Основным легирующим элементом быстрорежущих сталей является

Обновлено: 17.05.2024

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.

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (rapid быстрый, скорый), цифры показывают среднее содержание вольфрама, являющегося основным легирующим элементом. Среднее содержание углерода и хрома во всех быстрорежущих сталях обычно составляет соответственно 1 и 4 %, поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих в целых процентах указывается в цифрах, следующих за их буквенным обозначением.

Известно, что потери твердости при нагреве обусловлена в первую очередь, коагуляцией выделившихся карбидов. Коагуляция карбидов в углеродистой и легированной сталях при температурах более 300 о С ведет к быстрой потере твердости. Теплостойкость быстрорежущих сталей обусловлена легированием их карбидообразующими элементами вольфрамом, ванадием и молибденом в количествах, достаточных для связывания почти всего углерода в специальные карбиды. Они коагулируют при температурах более 600°С.

Микроструктура быстрорежущей стали приведена на рис. 5.4. При затвердевании литой быстрорежущей стали образуется эвтектика, напоминающая ледебурит и располагающаяся по границам зерен. После ковки или прокатки сетка эвтектики подвергается дроблению с измельчением входящих в нее карбидов и более равномерным их распределением в основной матрице.

После прокатки или ковки быстрорежущую сталь подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 740 о С до полного превращения аустенита в перлито-сорбитную структуру.

Высокую теплостойкость инструмент из быстрорежущих сталей приобретает после закалки и многократного отпуска. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение карбидов и получение высоколегированного аустенита. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки мартенсит с высокой теплостойкостью. Температура закалки сталей составляет: Р18 - 1270-1290, Р9 -1220-1240, Р6М5-1210-1230°С. Во избежание трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности сталей применяют ступенчатый нагрев под закалку в расплавленных солях, а закалку производят в масле

Рис. 5.4. Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 (Х500): а - литое состояние; б -после ковки и отжига; в - после закалки; д - после отпуска

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4% С, нерастворенных при нагреве избыточных карбидов и около 30% остаточного аустенита. Остаточный аустенит снижает твердость, режущие свойства стали, и его присутствие в структуре нежелательно.

При многократном отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550-570 "С в течение 45-60 мин. Режим термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 приведен на рис. 5.5. Число отпусков может быть сокращено при обработке холодом после закалки, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты сравнительно простой формы. Твердость стали после закалки Нас 62-63, а после отпуска она увеличивается доНКС 63-65.

Известно применение порошков быстрорежущих сталей для изготовления инструмента. Исходная шихта состоит из предварительно тонко измельченной стружки быстрорежущей стали, которую формуют в холодном состоянии с последующим спеканием сформованных заготовок. Спекание производят в вакууме при температуре 1200-1250 o С в течение 3-5 ч. Для уменьшения пористости порошковую быстрорежущую сталь подвергают горячей штамповке или горячему прессованию. После этого изделия подвергают термической обработке, характерной для данной марки стали.

Рис.5.5. Сxемы режимов термической обработки инструмента из быстрорежущей стали: а - закалка и трехкратный отпуск; б - закалка, обработка холодом, отпуск

Порошковая быстрорежущая сталь обладает значительно более высокой теплостойкостью, чем сталь, изготовленная традиционными методами, и, как следствие, большей износостойкостью. Это объясняется более высокой степенью легированности аустенита элементами, входящими в состав стали, мелкодисперсной структурой и равномерным распределением карбидной фазы. В структуре порошковой быстрорежущей стали отсутствует карбидная неоднородность. Быстрорежущая сталь, изготовленная методом порошковой металлургии, имеет стойкость в 1,5-2 раза выше, чем быстрорежущая сталь, полученная традиционным способом.

Характеристика состава и свойств быстрорежущих сталей. Особенности легирования.

Быстрорежущие стали занимают особое место среди большой группы инструментальных сталей, применяемых для изготовления инструмента для обработки металлов резанием и давлением. Стали успешно работают в условиях нагрева рабочей поверхности и при высоких давлениях. Они сочетают теплостойкость (600. 700°С) с высокой твердостью и имеют повышенное сопротивление пластической деформации.

