2. Быстрорежущие стали

Доля режущего инструмента из быстрорежущей стали (в общем объёме режущего инструмента) составляет до 70%.

Повышенная теплостойкость данных сталей предопределяется введением в их состав легирующих элементов (W, Mo, Cr, V и Co), образующих сложные карбиды, которые связывает практически весь углерод. Поэтому коагуляция карбидов происходит при повышенных температурах и теплостойкость стали повышается до 580…700 ^оС. Высокая твёрдость быстрорежущих сталей (63…70 HRC_э), прочность на изгиб и сжатие связаны с превращением (переходом) остаточного аустенита в мартенсит, а также с дисперсионным упрочнением сталей в результате выделения карбидов, не растворившихся при закалки. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующие карбидообразующим и легирующим элементам (В-вольфрам, М-молибден, Ф-ванадий, А-азот, К-кобальт). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах. Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента.

По уровню теплостойкости быстрорежущие стали делятся на три группы:

1. Стали нормальной теплостойкости – вольфрамовые быстрорежущие (Р18, Р9, Р12) и вольфрамомолибденовые быстрорежущие стали (Р6М5,Р8М3). 2.Стали повышенной теплостойкости – вольфрамокобальтовые быстрорежущие (Р9К5, Р9К10, Р6М5К5), вольфрамованадивые быстрорежущие стали (Р12Ф3, Р6М5Ф3). 3. Стали высокой теплостойкости (В11М7К23, В14М7К25).

Быстрорежущие стали нормальной теплостойкости. Стали данной группы имеют твердость в закаленном состоянии 63-65 НRС_э, предел прочности при изгибе 2,9-3,4 ГПа, ударную вязкость 2,7-4,8 Дж/м², теплостойкость 620-630^оС (табл. 3). Указанные в табл.3 марки сталей получили наиболее широкое распространение для изготовления режущего инструмента. Режущие инструменты, изготовленные из сталей нормальной теплостойкости, используются при обработке заготовок из конструкционных сталей, чугунов, цветных сплавов и конструкционных пластмасс. Применяются стали дополнительно легированные азотом, например, Р6АМ5, которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает твердость стали и режущие свойства инструмента.

Таблица 3. Некоторые свойства быстрорежущих сталей нормальной

теплостойкости.

Марка стали	г/см3	Твердость		После закалки		Температура, оС		Тепло-стойкость, оС
		После отжи-га, НВ	После закалки и отпус-ка, НRСэ	, МПа	105, Дж/м2	Закал-ки	Отпус-ка
Р18	8,75	265	63	2,9-3,1	3,0	1270	560	620
Р9	8,3	255	63	3,35	2,0	1220	550	620
Р6М5; Р6АМ5	8,15	255	64	3,3-3,4	4,8	1220	550	620
11Р3АМ3Ф2	7,9	255	63	2,9-3,1	4,5	1200	550	620
Р6М5Ф3	8,15	269	64	-	4,0	1220	550	630
Р12Ф3	8,39	269	64	3,0-3,1	2,7	1250	560	630
Р9К5	8,25	269	64	2,5	0,7	1230	570	630
Р6М5К5	8,15	269	65	3,0	2,75	1230	550	630
Р9М4К8	8,3	285	65	2,5	2,6	1230	550	630

Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости. Повышение износостойкости и теплостойкости быстрорежущих сталей достигается дополнительным легированием их ванадием и кобальтом с соответствующим изменением содержания углерода (табл. 4, 5).

Таблица 4. Некоторые составы высокованадиевых сталей.

Марка стали	Химический состав, % (масса)
	С	W	Мо	Сr	V
Р12Ф4 Р6М5Ф3 Р6М5Ф4	1,27 1,2 1,3	12 5,8 5,8	до 1 5,0 5,0	4,0 4,2 4,2	4,0 3,0 4,0

Стали данной группы характеризуются повышенным содержанием углерода. Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 65-67 НRC_э, теплостойкость сталей – 640-650^оС. Инструменты, изготовленные из сталей повышенной теплостойкости, используются при обработке заготовок из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности.

При легировании 2,5…5% ванадия и увеличением содержания на каждые 1% ванадия 0,2% углерода, в стали образуется повышенное количество карбидов вольфрама (типа Ме₆С), которые практически не растворяются при нагреве под закалку. Наличие в стали после закалки и отпуска ванадиевых карбидов аналогичного типа обеспечивает изготовленному из нее инструменту повышенную износостойкость. Наиболее распространенной маркой этой группы является сталь Р6М5Ф3.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия, так как твердость последних не уступает твердости зерен шлифовального круга.

Кобальт не является карбидообразующим элементом, поэтому его введение приводит к увеличению температуры превращений, повышается химическая активность углерода, вольфрама и молибдена в феррите, что является причиной образования увеличенного количества дисперсных частиц, играющие роль фазовых упрочнителей при отпуске. Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Влияние кобальта на свойства быстрорежущей стали становится заметным при его введении в сталь в количестве 5%. В связи с указанным, типичные концентрации кобальта составляют 5-8% и реже – 10-12%.

Наиболее распространенные кобальтовые стали представлены в табл. 5.

Таблица 5.Составы наиболее применяемых кобальтовых

быстрорежущих сталей.

Марка стали	Химический состав, % по массе
	C	W	Mo	Cr	V	Co
Р9К5 Р9К10 Р18Ф2К5 Р6М5К5 Р6М5К8 Р2М9К8 Р12Ф4К5	0,9 0,9 0,77 0,88 0,90 0,90 1,35	9,0 9,0 18,0 6,2 6,2 1,8 12,2	до 1,0 до 1,0 до 1,0 5,0 5,0 8,6 до 1,0	4,0 4,0 4,0 4,0 4,1 4,0 4,5	2,3 2,3 1,5 1,9 1,9 2,0 4,0	5,0 10,0 5,0 5,0 8,0 8,2 4,8

Наряду с большими достоинствами по износостойкости, твердости, теплостойкости и теплопроводности, кобальтовые стали имеют существенные недостатки: относительно низкая пластичность, высокая склонность к обезуглероживанию, в процессе нагрева под горячее деформирование и закалку, сниженная прочность при изгибе. Последний параметр сильно зависит также и от других легирующих элементов. В частности, большей прочностью обладают кобальтовые стали Р2М9К8 ( ГПа) и Р6М5К6 ( ГПа), легированные молибденом, меньшей прочностью обладают вольфрамовые стали типа Р12Ф4К5 ( ГПа).

Быстрорежущие стали высокой теплостойкости (стали с интерметаллидным упрочнением). Данные стали характеризуются пониженным содержанием углерода (содержание С до 0,3%) и большим количеством легирующих элементов (В11М7К23, В14М7К25) (табл. 6). Они имеют твердость 69-70 НRC_э и теплостойкость 700-720^оС.

Таблица 6. Составы некоторых сталей высокой теплостойкости.

Марка стали	Химический состав, % по массе
	C	W	Mo	Cr	V	Co
В11М7К23 В14М7К25	0,1 0,1	11,0 14,0	7,0 7,0	- -	0,5 0,5	23,0 25,0

Высокая теплостойкость, твердость и износостойкость сталей данной группы определяется повышением уровня температур, приводящих к фазовым превращениям, а также большой сопротивляемостью коагуляции интерметаллидной фазы.

Стали с интерметаллидным упрочнением имеют низкую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 НRC_э), их прочность близка к прочности кобальтовых сталей ( ГПа). Поэтому инструмент, изготовленный из таких сталей, рекомендуют для обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов.

Экономнолегированные быстрорежущие стали. В связи с возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение находят стали с низким содержанием указанных элементов или не содержащие вольфрам, которые называют экономнолегированными. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3М3Ф2, которая обладает достаточно высокими показателями по твердости (НRC_э 63-64), прочности ( ГПа) и теплостойкости (до 620^оС).

Находит применение низколегированная безвольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сr; 1,5% V). Эта сталь принадлежит к новому классу заэвтектоидных сталей, в отличие от традиционных ледебуритных сталей. Нагрев под закалку позволяет растворить все карбиды типа Ме₆С (что невозможно для ледебуритных сталей), что обеспечивает легированность и свойства стали 11М5Ф примерно на уровне соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономнолегированных сталей показали, что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11Р3АМ3Ф2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Сталь 11Р3АМ3Ф2 более технологична в металлургическом производстве, однако из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

С целью улучшения свойств быстрорежущей стали 70-х годах широко начали использовать технологию электрошлакового переплава. Карбидная неоднородность металла после электрошлакового переплава снижается на 1-2 балла, стойкость инструмента возрастает на 15-20%.

Электрошлаковый переплав повышает пластичность стали в горячем состоянии, что позволяет увеличивать выход годного при производстве малотехнологичных в металлургическом производстве “сверхбыстрорежущих” сталей. Стоимость сталей электрошлакового производства примерно на 30% выше стоимости таких же марок обычной технологии выплавки.

Порошковые быстрорежущие стали. Наиболее эффективные возможности повышения свойств и качества быстрорежущих сталей является технология производства методами порошковой металлургии. Высокие режуще свойства порошковых быстрорежущих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности и уменьшению радиуса округления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и особенно шлифованием.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

Существуют два различных способа получения порошковой быстрорежущей стали: распылением водой и азотом. Изготовление инструмента из водораспыленных порошков дешевле, однако качество металла ниже ввиду сильной окисляемости зерен порошка. Поэтому для получения высококачественного металла используют порошки, получаемые распылением азотом.

Промышленное производство порошковых быстрорежущих сталей в начале 80-х годов направлено на изготовление марок, являющихся аналогами сталей традиционной технологии. Опыт ряда зарубежных фирм США, Швеции, а также отечественных исследователей, показал, что новая технология позволяет существенно изменить схему легирования с целью направленного повышения тех или иных свойств стали, определяющих работоспособность инструмента.

Предлагают следующие принципы разработки новых составов порошковых быстрорежущих сталей:

1. Введение в состав стали до 5-7% ванадия (по массе) с целью увеличения объемной доли карбидов Ме₆С в стали до 15% и повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости.

2. Повышение содержания углерода, выше его стандартного содержания в быстрорежущих сталях, т.е. введение углерода с “перенасыщением”, а также замена части углерода азотом, который вводят путем азотирования порошка непосредственно перед операцией “компактирования”.

Реализация указанных принципов позволяет использовать относительно низкие массовые доли вольфрама, молибдена и кобальта для получения максимальных значений твердости и теплостойкости. В частности, были разработаны порошковые быстрорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6-М1) по ГОСТ 28393-89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в ходе многочисленных промышленных испытаний.

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидосталей, которые по своим свойствам могут быть классифицированы как промежуточные между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Карбидостали отличаются от обычных быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном, карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание карбидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70%. Пластическим деформированием, главным образом экструзией, из спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет НRC_э 40-44, а после закалки и отпуска НRC_э 68-70.

При использовании в качества материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов.