Характеристика быстрорезов

Быстрорежущие стали обладают уникальными физико-механическими свойствами, которые делают их хорошими кандидатами для производства инструмента с оптимальным сочетанием высокой прочности, износостойкости, ударной вязкости и твёрдости. Главное же, что эти свойства позволяют быстрорезам сохранять устойчивость к высокотемпературному отпуску (до 600°C включительно), чего подавляющее большинство инструментальных сталей, даже легированных, не выдерживает.

Концепция легирования любой быстрорежущей стали основана на наличии в химсоставе более 7% вольфрама, молибдена и ванадий при содержании углерода более 0,6%.

Первоначально, до применения процессов термической обработки в печах с контролируемой атмосферой главным компонентом химсостава считался вольфрам. Впоследствии часть его была заменена молибденом. Причина заключается в том, что при длительном воздействии высоких температур размеры и количество карбидов вольфрама, железа и хрома существенно увеличивается, а инструментальный материал становится мягким и хрупким. Поэтому, в быстрорежущие стали (марки которых по отечественной терминологии начинаются с буквы Р), кроме молибдена в состав добавляют ванадий. Этот элемент активно участвует в формировании вторичных карбидов, которые обладают повышенной стабильностью при высоких температурах.

В связи с высоким содержанием углерода и вольфрама обычная твёрдость быстрорежущих сталей после их окончательной термообработки не бывает ниже 60…64 HRC. Быстрорезы характеризует превосходная закаливаемость, причём после термообработки эти стали имеют однородную твёрдость от поверхности к центру.

Быстрорезы

Области применения

  1. Изготовление режущего инструмента (свёрл, метчиков, фрез, развёрток).
  2. Производство конструкционных деталей высокой износостойкости при повышенных температурах (например, кольца и вкладыши автомобильных клапанов).
  3. Штамповые стали для процессов холодного деформирования с заметным влиянием контактного трения (волочение, высадка, прессование, выдавливание).

В заявленных условиях быстрорежущая сталь должна соответствовать требованиям:

  1. Красноломкости.
  2. Высокой твёрдости.
  3. Прочностью на сжатие.
  4. Ударной вязкостью.
  5. Износостойкостью.

Для выполнения этих требований в составе быстрорезов часто присутствует кобальт – активный карбидообразующий элемент, особенно активно действующий при отпуске.

Особенности маркировки

Действующий ГОСТ 19265-73 классифицирует продукцию отечественного производства по следующим группам:

  1. С малым (до 1%) и повышенным (свыше 1 %) содержанием углерода.
  2. С обычным (до 12 %) и повышенным (свыше 12 %) содержанием вольфрама.
  3. С малым (до 1 %) и повышенным (до 5 %) содержанием кобальта.
  4. С наличием или отсутствием в составе растворённого азота ( при наличии азота в маркировке стали появляется буква А).

Поскольку все марки быстрорежущих сталей содержат в среднем по 1 проценту хрома, молибдена или ванадия, то цифровое обозначение содержания этих элементов в маркировке материала отсутствует.

Рекомендуется также в конце условного обозначения указывать – через тире – способ её получения (например, Ш – быстрорежущие инструментальные стали, полученные методом электрошлакового переплава).

Существенным является показатель балла карбидной неоднородности – І или ІІ. Он не указывается в маркировке (только в сопроводительной документации к партии выпущенного проката), но влияет на режим последующей обработки. Там же устанавливается целесообразность дальнейшего применения стали – для проката, который подлежит горячему деформированию, либо для механической обработки в холодном состоянии.

Методы производства и обработки

Несмотря на то, что значительную часть продукции быстрорежущих сталей по-прежнему производят прокаткой, более перспективным выглядит применение порошковой металлургии. Она позволяет получать детали с равномерным распределением карбидов и, следовательно, с изотропными механическими свойствами. Основным недостатком этого метода производства является его малая чувствительность к параметрам спекания, таким как температура и атмосфера. Более того, оптимальные условия определяются составом быстрорезов, при этом содержание углерода особенно сильно влияет на развитие микроструктуры и температуру спекания, причём содержание углерода и кислорода в исходном материале в процессе спекания претерпевает значительные изменения.

Критическая зависимость свойств HSS-сталей от содержания углерода привела к разработке метода компенсации потерь углерода во время производства. Было обнаружено, что наиболее надежный способ получения хороших результатов заключается в смешивании элементарного углерода (графита) с металлом, поскольку было продемонстрировано, что этот процесс может не только изменить состав, но и улучшить кинетику спекания.

Спекание происходит с помощью процесса суперсолидусного жидкофазного процесса, который позволяет достичь почти полной плотности полуфабриката. Важное отличие процесса от традиционного жидкофазного спекания заключается в том, что в первом случае жидкий расплав концентрируется не только на межчастичных границах, но также на границах зёрен, и внутри них.

Температура и содержание углерода являются наиболее важными переменными, поскольку они определяют объемную долю жидкой фазы, которая появляется в процессе уплотнения.

Высокие механические свойства и однородная микроструктура, полученные с помощью методов порошковой металлургии, а также возможность легко достичь почти полной плотности за счет точного контроля состава, температуры и атмосферы определяют широкие перспективы данного метода для производства HSS-сталей. Кроме того, для получения практически точных заготовок, используется литьё под давлением. Оно позволяет избежать дорогостоящих операций механической обработки.

Способы улучшения характеристик

Существующие недостатки быстрорезов – присутствие крупных избыточных карбидов, и, как следствие, повышенная хрупкость – предопределили необходимость улучшения свойств рассматриваемых материалов. В настоящее время поиски вариантов повышения эксплуатационных показателей ведётся по двум направлениям – оптимизации состава и разработки новых технологий термообработки.

В первом случае наиболее перспективным считается легирование кобальтом, вольфрамом и молибденом, с оптимизацией состава каждого из этих компонентов. Полученные стали (например, Р6М4К8Ф) характеризуются высокой твёрдостью, отличной красноломкостью, способности к ограниченной пластической деформации и хорошей ударной вязкостью.

Какая сталь – быстрорежущая? Та, что содержит повышенное количество вольфрама и карбидов. Поэтому концепция оптимального легирования предполагает:

  1. Осторожность в использовании повышенного процента кремния, избыток которого снижает ударную вязкость.
  2. Обязательное применение ванадия, который повышает стойкость при ударных нагрузках на инструмент.
  3. Ограничение марганца, повышающего риск растрескивания при термообработке.
  4. Использование молибдена, который улучшает механические показатели материала.

При разработке оптимальных режимов термообработки установлено следующее:

  1. Закалку и отпуск необходимо проводить в вакуумных печах с защищённой атмосферой;
  2. Исходная структура быстрорежущих сталей до термообработки должна представлять собой феррит+карбиды;
  3. Должна быть исключена возможность формирования крупной карбидной сетки, которая охрупчивает материал и снижает ударную вязкость.
  4. В процессе термообработки стали следует предварительно нагревать до 800°C, после чего охлаждать в печи со скоростью 15°C в час до 600 ° C, используя воздух в качестве охлаждающей среды.

Для достижения высокой ударной вязкости (при твёрдости 63 ± 1 HRC) перед окончательным нагревом материал предварительно нагревают в три этапа, до достижения температуры аустенитизации. Это уменьшает тепловые удары при посадке холодных заготовок в печь. Одновременно необходимо выравнивать уровни температуры на поверхности и в центе изделия. Уменьшение результирующих термических напряжений приводят к меньшим рискам с точки зрения растрескивания или искажения размеров заготовки.