Основными легирующими элементами являются вольфрам, молибден, ванадий. Кроме того, все быстрорежущие стали легируют хромом, некоторые - кобальтом. Важным компонентом является углерод.

Углерод в стали.

Содержание углерода (С) 0,7. 0,95%. Больше углерода в этих пределах устанавливают в сталях с повышенным содержанием ванадия. Повышение содержания углерода на 0,2% по сравнению с принятым (при условии, что содержание ванадия сохраняется до 2%) не изменяет температуры начала, а-у - превращения. Оно сопровождается ростом количества карбида М₆С и более легкорастворимого карбида М₂зС₆ и увеличением в них концентрации углерода. Сталь при нагреве под закалку получает аустенит более богатый углеродом, что усиливает дисперсионное твердение при отпуске, повышая вторичную твердость до НЯС 65-66 и несколько меньше теплостойкость. Износостойкость при этом возрастает преимущественно в результате повышения твердости отпущенного мартенсита.

Вертикальный (поли термический) разрез диаграммы состояния Ре-Сг-

характерный для быстрорежущих сталей.

При нагреве выше 800. 900°С образуется аустенит в быстрорежущих сталях, важно заметить, что при этих температурах аустенит не обогащен основными легирующими элементами и углеродом. Поэтому закалка стали от температур выше 30-50°С не обеспечивает основного свойства быстрорежущей стали: теплостойкости.

Теплостойкость стали.

Теплостойкость достигается после высокотемпературного нагрева под закалку до температур несколько ниже линии солидуса (АД когда большая часть карбидов растворяется в аустените, обогащая его вольфрамом, молибденом, ванадием, хромом и углеродом. Полного растворения карбидов М₆С и МС не происходит. Повышение содержания углерода в стали приводит к понижению температуры закалки, т.к. линия солидус 1-2 понижается с 1330°С (0,6%С) до 1100°С (1,5%С). Повышение концентрации углерода в вольфрамомолибденовых сталях сверх 1,0 -1,10% приводит к излишнему росту количества карбидной фазы, ухудшению прочности и вязкости и снижению теплостойкости в результате образования карбида М₃С[24,288].

Содержания Хрома в стали

Хром (Cr) является обязательным легирующим элементом быстрорежущих сталей и содержится в количестве около 4%. Cr составляет основу карбида МгзС₆ При нагреве под закалку карбид полностью растворяется в аустените при температурах более низких, чем температуры растворения карбидов М₆С и МС. Вследствие этого основная роль хрома в быстрорежущих сталях заключается в обеспечении высокой прокаливаемости.

Хром оказывает влияние на процессы карбидообразования при отпуске. При 440-525°С хром частично выделяется из мартенсита, усиливая дисперсионное твердение, и частично остается в а- растворе, задерживая разупрочнение при более высоком нагреве. Повышение вторичной твердости достигается при содержании Cr 3-4%.

Ванадий в стали.

Ванадий ( V) образует в стали наиболее твердый карбид МС (НУ 270-2800). Максимальный эффект от введения в сталь V достигается при условии, что содержание углерода будет достаточным для образования большого количества карбидов и для насыщения твердого раствора. При минимальном содержании ванадия в быстрорежущих сталях около 1% содержание углерода устанавливается в пределах 0,7-0,8%. С ростом количества ванадия содержание углерода должно увеличиваться из расчета: на каждый % ванадия - 2%углерода.

Большая часть ванадия находится в карбидах М₂зСб и М₆С. Во время растворения этих карбидов при нагреве для закалки ванадий переходит в у- фазу, что повышает вторичную твердость и теплостойкость при отпуске. При большем содержании ванадия сильно возрастает количество мало растворимого карбида МС. Нерастворенная часть карбида увеличивает износостойкость стали. Чем выше содержание ванадия в стали, тем выше износостойкость вследствие увеличения содержания твердого карбида. Однако при этом ухудшается шлифуемость стали.

Мобилен в стали

Влияние молибдена (Мо) и вольфрама, являющихся химическими аналогами, на превращения и на многие свойства быстрорежущих сталей почти одинаково. В сталях с молибденом они протекают лишь при более низких температурах.

