Быстрорежущие стали и их свойства

4.3. Состав и свойства быстрорежущих сталей.

В основу классификации быстрорежущих сталей по свойствам положена теплостойкость (красностойкость), которая определяет допустимые скорости резания, т.е. производительность обработки.

В зависимости от красностойкости различают стали нормальной (умеренной) и повышенной теплостойкости (производительности). Кр. 58 для сталей первой группы должна быть не менее 620 и для сталей второй группы не менее 630 О С.

4.3.1 Стали нормальной теплостойкости.

К ним относятся вольфрамовые и вольфрамомолибденовые стали (табл.4.1).

Состав и свойства быстрорежущих сталей нормальной

Химический состав (средний),% масс

На сталях этой группы целесообразно рассмотреть принципы легирования быстрорежущих сталей вольфрамом и молибденом.

Химический состав классической БРС Р18 сложился к 10-15 г.г. ХХ века. Композиция 18-4-1 (W,Cr,V) оказалась весьма удачной. Эта сталь вошла практически в стандарты всех стран (S18-0-1-Германия, НS18-0-1-Италия,Z80WCV18-04-01-Франция, ВТ1 – Великобритания, Т1 – США,SKH2 – Япония).

Успешность композиции не является случайной. При соотношении вольфрама и углерода 18 – 0,8 (% масс.) основным карбидом в структуре стали является, в соответствии с фазовой диаграммой «Fe–W-C», карбид Ме6С.

Работы по исследованию влияния вольфрама на структуру и свойства БРС, содержащих до 2% ванадия (несколько больше, чем в стали Р18), проведенные на кафедре «Металловедение» МГТУ СТАНКИН Л.С.Кремневым и Ю.А.Геллером, показали, что увеличение содержания вольфрама в стали сопровождается ростом количества карбида Ме6С. При этом рост концентрации вольфрама до 12 – 13% увеличивает как весовое, так и объемное количество карбида, а затем практически возрастает лишь его весовое количество.

Карбид Ме6С имеет сложный состав. Помимо атомов основного элемента – вольфрама в нем растворены атомы железа, хрома, ванадия. Его состав может меняться в пределах от (Fe,Cr,V)4W2С до (Fe,Cr,V)2W4C. Такое изменение химического состава карбида приводит к тому, что его плотность увеличивается (атомные весаFe,CrиV– 55,85; 52,01; 50,95, соответственно, тогда какW– 183,92).

Таким образом, увеличение концентрации вольфрама до 12 – 13% приводит к образованию новых карбидов (растет их объемная доля), а дальнейшее увеличение приводит, в основном, к «утяжелению» карбида. Вольфрам при этом расходуется не на образование новых порций карбидных частиц, а на замещение атомов более легких элементов в уже имеющихся карбидах, при этом естественно возрастает весовое количество карбида.

Результаты этих исследований позволили обосновать состав стали Р12. Свойства сталей Р18 и Р12 практически одинаковы, а содержание дорогостоящего вольфрама в стали Р12 в 1,5 раза меньше. Таким образом, оптимальное содержание вольфрама в вольфрамовых БРС составляет 12 – 13%.

В основу создания стали Р9 положено то обстоятельство, что при закалке стали Р18 лишь около половины вольфрама переходит в твердый раствор. Таким образом, возникла гипотеза об излишнем содержании вольфрама в стали Р18. Следствие этой гипотезы – идея сокращения содержания вольфрама в два раза с тем, чтобы «работал» – переходил в твердый раствор – весь вольфрам. Однако эта гипотеза себя не оправдала. И в этом случае растворить в аустените все карбиды не удается (подробнее см. низколегированные быстрорежущие стали). Вместе с тем сталь Р9 обладает достаточной теплостойкостью и, несмотря на пониженные технологические свойства (см. ниже), нашла применение из-за невысокого уровня легирования вольфрамом.

Сталь Р6М5 – вольфрамомолибденовая. Молибден и вольфрам являются химическими аналогами. Атомный вес молибдена (95,95) меньше, чем у вольфрама (183,92), поэтому для получения одинакового количества карбидной фазы (% объемн.) его массовая доля в БРС должна быть, естественно, меньше.

Анализ фазовой диаграммы «Fe– Мо -C» показывает, что при содержании углерода, равном 0,8%, карбид Ме6С будет основным, если содержание молибдена в стали равно 12% (в системе «Fe–W-C» это достигается при 18%W). Т.е. содержание молибдена в БРС должно быть примерно в 1,5 раза меньше, чем вольфрама.

Таким образом, сталь Р6М5 отвечает сформулированному выше оптимальному содержанию основных легирующих компонентов в БРС (в среднем, W+ 1,5 Мо=13,5%).

Карбиды вольфрамомолибденовых БРС имеют меньшие размеры, чем вольфрамовых. Это связано с более низкой температурой кристаллизации этих сталей и их более высокой горячей пластичностью.

Вследствие более низкой температуры кристаллизации эвтектика получает более тонкое строение (карбиды меньших размеров). При получении одинакового сечения при горячей пластической деформации лучшая пластичность вольфрамомолибденовых БРС определяет меньшее количество нагревов, вызывающих рост карбидов.

Основные, эксаплуатационные свойства сталей этой группы близки. Вольфрамовые БРС обладают несколько большей теплостойкостью по сравнению с вольфрамомолибденовыми, но их механические свойства ниже.

Режущий инструмент из этих БРС предназначен для обработки сталей (sвдо 80 – 100Мпа) и чугунов (с твердостью до 250 – 280НВ) и цветных металлов и сплавов, обладающих хорошей обрабатываемостью (медные, алюминиевые, цинковые).

При используемых режимах резания отличия в свойствах сталей практически не оказывают влияния на стойкость инструмента (до 40 м/мин при обработке черных и до 80 м/мин при обработке цветных металлов).

Выбор сталей для конкретных условий обработки и типа инструмента определяется различия их технологических свойств.

Сталь Р6М5 обладает большей горячей пластичностью по сравнению с вольфрамовыми сталями, но менее технологична при термической обработке. Она обладает большей склонностью к обезуглероживанию при нагреве, для нее характерен более узкий интервал закалочных температур.

Более мелкие карбиды и их лучшее распределение в стали Р6М5 определяет целесообразность ее применения для инструментов большого сечения.

Читать еще:  Как просверлить нержавеющую сталь

Обрабатываемость резанием при лезвийной обработке всех сталей близка, их твердость в отожженном состоянии в соответствии с ГОСТ не должна превышать 255НВ. Обрабатываемость шлифованием (шлифуемость) сталей Р18, Р12 и Р6М5 по ГОСТ оценивается как удовлетворительная, тогда как стали Р9 – как пониженная. Это связано с большим содержанием ванадия в этой стали, образующего карбид VC(МеС) высокой твердости (подробно технологические свойства рассмотрены ниже).

Быстрорежущие стали

Существует огромное количество различных металлов, которые обладают своими определенными достоинствами и недостатками. Быстрорежущие стали зачастую применяются для изготовления инструментов, которые должны обладать повышенной прочностью, некоторых ответственных деталей. Рассмотрим особенности этого сплава подробнее.

Характеристики быстрорежущих сталей

Быстрорежущие стали – сплавы, которые имеют достаточно большое количество легированных добавок. За счет добавления различных химических веществ свойства металла серьезно меняются. Рассматривая характеристики следует отметить, что материал подобного типа специально создается для эксплуатации при высоком показателе трения, который возникает на момент резания. Состав быстрорежущей инструментальной стали существенно повышает твердость металла, за счет чего он может работать на повышенной скорости.

Основные характеристики быстрорежущих сталей

Характеристики быстрорежущей стали следующие:

  1. Высокая твердость. Рассматривая основное назначение подобного металла следует учитывать, что он может использоваться для обработки деталей или заготовок путем резания. Как показывают проведенные тесты, качественная быстрорежущая сталь сохраняет свои основные эксплуатационные качества при нагреве инструмента даже до температуры 6000 градусов Цельсия. Кроме этого быстрорежущая сталь обычного качества может иметь даже меньшую твердость в сравнении с обычным углеродистым металлом.
  2. Повышенная стойкость к высокой температуре. Устойчивость к воздействию повышенной температуры определяет то, как долго инструмент сможет работать без изменения своих эксплуатационных качеств. Из-за слишком высокого показателя трения металл может нагреваться, что становится причиной изменения кристаллической решетки. В результате основные свойства быстрорежущей стали могут существенно измениться. Как правило, нагрев становится причиной повышения пластичности и снижения твердости, за счет чего износ поверхности проходит намного быстрее.
  3. Устойчивость к разрушению. Режущий инструмент, который может работать на высокой скорости, должен обладать повышенной механической устойчивостью. Кроме этого инструмент может работать при высоком показателе подачи, что позволяет работать на большой глубине резания.

Именно химический состав быстрорежущей стали определяет ее основные эксплуатационные качества.

Классификация и маркировка быстрорежущих сталей

Все быстрорежущие стали классифицируются непосредственно по химическому составу, для чего проводится расшифровка маркировки. Инструментальные стали быстрорежущие делятся на следующие три группы:

  1. Сплавы с полезными примесями, в которых процентное содержание кобальта не более 10%, а вольфрама 22%. Маркировка металла этой группы следующая: P10M4Ф3К10 и Р6М5Ф2К8 и другие.
  2. Сплавы, в составе которых не более 5% кобальта и до 18% вольфрама. Виды быстрорежущей стали этой группы следующие: Р9К5, Р10Ф5К5 и другие.
  3. Варианты исполнения металла, расшифровка которых определяет процентное содержание кобальта и вольфрама более 16%. Представителями этой группы можно назвать марки Р9 и Р18, Р12 и Р6М5.

При применении подобного металла получающаяся кромка не реагирует на механическое воздействие, по всей длине показатель твердости остается неизменным и металл не выкрашивается. Вышеприведенная классификация быстрорежущей стали определяет то, при какой скорости резания и подаче может использоваться сплав.

Состав быстрорежущих сталей различных марок

Рассматривая обозначение быстрорежущей стали следует уделить внимание тому, что первая буква для обозначения этой группы «Р». Цифра, которая идет первой в обозначении указывает процесс вольфрама в составе. Далее могут идти буквы, обозначающие легирующие элементы. Стоит учитывать, что расшифровка металла указывает на точное содержание определенных легирующих элементов, которые изменяют эксплуатационные качества материала.

Область применения различных марок быстрорежущих сталей

Рассматривая применение износостойкого металла следует уделить внимание тому, что конкретный состав металла определяет его эксплуатационные качества. Инструмент изготовленный из подобного металла может выдерживать длительную эксплуатацию.

Режущий инструмент из быстрорежущей стали

Область применения достаточно обширна:

  1. Изготовление сверл. Сверла имеют достаточно сложную форму и конструкцию, которая получается путем литья.
  2. Изготовление резцов. Сегодня для удешевления резцов их основная часть изготавливается из недорого металла, и только режущая кромка из износостойкого материала.
  3. Изготовление напаек для режущего инструмента. В некоторые случаях режущая кромка сменная.
  4. Изготовление фрез. Фрезы также получаются методом литья расплавленного металла.

Материал может использоваться для получения инструмента, который будет выдерживать высокую нагрузку.

Сегодня, при повсеместной установке станков с ЧПУ, режущий инструмент повышенной устойчивости является единственным выходом из сложившейся ситуации, когда высокие скорости обработки создают проблемы.

Особенности термической обработки быстрорежущих сталей

Для увеличения эксплуатационных качеств быстрорежущей стали могут применяться стандартные методы обработки. Однако при этом учитывается состав металла. Примером назовем то, что процесс закалки предусматривает нагрев среды до температуры, которая позволяет обеспечить условия для растворения различных примесей и добавок.

После того, как обработка быстрорежущей стали была завершена, в сплаве остается до 30% аустенита, что существенно повышает теплопроводность и твердость.

Для уменьшения показателя аустенита в структуре могут применяться две технологии:

  1. Для повышения качества термической обработки нагрев проводится в несколько этапов. При этом выдержка проводится при определенной температуре, а также проводится многократный отпуск.
  2. Отпуск подразумевает охлаждение заготовки до низкой температуры, которая часто составляет — 800 градусов Цельсия.
  3. Закалка должна проводится при достаточно высокой температуре, так как только в этом случае происходит полное перестроение кристаллической решетки.
  4. Для охлаждения используется самая различная среда. Примером назовем применение масла иди соляных ванн. Обычная вода становится причиной появления самых различных дефектов, к примеру, трещин или окалин. После этого приходится выполнять дополнительную обработку для удаления дефектов.
Читать еще:  Закалка нержавеющей стали

Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига; в) после закалки; г) после отпуска

Кроме этого улучшение характеристик проводится следующим образом:

  1. Проводится насыщение поверхностного слоя цинком. Для того чтобы оказать требуемое воздействие на поверхность подобная операция предусматривает нагрев поверхности до 5600 градусов Цельсия. Выдержка может проходить в течение от 5 до 30 минут.
  2. Также может происходить насыщение поверхности азотом. Чаще всего подобная процедура проводится в газовой среде. Выдерживается заготовка или деталь в течении 10-40 минут, температура нагрева варьирует в пределе 550-6600 градусов Цельсия.
  3. В некоторых случаях химический состав металла изменяется путем сульфидирования поверхности. Подобным образом можно повысить твердость и прочность поверхности.
  4. В качестве дополнительной обработки на поверхность напыляется различный материал. За счет этого существенно изменяются эксплуатационные качества инструмента или детали.

Сегодня часто встречается ситуация, когда поверхность обрабатывается паром, что позволяет существенно повысить характеристики поверхностного слоя. Зачастую дополнительная обработка проводится в случае, когда режущая кромка была полностью подготовлена.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Быстрорежущие стали

Деление сталей на инструментальные и конструкционные является очень условным и относится к области применения того или иного сплава. Инструментальные стали отличаются от конструкционных более высокой прочностью, износостойкостью и устойчивостью к коррозии. В зависимости от назначения стального изделия к исходному материалу могут предъявляться еще более жесткие требования. Стальной инструмент должен выдерживать значительные динамические нагрузки, сохранять стабильную форму и размеры. При этом инструментальные стали используются для изготовления ходовых винтов, подшипников качения, шестерен и других деталей, испытывающих сильные нагрузки во время эксплуатации или работающие под нагревом. Аналогично, некоторые инструменты изготавливаются из сталей, традиционно относящихся к конструкционным.

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали (рапиды, быстрорезы) относятся к инструментальным сталям специального назначения. Для всех инструментальных сталей характерны высокая твердость в холодном и горячем состоянии и высокое сопротивление пластической деформации. У быстрорежущих сталей комплекс характеристик дополнен красностойкостью – сохранением свойств при разогревании инструмента до температуры близкой к 600 º С, что важно для обработки твердых металлов резанием на высокой скорости. Красностойкость и горячую прочность стали придают легирующие карбидообразующие добавки: кобальт, вольфрам, ванадий и молибден. Твердость быстрорежущей стали в готовых изделиях HRC 63-66, для резания труднообрабатываемых материалов – HRC 66-69.

Быстрорежущие стали относятся к ледебуритным сталям, которые приобретают высокую износостойкость и твердость в процессе мартенситного превращения во время закалки. При высокотемпературном отпуске происходит дисперсионное твердение, обусловленное выделением упрочняющей фазы, состоящей из карбидов вольфрама, ванадия, молибдена.

Эксплуатационные характеристики инструмента определяются не только твердостью стали. Мелкий режущий инструмент часто выходит из строя до наступления соответствующего износа, то есть, для инструментальной стали важны такие характеристики как прочность и вязкость. Под прочностью подразумевается способность противостоять крутящему или изгибающему моменту, вязкость характеризует сопротивление разрушению под действием ударной нагрузки. Применение инструмента из высокопрочной стали дает возможность резание металла с большей подачей и обработку сплавов большей прочности. Сочетание высокой прочности и вязкости быстрорежущей стали предотвращает образование трещин, выкрашивание и поломку инструмента.

Прочность и вязкость стали имеют особо важное значение для инструментов, используемых при прерывистом точении, а также тонколезвийных и инструментов сложной формы.

Маркировка быстрорежущих сталей

Быстрорежущие стали были изобретены в Англии, где получили название rapid steel. В СССР была принята особая система обозначений, начинающаяся с буквы «Р» – сокращение от «рапид». Первая цифра в маркировке обозначает процентное содержание вольфрама в сплаве и не сопровождается буквенным обозначением. То есть, стали Р18, Р12, Р9 относятся к вольфрамовым. Буквами Ф, К, М, присутствующими в маркировке обозначают ванадий, кобальт и молибден соответственно. По химическому составу различают вольфрамомолибденовые, ванадиевые, кобальтовые стали. Быстрорежущая сталь иностранного производства обозначается аббревиатурой HSS (High Speed Steel).

Применение быстрорежущих сталей

Кобальтовые и ванадиевые быстрорежущие стали применяются для обработки конструкционных сталей при повышенных режимах резания, а также жаростойких, нержавеющих и высокопрочных сталей.

Инструменты из кобальтовых сталей применяются для обработки жаропрочных и коррозионно-стойких сталей, а также других труднообрабатываемых сплавов, подходят для эксплуатации в условиях недостаточного охлаждения, прерывистого резания и вибраций. Область применения быстрорежущих ванадиевых сталей – изготовление инструментов, предназначенных для чистовой обработки труднообрабатываемых металлов (разверток, протяжек и т.д.)

Быстрорежущая сталь Р18

Сплав содержит 18% вольфрама, относительно хорошо шлифуется. Твердость инструмента после термической обработки – HRC 62-65, красностойкость 600ºС. Присутствие избытка карбидной фазы придает стали мелкозернистую структуру, увеличивает износостойкость изделий, уменьшает чувствительность к перегреву. Быстрорез Р18 используется для изготовления долбяков, шеверов, сверл, фрез, метчиков, разверток. Основной недостаток вольфрамовых сталей – значительная карбидная неоднородность, приобретающая критическое значение в изделиях большого сечения. Карбидная неоднородность уменьшает стойкость инструмента и приводит к выкрашиванию режущих кромок.

Быстрорежущая сталь Р6М5

Быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама в последнее время вытесняются сложнолегированными сплавами в которых вольфрам частично заменен молибденом. Таким образом заметно уменьшается карбидная неоднородность металла, что повышает прочность инструмента и его устойчивость к ударным нагрузкам. Среди типичных представителей группы вольфрамомолибденовых сталей – стали Р6М5 и Р6М3.

Читать еще:  Цементируемые стали марки

Технологические качества стали Р6М5 близки к таковым стали Р18, то есть эти сплавы являются взаимозаменяемыми. В ряде случаев применение стали Р5М6 более предпочтительно, в частности, при изготовлении крупногабаритных инструментов. Благодаря высокой прочности, технологичности и стойкости сталь Р6М5 на данный момент является наиболее востребованной из сталей высокой продуктивности.

В сортамент быстрорежущей стали входят:

Круги из быстрорежущей стали используется для изготовления сверл, лерок, пил, метчиков и других режущих инструментов. Квадраты применяются реже, в основном для производства токарных резцов и ножей для электрорубанков.

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector