Красностойкость быстрорежущих сталей это

Обновлено: 04.05.2024

Если горячая твердость характеризует то, какую температуру сталь может выдержать, то красностойкость характеризует, сколько временисталь будет выдерживать такую температуру. Т.е. насколько длительное время закаленная и отпущенная сталь будет сопротивляться разупрочнению при разогреве.

Существует несколько характеристик красностойкости. Приведем две из них.

Высоким сопротивлением разрушению и твердостью в холодном состоянии обладают и углеродистые инструментальные стали. Однако инструмент из них не в состоянии обеспечить высокоскоростные режимы резания. Легирование быстрорежущих сталей вольфрамом, молибденом, ванадием и кобальтом обеспечивает горячую твердость и красностойкость стали.

Второй способ охарактеризовать красностойкость основан на том, что интенсивность снижении горячей твердости можно измерить не только при высокой температуре, но и при комнатной так как кривые снижения твердости при высокой температуре и комнатной идут эквидистантно, а измерить твердость при комнатной температуре, разумеется, гораздо проще, чем при высокой. Опытами установлено, что режущие свойства теряются при твердости 50 HRC при температуре резання, что соответствует примерно 58 HRC при комнатной. Отсюда красностойкость характеризуется температурой отпуска, при которой за 4 часа твердость снижается до 58 HRC (обозначение K 4 _р58).

Сопротивление разрушению

Кроме «горячих» свойств от материала для режущего инструмента требуются и высокие механические свойства; под этим подразумевается сопротивление хрупкому разрушению, так как при высокой твердости (> 60 HRC) разрушение всегда происходит по хрупкому механизму. Прочность таких высокотвердых материалов обычно определяют как сопротивление разрушению при изгибе призматических, не надрезанных образцов, при статическом (медленном) и динамическом (быстром) нагружении. Чем выше прочность, тем большее усилие может выдержать рабочая часть инструмента, тем большую подачу и глубину резания можно применить, и это увеличивает производительность процесса резания.

Принципы легирования быстрорежущих сталей

Высокая твердость мартенсита объясняется растворением углерода в α-железе. Известно, что при отпуске из мартенсита в углеродистой стали выделяются мельчайшие частицы карбида. Пока выделившиеся карбиды еще находятся в мельчайшем дисперсном рассеянии (т.е. на первой стадии выделения при отпуске до 200 °С), твердость заметно не снижается. Но если температуру отпуска поднять выше 200 °С, происходит рост карбидных выделений, и твердость падает.

Таким образом, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды и эти карбиды переходят в раствор при закалке. Несмотря на сильное различие в общем химическом составе, состав твердого раствора очень близок во всех сталях, атомная сумма W+Mo+V, определяющая красностойкость, равна примерно 4 % (атомн.), отсюда красностойкости и режущие свойства у разных марок быстрорежущих сталей близки. Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали (он повышает красностойкость), но кобальт очень дорогой элемент.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Металлокерамические твердые сплавы обладают высокой красностойкостью и сохраняют свои режущие свойства при нагреве до температур 900 - 1000 С. При этом сплавы группы ТК более износоустойчивы и имеют лучшую красностойкость. С повышением со-кобальта хрупкость сплава уменьшается, но вместе с тем и понижается твердость. [32]

Инструментальные материалы должны обладать высокой красностойкостью , сохраняя большую твердость при высоких температурах нагрева. [33]

Стали повышенной производительности обладают более высокой красностойкостью и более высокими режущими свойствами. [34]

Характерной особенностью быстрорежущей стали является высокая красностойкость , которая значительно выше красностойкости углеродистой стали. Это объясняется различием химического состава сталей, влияющим на строение мартенсита. В закаленном состоянии мартенсит углеродистой стали представляет твердый раствор углерода в а-железе с такой же концентрацией, как и у исходного аустенита. [35]

Комплекс свойств быстрорежущей стали - высокая красностойкость , твердость и сопротивление износу - создают ее высокие режущие свойства. [36]

Таким образом, для получения высокой красностойкости необходимо использовать весь углерод или большую его часть для образования в стали специальных карбидов и доведения количества цементита до минимального количества или полного его устранения. [37]

Вольфрамованадиевые стали с кобальтом имеют высокую красностойкость ( 640 С), твердость ( HRC 66 - 68) и износостойкость и применяются для изготовления инструмента, предназначенного для резания труднообрабатываемых материалов и конструкционных сталей повышенной твердости ( HRC 40 - 45) на высоких скоростях резания. Стали с массовой долей вольфрама 18 % применяются все реже. [38]

Какой из инструментальных материалов имеет наиболее высокую красностойкость . [39]

