Инструментальная быстрорежущая сталь

Быстрорежущие стали - наиболее характерные для режущих инструментов. Они сочетают высокую теплостойкость (600-650 °С в зависимости от состава и обработки) с высокими твердостью (до HRC 68-70), износостойкостью при повышенных температурах и повышенным сопротивлением пластической деформации. Быстрорежущие стали позволяют повысить скорость резания в 2-4 раза по сравнению со скоростями, применяемыми при обработке инструментами из углеродистых и легированных инструментальных сталей.

Быстрорежущие стали широко применяют для режущих инструментов, работающих в условиях значительного нагружения и нагрева рабочих кромок. Инструмент из быстрорежущих сталей обладает достаточно высокой стабильностью свойств, что особо важно в условиях гибкого автоматизированного производства.

Работоспособность инструментов простой формы с массивной режущей кромкой при непрерывном точении лимитируется вторичной твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Для инструментов сложной формы, тонколезвийных, а также для инструментов, используемых при прерывистом точении, большее значение приобретают прочность и вязкость быстрорежущей стали. Повышение того или иного свойства, достигаемое в результате изменения химического состава стали, а также режимов закалки и отпуска, часто сопровождается снижением других показателей. Например, при повышении вторичной твердости и теплостойкости наблюдается, как правило, снижение прочности и вязкости стали.

Высокие режущие свойства быстрорежущих сталей обеспечиваются легированием сильными карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, ванадием), элементами, повышающими температуру (а -> y) - превращения (кобальтом, алюминием), и применением специальной термической обработки, заключающейся в закалке с высоких температур (1200-1300 °С) и отпуске, вызывающем дисперсионное твердение.

Для быстрорежущих сталей основным является карбид М₆С.

Для получения высоких теплостойкости и твердости достаточно большая доля распадающегося карбида должна быть переведена при закалке в твердый раствор (аустенит, мартенсит), что насыщает его углеродом, вольфрамом, молибденом, ванадием, хромом.

Последующий отпуск при температурах 550-560 °С повышает твердость до максимальных значений вследствие выделения дисперсных карбидов и распада остаточного аустенита.

В зависимости от химического состава, а следовательно, и уровня основных свойств быстрорежущие стали подразделяют на стали нормальной и повышенной теплостойкости (производительности). Если содержание ванадия не превышает 2%, их относят к быстрорежущим сталям нормальной теплостойкости (производительности). Это стали Р18, Р9, Р6М5.

Быстрорежущие стали с более высоким содержанием ванадия, а также дополнительно легированные кобальтом относят к сталям повышенной теплостойкости (Р12ФЗ, Р6М5ФЗ, Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8 и др.).

По сравнению со сталями нормальной производительности высокованадиевые стали повышенной производительности обладают в основном повышенной износостойкостью из-за наличия высокотвердого карбида типа МС, а кобальтсодержащие стали - более высокими вторичной твердостью, теплостойкостью и теплопроводностью.

К группе быстрорежущих сталей повышенной производительности следует отнести и быстрорежущие дисперсионно-твердеющие сплавы с интерметаллидным упрочнением. Их высокая теплостойкость и режущие свойства обеспечиваются высокими температурами а-> y превращения и упрочнением вследствие выделения при отпуске интерметаллидов, имеющих более высокую устойчивость к коагуляции при нагреве, чем карбиды. Наибольшее распространение получил сплав В11М7К23 (ЭП831).

Основные свойства быстрорежущих сталей в состоянии поставки приведены в таблице ниже. Режимы окончательной термической обработки и свойства быстрорежущих сталей нормальной и повышенной производительности приведены в таблице внизу.

Интенсивно развивается группа низколегированных быстрорежущих сталей с суммарным содержанием вольфрама и молибдена, не превышающим 5-6 %.

Инструменты из быстрорежущих сталей этой группы предназначены в основном для обработки неупрочненных сталей и чугунов, а также цветных металлов и сплавов. Стойкость инструментов из этих сталей при обработке вышеуказанных групп материалов близка к стойкости инструментов из стали Р6М5.

Наиболее высокими свойствами в этой группе сталей обладают стали Р2М5 и 11М5Ф. Они существенно превосходят стали 11Р3АМ3Ф2 и 9Х4М3Ф2АГСТ как по основным свойствам, так и по шлифуемости.

Особенно перспективно использование низколегированной безвольфрамовой стали 11М5Ф. Сталь 11М5ФЮС с 1 % Al имеет более высокую теплостойкость и режущие свойства, чем быстрорежущая сталь Р6М5.

Карбидная неоднородность. Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. Избыточные карбиды быстрорежущих сталей входят в состав эвтектики, образующейся по границам зерен аустенита или б-феррита.

Литая сталь из-за присутствия эвтектики имеет высокую хрупкость и низкую прочность. Существенное улучшение структуры и прочностных свойств достигается после горячей пластической деформации с обжатием выше 90 %.

Однако практически при всех используемых условиях деформации абсолютно равномерного распределения карбидов не наблюдается. Карбидная неоднородность способствует созданию значительной анизотропии свойств в заготовках больших размеров.

Карбидная неоднородность выражена сильнее в сталях с повышенным содержанием вольфрама, ванадия и кобальта. В сталях с молибденом размер карбидных частиц и их скоплений меньше, что оказывает положительное влияние на свойства последних.

Форму, расположение и распределение эвтектических карбидов характеризуют баллом карбидной неоднородности. Для вольфрамовых и вольфрамоиолибденовых быстрорежущих сталей существует две восьмибальные щкалы (соответственно шкалы 1 и 2, ГОСТ 19265-73 ), определяющие карбидную неоднорость.

Основные свойства быстрорежущих сталей в состоянии поставки

Сталь	р, т/м2	Ас1	Аr1	Температура, C, ковки	Температура, C, отжига	HB, МПа, не более	Маc. доля  карбидной фазы, %
Р18	8,7	820	760	1200-900	840-860	2550	28
Р9	8,3	820	740	1180-850	840-860	2550	17
Р6М5	8,1	815	730	1160-850	840-860	2550	22
11РЗАМЗФ2	7,9	-	-	1140-850	830-850	2550	-
Р6М5ФЗ	8,1	815	-	1180-850	840-860	2690	-
Р12ФЗ	8,5	825	-	1160-850	860-880	2690	25
Р18К5Ф2	8,2	830	750	1200-900	840-860	2850	25
РЭК5	8,3	815	725	1150-900	840-860	2690	17
Р6М5К5	8,2	840	765	1160-850	840-860	2690	23
Р9М4К8	8,3	800	750	1140-850	840-860	2850	-
Р2АМ9К5	-	-	-	1150-900	850-860	2690	-
Р18Ф2К8М	8,7	830	750	1160-950	840-860	2930	-
Р12Ф4К5	8,3	820	745	1160-850	850-870	2850	-
Р12МЗФ2К8	8,4	820	750	1160-900	840-860	690	-
Р8МЗК6С	8,2	820	750	1160-900	860-880	2850	-
В11М7К23	8,6	915	-	1200-950	860-880	3500	-
Примечание. После ковки хлаждение в колодцах при 750-800 °С. После выдержки при 840-880 °С охлаждение со скоростью 30-40°С/ч до 720- 740 °С, выдержка не менее 4 ч, охлаждение со скоростью 50°С/ч до 600 °С, далее на воздухе.

Режимы окончательной термической обработки и свойства быстрорежущих сталей нормальной и повышенной теплостойкости (производительности)

Сталь	Т, закалки, °С	Т, отпуска, °С	HRC	σи, МПа	Теплостойкость (HRC 58), °С
Р18	1270-1290	560-570	63-64	2600-3000	620
Р9	1220-1240	550-570	62-64	2800-3200	620
Р6М5	1200-1230	540-560	63-65	3200-3600	620
Р6М5ФЗ	1200-1230	540-560	64-66	2700-3100	625
Р12ФЗ	1230-1260	550-570	64-66	2400-2600	630
Р18К5Ф2	1270-1290	560-580	65-67	1800-2200	640
Р9К5	1220-1240	560-580	64-66	2300-2700	630
Р6М5К5	1210-1240	540-560	64-66	2600-3000	630
Р9М4К8	1210-1240	550-570	65-68	2200-2600	630
Р2АМ9К5	1190-1210	540-55С	64-66	2600-3000	630
Р18Ф2К8М (ЭП379)	1250-1270	560-580	66-68	1600-1800	640
Р12Ф4К5 (ЭП600)	1230-1260	560-580	66-67	1800-2200	640
Р12МЗФ2К8 (ЭП657)	1220-1250	550-580	66-68	1800-2200	635
Р8МЗК6С (ЭП722)	1190-1220	540-560	66-69	1600-1900	635
В11М7К23 (ЭП831)	1250-1270,	570-590	66-68	2200-2400	700

Стали Р18Ф2К8М, Р12Ф4К5, Р12МЗФ2К8, Р8МЗК6С, В11М7К23 поставляются по техническим условиям.

Режимы окончательной термической обработки и свойства низколегированных быстрокарежущих сталей вольфрамомолибденовых быстрорежущих сталей существуют две восьмибалльные шкалы (соответственно шкалы 1 и 2, ГОСТ 19266-73), определяющие карбидную неоднородность.

Сталь	Температура, °С		S -  твердость	Теплостойкость, °С (KRC 58)	σи, МПа
	закалки	oтпускa
11РЗАМЗФ2 Р2М5 (ЭП894) 9Х4МЗФ2АГСТ (ЭК42) т1м5ф (ЭП980)	1180-1210 1140-1160 1200-1210 1140-1180	540-560 (2, 3 раза по 1 ч) 530-550 (2, 3 разя по 1 ч) 550-560 (2, 3 раза по 1 ч) 560-570 (3 раза по 1 ч)	63-64 64-65 61-63 64-66	620 620 610 620	3400-3600 3400-3600 2600-3000 3400-3600

Относительная шлифуемость быстрорежущих сталей

Шлифуемость	Коэффициент относительной шлифуемости Кш *1	Сталь
		по ГОСТ 19266-73	по техническим условиям
Повышенная	0,9-1	Р18 1 1	Р2М5 (ЭП894), В11М7К23 (ЭП831), В14М7К28 (ЭГТ723), 3В20К18Ф (ЭП634)
Нормальная	0,7-0,9	Р6М5, Р6М5К5, Р12	11М5Ф (ЭП980), Р6М5-МП*2 Р6М5ФЗК8-МП *2 Р6М5К5-.ЧП
Средняя	0,55-0,7	Р9М4К8	Р9МЗК6С (ЭП722)
Пониженная	0,35-0,55	Р6М5ФЗ, Р9, Р9К5, Р12ФЗ, Р18Ф2К5	Р6М5Ф6-МП *2 Р9МЗК6С (ЭП722) Р12МЗФ2К8 (ЭП657)
Низкая	До 0,35	11РЗДМЗФ2	9Х4МЗФЗЛГСТ (ЭК41) 9Х4МЗФ2АГСТ (ЭК42) Р12Ф4К5 (ЭП600) Р12М2ФЗК10 (ЭП682)

*¹ Коэффициент относительной шлифуемрсти равен отношению удельной производительности шлифования исследуемой стали к удельной производительности шлифования стали Р18.

*² Стали, полученные методом порошковой маталлургии.

Карбидная неоднородность существенно влияет на прочностные свойства деформированной стали после закалки и отпуска. По мере увеличения карбидной неоднородности прочностные свойства ухудшаются, что приводит к снижению стойкости инструмента в результате выкрашивания режущей кромки или его поломки.

Существуют три основных пути уменьшения карбидной неоднородности:

1) увеличение скорости кристаллизации расплавленной стали; этот путь самый перспективный, поскольку позволяет существенно уменьшить толщину эвтектической сетки (например, при электрошлаковом переплаве) или вообще устранить ее образование, как у сталей, полученных прессованием порошков (гранул) из распыленного жидкого металла;

2) повышение степени деформации и изменение характера деформирования (например, при прессовании литой стали);

3) применение высокотемпературного гомогенизирующего отжига; при этой обработке у быстрорежущих сталей почти полностью устраняется эвтектическая сетка, но увеличиваются размеры избыточных карбидов.

В зависимости от состава и способа производства размеры наиболее крупных (избыточных карбидов) быстрорежущих усталей различаются значительно (от 1 до 25 мкм и более). Крупные карбиды менее эффективно задерживают рост зерна, слабее связаны с матрицей и быстрее выкрашиваются из рабочей кромки инструмента при его эксплуатации. При увеличении размеров карбидов с 8-10 до 15- 20 мкм наблюдается снижение стойкости инструмента до 2 раз в тех случаях, когда радиус закругления режущей кромки соизмерим с размерами крупных карбидов и когда инструмент работает с малыми толщинами среза.

Наиболее эффективный путь уменьшения размеров карбидов - изготовление сталей' посредством прессования порошков, полученных распылением расплавленного металла. В этом случае размеры карбидов не превышают 1-3 мкм. Быстрорежущие стали, полученные этим способом, обладают повышенными механическими свойствами, стойкостью и шлифуемостью.

Быстрорежущие стали, полученные способом порошковой металлургии, наиболее целесообразно использовать для инструментов, работающих в условиях гибких автоматизированных производств, поскольку этот инструмент обладает более высокой стабильностью свойств.

Нагрев под закалку быстрорежущих сталей проводится при температурах и выдержках, обеспечивающих растворение .специальных карбидов и легирование аустенита, для получения оптимальной теплостойкости при условии, что размер зерна не превышает 10-го балла, при котором достигаются оптимальные механические свойства.

Связь между распределением карбидов и прочностью быстрорежущей стали Р18

Балл карбидной неоднородности	Характеристика распределения карбидов по шкале	Диаметр прутка	σи*1 МПа, в направлении
			продольном	поперечном
1 2	Тонкая полосчатая структура  Полосчатость с большим числом полос	10-15 15-25	3300-3400 3000-3200	_
ЗА	Полосчатости, более сильно выраженная	25-40	2800-3000	-
3Б	Остатки разорванной карбидной сетки	25-40	2400-2700	-
4А	Полосчатость резко выраженная	40-60	2400-2700	-
4Б	Сетка слабо выраженная, разорванная	40-60	2400-2700	-
5А 5Б	Грубая полосчатость  Сетка явно выраженная, разорванная	60-75 60-75	2300-2500 2300-2500	1800-2000 1800-2500
6А	Полосчатость грубая, резко выраженная и скопления карбидов	70-90	1800-1900	1500-1600
6Б	Сетка явно выраженная, разорванная, крупные скопления карбидов	70-90	1800-1900	1500-1600
7	Сетка, разорванная в отдельных участках, скопления карбидов	80-100	1600-1700	-
8	Сетка малодеформированная,  разорванная и скопления карбидов	90-110	1200-1400
Закалка на зерно балла 10 и отпуск при 560 оС, 3 раза.

  Балл зерна для различных быстрорежущих сталей

Балл зеpна	Стали
9	Низколегированные, молибденовые и вольфрамо-молибденовые нормальной производительности, из которых изготовляют крупный инструмент (относительно простой формы
10	Быстрорежущие, нормальной производительности, низколегированные быстрорежущие, а также быстрорежущие повышенной производительности, из которых изготовляют инструмент относительно простой формы
11	Быстрорежущие повышенной производительности (кобальтовые, ванадиевые), а: также быстрорежущие обычной производительности (если они применяются для мелкого инструмента сложной формы), порошковые быстрорежущие

При закалке тонколезвийных инструментов небольших размеров (менее 3-5 мм) температура закалки снижается на 10-20 °С (балл зерна 11 - 12), при закалке крупногабаритного инструмента (сверла диаметром более 20 мм, резцы) можно повысить температуру закалки на 10 °С (балл зерна 9-10).

Для предупреждения образования трещин и повышенных термических напряжений нагрев под закалку ведут с одним или двумя подогревами. Первый подогрев при 400-500 °С, второй при 800-850 °С. Выдержку при окончательном нагреве выбирают из расчета 10-15 с на 1 мм диаметра (толщины) для инструмента диаметром 5-30 мм.

Для инструментов меньшего диаметра время выдержки увеличивают (общее время выдержки не менее 30 с).

Время выдержки при подогреве обычно берут удвоенным по сравнению с выдержкой при окончательном нагреве.

Подогрев и окончательный нагрев под закалку быстрорежущих сталей, как правило, проводят в электродных соляных ваннах. Среда нагрева: при подогреве - смесь 78% ВаСL₂ и 22 % NaCL (Т_пл = 640 °С), при окончательном нагреве - в расплаве ВаСL, (Т_пл = 962 ^оС). Для предохранения от окисления (обезуглероживания инструмента) ванну раскисляют фтористым магнием.

Эти рекомендации особенно существенны для быстрорежущих сталей с молибденом и кобальтом, которые облагают повышенной склонностью к обезуглероживанию.

Переохлажденный аустенит быстрорежущих сталей устойчив, вследствие чего они могут охлаждаться в любой среде - воздухе, масле, горячих средах при 500-560 ^оС. 1

Вместе с тем при замедленном охлаждении в интервале температур 1000-500 °С возможно выделение карбидов по границам зерен, вследствие чего инструмент, охлажденный таким образом, будет иметь пониженную вязкость и теплостойкость. Вследствие этого охлаждение инструментов крупных размеров на воздухе нежелательно.

Отпуск быстрорежущих сталей выполняется при температурах 550- 570 °С, 2-3 раза по 1 ч.

Двухкратный отпуск можно применять для сталей с небольшой устойчивостью остаточного аустенита. Быстрорежущие стали с большой устойчивостью остаточного аустенита требуют трех- и даже четырехкратного отпуска.

При отпуске происходит выделение упрочняющих карбидов и распад остаточного аустенита. В результате быстрорежущая сталь получает высокую твердость, прочность и теплостойкость.

Шлифуемость является важным технологическим свойством, которое определяет качество готового инструмента. Стоимость шлифования достигает 50-60 % общей стоимости изготовления инструмента. Чем хуже шлифуемость стали, тем более трудоемким является процесс изготовления из нее инструмента. По этой причине многие быстрорежущие стали находят ограниченное применение.

Используют два метода определения шлифуемости стали Механический метод заключается в определении отношения объема металла, снятого в единицу времени, к объему одновременно изношенного, абразива.

Структурный метод характеризует шлифуемость по количеству остаточного аустенита в шлифованном слое. Чем хуже шлифуемость, тем выше температура его разогрева, тем больше в слое аустенита.

Неправильно выполненное шлифование, при котором в шлифованной слое из-за высоких температур образовалось большое количество аустенита, приводит к значительному снижению стойкости инструмента.

Шлифуемость сталей определяется главным образом количеством карбидов ванадия VC в структуре стали. Наиболее низкую шлифуемость имеют быстрорежущие стали с повышенным содержанием ванадия. Шлифуемость быстрорежущих сталей можно существенно повысить, если их получать методами порошковой металлургии.

Способы улучшения поверхностного слоя. Качество инструмента в значительной мере определяется свойствами поверхностного слоя. В процессе термической обработки или в результате шлифования при несоблюдении технологических режимов свойства поверхностного слоя могут существенно снижаться (в частности, вследствие обезуглероживания или чрезмерного нагрева при шлифовании).

Наиболее эффективно свойства поверхностного слоя могут быть повышены в результате химико-термической обработки, поскольку возрастают твердость, теплостойкость, стойкость против коррозии, в ряде случаев уменьшается коэффициент трения.

Xимико-термическая обработка целесообразна для инструментов, сохраняющих улучшенный слой после переточки полиостью (резьбовые и червячные фрезы, долбяки, протяжки, фасонные резцы, метчики и др.) или частично (сверла, зенкеры).

Выбор способа химико-термической обработки обусловлен не только требованиями, предъявляемыми к поверхностному слою, но и температурой, при которой выполняется эта обработка, и теплостойкостью стали. Наиболее универсальными и эффективными методами упрочнения поверхностного слоя инструментов из быстрорежущих сталей является жидкое цианирование, карбонитрация, ионное азотирование и вакуумно-плазменное нанесение износостойких покрытий. 

В том случае, если инструмент после шлифования не подвергается химико-термической обработке, его целесообразно дополнительно отпускать. Отпуск снимает напряжения, способствует превращению аустенита, образовавшегося в поверхностном слое при шлифовании, и поэтому повышает стойкость инструмента. Температура отпуска 350-400 °С, выдержка 30- 60 мин.