Молибден образует карбид с такой же решеткой и близким периодом, но меньшей плотностью, чем карбид М_бС в стали с вольфрамом. Карбид при аустенитизации частично переходит в твердый раствор, обеспечивая после закалки повышение легированности мартенсита вольфрамом (молибденом). Эти легирующие элементы затрудняют распад мартенсита при нагреве, обеспечивая теплостойкость. Нерастворенная часть карбида способствует повышению износостойкости стали.

Наличие в стали высокого содержания вольфрама приводит к ухудшению теплопроводности, вызывая технологические трудности при обработке давлением и необходимость замедленного (ступенчатого) нагрева стали под закалку для предупреждения образования трещин.

Температурная область перетектической реакции превращения у молибденовых сталей шире, и оно протекает полнее. Вследствие этого к окончанию превращения сохраняется меньше жидкой фазы. Оставшаяся жидкость кристаллизуется при более низких температурах в более тонкую эвтектику с менее крупными карбидами. Молибден в сталях с вольфрамом почти не увеличивает размеров карбидных частиц. По влиянию на теплостойкость молибден заменяет вольфрам по соотношению Мо : АЛ^ = 1: (1,4-1,5).

Эвтектика.

Эвтектика образуется при 1240-1250°С в стали с 8% молибдена (без вольфрама) и при 1275°С в стали с 5% Мо (и 6% \¥). Поэтому температура закалки молибденозых сталей выбирается более низкой, чем вольфрамовых. Температура, вызывающая рост зерна и образование эвтектики при нагреве, сильно снижается с увеличением содержания молибдена.

В процессе охлаждения молибденовых сталей наблюдается выделение карбидов при 950-550°С. Прочность сталей с молибденом при температурах до 400-500°С выше, чем вольфрамовых. При более высоком нагреве это преимущество уменьшается из-за большей склонности молибденовых сталей к разупрочнению. Остаточный аустенит сталей с молибденом также менее устойчив при отпуске, чем вольфрамовых сталей, и превращается главным образом при однократном отпуске.

Влияние вольфрама на структуру и большинство свойств не пропорционально его содержанию в теплостойких сталях. Удовлетворительные вторичная твердость и теплостойкость создаются уже при 7-8%

Кобальт используется для дополнительного легирования быстрорежущей стали с целью повышения теплостойкости. Кобальт в основном находится в твердом растворе и частично входит в состав карбида М_бС. По мнению некоторых исследователей кобальт может образовывать интерметаллиды типа (Со, Ре)₇(\У,Мо)б. Кобальт увеличивает устойчивость против отпуска и твердость быстрорежущих сталей (до НЯС 67. 70).

Кобальт снижает характеристики прочности, вязкости стали, увеличивает обезуглероживание. Содержание остаточного аустенита после закалки в сталях с кобальтом возрастает до 40% по сравнению с 25% для сталей при его отсутствии. Главной причиной, сдерживающей широкое применение кобальтовых сталей, является дефицитность и высокая стоимость кобальта.

Инструментальные углеродистые и легированные стали. Быстрорежущие стали

Инструментальные стали разделяют на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали применяют для изготовления инструмента, работающего при малых скоростях резания.

Марки таких сталей обозначают буквой У (углеродистая), затем цифрами, которые показывают содержание в стали углерода (в десятых долях процента), буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная (содержание серы и фосфора не более 0,03 % каждого элемента).

Основными свойствами углеродистых инструментальных сталей являются высокая твердость (HRC 62. 65) и низкая температуростойкость.

Из стали марок У9 и У10А изготовляют пилы; из стали марок У11; У11А; У12 — ручные метчики и др.

Температуростойкость сталей марок У10А. У13А 220 °С, поэтому инструмент из этих сталей рекомендуется применять при скорости резания 8. 10 м/мин.

Легированная инструментальная сталь в зависимости от основных легирующих элементов может быть хромистой (X), хромо- кремнистой (ХС), вольфрамовой (В), хромовольфрамомарганце- вой (ХВГ) и др.

