr.

Применяемые быстрорежущие стали делят на три группы: стали нормальной производительности, повышенной и высокой производительности.

Стали повышенной производительности дополнительно легированы кобальтом и ванадием. К ним относятся стали с повышенной теплостойкостью до 625–640°С: Р9Ф5, Р9К10, Р9Ф5, Р12Ф3, Р10Ф5К5, Р12Ф4К5 , Р12Ф3К10М3, Р12Ф2К5М3 и др.

К группе быстрорежущих сталей повышенной производительности следует отнести и быстрорежущие дисперсионно–твердеющие сплавы с интерметаллидным упрочнением. Их высокая теплостойкость и режущие свойства обеспечиваются высокими температурами превращения и упрочнением вследствие выделения при отпуске интерметаллидов, имеющих более высокую устойчивость, к коагуляции при нагреве, чем карбиды. Наибольшее распространение получил сплав В11М7К23 (ЭП831).

Стали нормальной производительности характеризуются пониженной теплостойкостью (до 615–620°С). К ним относятся стали: Р9, Р12, Р18, Р6М5, Р6М3, Р8М3, безвольфрамовые 9Х6М3Ф3АГСТ, 9Х4М3Ф2АГСТ и др.

Быстрорежущие стали в литом состоянии обладают повышенной хрупкостью, что обусловлено образованием ледебурита по границам зерен. Для снижения твердости, улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке быстрорежущую сталь после ГПД (ковки или прокатки) подвергают отжигу при 840–860°С. Структура после такой обработки представляет собой ферритокарбидную смесь (сорбит), вторичные карбиды, осколки ледебурита.

Для придания стали теплостойкости инструменты подвергают закалке и многократному отпуску. Сталь Р18 закаливают с температуры 1270–1290°С, а Р6М5 с 1210–1230°С. Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения при нагреве высоколегированного Cr, W, Mo и V аустенита. Это обеспечивает получение после закалки мартенсита, устойчивого против отпуска, т.е. теплостойкости. Для быстрорежущих сталей, имеющих много избыточных карбидов, характерно сохранение мелкого зерна, даже при очень высоких температурах закалки. Во избежание образования трещин в инструменте при нагреве до температуры закалки его подогревают.

Окончательная термическая обработка – закалка и высокий отпуск. Микроструктура закаленной стали состоит из легированного мартенсита, остаточного аустенита (до 30 %) и карбидов. После трехкратного отпуска при температуре 560°С количество остаточного аустенита уменьшается до 2–3 %, твердость увеличивается. Для снижения количества остаточного аустенита применяется обработка холодом.

Выдержка при температуре закалки должна быть непродолжительной – от 8 до 9с на каждый миллиметр диаметра или наименьшей длины инструмента при нагреве в расплавленной соли (чаще в BaCl₂) и 12–14 с при нагреве в печи. Охлаждающей средой при закалке чаще является масло. Для уменьшения деформации инструментов применяют ступенчатую закалку в расплавленных солях (KN0₃) при 400–500°C. После закалки следует трехкратный отпуск, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсное твердение за счет выделения карбидов. Режущие свойства инструмента, не подвергающегося переточке по всем граням (сверла, развертки, метчики, фрезы), можно повысить азотированием при 550–560°С.