Глава 15 инструментальные стали и сплавы

По назначению инструментальные стали (tool steel) делятся на стали для режущего, штампового и измерительного инстру­ментов. Кроме того, для изготовления режущего инструмента, особенно при скоростной обработке, широко применяют твердые сплавы.

1. СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Основные требования, предъявляемые к сталям

Режущий инструмент работает в условиях длительного кон­такта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуа­тации должны сохраняться неизменными конфигурация и свой­ства режущей кромки. Материал для изготовления режущего ин­струмента должен обладать высокой твердостью (> 60-62 HRC) и износостойкостью, т. е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Чем больше твердость обрабатываемых материалов, толще стружка, выше скорость резания, тем больше энергия, затрачи­ваемая на процесс обработки резанием. Механическая энергия переходит в тепловую. Выделяющаяся теплота нагревает резец, деталь, стружку и частично рассеивается. Поэтому основным тре­бованием, предъявляемым к инструментальным материалам, яв­ляется высокая теплостойкость, т. е. способность сохранять твер­дость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе ра­боты. По теплостойкости различают три группы инструментальных сталей для режущего инструмента: нетеплостойкие, полутепло- стойкие и теплостойкие.

При нагреве до 200-300 “С у нетеплостойких сталей в процессе резания углерод выделяется из мартенсита закалки и начинает­ся коагуляция карбидов цементитного типа. Это приводит к по­тере твердости и износостойкости режущего инструмента. К не­теплостойким относятся углеродистые и низколегированные стали, содержащие до 3-4 % легирующих элементов. Полутеилостой- кие стали, к которым относятся некоторые среднелегированные стали, содержащие более 4 % хрома и другие карбидообразую­щие элементы, например 9Х5ВФ, сохраняют твердость до тем­ператур около 400 С. Теплостойкие стали сохраняют твердость и износостойкость при нагреве до температур несколько выше

600 °с.

Углеродистые и низколегированные стали имеют сравнитель­но низкую теплостойкость и невысокую прокаливаемость, по­этому их используют для более легких условий работы при ма­лых скоростях резания. Быстрорежущие стали, имеющие более высокую теплостойкость и прокаливаемость, применяют для бо­лее тяжелых условий работы. Еще более высокие скорости реза­ния допускают твердые сплавы и керамические материалы. Из существующих материалов наибольшей теплостойкостью обла­дает нитрид бора - эльбор. Эльбор позволяет обрабатывать мате­риалы высокой твердости, например закаленную сталь, при вы­соких скоростях.

Углеродистые стали (ГОСТ 1435—90)

Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У, а следующая за ней цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента приме­няют углеродистые качественные стали марок У 7 - У13 и высо­кокачественные стали марок У7А У1 ЗА. Качественные стали со­держат не более 0,03 % серы и фосфора, высококачественные - не более 0,02 %.

По назначению различают углеродистые стали для работы при ударных нагрузках и для статически нагруженного инст­румента.

Стали марок У7 — У9 применяют для изготовления инстру­мента при работе с ударными нагрузками, от которого требуется высокая режущая способность (зубила, клейма по металлу, дере­вообделочный инструмент, в частности пилы, топоры и т. д.).

Стали марок У10 - У13 идут на изготовление режущего ин­струмента, не испытывающего при работе толчков, ударов и об­ладающего высокой твердостью (напильники, шаберы, острый хирургический инструмент и т. п.). Из стали этих марок иногда изготавливают также простые штампы холодного деформиро­вания.

Углеродистые доэвтектоидные стали после горячей пластиче­ской обработки (ковки или прокатки) и последующего охлажде­ния на воздухе имеют структуру, состоящую из пластинчатого перлита и небольшого количества феррита, а заэвтектоидные ста­ли - пластинчатого перлита и избыточного цементита, который обычно образует сплошную или прерывистую сетку по границам бывших зерен аустенита.

Термическая обработка углеродистых инструментальных ста­лей состоит из двух операций: предварительной и окончательной обработок.

Предварительная термическая обработка сталей заключает­ся в отжиге при 740- 760 ‘С, цель которого - получить микро­структуру, состоящую из зернистого перлита - псевдоперлита, так как при такой микроструктуре после последующей закалки сталь приобретает наиболее однородные свойства. Кроме того, при такой структуре облегчается механическая обработка ин­струмента.

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Закалку проводят в воде от 780-810 °С, т. е. от температур, лежащих для доэвтектоидных сталей несколько выше А_с3, а для заэвтектоидных - ниже Д,_!П.

Углеродистые стали имеют очень высокую критическую ско­рость закалки - порядка 200-300 °С/с. В связи с этим недопусти­мо даже малейшее замедление охлаждения при закалке, так как это может привести к частичному распаду аустенита при темпера­турах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мяг­ких пятен. Особенно быстро протекает распад аустенита в углеро­дистых сталях при температурах, близких к 500-550 °С, где он начинается почти мгновенно, протекает чрезвычайно интенсивно и в течение нескольких секунд полностью заканчивается. Поэто­му только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаться насквозь. Однако при этом в них возникают большие внутренние напряжения, которые могут вызвать сущест­венные деформации.

Инструменты крупных размеров при закалке в воде и в вод­ных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способ­ность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инст­рументов представляет собой продукты распада аустенита в пер­литном интервале температур. Сердцевина инструментов, имею­щая такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие та­кую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит.

Углеродистые стали наиболее целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно закаливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливае­мости, а также для инструментов диаметром или наименьшей толщиной 18-25 мм, в которых режущая часть приходится только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.

Углеродистые инструментальные стали отпускают при тем­пературах не более 200 С во избежание снижения твердости. Твердость окончательно термически обработанного инструмен­та из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 56-64 HRC.

Достоинствами углеродистых инструментальных сталей яв­ляются низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии.

Их недостатками являются невысокие скорости резания, ог­раниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.

Легированные стали

Низколегированные стали для режущего инструмента (13X6, 9ХС) также не обладают высокой теплостойкостью и обычно при­годны для работы при температурах не более 200-250 °С. Средне­легированные стали типа 9Х5ВФ, ЗХ4ВЗМЗФ2 имеют более вы­сокую теплостойкость (300—500 °С). В отличие от углеродистых легированные стали обладают большей устойчивостью переохла­жденного аустенита, следовательно, большой прокаливаемостью и несколько более высокой износостойкостью.

Их можно закаливать в масле до критического диаметра 40 мм и более. Применение масла или полимерных закалочных сред по­зволяет уменьшить деформацию и коробление инструмента. Он мо­жет иметь большее сечение, а благодаря меньшему короблению - и большую длину.

Низколегирванная сталь 13Х имеет сравнительно неглубокую прокаливаемость и рекомендована для инструментов диаметром до 15 мм. Из этой стали изготавливают хирургический, гравиро­вальный инструменты, лезвия безопасных бритв.

Стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ используют для изготовления инстру­ментов крупного сечения: сверл, разверток, протяжек диаметром 60-80 мм (табл. 15.1, ГОСТ 5950-73).

Таблица 15.1

Химический состав некоторых легированных инструментальных сталей, % (ГОСТ 5950-73)

Марка	С	Мп	Si	Сг	W	V
стали

13Х 1,25-1,40 0,30-0,60 0,15-0,35 0,40-0,70

9ХС 0,85-0,95 0,30-0,60 1,20-1,60 0,95-1,25

ХВГ 0,90-1,05 0,80-1,10 0,15-0,35 0,90-1,20 1,20-1,60

ХВСГ 0,95-1,05 0,60-0,90 0,65-1,00 0,60-1,10 0,50-1,20 0,15-0,30

9Х5ВФ 0,85-1,00 0,15-0,40 0,15-0,40 4,50-5,50 0,80-1,20 0,15-0,30

Обычная термическая обработка легированных режущих ста­лей состоит из закалки от 330-870 "С в масле или ступенчатой за­калки и отпуска при температуре 200 °С. Твердость после термо­обработки составляет 61-65 HRC. Если необходимо увеличить вязкость, то температуру отпуска повышают до 200-300 °С. Вслед­ствие некоторого распада мартенсита твердость после этого сни­жается до 55-60 HRC.

Быстрорежущие стали

С увеличением скорости резания возрастают требования к те­плостойкости стали. Этим требованиям в большей мере удовле­творяют быстрорежущие стали, впервые предложенные в 1902 г.

Быстрорежущие стали (high speed steel) маркируют буквой Р (rapid - быстрый, скорый), цифры показывают среднее содержа­ние вольфрама - основного легирующего элемента. Среднее со­держание углерода во всех быстрорежущих сталях обычно не­сколько меньше 1 %, а хрома - до 4 %, поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих в целых про­центах указывается как обычно, цифрами, следующими за их бу­квенным обозначением.

Быстрорежущая сталь после закалки и отпуска имеет струк­туру высоколегированного отпущенного мартенсита с карбидами. Она сохраняет первоначальную структуру практически неизмен­ной при нагреве до 600-620 °С. Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 2-4 раза и стойкость ин­струментов в 10-30 раз по сравнению с теми же характеристика­ми инструмента из сталей с низкой теплостойкостью.

Химический состав некоторых быстрорежущих сталей приве­ден в табл.15.2.

Потеря твердости при нагреве обусловлена в первую очередь распадом мартенсита и коагуляцией выделившихся карбидов.

Таблица 15.2

Химический состав некоторых быстрорежущих сталей, % (ГОСТ 19265-73)

Марка стали	С	Сг	W	V	Мо	Со
Р18	0,73-0,83	3,8-4,4	17,0-18,5	1,0-1,4	До 1,0	До 0,5
Р9	0,85-0,95	3,8-4,4	8,5-9,5	2,3-2,7	До 1,0	До 0,5
Р6М5	0,82-0,90	3,8-4,4	5,5-6,5	1,7-2,1	4,8-5,3	До 0,5
Р6М5Ф	0,95-1,05	3,8-4,3	5,7-6,7	2,3-2,7	4,8-5,3	До 0,5
Р6М5К5	0,84-0,92	3,8-4,3	5,7-6,7	1,7-2,1	4,8-5,3	4,7-5,2

Коагуляция карбидов в углеродистой и легированной сталях при температурах выше 300 °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. Распад мартенсита и коа­гуляция специальных карбидов происходит при температурах 600-650 °С.

Микроструктура быстрорежущей стали приведена на рис. 15.1. При затвердевании литой быстрорежущей стали образуется эв­тектика, напоминающая ледебурит и располагающаяся по границам

Рис. 15.1. Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5:

а - литое состояние; б - после ковки и отжига; в - после закалки; г - после отпус­ка. х 500

зерен. Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. 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 °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, °С: Р18 - 1270-1290, Р9 - 1220- 1240, Р6М5 - 1210-1230. Во избежание трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности сталей применяют ступенчатый нагрев под закалку в расплавленных солях, а закал­ку производят в масле.

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высокоуглеродистого мартенсита, нерастворенных при нагреве избыточных карбидов и около 30 % остаточного аустенита. Ос­таточный аустенит снижает твердость, режущие свойства ста­ли, ухудшает ее шлифуемость; 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 показан на рис. 15.2. 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 после закалки 62-63 HRC, а после отпуска она увели­чивается до 63-65 HRC.

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 формованных заготовок. Спекание производят в вакууме при температуре 1200-1250 °С в течение 3-5 ч. Для уменьше­ния пористости порошковую быстрорежущую сталь подвергают

а

б

1270-1290

Время -во \—I Время

I I I I I 1 I

30 15 5 1 50 10 3

Аустенит, %

3- кратный отпуск при 550-570^ас

Отпуск При 5S0~570°C

6Z 64 64,5 64 HRC

1270-1290

850

1200

800

т -J

1200

800

т

62 66 64

Рис. 15.2. Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущей ста-

ли Р18:

а - закалка и трехкратный отпуск; б - закалка, обработка холодом, отпуск

горячей штамповке или горячему прессованию. После этого из­делия подвергают термической обработке, характерной для дан­ной марки стали.

Порошковая быстрорежущая сталь обладает 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 стойкость быстроре­жущей стали, полученной традиционным способом.

Рекомендуемая марка стали

Ниже указаны основные стали для режущего инструмента различного назначения (по данным Ю. А. Геллера):

Тип инструмента

Резцы и резцовые головки: фасонные на автоматах

долбежные, строгальные, отрезные Сверла:

для обработки металлов, твердость до 260 НВ

для обработки металлов большей твер­дости

для труднообрабатываемых Фрезы:

резьбовые

червячные

то же, для резания с повышенной ско­ростью

то же для резания труднообрабатывае­мых сплавов Долбяки

Протяжки диаметром до 80-100 мм > 100 мм Метчики:

машинные ручные Плашки круглые:

для нарезания мягких металлов то же, для твердых Развертки:

машинные

то же, для труднообрабатываемых сплавов ручные Зенкеры:

для обработки мягких металлов для обработки твердых металлов Пилы:

сегменты к круглым пилам и ножовоч­ные полотна

машинные и ручные для обработки древесины Напильники:

для мягких металлов для твердых металлов Стамески, долота, топоры для обработки древесины

Р6М5, Р12, Р9 Р6М5, Р6МЗФ Р12ФЗ

Р12ФЗ, Р12Ф4К5

Р6М5, Р12, Р8МЗ, Р18 Р6М5, Р12ФЗ, Р12, Р8МЗ Р12Ф4К5, Р8МЗК6С

Р12Ф4К5, Р8МЗК6С, Р9М4К8Ф, Р12МЗФ2К8 Р6М5, Р12, Р8МЗ

Р12, Р6М5, Р12ФЗ, Р8МЗ ХВСГ, Р6М5

Р6М5, Р18 11ХФ, У11А, У12А

ХВСГ

Р6М5, Р8МЗ

Р6М5, Р8МЗ, Р12ФЗ, Р12 Р8МЗК6С

ХВСГ, Р6М5, Р8МЗ

Р6М5, Р12, Р8МЗ, 10Р8МЗ Р9М4К8Ф, Р8МЗК6С

Р9, Р6М5

Х6ВФ, 9ХФ, У10А

13Х,Х, У13А Р6М5, Р8МЗ 7ХФ, У7А

2. МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ (ГОСТ 3882-74)

Металлокерамические твердые сплавы являются инструмен­тальными материалами, состоящими из карбидов тугоплавких металлов и цементирующего металла - кобальта, играющего роль

связки. Рис. 15.3 иллюстрирует влияние температуры на твер­дость различных инструментальных материалов от температуры испытания. Твердые сплавы обладают наиболее высокой твердо­стью и сохраняют ее при нагреве до высоких температур.

Твердые сплавы изготовляют методом порошковой металлур­гии. Применяют карбиды вольфрама, титана и тантала, а за ру­бежом - также карбиды ниобия и ванадия. Сплавы получают спе­канием порошков карбидов с порошком кобальта, являющегося связующим компонентом, при 1400-1550 °С после предваритель­ного прессования.

Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, которые мед­ным припоем припаивают к державке из обычной углеродистой стали. Твердые сплавы применяют для резцов, сверл, фрез и дру­гого инструмента.

Инструмент из металлокерамических твердых сплавов харак­теризуется высокой твердостью (80-97 HRA), износостойкостью в сочетании с высокой теплостойкостью (до 800-1000 °С). Их недос­татком является высокая хрупкость.

Скорость резания твердыми сплавами в 510 раз выше скоро­сти резания быстрорежущими сталями.

В зависимости от состава карбидной основы различают три группы твердых сплавов: вольфрамовые, титанвольфрамовые и титантантал вольфрамовые.

200 т боо t°c

Вольфрамовые твердые сплавы изготовляют на основе карби­да вольфрама WC и кобальта. Сплавы этой группы называют од­нокарбидными и обозначают буквами ВК и цифрой, показываю­щей содержание кобальта в процентах. Например, сплав ВКЗ со­держит 3 % Со и 97 % WC. Содержание кобальта может меняться (сплавы ВК6, ВК8). Чем больше содержание кобальта, тем выше прочность, хотя и несколько ниже твердость сплава. Твердые спла­вы вольфрамовой группы имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800 °С. Их обычно применяют для обработки чугу­на, сплавов цветных металлов и различ­ных неметаллических материалов, даю­щих прерывистую стружку.

Рис. 15.3. Зависимость твердости различных инст­рументальных материалов от температуры испы­тания:

1 - углеродистая сталь; 2 - быстрорежущая сталь; 3 - твердый сплав

Сплавы второй группы (двухкарбидные) изготовляют на ос­нове карбидов WC и TiC на кобальтовой связке. Их маркируют буквами Т, К и цифрами. Цифры после буквы Т указывают со­держание карбидов титана в процентах, а цифры после буквы К - содержание кобальта. Например, сплав Т15К6 содержит 15 % TiC, 6 % Со, остальное, т. е. 79 %, WC. Карбид вольфрама рас­творяется в карбиде титана при температуре спекания, образуя твердый раствор (Ti, W)C, имеющий более высокую твердость, чем WC. Сплавы этой группы имеют более высокую (до 900- 1000 °С) теплостойкость, повышающуюся с увеличением содер­жания карбидов титана. Их в основном применяют для высоко­скоростной обработки сталей.

Для изготовления сплавов третьей группы используют кар­биды вольфрама, титана, тантала и порошок кобальта в качестве связки. Эти сплавы маркируют буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, указывает суммарное содержание кар­бидов титана TiC и тантала ТаС, а цифра, стоящая после буквы К, - содержание кобальта. Например, сплав ТТ7К12 содержит

4. % TiC, 3 % ТаС, 12 % Со и 81 % WC. В их структуре присут­ствует твердый раствор (Ti, Та, W)C и избыток WC. Сплавы этого типа имеют более высокую прочность, чем сплавы второй группы, и лучшую сопротивляемость ударным воздействиям, вибрации и выкрашиванию. Их применяют для более тяжелых условий резания (черновое точение стальных слитков, поковок, литья).

Общим недостатком рассмотренных сплавов помимо высокой хрупкости является повышенная дефицитность исходного вольф­рамового сырья - основного компонента, определяющего их по­вышенные физико-механические характеристики. Поэтому пер­спективно направление использования безвольфрамовых твердых сплавов. Хорошо себя зарекомендовали сплавы, для которых в ка­честве основы используется карбид титана, а в качестве связки - никель и молибден. Они маркируются буквами КТС и ТН. Твер­дые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15-17 % Ni и 7 -9 % Мо со­ответственно, остальное - карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-30 в качестве связующего металла применяют в основном никель в количестве 16-30 % . Концентрация молибдена составляет 5 -9 %, остальное - также карбид титана. Твердость подобных твердых сплавов составляет 87-94 HRA, сплавы имеют высокую износо- и коррозионную стойкость. Их используют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.

Особотвердые инструментальные материалы созданы на осно­ве нитрида бора и нитрида кремния. В них нет пластичной метал - лической связки. Изделия из этих материалов изготавливают ли­бо с помощью взрыва, либо в условиях сверхвысоких давлений и высоких температур. Изделия из нитридов бора и кремния ис­пользуют в качестве материала инденторов (наконечников) для измерения твердости тугоплавких материалов в интервале темпе­ратур 700- 1800 "С, как абразивный материал и в качестве сырья для изготовления сверхтвердых материалов, применяемых для оснащения режущей части инструментов для обработки закален­ных сталей, твердых сплавов, стеклопластиков, цветных метал­лов. Они обладают высокой твердостью (94-96 HRA), прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, высокой стабильностью физических свойств и структуры при повышении температуры до 1000 ‘С. Их преимуществом является доступность и дешевизна исходного продукта, благодаря чему они используются для заме­ны вольфрамсодержащих твердых сплавов.

Для изготовления доводочных паст, шлифовальных кругов применяют абразивные материалы. Они представляют собой по­рошки, либо скрепленные связкой, либо нанесенные на гибкую основу - ткань или бумагу. Различают природные и искусствен­ные абразивные материалы. К природным относятся алмазы, гра­наты, корунд; к искусственным - искусственные алмазы, гекса­гональный нитрид бора (эльбор), карборунд.