Марки таких сталей обозначают цифрами и буквами (первыми буквами названия легирующих элементов). Первая цифра слева от букв показывает содержание углерода в десятых долях процента (если содержание углерода менее 1 %), цифры справа от букв показывают среднее содержание легирующего элемента в процентах.

Из стали марки X изготовляют метчики и плашки, из стали 9ХС — сверла, развертки, метчики и плашки. Сталь В1 рекомендуется для изготовления мелких сверл, метчиков и разверток.

Температуростойкость легированных инструментальных сталей 350. 400°С, поэтому допустимые скорости резания для инструмента из этих сталей в 1,2. 1,5 раза выше, чем для инструмента из углеродистых инструментальных сталей.

Быстрорежущие (высоколегированные) стали применяют чаще всего для изготовления сверл, зенкеров и метчиков. Марки быстрорежущих сталей обозначают буквами и цифрами, например Р6МЗ. Буква Р означает, что сталь быстрорежущая, цифры после нее показывают среднее содержание вольфрама в процентах, остальные буквы и цифры обозначают то же, что и в марках легированных сталей. Важнейшими компонентами быстрорежущих сталей являются вольфрам, молибден, хром и ванадий.

Быстрорежущие стали в зависимости от режущих свойств делят на стали нормальной и повышенной производительности. К сталям нормальной производительности относятся вольфрамовые стали марок Р18; Р9; Р9Ф5 и вольфрамомолибденовые стали марок Р6МЗ; Р6М5, сохраняющие твердость не менее HRC 58 до температуры 620 °С. К сталям повышенной производительности относятся стали марок Р18Ф2; Р14Ф4; Р6М5К5; Р9М4К8; Р9К5; Р9К10; Р10К5Ф5; Р18К5Ф2, сохраняющие твердость HRC 64 до температуры 630. 640°С.

Стали нормальной производительности — твердость HRC 65, температуростойкость 620 °С, предел прочности при изгибе 3 . 4 ГПа (300. 400 кгс/мм 2 ) — предназначены для обработки углеродистых и низколегированных сталей с пределом прочности на изгиб до 1 ГПа (100 кгс/мм 2 ), серого чугуна и цветных металлов. Быстрорежущие стали повышенной производительности, легированные кобальтом или ванадием (твердость HRC 70. 78, температуростойкость 630. 650°С, предел прочности при изгибе 2,5. 2,8 ГПа, или 250. 280 кгс/мм 2 ), предназначены для обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов, а с пределом прочности при изгибе свыше 1 ГПа (100 кгс/мм 2 ) — для обработки титановых сплавов.

Все инструменты, изготовленные из инструментальных сталей, подвергают термической обработке. Инструменты из быстрорежущей стали могут работать при более высоких скоростях резания, чем инструменты из углеродистой и легированной инструментальных сталей.

В эту классификационную группу входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3% и поэтому обладающие повышенной прокаливаемостью. Инструмент из этих сталей закаливается в масле (при ступенчатой закалке- в соли) и прокаливается, как правило, насквозь.

Меньшая скорость охлаждения при закалке уменьшаетопасность образования трещин, деформации и коробления, к чему склонны углеродистые инструментальные стали. Это важно для многих видов инструментов, имеющих сложную конфигурацию. В I группу входят обычные легированные инструментальные стали, в которых присадка 1, 0-1, 5%Сг обеспечивает повышение прокаливаемости. Добавка кремния дает некоторое дополнительное увеличение прокаливаемости, а также повышает устойчивость против отпуска, что обеспечивает лучшую работоспособность инструмента. Группа II легированных сталей характеризуется повышенным содержанием марганца (при нормальном содержании кремния). Это приводит при закалке к увеличению количества остаточного аустенита и уменьшению деформации; поэтому эти стали можно назвать малодеформирующимися инструментальными.

В группу III входят высокотвердые стали, легированные вольфрамом, из которых сталь ХВ5 называется алмазной. Из-за худшей прокаливаемости по сравнению со сталями групп I и П эти стали можно отнести и к категории сталей пониженной прокаливаемости.

Читайте также: