Что такое быстрорежущая сталь

Cвойства быстрорежущей стали

Быстрорежущую сталь относят к группе инструментальных сталей , т. е. сталей, используемых для изготовления разнообразного инструмента. Эти стали должны отличаться высокой твердостью, прочностью и износостойкостью , а в некоторых случаях должны удовлетворять и ряду дополнительных требований, в частности быть стойкими против коррозии, сохранять неизменными размеры и форму инструмента в течение длительного времени, обладать способностью противостоять значительным динамическим нагрузкам .

Строгое разграничение сталей на конструкционные и инструментальные возможно лишь по области применения , но не по химическому составу. Вследствие высокой износостойкости и прочности инструментальные стали широко используют и для других целей: для изготовления подшипников качения, пружин, деталей топливной аппаратуры, шестерен, ходовых винтов, червяков и других деталей . В то же время для изготовления некоторых инструментов используют конструкционные, шарикоподшипниковые и другие стали.

В последние годы непрерывно сокращается применение сравнительно простых по составу инструментальных быстрорежущих сталей — углеродистых и легированных одним или двумя элементами и увеличивается использование высоколегированных, отличающихся повышенными твердостью и прочностью, износостойкостью, теплостойкостью, стойкостью против коррозии . Значительно возросло число инструментальных сталей специализированного назначения, т. е. применяемых в ограниченных условиях эксплуатации, в которых они обеспечивают лучшую стойкость.

Рисунок.1 быстрорежущие стали

К числу инструментальных сталей специального назначения относят и быстрорежущую сталь. Ее используют главным образом для изготовления металлорежущего инструмента, предназначенного для резания с высокими скоростями . Кроме того, ее используют для изготовления тяжелонагруженных штампов холодного выдавливания, а также для ряда деталей, работающих при нагреве: подшипников качения, игл топливной аппаратуры и т. д.

В готовых изделиях быстрорежущая сталь должна обладать высокой твердостью (HRC 63—66, а для резания труднообрабатываемых изделий — до HRC 66—69), высокой прочностью и сопротивлением пластической деформации, теплостойкостью (красностойкостью), а для ряда инструмента — возможно лучшей вязкостью.

Твердость быстрорежущей стали определяет сопротивление пластической деформации и контактным напряжениям, возникающим в рабочей кромке инструмента. С увеличением твердости возрастает износостойкость, увеличивается возможность получения более чистой и ровной поверхности обрабатываемого металла и самого инструмента, уменьшается налипание обрабатываемого металла на поверхность режущего инструмента . Инструменты, для которых характерна недостаточная твердость, не могут быть использованы для резания или деформирования обрабатываемых ими деталей: они быстро теряют форму и размеры под действием возникающих напряжений.

Твердость определяется химическим составом и структурой быстрорежущей стали и зависит от содержания углерода в мартенсите (альфа-растворе), количества и дисперсности выделившихся карбидов или интерметаллидов и от количества остаточного аустенита.

Быстрорежущие стали относят к ледебуритному классу. Они содержат более 0,6% С и приобретают высокую твердость и износостойкость в результате мартенситного превращения при закалке и дисперсионного твердения при высоком отпуске (560—620° С), вызываемого выделением упрочняющей фазы — в основном карбидов вольфрама, молибдена, ванадия.

Твердость быстрорежущй стали является важнейшим, но не единственным свойством, определяющим эксплуатационные характеристики инструмента. До 70% мелких режущих инструментов ломаются преждевременно до наступления нормального износа, что свидетельствует об очень важном значении прочности и вязкости инструментальной стали.

Прочность быстрорежущей стали характеризует сопротивление изгибающему или крутящему моменту, а вязкость — сопротивление образованию трещин и разрушению под действием ударных нагрузок . При использовании сталей высокой прочности повышается стойкость инструмента и производительность обработки, становится возможным резание с большей подачей и резание материалов большей прочности. Достаточно высокая вязкость в сочетании с высокой прочностью предупреждает выкрашивание, образование трещин и поломку инструмента.

В отличие от твердости прочность зависит от большего числа факторов: содержания углерода в альфа-растворе, напряжений, величины зерна, состояния его пограничных слоев, дисперсности и распределения карбидов . Поэтому при одних и тех же значениях твердости прочность стали может изменяться в широких пределах.

Твердость и вязкость изменяются обычно в противоположных направлениях: высокой твердости соответствуют низкие значения вязкости.

Однако в отличие от твердости, необходимой в поверхностном слое режущей кромки инструмента, высокая прочность и вязкость должны быть свойственны всему сечению инструмента, так как изгибающие крутящие и ударные нагрузки, испытываемые инструментом, воспринимаются всем его сечением. Поэтому инструмент целесообразно обрабатывать так, чтобы поверхности его была свойственна высокая твердость, а сердцевина сохранила необходимую вязкость . Такое состояние инструмента может быть достигнуто специальной закалкой и оптимальным легированием. Присутствие в быстрорежущих сталях 3,8—4,4% хрома придает им способность закаливаться на воздухе. Повышение вязкости достигается легированием элементами, образующими устойчивые карбиды, поскольку они способствуют сохранению мелкого зерна. Незначительно увеличивает вязкость хром; более эффективно влияют вольфрам, молибден и ванадий. Присадка 0,1—0,2% V действует так же, как 0,4—0,5% Мо или 0,8—1,2% W.

Значительно повышает вязкость быстрорежущей стали никель . Однако никель способствует сохранению остаточного аустенита, распад которого в процессе службы инструмента изменяет его служебные характеристики. По этой причине содержание никеля в быстрорежущей стали ограничивают так, чтобы оно не превышало 0,4%. Тем не менее в структуре закаленной стали присутствует до 20—35% аустенита, для более полного превращения которого в мартенсит требуется многократный отпуск при 520—600° С. В готовом инструменте из быстрорежущих сталей аустенит практически отсутствует.

Фосфор и сера увеличивают хрупкость стали, причем фосфор придает хладноломкость, а сера — красноломкость. Поэтому для быстрорежущих сталей фосфор и сера являются вредными примесями и содержание фосфора допускается до 0,03%, серы — до 0,015% . При таком содержании фосфора и серы, при мелком зерне, почти полном отсутствии аустенита, оптимальном количестве карбидов и их равномерном распределении быстрорежущие стали после дисперсионного твердения при отпуске сохраняют удовлетворительную вязкость и отличаются высокой прочностью.

Для режущего стального инструмента, работающего при высоких нагрузках и в условиях значительного разогрева режущей кромки, очень важной является теплостойкость быстрорежущей стали , т. е. ее особенность сохранять необходимые структуру и свойства при нагреве. Теплостойкость определяется стойкостью твердого раствора (металлической матрицы) против распада при нагреве, природой и дисперсностью выделившихся из него карбидов и их стойкостью против коагуляции, температурой фазового (а —> у) превращения. Теплостойкость характеризуется минимальной температурой, при которой наступает заметное изменение бойкости инструмента.

Различают быстрорежущие стали нормальной и повышенной теплостойкости .

За нормальную принимается теплостойкость широко распространенной быстрорежущей стали Р18 (18% W). Она сохраняет твердость не менее HRC 60 при нагреве до 615—620° С. Увеличение теплостойкости до 640-650° С позволяет повысить стойкость инструмента в 2-3 раза, а при увеличении теплостойкости до 700-725° С стойкость инструмента возрастает в 10-15 раз.

В сталях нормальной теплостойкости дисперсионное твердение вызывается выделением карбидов вольфрама, молибдена и в небольшом количестве — ванадия. Для получения необходимых свойств быстрорежущие стали должны содержать 9-18% W, 6-9% Мо при 1,0-2,5% V. Стали такого типа (Р18, Р12, Р9, Р6М3, Р6М5, Р9М4 и многие другие марки) используют наиболее широко: их производство составляет 80—90% общего производства быстрорежущих сталей.

В сталях повышенной теплостойкости выделяется больше карбида анадия, более устойчивого против коагуляции. В сталях, легированных кобальтом, выделяется, кроме того, интерметалл ид. Такие стали (Р18Ф2, Р9Ф5, Р18Ф2К5, Р9К10, Р10Ф5К5 и другие марки) сохраняют твердость HRC 60 до температуры 650° С.

Теплостойкость 700-725° С характерна для сплавов, у которых при дисперсионном твердении выделяются интерметаллиды. Теплостойкость быстрорежущих сталей (как и жаропрочных) возрастает с усложнением состава стали , когда она легируется не одним, а несколькими элементами. Это приводит к выделению при дисперсионном твердении карбидов более сложного состава и образованию легированного феррита, что увеличивает их стойкость при нагреве.

Особенности химического состава быстрорежущих сталей обусловливают особенности строения литой структуры. Для этих сталей характерен большой температурный интервал кристаллизации и значительные различия в составе и плотности кристаллизующихся фаз — металлической основы и карбидов . При охлаждении вначале образуются зерна раствора, а затем кристаллизуется легкоплавкая эвтектика (карбиды и аустенит). Эвтектика выделяется по границам 1 ранее образовавшихся зерен в виде сетки, часто принимая скелетообразную форму. При последующем охлаждении из аустенита выделяются вторичные карбиды.

Чем медленнее происходит кристаллизация, тем грубее выделения эвтектики. Сетка эвтектики раздробляется и почти полностью устраняется только при уменьшении поперечного сечения в процессе горячего деформирования в 10-15 раз. Но раздробить крупные скопления карбидов и получить хорошую однородную структуру удается только при 30—40-кратном уменьшении сечения при деформировании.

Для уменьшения карбидной ликвации быстрорежущие стали необходимо разливать на мелкие слитки (массой 100-400 кг). Неплохие результаты получены при отливке слитков массой 750—1000 кг прямоугольного сечения 250-500 мм, но при этом усложняется технология кузнечного передела.

Для улучшения структуры и измельчения карбидов в металле, разлитом на слитки круглого или квадратного сечения массой 750-1000 кг, ковку заготовок быстрорежущей стали часто ведут с одной или несколькими осадками. Уменьшение карбидной неоднородности может быть достигнуто также в результате предварительной гомогенизации слитков .

Быстрорежущая сталь: ГОСТ, состав, твердость, термическая обработка

Для того чтобы рабочая поверхность инструмента сохраняла заданные свойства длительное время, необходимо использование специальных сплавов и сталей для изготовления таких элементов. На сегодняшний день детали режущего инструмента производятся из твердых сплавов, инструментальных марок стали. Для фрез, резцов, зубил используется в основном быстрорежущая сталь.

Основные требования к сплавам для режущего инструмента

Детали такого типа длительное время работают в условиях трения и повышенных температур. Однако рабочая поверхность должна сохранять свои свойства, обладать высокой износостойкостью и твердостью. При больших скоростях, которые набирает инструмент в процессе резанья, нагревается и его кромка, и сама деталь, и стружка. Поэтому основная характеристика, которой должна обладать быстрорежущая сталь – теплостойкость. Для труднообрабатываемых материалов используют порошковые быстрорежущие стали. Они имеют более высокие режущие свойства. Недостатком таких сплавов является затруднительная обработка заготовок. Все необходимые характеристики достигаются путем введения определенных легирующих элементов и специальной термической обработкой.

Маркировка стали

Быстрорежущая сталь маркируется буквой Р, которая ставится впереди. Основными легирующими элементами являются вольфрам, хром. Также дополнительно вводят такие элементы, как ванадий, молибден. Цифра после буквы Р указывает процентное содержание вольфрама в стали. Как правило, в состав быстрорежущей стали входит около 4% хрома. Данный элемент в маркировке не указывается. Если цифры стоят перед буквой Р, то они указывают на процентное содержание углерода (например, сталь 11Р3АМ3Ф2 содержит 1,1% углерода). В основном стали данной группы являются высоколегированными.

Влияние легированных элементов на свойства стали

Высокую теплостойкость быстрорежущих марок стали обеспечивают вольфрам, молибден. На их основе образовываются карбиды, которые частично переходят в твердый раствор. После термообработки обеспечивается структура мартенсита. Вольфрам, молибден, а также ванадий замедляют его распад. Именно это обеспечивает необходимую красностойкость. Продолжительное время использовалась быстрорежущая сталь, легированная только вольфрамом. Однако из-за дефицитности данного металла его начали частично заменять молибденом. Этот элемент также положительно влияет на склонность вольфрамовых марок стали к карбидной неоднородности. Наиболее твердый карбид образовывает ванадий. Однако при этом содержание углерода должно быть достаточным для большего насыщения твердого раствора. Чем больше вводится ванадия, тем больше должно быть углерода в составе сплава. Основная задача хрома – придание стали высокой прокаливаемости. Красностойкость также повышает и кобальт.

Быстрорежущая сталь (твердость при легировании данным элементом повышается до 70 HRC) в данном случае будет иметь пониженную прочность. Стоит отметить, что введение хрома широко не применяется из-за большой стоимости элемента.

Термообработка быстрорежущей стали

Данные марки стали поступают в состоянии ковки (температура около 1200 °С). Производится нагрев до 860 °С, затем металл выдерживается при температуре около 760 °C. Термическая обработка инструмента включает закалку и отпуск. Стоит отметить, что такая обработка имеет свои особенности. Во-первых, необходим медленный, постепенный нагрев. Так как сталь высоколегированная, ее теплопроводность довольно низкая, стремительное нагревание может привести к образованию трещин. При этом очень важно нагревать заготовку равномерно. Используются электрические печи, соляные ванны. Процесс обработки быстрорежущей стали довольно трудоемкий, он требует четкого соблюдения всех этапов технологического процесса.

Закалка стали для режущего инструмента

Главная задача закалки – растворение карбидов в аустените. Как правило, карбиды на основе вольфрама и хрома растворяются при 1200 °С, ванадий требует более высоких температур. После данного этапа структура имеет избыточные (те, что не растворились) карбиды. Они сдерживают рост зерна. Высокие температуры обеспечивают мелкозернистый аустенит. Охлаждение происходит в масле или расплаве солей. Температура по сечению детали выравнивается. Такая обработка быстрорежущей стали позволяет избежать появления трещин. После закалки сталь имеет следующую структуру: мартенсит, остаточный аустенит, карбиды.

Отпуск быстрорежущей стали

Отпуск стали способствует превращению мартенсита закалки в мартенсит отпуска, аустенита в мартенсит (так как первый не обладает достаточной твердостью), снятию остаточных напряжений. Как правило, термическая обработка быстрорежущей стали включает многократный отпуск. Начинается данный процесс при температуре 150 °С. Далее при 550 °С происходит дисперсионное твердение (выделяются карбиды из твердого раствора). В результате возрастает твердость сплава. Более высокие температуры отпуска нежелательны, так как будет происходить процесс распада мартенсита, и, соответственно, снижение твердости. Вольфрамовые стали после единичного отпуска имеют в составе остаточный аустенит. Полностью он превращается в мартенсит при втором отпуске. Остаточные напряжения снимаются в процессе третьего отпуска. Стали с содержанием кобальта могут подвергаться отпуску и в четвертый раз.

Нарушение технологии термообработки

Снижение количества углерода на поверхности заготовки может быть следствием плохой расскисленности соляной ванны, а также перегрева при аустенизации. Превышение температуры ведет к оплавлению границ зерна. Также обработанная деталь может иметь трещины. Такое явление возникает из-за быстрого нагрева металла. Еще одна причина – ускоренное охлаждение. Низкое значение твердости может быть следствием недостаточного легирования структуры мартенсита, нарушением температурного режима при отпуске, при котором остается остаточный аустенит. Еще один возможный дефект заготовки – нафталинистый излом.

Наиболее распространенные марки быстрорежущей стали

Быстрорежущая сталь (ГОСТ 19265-73) делится на сплавы нормальной и повышенной теплостойкости. Первая группа включает такие марки, как Р18, Р6М5. Твердость их достигает 63 HRC. Основное их предназначение – обработка чугунов, медных, алюминиевых сплавов. Более высокой теплостойкостью обладают вольфрамовые стали. Их применяют для изготовления сверл, фрез, резцов. Сталь Р6М5, которая содержит молибден, немного уступает в режущих свойствах, однако она существенно дешевле. К тому же пластичность ее несколько выше, а склонность к образованию трещин не столь высока. Более теплостойкие стали имеют в составе ванадий и кобальт (10Р6М5, Р9Ф5). Их твердость досягает 66 HRC. Используются они для обработки более прочных конструкционных сталей, жаропрочных сплавов, при изготовлении чистового инструмента. Характерно, что данные марки имеют более высокую износостойкость (благодаря наличию в составе ванадия). В последнее время все чаще применяется метод порошковой металлургии. Такие инструменты имеют более высокие режущие свойства.

Быстрорежущие инструментальные стали: марки, характеристики, маркировка

Такой материал, как быстрорежущие стали, отличается уникальными свойствами, что дает возможность использовать его для изготовления инструментов, обладающих повышенной прочностью. Характеристики сталей, относящихся к категории быстрорежущих, позволяют производить из них инструменты самого различного назначения.

Фрезы, метчики, развертки – типичные изделия, производимые из высококачественной быстрорежущей стали

Характеристики быстрорежущих сталей

К категории быстрорежущие стали относят сплавы, химический состав которых дополнен рядом легирующих добавок. Благодаря таким добавкам сталям придаются свойства, позволяющие использовать их для изготовления режущего инструмента, способного эффективно работать на высоких скоростях. Быстрорежущие инструментальные стали от обычных углеродистых сплавов как раз и отличает то, что инструмент, который из них изготовлен, может с успехом применяться для обработки твердых материалов на повышенных скоростях.

Фрезеровка детали на профессиональном гравировальном станке

К наиболее примечательным характеристикам, которыми отличаются быстрорежущие стали различных марок, нужно отнести следующие.

• Твердость, сохраняемая в горячем состоянии (горячая твердость). Как известно, любой инструмент, используемый для выполнения обработки резанием, в процессе такой обработки интенсивно нагревается. В результате нагрева обычные инструментальные стали подвергаются отпуску, что в итоге приводит к снижению твердости инструмента. Такого не происходит, если для изготовления была использована быстрорежущая сталь, которая способна сохранять свою твердость даже при нагреве инструмента до 6000. Что характерно, стали быстрорежущих марок, которые часто называют быстрорезы, обладают даже меньшей твердостью по сравнению с обычными углеродистыми, если температура резания находится в нормальных пределах: до 2000.
• Повышенная красностойкость. Данный параметр любого металла характеризует период времени, в течение которого инструмент, изготовленный из него, способен выдерживать высокую температуру, не теряя своих первоначальных характеристик. Быстрорежущие стали в качестве материала для изготовления режущего инструмента не имеют себе равных по данному параметру.
• Сопротивление разрушению. Режущий инструмент, кроме способности переносить воздействие повышенных температур, должен отличаться и улучшенными механическими характеристиками, что в полной мере демонстрируют стали быстрорежущих марок. Инструмент, изготовленный из таких сталей, обладающий высокой прочностью, может успешно работать на большой глубине резания (сверла) и на высоких скоростях подач (резцы, сверла и др.).

Характеристики и назначение быстрорежущих сталей

Расшифровка обозначения марок сталей

Изначально быстрорежущая сталь как материал для изготовления режущих инструментов была изобретена британскими специалистами. С учетом того, что инструмент из такой стали может использоваться для высокоскоростной обработки металлов, этот материал назвали «rapidsteel» (слово «рапид» здесь как раз и означает высокую скорость). Такое свойство данных сталей и придуманное им в свое время английское название послужили причиной того, что обозначения всех марок данного материала начинаются с буквы «Р».

Правила маркировки сталей, относящихся к категории быстрорежущих, строго регламентированы соответствующим ГОСТ, что значительно упрощает процесс их расшифровки.

Первая цифра, стоящая после буквы Р в обозначении стали, указывает на процентное содержание в ней такого элемента как вольфрам, который во многом и определяет основные свойства данного материала. Кроме вольфрама быстрорежущая сталь содержит в своем составе ванадий, молибден и кобальт, которые в маркировке обозначаются, соответственно буквами Ф, М и К. После каждой из такой буквы в маркировке стоит цифра, указывающая на процентное содержание соответствующего элемента в химическом составе стали.

Пример расшифровки марки быстрорежущей стали

В зависимости от содержания в составе стали тех или иных элементов, а также от их количества, все подобные сплавы делятся на три основных категории. Определить, к какой из категорий относится сталь, достаточно легко, расшифровав ее маркировку.

Итак, стали быстрорежущих марок принято разделять на следующие категории:

• сплавы, в которых кобальта содержится до 10%, а вольфрама до 22%; к таким сталям относятся сплавы марок Р6М5Ф2К8, Р10М4Ф3К10 и др.;
• стали с содержанием не более 5% кобальта и до 18% вольфрама; такими сталями являются сплавы марок Р9К5, Р18Ф2К5, Р10Ф5К5 и др.;
• сплавы, в которых как кобальта, так и вольфрама содержится не более 16%; к таким сплавам относится сталь Р9, Р18, Р12, Р6М5 и др.

Определение разновидности стали по искре

Как уже говорилось выше, характеристики сталей, относящихся к категории быстрорежущих, преимущественно определяются содержанием в них такого элемента как вольфрам. Следует иметь в виду, что если в быстрорежущем сплаве содержится слишком большое количество вольфрама, кобальта и ванадия, то по причине формирования карбидной неоднородности такой стали режущая кромка инструмента, который из нее изготовлен, может выкрашиваться под воздействием механических нагрузок. Таких недостатков лишены инструменты, изготовленные из сталей, содержащих в своем составе молибден. Режущая кромка подобных инструментов не только не выкрашивается, но и отличается тем, что имеет одинаковые показатели твердости по всей своей длине.

Маркой стали для изготовления инструментов, к которым предъявляются повышенные требования по их технологическим характеристикам, является Р18. Обладая мелкозернистой внутренней структурой, такая сталь демонстрирует отличную износостойкость. Преимуществом использования стали данной марки является еще и то, что при выполнении закалки изделий из нее они не перегреваются, чего не скажешь о быстрорежущих сплавах других марок. По причине достаточно высокой стоимости инструментов, изготовленных из стали этой марки, ее часто заменяют на более дешевый сплав Р9.

Технические характеристики стали марки Р18

Достаточно невысокая стоимость стали марки Р9, как и ее разновидности — Р9К5, которая по своим характеристикам во многом схожа с быстрорежущим сплавом Р18, объясняется рядом недостатков данного материала. Наиболее значимым из них является то, что в отожженном состоянии такой металл легко поддается пластической деформации. Между тем сталь марки Р18 также не лишена недостатков. Так, из данной стали не изготавливают высокоточный инструмент, что объясняется тем, что изделия из нее плохо поддаются шлифовке. Хорошие показатели прочности и пластичности, в том числе и в нагретом состоянии, демонстрируют инструменты, изготовленные из стали марки Р12, которая по своим характеристикам также схожа со сталью Р18.

Свойства стали марки Р9К5

Методы производства и обработки

Для производства инструментов, изготавливаемых из быстрорежущих сплавов, используются две основные технологии:

• классический метод, который предполагает разливку расплавленного металла в слитки, в дальнейшем подвергающиеся проковке;
• метод порошковой металлургии, при котором расплавленный металл распыляется при помощи струи азота.

Классическая технология, предполагающая проковку изделия из быстрорежущего сплава, которое предварительно было отлито в специальную форму, позволяет наделить такое изделие более высокими качественными характеристиками.

Подобная технология помогает избежать формирования карбидных ликваций в готовом изделии, а также дает возможность подвергнуть его предварительному отжигу и дальнейшей закалке. Кроме того, данная технология изготовления позволяет избежать такого явления, как «нафталиновый излом», которое приводит к значительному повышению хрупкости готового изделия, изготовленного из быстрорежущего сплава.

Закалка готовых инструментов, выполненных из быстрорежущего сплава, осуществляется при температурах, которые способствуют лучшему растворению в них легирующих добавок, но в то же время не приводят к росту зерна их внутренней структуры. После выполнения закалки быстрорежущие сплавы имеют в своей структуре до 30% аустенита, что не самым лучшим образом сказывается на теплопроводности материала и его твердости. Для того чтобы уменьшить количество аустенита в структуре сплава до минимальных значений, используются две технологии:

• проводят несколько циклов нагрева изделия, выдержки при определенной температуре и охлаждение: многократный отпуск;
• перед выполнением отпуска, изделие подвергается охлаждению до достаточно низкой температуры: до –800.

Улучшение характеристики изделий

Чтобы инструменты, изготовленные из быстрорежущих сплавов, обладали высокой твердостью, износостойкостью и коррозионной устойчивостью, их поверхность необходимо подвергнуть обработке, к методам выполнения которой относятся следующие.

• Насыщение поверхностного слоя изделия азотом — азотирование. Проводиться такая обработка может в газовой среде, состоящей из азота (80%) и аммиака (20%), либо полностью в аммиачной среде. Время выполнения подобной технологической операции — 10–40 минут, температура, при которой она осуществляется — 550–6600. Использование газовой среды, содержащей азот и аммиак, позволяет сформировать менее хрупкий поверхностный слой.
• Насыщение поверхностного слоя изделия углеродом и азотом — цианирование, которое осуществляется в расплаве цианида натрия или других солей с этим же анионом. В зависимости от назначения детали цианирование может быть высоко-, средне- и низкотемпературным. Чем выше температура и время выдержки детали в расплаве, тем больше толщина получаемого слоя.
• Сульфидирование, которое выполняется в жидких расплавах сульфидов, куда добавляются соединения серы. Проводится такая процедура на протяжении 45–180 минут, при этом температура расплава должна составлять 450–5600.

Инструменты, изготовленные из быстрорежущих сплавов, также подвергают обработке паром, что позволяет улучшить характеристики их поверхностного слоя. Следует иметь в виду, что все вышеперечисленные операции выполняются с инструментом, режущая часть которого уже заточена, отшлифована и подвергнута термической обработке.

Быстрорежущие стали

Какие стали называются быстрорежущими?
Быстрорежущие сплавы относятся к группе инструментальных сталей специального назначения. Их основная область применения – изготовление профессионального инструмента повышенной прочности, работающего при высокой скорости вращения и резания.

История создания

До появления быстрорежущих инструментальных сталей для обтачивания деревянных деталей и изделий из цветных металлов использовались обычные стальные резцы. Но при обработке подобным инструментом деталей из твердых материалов возникала проблема. Резец очень быстро изнашивался, нагревался, им было невозможно обтачивать изделие с высокой скоростью.

Проблему удалось решить в 1858 году, после получения сплава, где в качестве легирующих элементов использовались вольфрам и марганец. В течение нескольких последующих десятилетий в результате экспериментов было получено еще несколько видов сверхпрочных сплавов, способных эксплуатироваться при высоких температурах. Это позволило многократно увеличить скорость обработки деталей и повысить производительность металлорежущих станков.

В конце прошлого века вольфрамовые соединения стали заменяться на самозакаливающиеся, а в настоящее время успешно используются безвольфрамовые составы.

Свойства и виды быстрорежущих сталей

Сплавы сочетают в себе повышенную теплостойкость с твердостью, износостойкостью и высоким сопротивлением пластической деформации. В процессе работы инструмент из быстрорежущей стали должен сохранять заданный размер и форму, выдерживать серьезные динамические нагрузки, сохранять режущую способность при высокой температуре.

Назначение быстрорежущих сталей и их свойства определяются особенностями легирующих элементов. В состав входят хром и вольфрам в различных процентных соотношениях, несколько изменяющих рабочие характеристики материала. Кроме классических хромовольфрамовых составов, используют сплавы с увеличением в составе углерода, ванадия, кобальта.

Быстрорежущие инструментальные стали делятся на 3 группы:

• Сплавы с нормальной теплостойкостью – вольфрамовые и вольфрамомолибденовые соединения (P9, P12, P18, P6M3, P6M5, P8M3), которые используют для изготовления режущего инструментария с целью обработки конструкционных, цветных и черных металлов, пластмассы. К этой же группе относятся составы, легированные азотом для повышения режущих характеристик металла.
• Марки с повышенной теплостойкостью – составы с увеличенным содержанием углерода, ванадия и кобальта (10Р6М5, Р2МЗФ8, Р9К10 и др.), предназначенные для обработки закаленных, жаропрочных, нержавеющих и конструкционных металлов.
• Высоколегированные сплавы с высокой теплостойкостью – характеризуются высоким содержанием легирующих добавок и низким содержанием углерода (В14М7К25, В11М7К23). Они предназначены для резки титановых сплавов и труднообрабатываемых изделий.

Основные характеристики

• Горячая твердость
  В обычном состоянии материал по твердости уступает углеродистым металлам. Но в процессе нагрева твердость обычных углеродистых соединений падает до недопустимых пределов. Твердость быстрорежущей стали сохраняется даже при температуре 600°C.
• Красностойкость
  Этот параметр характеризует максимальное время, в течение которого инструмент может выдерживать высокую температуру без потери своих эксплуатационных свойств. Быстрорежущее оборудование в этом плане не имеет аналогов.
• Сопротивление разрушению
  Прочные сплавы обладают отличными механическими характеристиками, препятствующими их разрушению. Это гарантирует возможность использования оборудования в интенсивном режиме эксплуатации.

Изготовление быстрорежущих сталей

При производстве используются следующие технологии:

• Классический способ разливки и формовки металла с последующей проковкой. Эта технология дает возможность предварительного отжига и закалки материала, а также предотвращает образование хрупкости и улучшает качественные характеристики инструмента.
• Порошковый метод, в процессе которого расплавленный состав распыляется с помощью азота.

Для улучшения качества полученных изделий, после изготовления их поверхность подвергают дополнительной обработке азотом, цинком, серосодержащими сульфидами.

Где применяются быстрорежущие стали?

Область применения износостойкого металла зависит от состава, определяющего его рабочие свойства. В основном – это инструмент, к которому предъявляются высокие требования прочности, термостойкости, длительного срока службы.

• Производство сверл, резцов, фрез, метчиков;
• Изготовление режущих кромок для инструмента, которые в ряде случаев могут быть съемными;
• Детали для металлообрабатывающих станков и оборудования;
• Изготовление инструментов, с помощью которых осуществляется чистовая отделка труднообрабатываемых металлических изделий.

По использованию данных марок металла специалисты дают следующие рекомендации:

• Вольфрамомолибденовые составы подходят для инструментов, предназначенных для черновой обработки изделий, изготовления фрез, протяжек и шеверов.
• Кобальтовые соединения используют для обработки жаропрочных и коррозионностойких изделий в сложных условиях.
• Ванадиевые сплавы используются для чистовой обработки материалов.
• Марка P9 применяется для создания элементов оборудования, не подвергающихся чрезмерной нагрузке.
• Марка P18 подходит для инструментов сложной формы и фасонных изделий, с повышенными требованиями износостойкости.

Сортамент металлических изделий представлен квадратом, кругом, полосой, листовым прокатом. Чаще всего режущий инструмент изготавливаются из круга. Квадратный прокат применяется для производства электрорубанков, ножей, токарных резцов. Если есть сомнения в правильном выборе подходящего сплава, лучше обратиться к специалистам. В профильных компаниях смогут подобрать прокат высокого качества и нужных эксплуатационных характеристик.

Виды быстрорежущих HSS-сталей

Изобретение быстрорежущей стали в начале ХХ века стало прорывом в развитии машиностроения. Новый материал повлиял на изобретение быстроходных станков и автоматов большой мощности, а также поспособствовал резкому скачку производительности в работе механических цехов. Несмотря на то, что HSS-сталь имеет довольно сложный состав, ее активно используют для производства инструмента повышенной прочности.

Что такое сталь HSS

Аббревиатура HSS образована от английского High Speed Steel — «быстрорежущая сталь». Ее применяют при производстве различного инструмента для работы с металлическими изделиями. Для изготовления применяют классический метод разливки в слитки с последующей прокаткой и проковкой. Также используют порошковой метод — распыление азотом струи жидкой стали.

HSS-сплавы принадлежат группе с высоким содержанием углерода, некоторые марки которой содержат вольфрам в определенном количестве. Твердость изготовленных инструментов из данного материала соответствует 62-64 единицам по шкале HRC.

Изделия из быстрорежущей стали обладают повышенной прочностью и находятся в доступном ценовом сегменте.

Область применения быстрорежущих сталей

Состав материала определяет область применения и рабочие характеристики. Инструменты, изготовленные из данного металла, способны выдержать длительную эксплуатацию.

• для изготовления сверл со сложной формой и конструкцией, получаемой с помощью литья;
• при производстве режущей кромки резцов для повышения износостойкости;
• для формирования напаек режущего инструмента;
• для изготовления фрез, зенкеров, метчиков, плашек, ножей или пильных полотен.

Виды HSS-сталей

HSS-стали бывают трех категорий:

• вольфрамовые (Т1-Т15);
• молибденовые (М1-М36);
• высоколегированные (М41-М62).

Стали, относящиеся к вольфрамовой группе, в наше время не популярны в связи с завышенной стоимостью вольфрама.

Чаще всего применяют марку Т1 и сплав с добавлением кобальта и ванадия Т15. Сталь Т15 используют для производства инструмента, который нужен для работы при высоких температурах и повышенном износе.

Вольфрамовые

Вольфрамовая группа известна четырьмя типами стали:

1. Т1 (аналог — Р18). Обладает высокой прочностью, стойкостью к износу и шлифуемостью. Применяют для сверл и другого инструмента, который чаще всего используют для обработки легированных и углеродистых сталей.
2. Т2 (аналог — Р18Ф2). В данном сплаве содержание ванадия достигает 2%. Из него делают получистовые и чистовые сверла для работы по обработке среднелегированных сталей.
3. Т3 (аналог — Р18К5Ф2). В сплаве находится: вольфрам – 18%, кобальт – 5%, ванадий – 2%. Инструменты из данного сплава выделяются повышенной износостойкостью и твердостью, однако обладают низкой шлифуемостью. Сверла чаще всего используют для работы с заготовками из коррозионностойких, высокопрочных и жаропрочных сплавов.
4. Т15 (аналог — Р12Ф5К5). Содержит: вольфрам – 12%, кобальт – 5%, ванадий – 5%. Инструменты имеют высокую прочность, износостойкость и вязкость. Их в основном используют для сверления труднообрабатываемых материалов.

Содержание вольфрама наделяет изготовленный инструмент красностойкостью, что позволяет сохранить твердость и остроту режущей кромки при повышенных температурах.

Молибденовые

Молибденовая группа имеет более широкое распространение. В сплавах также содержатся кобальт и вольфрам.

Стали с содержанием таких компонентов, как углерод и ванадий, проявляют стойкость к изнашиванию при шлифовании.

Изделия, сохраняющие повышенную твердость во время работы при высоких температурах, изготавливают из молибденовых сталей марки М41 и выше. Инструменты, обладающие высокой ударной вязкостью в условиях низких температур, производят из молибденовых сплавов с последующей термической обработкой.

• М1. Содержание молибдена — 8%. Используется для инструментов общего назначения. Сверла обладают гибкостью и стойкостью к нагрузкам, однако красностойкость значительно ниже, чем у других марок.
• М2 (аналог — Р6М5). Состав сплава: вольфрам – 6%, молибден – 5%. Наделен достаточной прочностью, твердостью и теплостойкостью. При работе режущие кромки инструмента дольше сохраняются.
• М3 (аналог — Р6М5Ф3). Содержит 3% ванадий. Инструмент из данной стали наделен низкой изнашиваемостью при шлифовке.
• М7. Компоненты в составе: вольфрам – 1,75%, ванадий – 2%, молибден – 8,75%. Сплав применяют для изготовления сверл, которые нужны для работы с толстолистовыми и твердыми металлами.
• М35 (аналог — Р6М5К5). В составе присутствует 5% кобальта, молибден, вольфрам, а также в незначительных количествах кремний, никель и марганец. Преимущество сплава заключается в его вязкости, хорошей шлифуемости, теплостойкости и сопротивляемости износу. Сверла используют при обработке изделий из нержавеющих и улучшенных легированных сталей при условии высокого разогрева режущей кромки.

Высоколегированные

Высоколегированные сплавы относятся к молибденовой группе. Стали, которые прошли специальную термическую обработку, используются для производства инструментов с повышенной ударной вязкостью и возможностью эксплуатации при холодных условиях.

• М74 (аналог — Р2АМ9К5). В состав входит: молибден – 9%, кобальт – 4,7-5,2%. Отличается повышенной склонностью к потере углерода, перегреву в процессе закалки и пониженной шлифуемости. Инструмент из данного сплава применяют для заготовок из нержавеющих и улучшенных легированных сталей.
• М42. Содержание сплава: кобальт – 8%, молибден – 9,5%. Сверла отличаются устойчивостью к истиранию. Инструменты применяют для обработки сложных и вязких металлов.

Характеристики быстрорежущих сталей

Перечисляя характеристики, необходимо учитывать, что созданный материал необходим для эксплуатации режущих приспособлений при высоких показателях трения, возникающих в процессе резания. Быстрорежущие стали обладают повышенной твердостью и могут использоваться в работе, требующей высоких скоростей.

Горячая твердость

При использовании режущих приспособлений в процессе работы происходит постоянное выделение тепла, при этом около 80% тратится на разогрев инструмента. Температура режущей кромки повышается и происходит отпуск материала, что влечет за собой понижение его твердости. Тем не менее быстрорежущая сталь сохраняет свои показатели даже при нагреве до 500-600 о С.

Красностойкость

Показатель, учитывающий временной промежуток, в период которого сталь сможет выдержать повышенную температуру, не меняя своих эксплуатационных характеристик. Завышенный показатель трения приводит к разогреву металла, от чего происходят изменения в кристаллической решетке. В результате некоторые свойства быстрорежущей стали существенно меняются.

Сопротивление разрушению

Материал, который применяют для изготовления режущего инструмента, должен обладать высокими механическими свойствами — сопротивлением хрупкому разрушению. Высокая прочность сплава обеспечивает режущему приспособлению стойкость к большому усилию, подаче и глубине резания, что в свою очередь приводит к повышению производительности процесса.

Особенности термической обработки

Результатом высокотемпературной обработки быстрорежущих сталей становится изменение структуры материала для получения определенных физико-механических свойств, требуемых при работе с данным инструментом.

Отжиг

HSS-сталь после процесса прокатки и ковки приобретает повышенную твердость и внутреннее напряжение. В связи с этим заготовки предварительно подвергаются отжигу. Отжиг снимает внутреннее напряжение материала, улучшает обрабатываемость и подготавливает ее для закалки.

Процесс отжига происходит при температуре около 850-900 о С. Тем не менее следует опасаться излишнего повышения температуры и длительности выдержки, потому что сталь при этом может получить повышенную твердость. В связи с пониженной теплопроводностью сплава нагрев осуществляется медленно и равномерно.

Изделия загружают в печь при температуре 200-300 о С, при этом увеличивают последующий нагрев со скоростью 150-200 о /час. Процесс оканчивается медленным охлаждением: сначала в печи до 650 о С, а затем до комнатной температуры на открытом воздухе.

Для защиты от обезуглероживания отжиг производят в закрытых ящиках с нейтральной средой.

Машиностроительные заводы небольшое количество заготовок подвергают изотермическому отжигу. Их нагревают до 880-900 о С короткое время, а затем переносят в печь с температурой не выше 720-730 о С на 2-3 часа. Для защиты от появления излишних внутренних напряжений заготовки охлаждают в печи до 400-450 о С, а затем оставляют на открытом воздухе.

Обычный отжиг длится дольше, чем изотермический процесс. В последующем заготовки проходят механическую обработку, а затем инструмент подвергается окончательному процессу термической обработки — закалке и отпуску.

Закалка

Инструменты, выполненные из быстрорежущей стали, подвергаются закаливанию при температурах свыше 1300 о С. После процесса закалки происходит многократный отпуск при 550-560 о С. Такая температура необходима для растворения в аустените большого количества карбидов для получения высоколегированного аустенита.

При дальнейшем охлаждении получается высоколегированный мартенсит, который содержит большое количество вольфрама, ванадия и хрома. Мартенсит не распадается во время нагрева до 600 о С, что придает быстрорежущей стали красностойкость.

Для получения высоких показателей красностойкости температура во время закалки должна быть очень высокой. Однако есть предел, при повышении которого в быстрорежущей стали начинается быстрый рост зерна и происходит оплавление.

Отпуск

Закаленная быстрорежущая сталь в обязательном порядке проходит процесс отпуска. При температуре 550-560 о С проводится многократный процесс с промежутками по 1 часу. Цель отпуска заключается в превращении аустенита в мартенсит. Быстрорежущая сталь проходит два внутренних процесса:

1. При нагревании и последующем отпуске из остаточного аустенита выделяется измельченный карбид. Вследствие чего легирование аустенита понижается, что способствует легкому превращению в мартенсит.
2. Во время охлаждения при 100-200 о С получается мартенсит. При этом также снимается внутреннее напряжение, возникшее при закалке.

В наше время чаще всего на заводах применяют процесс ускоренного отпуска стали, который проходит при повышенных температурах.

Улучшение характеристики изделий из HSS-сталей

Для придания твердости материала, стойкости к износу и устойчивости к коррозии поверхность инструментов подвергают дополнительной обработке. К таким методам относятся:

1. Азотирование. Насыщение азотом слоя поверхности проводится в газовой среде, которая состоит из 80% азота и 20% аммиака или на 100% из аммиака. Технологический процесс длится от 10 до 40 минут при температуре 500-600 о С и приводит к укреплению поверхностной оболочки.
2. Цианирование. Насыщение осуществляется в жидкой или газовой среде, состоящей из химического элемента — цинка. Процесс высокотемпературного цианирования длится от 5 до 45 минут при температуре 800-900 о С. Низкотемпературный процесс происходит при 500-600 о С и обеспечивает износостойкость и высокую твердость инструменту.
3. Сульфидирование. Насыщение поверхностей стальных изделий серой осуществляется при 550-600 о С путем нагревания в серноазотистых солях в течение 2-3 часов. В результате процесса повышается износоустойчивость стальных изделий.

Суть химико-термической обработки заключается в проникновении различных химических элементов в атомную кристаллическую решетку железа при нагревании деталей из стали в среде, насыщенной необходимыми элементами.

Быстрорежущие легированные стали предназначены для производства металлорежущего инструмента, который используют при работе на высоких скоростях. HSS-сплавы отличаются способностью сохранения износостойкости и сопротивляемости к разрушению при повышенных температурах. Добавление в состав стали молибдена, вольфрама, кобальта и ванадия обеспечивает красностойкость и горячую твердость.