Они обладают большой твердостью, высокой красностойкостью ( до температуры 1000 С и выше), высокими скоростями резания ( при обработке стали марки 45 до 2700 м / лшн, алюминия - свыше 5000 М1мин) и сопротивлением истиранию. Недостатком твердых сплавов является относительно высокая хрупкость. [40]

Обе марки стали обладают почти одинаково высокой красностойкостью ( 600 - 650 С) и твердостью ( до HRC 64), хотя по содержа нию вольфрама они значительно различаются. Карбиды титана, ниобия, тантала, частично ванадия и др. настолько устойчивы, что они при нагреве не растворяются в аустените и поэтому также не способствуют красностойкости. [41]

Если по условиям работы не требуется высокая красностойкость , хотя бы потому, что процесс резания не сопровождается выделением большого количества теплоты, то применение более красно-стойкого материала не окажет серьезного влияния на применяемую скорость резания. [42]

Отличительной особенностью быстрорежущих сталей является их высокая красностойкость и одновременно высокая твердость в термически обработанном состоянии. Высокая твердость стали после термической обработки достигается путем получения структуры мартенсита с достаточным содержанием углерода в растворе. Высокая красностойкость стали связана с растворением в ней карбидов легирующих элементов, а следовательно, насыщением мартенсита не только углеродом, но и легирующими элементами. Красностойкость создается растворением главным образом двойного карбида, молибдена или вольфрама ( Fe3Mo3C или Fe3W3G) путем соответствующего нагрева стали: чем больше растворяется карбидов, тем выше ее красностойкость. Это означает что в аустените может раствориться около 7 % вольфрама и 0 4 % углерода; остальное количество вольфрама и углерода при всех условиях будет находиться вне твердого раствора, в виде избыточной карбидной фазы. [43]

Отличаются от других видов инструментальной стали высокой красностойкостью . Применяются для изготовления инструмента только в тех случаях, когда не могут быть рационально использованы твердые сплавы ( недостаточное число оборотов станка и другие причины) и когда могут быть полностью использованы режущие свойства стали. [44]

Нужно, однако, заметить, что высокая красностойкость не является необходимой для инструмента, работающего при малых скоростях резания и, следовательно, не подвергающегося сильному нагреву при работе. [45]

Красностойкость быстрорежущей стали обусловлена присутствующими в мартенсите легирующими элементами: вольфрамом, ванадием и хромом. Эти элементы выделяются из мартенсита лишь при повышенных температурах ( 500 - 600 С), а образуемые ими сложные карбиды мало коагулируют при этих температурах. [1]

Красностойкость быстрорежущей стали объясняется тем, что специальные элементы, входящие в состав стали, препятствуют распаду структуры мартенсита. Такими элементами являются: хром, вольфрам, молибден и ванадий. Эти элементы, образуя сложные карбиды, препятствуют распаду мартенсита, так как они выделяются ( выпадают) из мартенсита при более высокой температуре, чем углерод из мартенсита в углеродистых сталях. [2]

Красностойкость быстрорежущей стали может быть повышена ( см. стр. [3]

Красностойкость быстрорежущих сталей достигает 600 - 650 С; она зависит в основном от двух факторов - химического состава сталей и режима их термической обработки. Некоторые быстрорежущие стали содержат кобальт, который также повышает их красностойкость. Однако с увеличением содержания кобальта и ванадия шлифуемость сталей ухудшается, повышается их чувствительность к обезуглероживанию. Чтобы придать быстрорежущим сталям хорошие режущие свойства, их подвергают термической обработке по специальному режиму. [4]

Красностойкость быстрорежущих сталей равна примерно 600 С. [5]

Вольфрам придает красностойкость быстрорежущей стали . [7]

Значительное повышение красностойкости быстрорежущей стали достигается увеличением в ней процентного содержания кобальта. [8]

Методика определения красностойкости быстрорежущей стали установлена ГОСТ-1. По этой методике для определения красностойкости закаленные и нормально отпущенные образцы стали подвергают четырехкратному нагреву до 575, 600, 625, 650 и 700 с продолжительностью каждого нагрева по 1 часу; для каждой температуры нагрева используют отдельные образцы. После охлаждения измеряют твердость нагревавшихся образцов. Измерение твердости после многократного нагрева характеризует изменения структуры, происходящие в стали вследствие воздействия высоких температур. Сталь, лучше сохраняющая свою структуру и свойства ( в этих испытаниях - твердость), обладает лучшей красностойкостью, а следовательно, и способностью противостоять действию температур, возникающих в процессе резания. [9]

I Вольфрам придает красностойкость быстрорежущей стали . [10]

Закалка при температуре ниже заданной снижает красностойкость быстрорежущей стали , а при температуре выше заданной увеличивает количество остаточного аустенита. [11]

Температуры, возникающие при резании пластмасс, при нормальной эксплуатации режущего инструмента не превосходят красностойкости быстрорежущих сталей , а тем более твердосплавных инструментальных материалов. Поэтому теплового разрушения режущих кромок также произойти, не может. [12]

Цианирование имеет целью либо повышение поверхностной твердости, износостойкости и усталостной прочности машиностроительной стали; тогда этот процесс ведут при температурах 820 - 950 С, либо повышение поверхностной твердости и красностойкости быстрорежущей стали - в этом случае процесс ведется при 540 - 560 С. Последнее время успешно опробовано цианирование при 780 - 850е С инструментальных углеродистых и легированных сталей в целях повышения красностойкости и износостойкости. [13]

Вольфрам обеспечивает красностойкость быстрорежущей стали . Хром способствует большей прокаливаемости быстрорежущей стали. [15]

Красностойкость быстрорежущих сталей это

Под быстрорежущими понимаются стали, предназначаемые для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь должна в первую очередь обладать высокой горячей твердостью и красно стойкостью. Температура разогрева инструмента зависит от условий резания. Чем производительнее работает инструмент, тем больше стружки он снимает в единицу времени; чем выше сопротивление материала отделению стружки, тем сильнее разогревается его режущая часть. В наиболее нагретой части резца температура достигает 600-700°С. Если под действием этой температуры сталь инструмента не размягчается, инструмент долгое время сохраняет износостойкость и режущие свойства.

Следует отметить, что твердость в холодном состоянии не определяет режущей способности стали. Твердость углеродистой стали выше, чем быстрорежущей, но ее режущие свойства намного ниже. Высокая твердость инструментальной стали необходима во всех случаях, но для быстрорежущего инструмента требуется высокая твердость не только в холодном состоянии, но и при повышенных температурах. Иначе говоря, быстрорежущая сталь должна устойчиво сохранять твердость в нагретом состоянии, это называется красностойкостью.

Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы этот процесс коагуляции карбидов. Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то том, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого углерода, но и диффузия легирующих элементов.

Сталь Р18 – наиболее распространенная, универсальная марка быстрорежущей стали. Аналогична по назначению и близка по режущим свойствам сталь Р9. Сталь Р9 труднее, подвергается термической обработке, так как требует более точного соблюдения режима закалки, и плохо шлифуется, сталь Р18 дороже и обладает хорошими механическими свойствами.

Температура закалки должна быть возможно выше, однако не выше температуры начала интенсивного роста зерна или оплавления. Для стали Р18 оптимальная температура закалки 1260-1280°С, для стали Р9 -1220-1240°С.

Из-за малой теплопроводности стали нельзя помещать инструмент сразу в печь для окончательного нагрева во избежание появления трещин. Рекомендуется применять специальный подогрев. Наиболее распространен двойной подогрев: первый при 500-600°С, второй при 830-860°С.

Выдержка при температуре закалки, способствуя переводу карбидов в раствор, действует аналогично повышению температуры закалки.

Охлаждение при закалке быстрорежущей стали следует проводить в масле. В результате медленного охлаждения с высоких температур (например, на воздухе) могут выделиться карбиды, что ухудшит режущие свойства.

Весьма хорошие результаты (в смысле уменьшения закалочной деформации) дает ступенчатое охлаждение. Отпуск стали можно проводить по двум различным режимам.

Первый режим состоит в том, что инструмент подвергают трехкратному отпуску при 560°С с выдержкой при температуре отпуска каждый раз 1 час. После первого отпуска остается около 15% остаточного аустенита, после второго 3-5% и после третьего 1-2%. Твердость после такой обработки поднимается до НRС 64-65. Образование мартенсита при отпуске происходит, как указывалось выше, при охлаждении от 150 до 20°С.

Другой режим состоит в том, что после закалки инструмент обрабатывается холодом при -80°С. При охлаждении от комнатной температуры до -80°С образуется дополнительно около 15-20% мартенсита (от общего объема стали) и после обработки холодом сохраняется 10-15% остаточного аустенита. Этот аустенит превращается в мартенсит после однократного отпуска при 560°С.

Теплостойкость определяет допустимые скорости резания, т.е. производительность обработки. Теплостойкость является стандартной характеристикой быстрорежущих сталей; в соответствии с ГОСТ 19265-73 она носит название "красностойкость". Красностойкость оценивается температурой дополнительного четырехчасового нагрева, после которого сохраняется твердость 58 HRC (пример обозначения: Кр58 = 640 0C – после четырехчасовой выдержки при 640 °С твердость стали составила 58 HRC). Нагреву подвергают термически обработанный образец (закалка + трехкратный отпуск).

В зависимости от красностойкости различают стали нормальной (умеренной) и повышенной теплостойкости (производительности). Кр58 для сталей первой группы должна быть не менее 620 °С и для сталей второй группы – не менее 630 °С. Для приемочных испытаний применяется нагрев при указанных температурах, после чего проводится измерение твердости, ее значения должны соответствовать ГОСТу. Для более точного определения теплостойкости, т.е. температуры дополнительного нагрева, после которого сохраняется определенный уровень твердости, выполняются несколько отпусков при разных температурах с изотермической выдержкой в течение 4 ч, после этого измеряется твердость. Красностойкость определяется с помощью графической зависимости "температура – твердость" (так, на рис. 9.3 Кр58 = 625 °С).

К ним относятся вольфрамовые и вольфрамомолибденовые стали (табл. 9.1). Свойства сталей этой группы близки. Вольфрамовые обладают несколько большей теплостойкостью по сравнению с вольфрамомолибденовыми, но их механические свойства ниже.

Стали предназначены для обработки следующих материалов: сталей (σв до 800. 1000 МПа), чугунов (с твердостью до 250. 280 НВ) и цветных металлов и сплавов, обладающих хорошей обрабатываемостью (медные, алюминиевые, цинковые).

Отличия в свойствах сталей мало влияют на стойкость инструмента при используемых в практике режимах резания (до 30. 40 м/мин

Рис. 9.3. Определение красностойкости для 58 HRC

Состав (средний) и свойства быстрорежущих сталей нормальной теплостойкости

Характеристика быстрорежущих сталей – легированных сталей, которые предназначены для изготовления металлорежущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Маркировка, химический состав, изготовление и термообработка быстрорежущих сталей.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	21.12.2011

Санкт-Петербургский Институт Машиностроения

Тема: «Быстрорежущие стали»

Выполнил студент группы 4551

Санкт-Петербург 2011 г.

1. Характеристики быстрорежущих сталей

1.1 Горячая твердость

1.3 Сопротивление разрушению

2. Принципы легирования быстрорежущих сталей

3. Маркировка быстрорежущих сталей

4. Из истории создания и развития быстрорежущих сталей

5. Химический состав быстрорежущих сталей

6. Изготовление и обработка быстрорежущих сталей

6.2 Порошковая технология

Быстрорежущие стали – легированные стали, предназначенные, главным образом, для изготовления металлорежущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания.

Быстрорежущая сталь должна обладать высоким сопротивлением разрушению, твёрдостью (в холодном и горячем состояниях) и красностойкостью.

Рис. 1. Твердость инструментальных сталей при повышенных температурах

На рис. 1 приведены кривые, характеризующие твердость углеродистой и быстрорежущей инструментальных сталей при повышенных температурах испытаний. При нормальной температуре твердость углеродистой стали даже несколько выше твердости быстрорежущей стали. Однако, в процессе работы режущего инструмента, происходит интенсивное выделение тепла. При этом до 80 % выделившегося тепла уходит на разогрев инструмента. Вследствие повышения температуры режущей кромки начинается отпуск материала инструмента и снижается его твердость.

После нагрева до 200 °C твердость углеродистой стали начинает быстро падать. Для этой стали недопустим режим резания, при котором инструмент нагревался бы выше 200 °C. У быстрорежущей стали высокая твердость сохраняется при нагреве до 500 ? 600 °C. Инструмент из быстрорежущей стали более производителен, чем инструмент из углеродистой стали.

Если горячая твердость характеризует то, какую температуру сталь может выдержать, то красностойкость характеризует, сколько времени сталь будет выдерживать такую температуру. То есть насколько длительное время закаленная и отпущенная сталь будет сопротивляться разупрочнению при разогреве.

Первая характеристика показывает, какую твердость будет иметь сталь после отпуска при определенной температуре в течение заданного времени (см. Таблицу 1).

Таблица 1. Характеристики теплостойкости углеродистых и красностойкости быстрорежущих инструментальных сталей [2]

Температура отпуска, °C

Время выдержки, час

Р6М5К5, Р9, Р9М4К8, Р18

Высокая твердость мартенсита объясняется растворением углерода в ?-железе. Известно, что при отпуске из мартенсита в углеродистой стали выделяются мельчайшие частицы карбида. Пока выделившиеся карбиды еще находятся в мельчайшем дисперсном рассеянии (то есть на первой стадии выделения при отпуске до 200 °C), твердость заметно не снижается. Но если температуру отпуска поднять выше 200 °C, происходит рост карбидных выделений, и твердость падает.

Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы процесс коагуляции карбидов. Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то красностойкость скачкообразно возрастает. Это обусловлено тем, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого требуется не только диффузия углерода, но и диффузия легирующих элементов. Практически заметная коагуляция специальных карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия происходит при температурах выше 500°C. Таким образом, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды и эти карбиды переходят в раствор при закалке. Несмотря на сильное различие в общем химическом составе, состав твердого раствора очень близок во всех сталях, атомная сумма W+Mo+V, определяющая красностойкость, равна примерно 4 % (атомн.), отсюда красностойкости и режущие свойства у разных марок быстрорежущих сталей близки. Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали (он повышает красностойкость), но кобальт очень дорогой элемент.

быстрорежущий легированный сталь термообработка

В советских и российских марочниках сталей марки быстрорежущих сталей обычно имеют особую систему обозначений и начинаются с буквы «Р» (рапид — скорость). Связанно это с тем, что эти стали были изобретены в Англии, где такую сталь называли «rapid steel». Цифра после буквы «Р» обозначает среднее содержание в ней вольфрама (в процентах от общей массы, буква В пропускается). Затем указывается после букв М, Ф и К содержание молибдена, ванадия и кобальта. Инструменты из быстрорежущей стали иностранного производства обычно маркируются аббревиатурой HSS (High Speed Steel).

Для обточки деталей из дерева, цветных металлов, мягкой стали резцы из обычной твердой стали были вполне пригодны, но при обработке стальных деталей резец быстро разогревался, скоро изнашивался и деталь нельзя было обтачивать со скоростью больше 5 м/мин [3] .

Барьер этот удалось преодолеть после того, как в 1858 г. Мюшетт получил сталь, содержащую 1,85 % углерода, 9 % вольфрама и 2,5 % марганца. Спустя десять лет Мюшетт изготовил новую сталь, получившую название самокалки. Она содержала 2,15 % углерода, 0,38 % марганца, 5,44 % вольфрама и 0,4 % хрома.

Через три года на заводе Самуэля Осберна в Шеффилде началось производство мюшеттовой стали. Она не теряла режущей способности при нагревании до 300 °C и позволяла в полтора раза увеличить скорость резания металла — 7,5 м/мин. Спустя сорок лет на рынке появилась быстрорежущая сталь американских инженеров Тэйлора и Уатта. Резцы из этой стали допускали скорость резания до 18 м/мин.

Эта сталь стала прообразом современной быстрорежущей стали Р18. Еще через 5 — 6 лет появилась, сверхбыстрорежущая сталь, допускающая скорость резания до 35 м/мин. Так, благодаря вольфраму было достигнуто повышение скорости резания за 50 лет в семь раз и, следовательно, во столько же раз повысилась производительность металлорежущих станков. Дальнейшее успешное использование вольфрама нашло себе применение в создании твердых сплавов, которые состоят из вольфрама, хрома, кобальта. Были созданы такие сплавы для резцов, как стеллит.

Первый стеллит позволял повысить скорость резания до 45 м/мин при температуре 700–750 °C. Сплав видиа, выпущенный Круппом в 1927 г., имел твердость по шкале Мооса 9,7 — 9,9 (у алмаза по этой шкале твердость 10). В 70-х годах XX века, в связи с дефицитом вольфрама, быстрорежущая сталь марки Р18 была почти повсеместно заменена на сталь марки Р6М5, которая в свою очередь вытесняется безвольфрамовыми Р0М5Ф1 и Р0М2Ф3.

Быстрорежущая сталь. Рапидная сталь

Быстроре́жущие ста́ли — легированные стали, предназначенные, главным образом, для изготовления металлорежущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания.

Истории создания[ | ]

Барьер этот удалось преодолеть после того, как в 1858 году Р. Мюшетт получил сталь, содержащую 1,85 % углерода, 9 % вольфрама и 2,5 % марганца. Спустя десять лет Мюшетт изготовил новую сталь, получившую название самокалки. Она содержала 2,15 % углерода, 0,38 % марганца, 5,44 % вольфрама и 0,4 % хрома. Через три года на заводе Самуэля Осберна в Шеффилде началось производство мюшеттовой стали. Она не теряла режущей способности при нагревании до 300 °C и позволяла в полтора раза увеличить скорость резания металла — 7,5 м/мин.

Спустя сорок лет на рынке появилась быстрорежущая сталь американских инженеров Тэйлора и Уатта. Резцы из этой стали допускали скорость резания до 18 м/мин. Эта сталь стала прообразом современной быстрорежущей стали Р18.

Ещё через 5—6 лет появилась сверхбыстрорежущая сталь, допускающая скорость резания до 35 м/мин. Так, благодаря вольфраму было достигнуто повышение скорости резания за 50 лет в семь раз и, следовательно, во столько же раз повысилась производительность металлорежущих станков.

Дальнейшее успешное использование вольфрама нашло себе применение в создании твердых сплавов, которые состоят из вольфрама, хрома, кобальта. Были созданы такие сплавы для резцов, как стеллит. Первый стеллит позволял повысить скорость резания до 45 м/мин при температуре 700—750 °C. Сплав вида, выпущенный Круппом в 1927 году, имел твердость по шкале Мооса 9,7—9,9 (твердость алмаза равна 10).

В 1970-х годах в связи с дефицитом вольфрама быстрорежущая сталь марки Р18 была почти повсеместно заменена на сталь марки Р6М5 (так называемый «самокал», самозакаливающаяся сталь), которая, в свою очередь, вытесняется безвольфрамовыми Р0М5Ф1 и Р0М2Ф3.

Характеристики быстрорежущих сталей[ | ]

Горячая твердость[ | ]

При нормальной температуре твердость углеродистой стали даже несколько выше твердости быстрорежущей стали. Однако в процессе работы режущего инструмента происходит интенсивное выделение тепла. При этом до 80 % выделившегося тепла уходит на разогрев инструмента. Вследствие повышения температуры режущей кромки начинается отпуск материала инструмента и снижается его твердость.

После нагрева до 200 °C твердость углеродистой стали начинает быстро падать. Для этой стали недопустим режим резания, при котором инструмент нагревался бы выше 200 °C. У быстрорежущей стали высокая твердость сохраняется при нагреве до 500—600 °C. Инструмент из быстрорежущей стали более производителен, чем инструмент из углеродистой стали.

Красностойкость[ | ]

Первая характеристика показывает, какую твердость будет иметь сталь после отпуска при определенной температуре в течение заданного времени.

Второй способ охарактеризовать красностойкость основан на том, что интенсивность снижения горячей твердости можно измерить не только при высокой температуре, но и при комнатной, так как кривые снижения твердости при высокой температуре и комнатной идут эквидистантно, а измерить твердость при комнатной температуре, разумеется, гораздо проще, чем при высокой. Опытами установлено, что режущие свойства теряются при твердости 50 HRC при температуре резания, что соответствует примерно 58 HRC при комнатной. Отсюда красностойкость характеризуется температурой отпуска, при которой за 4 часа твердость снижается до 58 HRC (обозначение K4р58).

Характеристики теплостойкости углеродистых и красностойкости быстрорежущих инструментальных сталей[2] Марка стали Температура отпуска, °C Время выдержки, час Твердость, HRCэ

У7, У8, У10, У12	150—160	1	63
Р9	580	4	63
У7, У8, У10, У12	200—220	1	59
Р6М5К5, Р9, Р9М4К8, Р18	620—630	4	59

Сопротивление разрушению[ | ]

Кроме «горячих» свойств, от материала для режущего инструмента требуются и высокие механические свойства; под этим подразумевается сопротивление хрупкому разрушению, так как при высокой твердости (более 60 HRC) разрушение всегда происходит по хрупкому механизму. Прочность таких высокотвердых материалов обычно определяют как сопротивление разрушению при изгибе призматических, не надрезанных образцов, при статическом (медленном) и динамическом (быстром) нагружении. Чем выше прочность, тем большее усилие может выдержать рабочая часть инструмента, тем большую подачу и глубину резания можно применить, и это увеличивает производительность процесса резания.

Химический состав быстрорежущих сталей[ | ]

Химический состав некоторых быстрорежущих сталей Марка стали C Cr W Mo V Co

Р0М2Ф3	1,10—1,25	3,8—4,6	—	2,3—2,9	2,6—3,3	—
Р6М5	0,82—0,90	3,8—4,4	5,5—6,5	4,8—5,3	1,7—2,1	< 0,50
Р6М5Ф2К8	0,95—1,05	3,8—4,4	5,5—6,6	4,6—5,2	1,8—2,4	7,5—8,5
Р9	0,85—0,95	3,8—4,4	8,5—10,0	< 1,0	2,0—2,6	—
Р18	0,73—0,83	3,8—4,4	17,0—18,5	< 1,0	1,0—1,4	< 0,50

Изготовление и обработка быстрорежущих сталей[ | ]

Быстрорежущие стали изготавливают как классическим способом (разливка стали в слитки, прокатка и проковка), так и методами порошковой металлургии (распыление струи жидкой стали азотом)[3]. Качество быстрорежущей стали в значительной степени определяется степенью её прокованности. При недостаточной проковке изготовленной классическим способом стали наблюдается карбидная ликвация.

При изготовлении быстрорежущих сталей распространенной ошибкой является подход к ней как к «самозакаливающейся стали». То есть достаточно нагреть сталь и охладить на воздухе, и можно получить твердый износостойкий материал. Такой подход абсолютно не учитывает особенности высоколегированных инструментальных сталей.

Перед закалкой быстрорежущие стали необходимо подвергнуть отжигу. В плохо отожженных сталях наблюдается особый вид брака: нафталиновый излом, когда при нормальной твердости стали она обладает повышенной хрупкостью.

Грамотный выбор температуры закалки обеспечивает максимальную растворимость легирующих добавок в α-железе, но не приводит к росту зерна.

После закалки в стали остается 25—30 % остаточного аустенита. Помимо снижения твердости инструмента, остаточный аустенит приводит к снижению теплопроводности стали, что для условий работы с интенсивным нагревом режущей кромки является крайне нежелательным. Снижения количества остаточного аустенита добиваются двумя путями: обработкой стали холодом или многократным отпуском[3]. При обработке стали холодом её охлаждают до −80…−70 °C, затем проводят отпуск. При многократном отпуске цикл «нагрев — выдержка — охлаждение» проводят по 2—3 раза. В обоих случаях добиваются существенного снижения количества остаточного аустенита, однако полностью избавиться от него не получается.

Принципы легирования быстрорежущих сталей[ | ]

Высокая твердость мартенсита объясняется растворением углерода в α-железе. Известно, что при отпуске из мартенсита в углеродистой стали выделяются мельчайшие частицы карбида. Пока выделившиеся карбиды ещё находятся в мельчайшем дисперсном рассеянии (то есть на первой стадии выделения при отпуске до 200 °C), твердость заметно не снижается. Но если температуру отпуска поднять выше 200 °C, происходит рост карбидных выделений, и твердость падает.

Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно её легировать такими элементами, которые затрудняли бы процесс коагуляции карбидов. Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то красностойкость скачкообразно возрастает. Это обусловлено тем, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого требуется не только диффузия углерода, но и диффузия легирующих элементов. Практически заметная коагуляция специальных карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия происходит при температурах выше 500 °C.

Красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды, и эти карбиды переходят в раствор при закалке. Несмотря на сильное различие в общем химическом составе, состав твердого раствора очень близок во всех сталях, атомная сумма W+Mo+V, определяющая красностойкость, равна примерно 4 % (атомн.), отсюда красностойкости и режущие свойства у разных марок быстрорежущих сталей близки. Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали (он повышает красностойкость), но кобальт очень дорогой элемент.

Маркировка быстрорежущих сталей[ | ]

В советских и российских марочниках сталей марки быстрорежущих сталей обычно имеют особую систему обозначений и начинаются с буквы «Р» (rapid — быстрый). Связано это с тем, что эти стали были изобретены в Англии, где такую сталь называли «rapid steel». Цифра после буквы «Р» обозначает среднее содержание в ней вольфрама (в процентах от общей массы, буква В пропускается). Затем указывается после букв М, Ф и К содержание молибдена, ванадия и кобальта. Инструменты из быстрорежущей стали иностранного производства обычно маркируются аббревиатурой HSS (High Speed Steel).

Применение[ | ]

В последние десятилетия использование быстрорежущей стали сокращается в связи с широким распространением твёрдых сплавов. Из быстрорежущей стали изготавливают в основном концевой инструмент (метчики, свёрла, фрезы небольших диаметров) В токарной обработке резцы со сменными и напайными твердосплавными пластинами почти полностью вытеснили резцы из быстрорежущей стали.

По применению отечественных марок быстрорежущих сталей существуют следующие рекомендации.

Сталь Р9 рекомендуют для изготовления инструментов простой формы, не требующих большого объёма шлифовки, для обработки обычных конструкционных материалов. (резцов, фрез, зенкеров).
Для фасонных и сложных инструментов (для нарезания резьб и зубьев), для которых основным требованием является высокая износостойкость, рекомендуют использовать сталь Р18 (вольфрамовая).

Примечания[ | ]

↑ Мезенин Н. А. Занимательно о железе. — М.: «Металлургия», 1972. — 200 с.
↑ Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин, и др. Под общ. ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989. — 640 с.
↑ 1 2 Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. — М.: «Металлургия», 1986. — 544 с.

Литература[ | ]

Технология конструкционных материалов. Под ред. А. М. Дальского. — М.: «Машиностроение», 1958.

Ссылки[ | ]

Быстрорежущая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе железа, и может найти применение при изготовлении металлорежущего инструмента, используемого для механической обработки трудно обрабатываемых материалов и штампов горячего деформирования, работающих в тяжелых условиях.

Из патентной литературы известна “Быстрорежущая сталь” по патенту №2025531, МКИ С 23 С 38/ 14, содержащая углерод (10,01-0,1)%, никель (12-22)%, вольфрам (5-13)%, молибден (0,01-3)%, титан (0,01-3)%, кобальт (0,01-10)%, алюминий (0,01-3)%, азот (0,3-2)% и железо остальное.

Инструмент, выполненный из вышеназванной стали, обладает повышенной хрупкостью, т.к. наличие в ней азота в указанном количестве приводит к образованию пор и раковин, нарушает пластичность. Кроме того, наличие в шихте большого количества вольфрама и кобальта делает эту сталь дорогостоящей.

