Сообщение на тему быстрорежущие стали и их применение

Обновлено: 05.07.2024

Высокоуглеродистые инструментальные стали, характеризующиеся повышенным содержанием вольфрама, находят применение как в процессах обработки резанием, так и в технологиях холодного пластического деформирования. Название такого класса материалов – быстрорежущая сталь – связано со способностью противостоять поверхностному повышению температуры и связанной с ней перестройкой микроструктуры, что нередко случается при повышении скорости обработки. В зарубежной литературе такие стали относят к группе HHS (High Speed Steels).

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.

Области применения

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

В заявленных условиях быстрорежущая сталь должна соответствовать требованиям:

Красноломкости.
Высокой твёрдости.
Прочностью на сжатие.
Ударной вязкостью.
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:

С малым (до 1%) и повышенным (свыше 1 %) содержанием углерода.
С обычным (до 12 %) и повышенным (свыше 12 %) содержанием вольфрама.
С малым (до 1 %) и повышенным (до 5 %) содержанием кобальта.
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:

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

При разработке оптимальных режимов термообработки установлено следующее:

Закалку и отпуск необходимо проводить в вакуумных печах с защищённой атмосферой;
Исходная структура быстрорежущих сталей до термообработки должна представлять собой феррит+карбиды;
Должна быть исключена возможность формирования крупной карбидной сетки, которая охрупчивает материал и снижает ударную вязкость.
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.

Существует огромное количество различных металлов, которые обладают своими определенными достоинствами и недостатками. Быстрорежущие стали зачастую применяются для изготовления инструментов, которые должны обладать повышенной прочностью, некоторых ответственных деталей. Рассмотрим особенности этого сплава подробнее.

Характеристики быстрорежущих сталей

Быстрорежущие стали – сплавы, которые имеют достаточно большое количество легированных добавок. За счет добавления различных химических веществ свойства металла серьезно меняются. Рассматривая характеристики следует отметить, что материал подобного типа специально создается для эксплуатации при высоком показателе трения, который возникает на момент резания. Состав быстрорежущей инструментальной стали существенно повышает твердость металла, за счет чего он может работать на повышенной скорости.

Основные характеристики быстрорежущих сталей

Характеристики быстрорежущей стали следующие:

Высокая твердость. Рассматривая основное назначение подобного металла следует учитывать, что он может использоваться для обработки деталей или заготовок путем резания. Как показывают проведенные тесты, качественная быстрорежущая сталь сохраняет свои основные эксплуатационные качества при нагреве инструмента даже до температуры 6000 градусов Цельсия. Кроме этого быстрорежущая сталь обычного качества может иметь даже меньшую твердость в сравнении с обычным углеродистым металлом.
Повышенная стойкость к высокой температуре. Устойчивость к воздействию повышенной температуры определяет то, как долго инструмент сможет работать без изменения своих эксплуатационных качеств. Из-за слишком высокого показателя трения металл может нагреваться, что становится причиной изменения кристаллической решетки. В результате основные свойства быстрорежущей стали могут существенно измениться. Как правило, нагрев становится причиной повышения пластичности и снижения твердости, за счет чего износ поверхности проходит намного быстрее.
Устойчивость к разрушению. Режущий инструмент, который может работать на высокой скорости, должен обладать повышенной механической устойчивостью. Кроме этого инструмент может работать при высоком показателе подачи, что позволяет работать на большой глубине резания.

Именно химический состав быстрорежущей стали определяет ее основные эксплуатационные качества.

Классификация и маркировка быстрорежущих сталей

Все быстрорежущие стали классифицируются непосредственно по химическому составу, для чего проводится расшифровка маркировки. Инструментальные стали быстрорежущие делятся на следующие три группы:

Сплавы с полезными примесями, в которых процентное содержание кобальта не более 10%, а вольфрама 22%. Маркировка металла этой группы следующая: P10M4Ф3К10 и Р6М5Ф2К8 и другие.
Сплавы, в составе которых не более 5% кобальта и до 18% вольфрама. Виды быстрорежущей стали этой группы следующие: Р9К5, Р10Ф5К5 и другие.
Варианты исполнения металла, расшифровка которых определяет процентное содержание кобальта и вольфрама более 16%. Представителями этой группы можно назвать марки Р9 и Р18, Р12 и Р6М5.

При применении подобного металла получающаяся кромка не реагирует на механическое воздействие, по всей длине показатель твердости остается неизменным и металл не выкрашивается. Вышеприведенная классификация быстрорежущей стали определяет то, при какой скорости резания и подаче может использоваться сплав.

Состав быстрорежущих сталей различных марок

Область применения различных марок быстрорежущих сталей

Рассматривая применение износостойкого металла следует уделить внимание тому, что конкретный состав металла определяет его эксплуатационные качества. Инструмент изготовленный из подобного металла может выдерживать длительную эксплуатацию.

Режущий инструмент из быстрорежущей стали

Область применения достаточно обширна:

Изготовление сверл. Сверла имеют достаточно сложную форму и конструкцию, которая получается путем литья.
Изготовление резцов. Сегодня для удешевления резцов их основная часть изготавливается из недорого металла, и только режущая кромка из износостойкого материала.
Изготовление напаек для режущего инструмента. В некоторые случаях режущая кромка сменная.
Изготовление фрез. Фрезы также получаются методом литья расплавленного металла.

Материал может использоваться для получения инструмента, который будет выдерживать высокую нагрузку.

Сегодня, при повсеместной установке станков с ЧПУ, режущий инструмент повышенной устойчивости является единственным выходом из сложившейся ситуации, когда высокие скорости обработки создают проблемы.

Особенности термической обработки быстрорежущих сталей

Для увеличения эксплуатационных качеств быстрорежущей стали могут применяться стандартные методы обработки. Однако при этом учитывается состав металла. Примером назовем то, что процесс закалки предусматривает нагрев среды до температуры, которая позволяет обеспечить условия для растворения различных примесей и добавок.

После того, как обработка быстрорежущей стали была завершена, в сплаве остается до 30% аустенита, что существенно повышает теплопроводность и твердость.

Для уменьшения показателя аустенита в структуре могут применяться две технологии:

Для повышения качества термической обработки нагрев проводится в несколько этапов. При этом выдержка проводится при определенной температуре, а также проводится многократный отпуск.
Отпуск подразумевает охлаждение заготовки до низкой температуры, которая часто составляет — 800 градусов Цельсия.
Закалка должна проводится при достаточно высокой температуре, так как только в этом случае происходит полное перестроение кристаллической решетки.
Для охлаждения используется самая различная среда. Примером назовем применение масла иди соляных ванн. Обычная вода становится причиной появления самых различных дефектов, к примеру, трещин или окалин. После этого приходится выполнять дополнительную обработку для удаления дефектов.

Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига; в) после закалки; г) после отпуска

Кроме этого улучшение характеристик проводится следующим образом:

Проводится насыщение поверхностного слоя цинком. Для того чтобы оказать требуемое воздействие на поверхность подобная операция предусматривает нагрев поверхности до 5600 градусов Цельсия. Выдержка может проходить в течение от 5 до 30 минут.
Также может происходить насыщение поверхности азотом. Чаще всего подобная процедура проводится в газовой среде. Выдерживается заготовка или деталь в течении 10-40 минут, температура нагрева варьирует в пределе 550-6600 градусов Цельсия.
В некоторых случаях химический состав металла изменяется путем сульфидирования поверхности. Подобным образом можно повысить твердость и прочность поверхности.
В качестве дополнительной обработки на поверхность напыляется различный материал. За счет этого существенно изменяются эксплуатационные качества инструмента или детали.

Сегодня часто встречается ситуация, когда поверхность обрабатывается паром, что позволяет существенно повысить характеристики поверхностного слоя. Зачастую дополнительная обработка проводится в случае, когда режущая кромка была полностью подготовлена.

Какие стали называются быстрорежущими?
Быстрорежущие сплавы относятся к группе инструментальных сталей специального назначения. Их основная область применения – изготовление профессионального инструмента повышенной прочности, работающего при высокой скорости вращения и резания.

История создания

До появления быстрорежущих инструментальных сталей для обтачивания деревянных деталей и изделий из цветных металлов использовались обычные стальные резцы. Но при обработке подобным инструментом деталей из твердых материалов возникала проблема. Резец очень быстро изнашивался, нагревался, им было невозможно обтачивать изделие с высокой скоростью.

Проблему удалось решить в 1858 году, после получения сплава, где в качестве легирующих элементов использовались вольфрам и марганец. В течение нескольких последующих десятилетий в результате экспериментов было получено еще несколько видов сверхпрочных сплавов, способных эксплуатироваться при высоких температурах. Это позволило многократно увеличить скорость обработки деталей и повысить производительность металлорежущих станков.

В конце прошлого века вольфрамовые соединения стали заменяться на самозакаливающиеся, а в настоящее время успешно используются безвольфрамовые составы.

Свойства и виды быстрорежущих сталей

Сплавы сочетают в себе повышенную теплостойкость с твердостью, износостойкостью и высоким сопротивлением пластической деформации. В процессе работы инструмент из быстрорежущей стали должен сохранять заданный размер и форму, выдерживать серьезные динамические нагрузки, сохранять режущую способность при высокой температуре.

Назначение быстрорежущих сталей и их свойства определяются особенностями легирующих элементов. В состав входят хром и вольфрам в различных процентных соотношениях, несколько изменяющих рабочие характеристики материала. Кроме классических хромовольфрамовых составов, используют сплавы с увеличением в составе углерода, ванадия, кобальта.

Быстрорежущие инструментальные стали делятся на 3 группы:

Сплавы с нормальной теплостойкостью – вольфрамовые и вольфрамомолибденовые соединения (P9, P12, P18, P6M3, P6M5, P8M3), которые используют для изготовления режущего инструментария с целью обработки конструкционных, цветных и черных металлов, пластмассы. К этой же группе относятся составы, легированные азотом для повышения режущих характеристик металла.
Марки с повышенной теплостойкостью – составы с увеличенным содержанием углерода, ванадия и кобальта (10Р6М5, Р2МЗФ8, Р9К10 и др.), предназначенные для обработки закаленных, жаропрочных, нержавеющих и конструкционных металлов.
Высоколегированные сплавы с высокой теплостойкостью – характеризуются высоким содержанием легирующих добавок и низким содержанием углерода (В14М7К25, В11М7К23). Они предназначены для резки титановых сплавов и труднообрабатываемых изделий.

Основные характеристики

Горячая твердость
В обычном состоянии материал по твердости уступает углеродистым металлам. Но в процессе нагрева твердость обычных углеродистых соединений падает до недопустимых пределов. Твердость быстрорежущей стали сохраняется даже при температуре 600°C.
Красностойкость
Этот параметр характеризует максимальное время, в течение которого инструмент может выдерживать высокую температуру без потери своих эксплуатационных свойств. Быстрорежущее оборудование в этом плане не имеет аналогов.
Сопротивление разрушению
Прочные сплавы обладают отличными механическими характеристиками, препятствующими их разрушению. Это гарантирует возможность использования оборудования в интенсивном режиме эксплуатации.

Изготовление быстрорежущих сталей

При производстве используются следующие технологии:

Классический способ разливки и формовки металла с последующей проковкой. Эта технология дает возможность предварительного отжига и закалки материала, а также предотвращает образование хрупкости и улучшает качественные характеристики инструмента.
Порошковый метод, в процессе которого расплавленный состав распыляется с помощью азота.

Для улучшения качества полученных изделий, после изготовления их поверхность подвергают дополнительной обработке азотом, цинком, серосодержащими сульфидами.

Где применяются быстрорежущие стали?

Область применения износостойкого металла зависит от состава, определяющего его рабочие свойства. В основном – это инструмент, к которому предъявляются высокие требования прочности, термостойкости, длительного срока службы.

Производство сверл, резцов, фрез, метчиков;
Изготовление режущих кромок для инструмента, которые в ряде случаев могут быть съемными;
Детали для металлообрабатывающих станков и оборудования;
Изготовление инструментов, с помощью которых осуществляется чистовая отделка труднообрабатываемых металлических изделий.

По использованию данных марок металла специалисты дают следующие рекомендации:

Вольфрамомолибденовые составы подходят для инструментов, предназначенных для черновой обработки изделий, изготовления фрез, протяжек и шеверов.
Кобальтовые соединения используют для обработки жаропрочных и коррозионностойких изделий в сложных условиях.
Ванадиевые сплавы используются для чистовой обработки материалов.
Марка P9 применяется для создания элементов оборудования, не подвергающихся чрезмерной нагрузке.
Марка P18 подходит для инструментов сложной формы и фасонных изделий, с повышенными требованиями износостойкости.

Сортамент металлических изделий представлен квадратом, кругом, полосой, листовым прокатом. Чаще всего режущий инструмент изготавливаются из круга. Квадратный прокат применяется для производства электрорубанков, ножей, токарных резцов. Если есть сомнения в правильном выборе подходящего сплава, лучше обратиться к специалистам. В профильных компаниях смогут подобрать прокат высокого качества и нужных эксплуатационных характеристик.

Быстрорежущая сталь – сплав особого состава, выступающий сырьем для изготовления металлорежущих инструментов, работающих на высоких скоростях. К базовым характеристикам данной стали относятся сопротивление разрушению, красностойкость, высокая степень твердости.

Металл данного вида изготавливается методом прокатки и проковки, а также разливкой в слитки. В порошковой металлургии для получения данного проката используют метод распыления жидкого металла азотом.

Область использования

Из быстрорежущей стали производится особый инструмент – небольшие фрезы, метчики, сверла. Данный тип стали используется для выпуска простых инструментов, с помощью которых обрабатываются конструкционные материалы. Сферу применения быстрорежущих сталей дополняют сплавы с добавками. Наличие в составе вольфрама позволяет использовать сплав для нарезания резьбы или зубьев в инструментах. Кобальт в роли добавки позволяет обрабатывать сплавы, устойчивые к коррозии и высокой температуре. При добавлении ванадия сплав используют для изготовления инструментов, применяемых для чистовой обработки материалов.

Износостойкость и теплостойкость являются основными свойствами, которыми должны обладать материалы, используемые в производстве режущего инструмента. Во многих случаях к таким сталям предъявляют дополнительные требования. Это – коррозионная стойкость, способность сохранять неизменными размерные параметры и форму инструмента при высокой скорости резания, устойчивость к динамическим нагрузкам. Быстрорежущие инструментальные стали имеют теплостойкость (способность сохранять рабочие характеристики при длительном нагреве) – 600-6400С. Эти сплавы применяют для изготовления резцов, свёрл, долбяков, фрез, метчиков, протяжек, зенкеров, пил.

Маркировка быстрорежущей стали содержит букву Р, стоящая после неё цифра указывает на количество в процентах главного легирующего элемента – вольфрама. Буквой М обозначают количество молибдена, К – кобальта, Ф – ванадия. Согласно ГОСТ, быстрорежущие стали в своей маркировке не содержат указания на количество хрома (оно обычно равно 4%), ванадия – при его содержании менее 2%, молибдена – если его менее 1%.

Свойства быстрорежущих сталей определяются двумя основными компонентами – карбидами тугоплавких металлов и окружающей их стальной основой.

Карбиды вольфрама, ванадия, молибдена служат для обеспечения износостойкости инструмента, а стальная основа – для придания прочности, благодаря чему инструмент хорошо выдерживает ударные нагрузки.

Читайте также: