В начале маркировки этих сталей стоит буква Р (что означает быстрорежущая), цифра указывает на среднее содер

pellete.ru

Быстрорежущие стали

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.

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. Наиболее распространенной быстрорежущей сталью является сталь Р18(0, 7%С; 18%W; 4%Cr и1%V), а также сталь Р6М5 (0, 9%С; 6%W; 5%Mo; 4%Cr; 2%V). Все быстрорежущие стали обозначают буквой Р (скорость), цифры после этой буквы показывают содержание основного легирующего элемента-вольфрама, а для вольфрамомолибденовых сталей и содержание молибдена. При высоком содержании ванадия среднее содержание его также 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).

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.

studfiles.net

ГОСТ, состав, твердость, термическая обработка :: SYL.ru

Для того чтобы рабочая поверхность инструмента сохраняла заданные свойства длительное время, необходимо использование специальных сплавов и сталей для изготовления таких элементов. На сегодняшний день детали режущего инструмента производятся из твердых сплавов, инструментальных марок стали. Для фрез, резцов, зубил используется в основном быстрорежущая сталь.

Основные требования к сплавам для режущего инструмента

Детали такого типа длительное время работают в условиях трения и повышенных температур. Однако рабочая поверхность должна сохранять свои свойства, обладать высокой износостойкостью и твердостью. При больших скоростях, которые набирает инструмент в процессе резанья, нагревается и его кромка, и сама деталь, и стружка. Поэтому основная характеристика, которой должна обладать быстрорежущая сталь – теплостойкость. Для труднообрабатываемых материалов используют порошковые быстрорежущие стали. Они имеют более высокие режущие свойства. Недостатком таких сплавов является затруднительная обработка заготовок. Все необходимые характеристики достигаются путем введения определенных легирующих элементов и специальной термической обработкой.

Маркировка стали

Быстрорежущая сталь маркируется буквой Р, которая ставится впереди. Основными легирующими элементами являются вольфрам, хром. Также дополнительно вводят такие элементы, как ванадий, молибден. Цифра после буквы Р указывает процентное содержание вольфрама в стали. Как правило, в состав быстрорежущей стали входит около 4% хрома. Данный элемент в маркировке не указывается. Если цифры стоят перед буквой Р, то они указывают на процентное содержание углерода (например, сталь 11Р3АМ3Ф2 содержит 1,1% углерода). В основном стали данной группы являются высоколегированными.

Влияние легированных элементов на свойства стали

Высокую теплостойкость быстрорежущих марок стали обеспечивают вольфрам, молибден. На их основе образовываются карбиды, которые частично переходят в твердый раствор. После термообработки обеспечивается структура мартенсита. Вольфрам, молибден, а также ванадий замедляют его распад. Именно это обеспечивает необходимую красностойкость. Продолжительное время использовалась быстрорежущая сталь, легированная только вольфрамом. Однако из-за дефицитности данного металла его начали частично заменять молибденом. Этот элемент также положительно влияет на склонность вольфрамовых марок стали к карбидной неоднородности. Наиболее твердый карбид образовывает ванадий. Однако при этом содержание углерода должно быть достаточным для большего насыщения твердого раствора. Чем больше вводится ванадия, тем больше должно быть углерода в составе сплава. Основная задача хрома – придание стали высокой прокаливаемости. Красностойкость также повышает и кобальт.

Быстрорежущая сталь (твердость при легировании данным элементом повышается до 70 HRC) в данном случае будет иметь пониженную прочность. Стоит отметить, что введение хрома широко не применяется из-за большой стоимости элемента.

Термообработка быстрорежущей стали

Данные марки стали поступают в состоянии ковки (температура около 1200 °С). Производится нагрев до 860 °С, затем металл выдерживается при температуре около 760 °C. Термическая обработка инструмента включает закалку и отпуск. Стоит отметить, что такая обработка имеет свои особенности. Во-первых, необходим медленный, постепенный нагрев. Так как сталь высоколегированная, ее теплопроводность довольно низкая, стремительное нагревание может привести к образованию трещин. При этом очень важно нагревать заготовку равномерно. Используются электрические печи, соляные ванны. Процесс обработки быстрорежущей стали довольно трудоемкий, он требует четкого соблюдения всех этапов технологического процесса.

Главная задача закалки – растворение карбидов в аустените. Как правило, карбиды на основе вольфрама и хрома растворяются при 1200 °С, ванадий требует более высоких температур. После данного этапа структура имеет избыточные (те, что не растворились) карбиды. Они сдерживают рост зерна. Высокие температуры обеспечивают мелкозернистый аустенит. Охлаждение происходит в масле или расплаве солей. Температура по сечению детали выравнивается. Такая обработка быстрорежущей стали позволяет избежать появления трещин. После закалки сталь имеет следующую структуру: мартенсит, остаточный аустенит, карбиды.

Отпуск быстрорежущей стали

Отпуск стали способствует превращению мартенсита закалки в мартенсит отпуска, аустенита в мартенсит (так как первый не обладает достаточной твердостью), снятию остаточных напряжений. Как правило, термическая обработка быстрорежущей стали включает многократный отпуск. Начинается данный процесс при температуре 150 °С. Далее при 550 °С происходит дисперсионное твердение (выделяются карбиды из твердого раствора). В результате возрастает твердость сплава. Более высокие температуры отпуска нежелательны, так как будет происходить процесс распада мартенсита, и, соответственно, снижение твердости. Вольфрамовые стали после единичного отпуска имеют в составе остаточный аустенит. Полностью он превращается в мартенсит при втором отпуске. Остаточные напряжения снимаются в процессе третьего отпуска. Стали с содержанием кобальта могут подвергаться отпуску и в четвертый раз.

Нарушение технологии термообработки

Снижение количества углерода на поверхности заготовки может быть следствием плохой расскисленности соляной ванны, а также перегрева при аустенизации. Превышение температуры ведет к оплавлению границ зерна. Также обработанная деталь может иметь трещины. Такое явление возникает из-за быстрого нагрева металла. Еще одна причина – ускоренное охлаждение. Низкое значение твердости может быть следствием недостаточного легирования структуры мартенсита, нарушением температурного режима при отпуске, при котором остается остаточный аустенит. Еще один возможный дефект заготовки – нафталинистый излом.

Наиболее распространенные марки быстрорежущей стали

Быстрорежущая сталь (ГОСТ 19265-73) делится на сплавы нормальной и повышенной теплостойкости. Первая группа включает такие марки, как Р18, Р6М5. Твердость их достигает 63 HRC. Основное их предназначение – обработка чугунов, медных, алюминиевых сплавов. Более высокой теплостойкостью обладают вольфрамовые стали. Их применяют для изготовления сверл, фрез, резцов. Сталь Р6М5, которая содержит молибден, немного уступает в режущих свойствах, однако она существенно дешевле. К тому же пластичность ее несколько выше, а склонность к образованию трещин не столь высока. Более теплостойкие стали имеют в составе ванадий и кобальт (10Р6М5, Р9Ф5). Их твердость досягает 66 HRC. Используются они для обработки более прочных конструкционных сталей, жаропрочных сплавов, при изготовлении чистового инструмента. Характерно, что данные марки имеют более высокую износостойкость (благодаря наличию в составе ванадия). В последнее время все чаще применяется метод порошковой металлургии. Такие инструменты имеют более высокие режущие свойства.

www.syl.ru

Быстрорежущая сталь – это… Что такое Быстрорежущая сталь?

Быстроре́жущие ста́ли — 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.

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.

Истории создания

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^[1].

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.

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 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, которая в свою очередь вытесняется безвольфрамовыми Р0М5Ф1 и Р0М2Ф3.

Характеристики быстрорежущих сталей

Горячая твердость

На рисунке 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.

Красностойкость

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.

Существует несколько характеристик красностойкости. Приведем две из них.

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 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 K⁴_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 (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

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)^[2]. Качество быстрорежущей стали в значительной степени определяется степенью ее 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^[2]. При обработке стали холодом ее 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 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.

Маркировка быстрорежущих сталей

В советских и российских марочниках сталей марки быстрорежущих сталей обычно имеют особую систему обозначений и начинаются с буквы «Р» (rapid — 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).

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 объема 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).
• Кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р9К10) применяют для обработки деталей из труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, в условиях прерывистого резания, вибраций, недостаточного охлаждения.
• Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендуют для изготовления инструментов для чистовой обработки (протяжки, развёртки, шеверы). Их можно применять для обработки труднообрабатываемых материалов при срезании стружек небольшого поперечного сечения.
• Вольфрамомолибденовые стали (Р9М4, Р6М3) используют для инструментов, работающих в условиях черновой обработки, а также для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез.

Примечания

1. ↑ Мезенин Н. А. Занимательно о железе. — М.: «Металлургия», 1972. — 200 с.
2. ↑ ^{1 2 3} Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1986. — 544 с.
3. ↑ 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.

Литература

• Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. — М.: «Металлургия», 1986. — 544 с.
• Технология конструкционных материалов. Под ред. А. М. Дальского. — М.: «Машиностроение», 1958.

dic.academic.ru

БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ | Металлолом

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[22] (600—700 °С) при наличии высокой твердости (63—

7

3 V,%

PBMSK Os-P12K

PWKsviZijp9К5 °Р9 Р12 о Zs P 6 M 5

Рис. 211. Соотношение между средним содержанием углерода и ванадия в некоторых марках быстрорежущих сталей (по ГОСТ 19265—73)

С,%

1,0

0,9 0,8

0,7

О,8 1,2 1,е с,%

Рис. 210. Вертикальный разрез диа­граммы системы Fe—W—Cr—V при 18 % W; I % V и 4 % Cr; 8 — интерме­таллид (Мураками, Хатт с дополне­ниями Kyo)

361

70 HRC) и износостойкости инструмента. Уникальные свойства быстрорежущих сталей достигаются посредством специального легирования и сложной термической обра­ботки, обеспечивающих определенный фазовый состав.

1. Ррль легирующих элементов и фазовый состав стали

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: MeeC на основе вольфрама и молибдена,

MeC на основе ванадия и Me23C6 на основе хрома. Часть атомов Me в указанных карбидах составляют железо и другие элементы (см. гл. VIII, п. 3).

Вертикальный (политермический) разрез диаграммы состояния системы Fe—Cr—W—V, характерный для быст­рорежущих сталей, приведен на рис. 210[23]. Аустенит в быстрорежущих сталях получается при нагреве выше 800— 900 °С, однако при этих температурах аустенит не обога­щен основными легирующими элементами и углеродом. Поэтому закалка стали от температуры выше Ac3 (линии 1—3—2) на 30—50 0C, как принято для обычных сталей, не может обеспечить главного свойства быстрорежущей ста­ли — красностойкости. Красностойкость достигается лишь после высокотемпературного нагрева под закалку до тем­ператур несколько ниже линии солидуса Ai (линия 1—2), когда значительная часть легированных карбидов раство­ряется в аустените, обогащая его вольфрамом, молибде­ном, ванадием, хромом и углеродом. Полного растворения в аустените карбида Me6C, а также MeС, как видно из диаграммы состояния, даже при столь высоких температу­рах не происходит. Повышение содержания углерода в стали приводит к понижению температуры закалки, так как линия солидус 1—2 понижается с 1330 0C (0,6 % С) до IlOO0C (1,5 % С). Диаграмма также показывает, что обез­углероживание быстрорежущей стали (до % С<0,5—0,6) приводит к появлению а-фазы (область а+у+Ме6С левее линии 1—3). Чрезмерное содержание углерода, сверх необ­ходимого для образования специальных карбидов, может привести к появлению карбида цементитного типа, что ухудшает свойства стали.

‘Вольфрам и молибден являются основными легирующи­ми элементами, обеспечивающими красностойкость. Дол­гое время в СССР (до 70-х годов) 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 Mo: W=I : 1,5, однако общее содержание молибдена в стали не должно быть более 5 %[24].

Считается,, что наиболее оптимальные свойства и рацио­нальная стоимость инструмента достигается при соблюде­нии условия 2(W+1,5 Mo) =12—13 % (Л. С. Кремнев)- По этому принципу построена наиболее широко применяе­мая, в настоящее время сталь Р6М5.

Вольфрам (молибден) образует в стали карбид Me6Cr 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 Me6С 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 всгизбежание 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 минимальном содержании

mitalolom.ru

Быстрорежущая сталь — Википедия

Быстроре́жущие ста́ли — 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.

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.

Истории создания[править]

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^[1].

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.

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 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[править]

Горячая твердость[править]

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[править]

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.

Существует несколько характеристик красностойкости. Приведем две из них.

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 K⁴_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 (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[править]

Изготовление и обработка быстрорежущих сталей[править]

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[править]

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 (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.

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.

Маркировка быстрорежущих сталей[править]

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).

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 объема 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).
• Кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р9К10) применяют для обработки деталей из труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, в условиях прерывистого резания, вибраций, недостаточного охлаждения.
• Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендуют для изготовления инструментов для чистовой обработки (протяжки, развёртки, шеверы). Их можно применять для обработки труднообрабатываемых материалов при срезании стружек небольшого поперечного сечения.
• Вольфрамомолибденовые стали (Р9М4, Р6М3) используют для инструментов, работающих в условиях черновой обработки, а также для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез.

1. ↑ Мезенин Н. А. Занимательно о железе. — М.: «Металлургия», 1972. — 200 с.
2. ↑ 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.
3. ↑ Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок gul не указан текст

• Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. — М.: «Металлургия», 1986. — 544 с.
• Технология конструкционных материалов. Под ред. А. М. Дальского. — М.: «Машиностроение», 1958.

www.wiki-wiki.ru