Прототипом предлагаемой стали можно считать “Быстрорежущую сталь” по авторскому свидетельству №405967, МКИ С 23 С 38/14, содержащую углерод (1,2-1,4)%, вольфрам (11-13,5)%, молибден (2-3,5)%, ванадий (3-3,8)%, хром (3,5-4)%, титан (0,075-0,1)%, цирконий (0,01-0,05)%, церий (0,1-0,5)%, кальций (0,001-0,025)%, кобальт (9-10,5)% и железо остальное.

Недостаток прототипа заключается том, что он содержит большое количество дорогостоящего вольфрама и кобальта. Кроме того, этот факт снижает прочность и вязкость стали, повышает хрупкость инструмента, выполненного из нее, нарушает пластичность, увеличивает износ и способствует нафталинестому излому.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - повышение эксплуатационной стойкости, путем повышения красностойкости, снижения себестоимости изготовления, путем уменьшения расхода легирующих элементов.

Поставленная задача решается за счет того, что быстрорежущая сталь содержит углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, цирконий, азот, кремний, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Быстрорежущая сталь с таким химическим составом получается следующим образом.

После поплавочной термической обработки по режиму: температура закалки 1280+5°C (зерно №10-11) и трехкратного отпуска при температуре 550+10°С сталь приобретает следующие свойства: твердость HRCэ 69-70 при достаточной вязкости, микроструктура - мелкоигольчатый мартенсит, хорошая шлифуемость, красностойкость 640°С выдержка - 4 часа. Это объясняется совместным влиянием азота, циркония и ферросилиция.

Цирконий и ферросилиций, связывая углерод и азот в карбиды, нитриды и карбонитриды, препятствуют образованию и выделению по границам зерен карбидов и карбонитридов хрома, что препятствует скручиванию стали, повышает стойкость.

Азот в сплаве присутствует в растворимых в аустените карбидных фазах М23(С, N)6, M6 (C,N) и в меньшем количестве в нерастворимых карбидных и нитридных фазах M(C,N), М (N,C). Нитрид Zr(N,C) и карбонитрид Zr (C,N) имеют высокую температуру плавления и в качестве эффективного модификатора измельчают зерно литого сплава, способствуя образованию эвтектики более тонкого строения, задерживают рост зерна при нагреве для закалки. Это позволяет предупредить разнозернистость и на (10-20)°С повысить температуру закалки на мелкое зерно №10-11.

При нагреве для закалки часть азота переходит в раствор, а при отпуске он выделяется в карбонитридные фазы. Это способствует усилению дисперсионного твердения, увеличивает устойчивость против обратного разупрочнения, повышает вторичную твердость на 2-3 НRСэ, красностойкость на (10-15)°С и износостойкость, что в свою очередь улучшает режущие свойства.

Растворы азота относятся к растворам внедрения, в предлагаемом быстрорежущем сплаве атомы азота располагаются между узлами кристаллической решетки карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия.

Основной эффект воздействия межузельных атомов на механические свойства состоит в том, что они скапливаются на дислокациях и препятствуют их движению, вызывая упрочнение.

В результате легирования азотом прочность быстрорежущего сплава возрастает на (50-60)% по сравнению со сталью Р18, азот, кроме того, предупреждает нафталинестый излом.

Наличие в стали ванадия в указанном количестве способствует сохранению мелкого зерна и повышению износостойкости, никеля - способствует возрастанию прочности, вязкости и устойчивости против перегрева, марганца - повышению теплостойкости и сокращению распада аустенита, силиций делает металл более мягким, способствует азоту, марганец сохраняет закаливаемость.

Качественный и количественный состав элементов, входящих в предлагаемую сталь, формирует ее структуру и, находясь в сложной взаимосвязи, обеспечивает высокий уровень механических свойств этой стали.

Полученная таким образом быстрорежущая сталь по своим техническим требованиям соответствует ГОСТ 19265-73.

Сравнительный анализ опытных образцов быстрорежущей стали Р12М3К10Ф3 и предлагаемой приведен в табл.№1. Образцы закаливались при температурах (1260-1290)°С с интервалами 10°С, а выдержка назначалась из расчета 8 с на 1 мм сечения.

Каждая плавка быстрорежущей стали имеет свою температуру закалки, при которой она дает необходимую твердость и другие механические свойства, необходимые при работе режущего инструмента. Отклонения от этих температур приводят к снижению качества режущего инструмента: более высокие температуры приводят к перегреву, а низкие -к недостаточной твердости режущего инструмента.

Предлагаемая быстрорежущая сталь позволит заменить существующие кобальтовые быстрорежущие стали, например Р10К5Ф5, Р9К10 и др., за счет введенного в ее состав азота и ферросилиция, которые позволяют повысить производительность в 4 и более раз, понизить себестоимость изготовления режущего инструмента в 2 и более раз, что в свою очередь даст большой экономический эффект.

Быстрорежущая сталь, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, кремний, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и азот при следующем соотношении компонентов мас.%:

Читайте также: