Быстрорежущие инструментальные стали для изготовления высокопрочного инструмента

1 Быстрорежущие инструментальные стали – главные характеристики

Под быстрорежущими сталями понимают легированные стали, которые производятся в большинстве случаев исключительно для выпуска инструмента для резки металлов, который может функционировать на высоких скоростях. Основное их отличие от углеродистых инструментальных сталей заключается именно в том, что они способны обеспечивать резание твердых изделий в высокоскоростном режиме.

Сталь быстрорежущая инструментальная обладает следующими основными характеристиками:

• Горячая твердость. При работе инструмент для резки выделяет тепло, причем весьма интенсивно. Часть этой тепловой энергии (иногда до 80 процентов) идет на его разогрев, что вызывает отпуск материала и существенное уменьшение его твердости. Из-за этого явления инструмент, сделанный из обычных углеродистых сталей, теряет свою твердость. Быстрорежущая же сталь сохраняет твердость при температурах до 600 °C, что обуславливает большую производительность изделий из нее. Заметим – при нормальных температурах резки (не более 200 °C) твердость быстрорежущей стали является даже ниже обычной углеродистой.
• Красностойкость. Величина, определяющая временной промежуток, в течение которого инструмент способен выдерживать без потери своих рабочих свойств высокую температуру. Все марки быстрорежущих сталей имеют высокий показатель красностойкости. По этому показателю им на данный момент нет равных.
• Сопротивление разрушению. Высокие механические характеристики не менее важны для производительности режущего инструмента. Быстрорежущие стали описываются высокой прочностью, гарантирующей возможность изготовления инструмента с большой глубиной и подачей резания.

2 Быстрорежущая сталь – маркировка

Сталь для производства быстрорежущего инструмента была изобретена в Британии. По-английски ее название звучит как "rapid steel" (рапид в переводе означает скорость). По этой причине быстрорежущие стали имеют такие марки, которые начинаются с заглавной литеры Р. После нее числом указывается (в процентах), сколько содержится вольфрама в сплаве. Далее идут буквы Ф, М и К с числами, определяющими, соответственно, процент ванадия, молибдена и кобальта.

В зависимости от содержания тех или иных химических элементов в сплаве можно поделить на три группы все быстрорежущие стали, маркировка четко показывает, к какому виду относится конкретная сталь. Она может быть с содержанием:

• кобальта до 10 % и вольфрама до 22 % (стали Р6М5Ф2К8, Р10М4Ф3К10 и другие);
• кобальта не более 5 % и вольфрама до 18 % (Р9К5, Р10Ф5К5, Р18Ф2К5);
• без кобальта с вольфрамом не более 16 % (Р65М, Р12, Р18, Р9).

Режущие возможности быстрорежущих сплавов зависят, прежде всего, от содержания в них вольфрама. Стоит знать, что при высоком содержании этого элемента, а также кобальта и ванадия отмечается карбидная неоднородность стали, способная привести к тому, что режущие кромки инструмента при эксплуатации будут раскрашиваться. Содержащие же молибден составы практически по всей длине пореза имеют стабильные показатели твердости.

Для производства высокоточных инструментов с повышенными требованиями к их технологическим возможностям обычно применяется сталь Р18. Она характеризуется отличной износостойкостью за счет мелкозернистой структуры. Закалка стали Р18 проходит без явления перегревания, что может наблюдаться при закаливании иных марок быстрорежущих сплавов. Но себестоимость ее выпуска достаточно высока, поэтому зачастую ее заменяют сталью Р9.

Р9 примерно аналогична по режущим свойствам Р18. Причем в отожженном состоянии она очень легко поддается деформации (пластической). Недостатком Р18 можно считать то, что шлифование металла с таким составом затрудняется, а значит, сталь нельзя применять для высокоточного инструмента. А вот Р12 характеризуется хорошей прочностью, пластичностью в горячем состоянии и вязкостью. По основным параметрам она также похожа на Р18.

3 Производство быстрорежущих сталей и их обработка

Сейчас применяются две технологии изготовления быстрорежущей стали:

• распыление азотом струи жидкого металла (порошковая методика);
• разливка в слитки, прокатка и дальнейшая проковка (классический метод).

Чаще используется классическая методика, которая предполагает учет ряда особенностей обработки сталей, относимых к группе быстрорежущих. Во-первых, необходимо избежать карбидной ликвации в готовом сплаве, вызываемой недостаточной проковкой металла. Во-вторых, закалка быстрорежущей стали в обязательном порядке предваряется отжигом. Если не придерживаться данного требования, готовые изделия будут хрупкими из-за так называемого "нафталинового излома".

Непосредственно закалка осуществляется при температурах, которые не становятся причиной роста зерна в α-железе, и при этом гарантируют наибольшую растворимость в нем легирующих добавок. Закаленная сталь имеет в своей структуре до 30 процентов аустенита, который понижает показатели теплопроводности материала и твердости инструмента. "Убрать" лишний аустенит можно двумя способами:

• многократным отпуском: несколько подряд идущих процедур нагрева, выдержки и охлаждения;
• холодом: перед отпуском металл охлаждается до – 80 °C.

Указанные процедуры не дают возможности полностью удалить аустенит из стали, но обеспечивают значительное уменьшение его количества.

4 Поверхностная обработка изделий из быстрорежущих сталей

Она необходима для дополнительного увеличения износостойкости, твердости и коррозионной стойкости инструментов для резания. Сейчас существует несколько видов их поверхностной обработки:

• Азотирование. Бывает газовым (смесь 80 % азота и 20 аммиака) и аммиачным (осуществляется в атмосфере аммиака в течение 10–40 минут) при температуре около 660 °С (минимум 550). Меньшая хрупкость поверхностного слоя достигается при использовании первой методики азотирования.
• Цианирование. Может быть газовым (комбинация науглероживающего газа и аммиака) – длится от 1,5 до 3 часов, жидким (расплавы KOH, Na2CO3 либо NaCN) – от 5 до 30 минут при температуре около 560 °С.
• Сульфидирование. Применяются жидкие расплавы (K4Fe(CN)6 – 3–4 %, BaCl2 – около 25 %, NaCl – до 17 %) с внесением дополнительно соединений серы (KCNS, FeS). Длительность процедуры – 45–180 минут, температура – от 450 до 560 градусов по Цельсию.

Также нередко инструменты из быстрорежущей стали обрабатывают паром в специальных печах (они являются полностью герметичными). Сначала сеанс продолжается около 25 минут, при этом изделия подвергаются воздействию давления от 1 до 3 Мпа при температуре 300–350 °С. На втором этапе инструмент выдерживают до одного часа, затем охлаждают до 300 градусов в атмосфере пара, прекращают его подачу, и охлаждают на открытом воздухе (реже – непосредственно в печи). Финалом такой процедуры является промывка инструмента в веретенной горячей жидкости (в масле).

Все описанные виды обработки допускается производить после шлифования, термической обработки и заточки инструмента.