1. Быстрорежущие стали

Применение быстрорежущих сталей для режущего инструмента позволяет повысить скорости резания в несколько раз, а стойкость инструмента – в десятки раз. Главной отличительной особенностью быстрорежущих сталей является их высокая теплостойкость или красностойкость (600 – 700 °С) при наличии высокой твердости (HRC 63 – 70) и износостойкости инструмента. Уникальные свойства быстрорежущих сталей достигаются посредством специального легирования и сложной термической обработки, обеспечивающих определенный фазовый состав.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими высокую красностойкость, являются вольфрам, молибден, ванадий. Кроме них, все стали легируют хромом, а некоторые – кобальтом. Важным компонентом является углерод.

Карбидообразующие элементы образуют в стали специальные карбиды: Ме₆С на основе вольфрама и молибдена, МеС на основе ванадия и Ме₂₃С₆ на основе хрома. Часть атомов Ме в указанных карбидах составляют железо и другие элементы.

Вольфрам и молибден являются основными легирующими элементами, обеспечивающими красностойкость. Долгое время наиболее широко использовали вольфрамовые стали без молибдена (марки Р18, Р12, Р9). Однако острая дефицитность вольфрама привела к частичной его замене молибденом. Замену вольфрама молибденом проводят, исходя из соотношения Мо:W = 1:1,5, однако общее содержание молибдена в стали не должно быть более 5 %.

Считается, что наиболее оптимальные свойства и рациональная стоимость инструмента достигается при соблюдении условия . По этому принципу построена наиболее широко применяемая в настоящее время сталь Р6М5.

Вольфрам (молибден) образует в стали карбид Ме₆С, который при аустенитизации частично переходит в твердый раствор, обеспечивая получение после закалки легированного вольфрамом (молибденом) мартенсита. Эти легирующие элементы, а также ванадий затрудняют распад мартенсита при нагреве, обеспечивая необходимую красностойкость. Нерастворенная часть карбида Ме₆С приводит к повышению износостойкости стали. Таким образом, без вольфрама или молибдена не может быть быстрорежущей стали. Наличие в стали высокого содержания вольфрама приводит к ухудшению теплопроводности стали, что вызывает осложнения при обработке давлением и необходимость замедленного (ступенчатого) нагрева стали под закалку во избежании появления трещин. Кроме того, вольфрамовые стали склонны к сильной карбидной неоднородности. Частичная замена вольфрама молибденом уменьшает этот недостаток.

Ванадий образует в стали наиболее твердый карбид VC (MeC) (HV 2700 – 2800). Максимальный эффект от введения в сталь ванадия достигается при условии, что содержание углерода в стали будет достаточным для образования большого количества карбидов и для насыщения твердого раствора. При минимальным содержании ванадия в быстрорежущих сталях около 1 % содержание углерода устанавливается в пределах 0,7 – 0,8 %. С ростом количества ванадия в стали содержание углерода должно увеличиваться из расчета: на каждый 1 % V – прирост углерода около 0,2 %.

Карбид МеС, частично растворяясь в аустените, увеличивает красностойкость и повышает твердость после отпуска благодаря эффекту дисперсионного твердения. Нерастворенная часть карбида МеС увеличивает износостойкость стали. Чем выше содержание ванадия в быстрорежущих сталях (а оно доходит до 5 %), тем выше износостойкость вследствие увеличения количества самого твердого карбида. Однако при этом ухудшается шлифуемость стали. Широкое применение в инструментальной промышленности корундовых и алмазных кругов позволило расширить производство высокованадиевых сталей и тем самым достигнуть некоторой экономии вольфрама благодаря уменьшению доли нерастворенного карбида Ме₆С, также увеличивающего износостойкость.

Хром во всех быстрорежущих сталях содержится в количестве около 4 %. Он является основой карбида Ме₂₃С₆. При нагреве под закалку этот карбид полностью растворяется в аустените при температурах значительно более низких, чем температуры растворения карбидов Ме₆С и МеС. Вследствие этого основная роль хрома в быстрорежущих сталях состоит в придании стали высокой прокаливаемости. Он оказывает влияние и на процессы карбидообразования при отпуске.

Кобальт применяют для дополнительного легирования быстрорежущей стали с целью повышения ее красностойкости. Кобальт в основном находится в твердом растворе и частично входит в состав карбида Ме₆С. По мнению некоторых исследователей, он может образовывать при отпуске интреметаллиды типа (Со, Fe)₇ (W, Mo)₆. Кобальт увеличивает устойчивость против отпуска и твердость быстрорежущих сталей (до HRC 67 – 70). Влияние кобальта на красностойкость (сохранение твердости HRC 60) характеризуется следующими данными:

Содержание кобальта, %..................	0	3	5	10	15
Красностойкость, °С………………..	610 – 615	620	630	640	650

К недостаткам влияния кобальта следует отнести ухудшение прочности и вязкости стали, увеличение обезуглероживания. Содержания остаточного аустенита после закалки в сталях с кобальтом возрастет до 40 %, против ~ 25 % для сталей без него. Однако главной причиной, сдерживающей широкое применение кобальтовых сталей, является дефицитность и высокая стоимость кобальта.

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.

В приложении 5 приведены сведения об основных марках быстрорежущих сталей.

Все быстрорежущие стали обозначаются буквой Р (рапид – скорость), цифры после этой буквы показывают содержание основного легирующего элемента – вольфрама, а для вольфраммолибденовых сталей и содержание молибдена. При высоком содержании ванадия среднее содержание его так же отмечается в марочном обозначении цифрой после буквы Ф, а содержание кобальта буквой К и соответствующими цифрами. Хрома во всех сталях содержится около 4 %, а углерода – в соответствии с содержанием ванадия (чем больше ванадия, тем больше углерода).

Быстрорежущие стали условно подразделяют на стали умеренной красностойкости (при содержании до 2 % V) и стали повышенной красностойкости (при содержании более 2 % V или дополнительно легированной кобальтом). До конца 60-х годов основной маркой быстрорежущей стали производимой отечественной промышленностью являлась сталь Р18. Объем производства ее от всех других марок быстрорежущих сталей составлял около 85 %. Острая дефицитность вольфрама заставила в 70-х годах все страны перейти на вольфраммолибденовую сталь типа Р6М5. В нашей стране объем производства этой стали составляет около 80%. В результате этого произошло снижение среднего содержание вольфрама в быстрорежущих сталях с 16,5 до 7,5 % при росте среднего содержания молибдена с 0,6 до 4 %.

Вольфраммолибденовые стали намного дешевле, чем аналогичные по свойствам вольфрамовые стали. Так, если в соответствии с ценами на мировом рынке принять стоимость стали Р6М5 за 100 %, то стоимость стали Р12 составит 120 %, а Р18 – 170 %.

Для изготовления инструмента из быстрорежущих сталей все шире применяют методы порошковой металлургии. В таких материалах нет карбидной неоднородности и анизотропии свойств, они хорошо шлифуются при повышенном содержании ванадия (до 3,5 %), имеют более высокую красностойкость и лучшие режущие свойства. Изготовление инструмента методами порошковой металлургии является безотходным способом производства.