Особенности термической обработки быстрорежущих сталей

Обновлено: 22.01.2025

Окончательная термическая обработка сталей широкого назначения заключается в закалке и низком отпуске. Все стали в закаленном и отпущенном состоянии обладают низкой вязкостью. Поэтому при их упрочнении должны предприниматься все меры для сохранения того значения вязкости, которую можно получить у стали при идеальных условиях упрочнения.

1. При нагреве необходимо строго выдерживать температурный режим. Завышение температуры ведет к росту зерна и потере вязкости.

2. Если в процессе эксплуатации инструмент выходит из строя не по причине износа, а в результате поломки, следует повысить температуру отпуска или увеличить длительность отпуска. Всегда полезно увеличение длительности отпуск, так как релаксация внутренних напряжений, полученных в процессе закалки, протекает медленнее, чем распад мартенсита при температурах ниже ~ 200 о С.

3. Исходная структура сталей перед закалкой должна представлять зернистый перлит с избыточными глобулярными карбидами. Не допускается наличие карбидной сетки по границам бывших зерен аустенита. Отступление от этого правила может вызвать повышенное коробление заготовки или ее разрушение при охлаждении.

4. По возможности следует применять ступенчатую закалку в расплавах солей или закалку в двух средах (вода – масло, масло – воздух). Такое охлаждение даёт меньшую вероятность разрушения и коробления заготовок.

5. При невозможности избавится от коробления необходимо изменять технологию закалки или заменить сталь на другую с большей прокаливаемостью, а не внедрять правку изделий в упрочненном состоянии.

6. Инструментальные стали склонны к обезуглероживанию. Поэтому заготовки с малым припуском необходимо защищать от обезуглероживания посредством применения защитных атмосфер или нагревать в расплавах солей.

Быстрорежущие стали.2.18.2

Быстрорежущими сталями называют стали, предназначенные для изготовления режущего инструмента, работающего при больших скоростях резания и обладающие высокой производительностью по отделению стружки. Появление быстрорежущих сталей в начале прошлого века позволило повысить скорости резания до 40 – 50 м/мин и увеличить производительность механической обработки с 5 – 6 до 300 кг/час.

Производительность процесса резания определяется скоростью резания и площадью сечения снимаемой стружки. Так как скорости резания приводит к интенсификации тепловыделения и, как следствие, к разогреву режущего инструмента, то материал, из которого изготовлен инструмент, должен обладать высокой теплостойкостью, которая позволяет сохранить форму режущей кромки. Так как инструментальные стали общего назначения имеют эту характеристику порядка 200 – 250 °С, то с их применением нельзя добиться высокой производительности резания, так как режущий клин инструмента разупрочняется в результате процессов отпуска и происходит смятие режущей кромки.

Если рассмотреть схему резания (рис. 109), то можно понять, какими свойствами должны обладать стали, предназначенные для изготовления режущих инструментов: резцов, фрез, сверл, разверток, зенкеров, плашек, метчиков и т.д.

Рис. 109. Схема отделения стружки при точении: 1 – заготовка; 2 – стружка; 3 – лунка на резце; 4 – резец; 5 – передняя грань; 6 – задняя грань

При точении обрабатываемая заготовка 1 (рис.109) за счет трения изнашивает заднюю грань 6 резца 4. Отделяемая стружка 2 скользит по передней грани 5 и вырабатывает в ней лунку 3. Когда сечение режущей кромки становится тонким за счет образования лунки, она скалывается под действием силы резания.

Процесс отделения стружки может происходить двумя способами. Если заготовка обладает низкой вязкостью, то при внедрении в нее резца образуется хрупкая трещина, которая движется в заготовке впереди режущей кромки и, разворачиваясь перпендикулярно передней грани, дробит стружку на фрагменты. При резании вязкого материала резец внедряется в заготовку и срезает стружку за счет пластической деформации, а не хрупкого разрушения. В этом случае стружка не фрагментируется и, при одинаковой прочности материала, возрастает работа резания. Часто приходится вводить операцию термической обработки заготовок перед механической обработкой с целью улучшения обрабатываемости материала и увеличения срока службы режущего инструмента.

Таким образом стойкость (долговечность) режущего инструмента определяется тремя основными факторами: теплостойкостью (для режущего инструмента – красностойкостью), твердостью и износостойкостью.

Еще одной важной характеристикой быстрорежущих сталей является прочность. Резцы и другие инструменты работают в условиях нагруженной консоли. Режущая кромка испытывает изгиб и смятие. Поэтому вероятность её скола очень велика. Повышение прочности материала режущего клина снижает вероятность разрушения.

Чтобы получить быстрорежущую сталь с высокой стойкостью, необходимо изготавливать инструмент из сталей, которые не снижают свою твердость ниже 60 HRC при нагреве до рабочих температур (~ 600 о С ). Температуру, при которой сталь приобретает твердость 60 HRC назвали красностойкостью стали. Углеродистая сталь в закаленном состоянии имеет красностойкость ~ 220 о С. Быстрорежущие стали – выше 600 о С. Повышение красностойкости на 10 градусов почти вдвое увеличивает срок службы режущего инструмента.

Красностойкость стали определяется, прежде всего, свойствами мартенсита, то есть его склонностью к распаду при нагреве. Она повышается при легировании стали тугоплавкими элементами: W, Mo, V, Nb, Ta. Причем, чтобы получить красностойкость на уровне 600 о С, необходимо чтобы в мартенсите концентрация вольфрама была не менее 4%. Ранее было показано, что часть вольфрама можно заменить молибденом.

Износостойкость стали повышается при увеличении в ней доли специальных карбидов на основе тугоплавких элементов: V, W или Mo. Причем, она возрастает тем больше, чем больше объемная доля простых карбидов типа МеС или Ме₂С, а не ме₆С.

Прочность стали возрастает с измельчением карбидной фазы. Особенностью строения быстрорежущих сталей является то, что они в действительности являются не сталями в классическом понимании, а чугунами. В них, как и во всех заэвтектических материалах около 50 % карбидов выделяются в виде дендритов из жидкой фазы при затвердевании. Дробление этих карбидов протекает механическим путем в процессе горячей прокатки или ковки слитка. Поэтому размеры карбидных включений в основном зависит от степени обжатия. инструмент, изготовленный из проката большого диаметра будет иметь прочность ниже, чем инструмент изготовленный из того же проката, но подвергнутый дополнительно объемной горячей ковке.

В металлургическом цикле производства быстрорежущих сталей в настоящее время уделяется много внимания получению карбидов размером 1 – 2 мкм равномерно распределенных в структуре заготовки. Это достигается при использовании технологии порошковой металлургии посредством распыления жидкого расплава нейтральным газом на частицы размером менее 1 мм и последующим их прессованием и спеканием в заготовки с малыми припусками на механическую обработку.

Все быстрорежущие стали относятся к ледебуритному (карбидному) классу, так как в своем составе содержат 16…25 % (объемных) карбидной фазы.

В ГОСТ 19265–82 вошли следующие быстрорежущие стали:

1. Вольфрамовые – Р18, Р9, Р12.

2. Вольфраммолибденовые – Р6М3, Р6М5.

3. Вольфрамванадиевые – Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5.

4. Стали с кобальтом – Р18К5Ф2, Р10К5Ф5, Р9К10, Р9М4К8.

5. Порошковая сталь – 10Р6М5–МП.

Ниже в таб. 26 указан средний химический состав и свойства наиболее часто употребляемых сталей в России США.

Стали первой группы используются для изготовления инструмента, работающего по цветным металлам и сталям в отожженном и нормализованном состоянии. Наибольшее распространение получила сталь марки Р6М5. Стали Р9 и Р12 используют для изготовления резцов, метчиков, плашек и др. инструмента, работающего по цветным металлам или по стали при низкой интенсивности обработки. Сталь Р18 универсальна. С помощью изменения режимов термической обработки можно повышать её красностойкость с некоторой потерей вязкости или повышать вязкость при снижении красностойкости.

Вторая группа является заменителем первой. Эти стали дешевле, но несколько уступают по свойствам сталям первой группы. Они требуют строгого соблюдения температурного режима при термической обработке. В России наибольшее распространение получила сталь Р6М5. её выпуск составляет ~70 % от выплавки всех быстрорежущих сталей.

Ванадиевые стали третьей группы применяются для черновой обработки заготовок. Повышенное содержание ванадия приводит к огрублению карбидной фазы, что ведет к ухудшению их шлифуемости и прирабатываемости. Поэтому обработанная поверхность обладает повышенной шероховатостью.

Термическая обработка быстрорежущей стали

Углерод в быстрорежущей стали, как и во всякой другой стали, является важным элементом, под влиянием которого сталь приобретает способность закаливаться на высокую твердость.

Χρом в количестве около 4% настолько сильно понижает критическую скорость закалки, что сталь становится «самозакаливающейся», т. е. закаливается на воздухе. При содержании хрома выше нормы резко увеличивается количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали.

Вольфрам в быстрорежущей стали — основной легирующий элемент. Благодаря высокому содержанию Wи его карбидов закаленная сталь не теряет режущей способности при 560 - 600° С. Вольфрам придает красностойкость быстрорежущей стали.

Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и создает прочные карбиды, которые затрудняют рост зерна при нагреве под закалку и уменьшают склонность стали к перегреву. Под влиянием ванадия увеличивается красностойкость быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при отпуске. Высокопрочные карбиды ванадия, равномерно распределенные в структуре быстрорежущей стали, повышают сопротивление инструмента истираемости и улучшают режущие свойства стали.

Термическая обработка быстрорежущей стали имеет особенности, обусловленные ее химическим составом. Для более полного растворения карбидов в аустените и получения красностойкого мартенсита нагрев при закалке производят до высокой температуры (1260— 1280° С).

Оптимальная температура нагрева под закалку быстрорежущей стали Ρ18 для тонких деталей (5—8 мм)1260° С, для деталей толщиной более 10—15 мм 1280° С, а для инструментов простой формы, например резцов, 1300° С. Для стали Р9 температура нагрева под закалку составляет 1230—1250° С.

Быстрорежущая сталь обладает малой теплопроводностью и склонна к образованию трещин, изделия из нее нагревают до 820—850° С медленно, чтобы не вызвать тепловых напряжений, а затем быстро до 1260—1280° С. Окончательный нагрев лучше всего производить в соляных ваннах, так как при этом можно избежать обезуглероживания стали.

Выдержка при температуре закалки зависит от сечения инструмента и измеряется долями минуты. Охлаждение быстрорежущей стали производится в масле.

Быстрорежущая сталь после закалки обязательно должна подвергаться отпуску при температурах 580° С для стали Ρ18 и 560° С для стали Р9.

В структуре закаленной быстрорежущей стали содержится от 30 до 40% остаточного аустенита; твердость такой стали значительно ниже, чем при однородной мартенситной структуре. Поэтому для наиболее полного превращения остаточного аустенита в мартенсит применяют многократный отпуск с выдержкой по 1 часу (I, II , III. и т. д., рис. 1). Во время выдержки при отпуске из аустенита выделяются карбиды, а при охлаждении аустенит превращается в мартенсит. В результате твердость и износостойкость стали повышаются. Структура быстрорежущей стали после отпуска — мартенсит отпуска, высокодисперсные карбиды и небольшое количество остаточного аустенита.

Источник:
Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Термическая обработка стали

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

вторичная кристаллизация сплава;
переход гамма железа в состояние альфа железа;
переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

В готовых изделиях:
1. прочности;
2. износостойкости;
3. коррозионностойкость;
4. термостойкости.

В заготовках:

снятие внутренних напряжений после

литья;
штамповки (горячей, холодной);
глубокой вытяжки;

Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:

Углеродистым и легированным.
С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
Конструкционным, специальным, инструментальным.
Любого качества.

Классификация и виды термообработки

Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:

время нагревания (скорость);
температура нагревания;
длительность выдерживания при заданной температуре;
время охлаждения (интенсивность).

Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.

Виды термической обработки стали:

Отжиг

I – рода:

гомогенизация;
рекристаллизация;
изотермический;
снятие внутренних и остаточных напряжений;

полный;
неполный;

Закалка;
Отпуск:
1. низкий;
2. средний;
3. высокий.

Нормализация.

Температура нагрева стали при термообработке

Отпуск

Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.

1. Отпуск низкий

Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:

Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
выдерживание — полтора часа;
остывание – воздух, масло.

2. Средний отпуск

Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:

нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
охлаждение – воздух.

3. Высокий отпуск

При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.

Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.

Отжиг

Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:

нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
выдержка с постоянным поддержанием температуры;
медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).

1. Гомогенизация

Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:

2. Рекристаллизация

Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:

нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
выдерживание — ½ — 2 часа;
остывание – медленное.

3. Изотермический отжиг

Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:

нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
выдерживание;

остывание:

быстрое – не ниже 630°С;
медленное – при положительных температурах.

4. Отжиг для устранения напряжений

Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:

нагревание до температуры – 727°С;
выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
остывание — медленное.

5. Отжиг полный

Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.

Полный отжиг стали

температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
выдержка;

охлаждение до 500°С:

сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.

6. Неполный отжиг

При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.

нагревание до температуры – выше точки или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
выдерживание – порядка 20 часов;
охлаждение — медленное.

Закалка

Закалку сталей применяют для:

Повышения:
1. твердости;
2. прочности;
3. износоустойчивости;
4. предела упругости;

Снижения:
1. пластичности;
2. модуля сдвига;
3. предела на сжатие.

Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.

Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.

Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).

Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:

вода;
соляные растворы на основе воды;
техническое масло;
инертные газы.

Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.

Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.

Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.

Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.

Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.

Нормализация

Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:

сопротивление излому;
производительность обработки;
прочность;
вязкость.

Процесс нормализации стали

происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
выдерживание в данном температурном коридоре;
охлаждение – на открытом воздухе.

Преимущества термообработки

Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.

Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.

В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.

Быстрорежущие стали

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

Рассматривая обозначение быстрорежущей стали следует уделить внимание тому, что первая буква для обозначения этой группы «Р». Цифра, которая идет первой в обозначении указывает процесс вольфрама в составе. Далее могут идти буквы, обозначающие легирующие элементы. Стоит учитывать, что расшифровка металла указывает на точное содержание определенных легирующих элементов, которые изменяют эксплуатационные качества материала.

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.

Термическая обработка

В литом или отожженном состоянии быстрорежущие стали имеют удовлетворительную обрабатываемостью. Их можно ковать в горячем состоянии, строгать, резать и т. д. высокие режущие свойства сталь приобретает только после правильно выполненной термической обработки. Нарушение режима термической обработки может резко снизить красностойкость и другие эксплуатационные свойства, что приведет к сокращению ресурса работы режущего инструмента в несколько раз.

После горячей ковки или прокатки и охлаждения на воздухе сталь приобретает высокую твердость (более 60 HRC) и структуру мартенсита. Но после такой обработки красностойкость быстрорежущей стали будет почти такой же, как у стали У10. После горячей обработки быстрорежущую сталь необходимо обязательно отжечь. Отжиг предупреждает образование нафталинистого излома, вызывающего хрупкость, после правильного термического упрочнения быстрорежущей стали.

Для быстрорежущих сталей применяют неполный изотермический отжиг, как показано на рис. 110.

Нагрев при закалке осуществляют в два или три этапа. Для массивного или сложного по форме инструмента делают 2 подогрева в печах или соляных ваннах: первый до 600…650 о С и второй – 800…840 о С. мелкий инструмент нагревают с одним подогревом до 820 о С. Подогревы предупреждают коробление и разрушение инструмента в процессе нагрева, так как быстрорежущие стали обладают низкой теплопроводностью ввиду большой доли в их структуре карбидной фазы.

Окончательный нагрев чаще всего производится в ваннах с расплавом BaCl₂. Нагревы в расплавах солей не приводят к окислению и обезуглероживанию поверхности детали. Температура ванны определяется маркой стали. В процессе окончательного нагрева аустенит должен насытиться легирующими элементами, которые обеспечивают красностойкость: W, Mo, V.

Рис. 111. Содержание карбидов в стали Р6М5 в зависимости от температуры закалки

На рис. 111 представлены закономерности растворения карбидов от температуры. Видно, что Ме₂₃С₆, в котором находится почти весь хром, начинает растворяться при 950 о С и он полностью переходит в твердый раствор при температурах около 1080 о С. карбид (W, Mo, Cr)₆С, где находятся легирующие элементы, обеспечивающие красностойкость, начинает растворяться при температурах ~ 950 о С и заканчивается его растворение при плавлении стали.

Чтобы насытить аустенит тугоплавкими элементами до 6…8 %, требуется нагреть сталь выше 1250 о С. Оптимальная температура для каждой марки стали определена экспериментально и дается в справочной литературе.

Карбиды ванадия начинают растворяться только при температурах выше 1250 о С. ванадий мало переходит в твердый раствор, он в большей своей части остается в стали в виде карбидных включений.

Если температура ванны будет ниже оптимальной, то в аустените окажется дефицит легирующих элементов, которые создают красностойкость мартенсита. Перегревы ведут к росту зерна и могут быть причиной оплавления детали. В этом случае инструмент будет иметь высокую хрупкость.

Важное значение имеет время пребывания детали в ванне окончательного нагрева. Его вычисляют по формуле: » (9…11) ´ S, секунд, где S – меньшая сторона сечения или диаметр детали, мм. Увеличение времени пребывания детали при высокой температуре приводит к растворению большей части карбидов и последующему росту аустенитного зерна.


Рис. 112. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали Р6М5	Рис. 113. Свойства сталей Р9 и Р18 после закалки

Важную роль также играет режим охлаждения при закалке. На рис. 112 представлена диаграмма изотермического распада аустенита стали Р6М5. Видно, что в области переохлажденного аустенита существует превращение распада аустенита с выделением карбидной фазы (область А К), в результате которого аустенит обедняется тугоплавкими элементами: вольфрамом и молибденом. Эта область определяет критическую скорость охлаждения. Если кривая охлаждения будет пересекать область А К, то есть скорость охлаждения будет ниже критической, то сталь частично потеряет красностойкость. Поэтому рекомендуется при закалке охлаждать детали ускоренно в масле или расплавах солей, а не на воздухе.

Охлаждают деталь в подогретом до 60…80 о С масле после подстуживания на воздухе до ~ 900 о С или в соляной ванне с расплавом при 500…560 о С (ступенчатая закалка) с последующим охлаждением на спокойном воздухе до комнатной температуры.

После правильного выполнения закалки инструмент должен иметь твердость 59…62 HRC. Твердость ниже этого значения указывает на то, что температура окончательного нагрева была завышена; при высоком значении твердости – занижена.

Закаленная сталь должна содержать в структуре 25…30 % остаточного аустенита. Заниженное значение указывает на недогрев, а завышенное – на перегрев.

Закаленная сталь, имея высокую твердость, еще не обладает достаточной красностойкостью. Красностойкость формируется режимом отпуска.

Изменение свойств сталей Р9 и Р18 от режимов закалки представлены на рис. 113. Видно, что при комнатных температурах в закаленных сталях содержится большое количество остаточного аустенита, который снижает эксплуатационные свойства.

После закалки необходим трехкратный отпуск. Он снижает содержание остаточного аустенита (за счет чего твердость возрастает на 2…4 единицы) и создает красностойкость стали (инструмент может работать, нагреваясь до температуры отпуска без потери твердости).

Сталь Р18 имеет более широкий диапазон закалочных температур: 1250…1290 о С. Это свойство стали позволяет в небольших пределах, меняя режим закалки, создавать инструменту необходимый комплекс свойств. Так, например, сверла малого диаметра (до 3 мм) чаще всего выходят из строя по причине поломки (недостатка вязкости). Их следует калить от температуры 1240…1250 о С. при таком режиме закалки вязкость будет больше.

Сверла большого диаметра выходят из строя из за недостатка красностойкости (смятия режущей кромки). Их надо калить от температуры 1280…1290 о С, повышая при этом содержание вольфрама в мартенсите, а вместе с ним и красностойкость.

Так как быстрорежущие стали обладают высокой прокаливаемостью, то после нагрева до температур ~ 1000 °С и охлаждения на воздухе, например, после ковки или сварки, она приобретает мартенситную структуру и высокую твердость (³ 60 HRC). Однако после такой обработки режущий инструмент будет иметь низкую красностойкость. Поэтому он должен быть подвергнут полной термической обработке по рекомендуемым режимам для данной марки стали. Но между операциями горячего формообразования и закалкой необходимо отжечь заготовки. Двойная закалка без промежуточного отпуска приведёт к образованию неисправимого брака стали – формированию структуры нафталинистого излома. Сталь со структурой нафталинистого излома имеет высокую, не отличающуюся от упрочнения по рекомендуемым режимам, красностойкость, но обладает практически полным отсутствием вязкости, что приводит к разрушению инструмента при незначительных ударных нагрузках.

Главная особенность термической обработки быстрорежущей стали состоит в том, что такая сталь упрочняется, приобретая высокие значения твердости и теплостойкости, не после закалки, как это характерно для большинства сталей, а в процессе отпуска при 550–570 ºС, в результате дисперсионного твердения. дисперсионное твердение – это упрочнение стали в результате выделения из ее железной основы, пересыщенной атомами углерода и легирующих компонентов, большого количества (~10 17 1/см 3 ) очень мелких (~ 10 -8 м ) дисперсных частиц карбидов вольфрама, молибдена, ванадия и хрома. Эти частицы препятствуют распространению пластической деформации, сохраняя тем самым высокую твердость режущих поверхностей инструмента в процессе работы.

При нагреве выше 550–570 ºС дисперсные карбиды укрупняются, а их число уменьшается в силу законов термодинамики, по которым система часто стремится приобрести минимальную суммарную поверхность. Этот процесс вызывает разупрочнение инструмента, его пластическое деформирование, то есть потерю теплостойкости.

Пауза между закалкой и отпуском не должна превышать 2-х часов, так как при большей длительности паузы при комнатной температуре стабилизируется остаточный аустенит, который затем в результате многократного отпуска не превращается полностью в мартенсит.

Существует другой режим термической обработки быстрорежущих сталей, включающий обработку холодом. Критическая точка конца мартенситного превращения быстрорежущих сталей находится ~ -100 ºС. После закалки инструмент охлаждают до -100 °С в холодильных установках. При этом остаточный аустенит почти полностью превращается в мартенсит. После такой обработки требуется лишь однократный отпуск, который формирует красностойкость стали и снижает внутренние напряжения.

Все эти положения, известные сравнительно давно, были развиты и дополнены за последние годы в работах сотрудников МГТУ Станкин. Оказалось, что теплостойкость сталей зависит не только от количества дисперсионных фаз, но и от их химического состава и строения. В порядке увеличения сопротивляемости коагуляции эти фазы располагаются в следующем порядке: карбиды на основе Сr и Fе – М₂₃C₆ (М – атомы металла); на основе V – МС; на основе W, Мо – М₂C интерметаллиды – соединения на основе Fе, Со, W, Мо, не содержащие углерод – (Fе, Со)₇(W, Мо)₆. Так как в процессе коагуляции при нагреве до температур выше 550–570 °С дисперсные и метастабильные карбиды М₂₃C₆ и МС, приближаясь к термодинамическому равновесному состоянию, не изменяют ни своего состава, ни строения, а наиболее теплостойкие карбиды М₇C превращаются в стабильные карбиды М₂C на основе Fе, W и Мо, то выбор состава быстрорежущей стали с наибольшей теплостойкостью при наименьшей затрате легирующих компонентов оказалось возможным осуществлять по известным диаграммам равновесного состояния сплавов Fe–W–Mo–C. Это позволило впервые заменить эмпирический поиск оптимального состава теплостойких инструментальных сталей их выбором на основе диаграмм состояния.

Второе положение современной теории легирования теплостойких инструментальных сталей связано с тем, что во время работы в режущем клине инструмента развиваются процессы динамической рекристаллизации, которая, как известно, приводит к разупрочнению стали. Оказалось, что температура рекристаллизации тем выше, чем выше температура фазового превращения стали (критические точки a«g перехода). В этой связи была осознана одна из положительных ролей не образующего карбиды кобальта: его введение повышает температуры точек a«g перехода и сдвигает начало динамической рекристаллизации стали в режущем клине в область повышенных температур, то есть увеличенных скоростей резания.

Третье положение состоит в том, что в молибденовых быстрорежущих сталях карбиды молибдена растворяются в аустените при более низких температурах закалки, чем карбиды вольфрама. Кроме того, нерастворимый карбид (Мо, W)₂С при горячем пластическом деформировании слитков распадается с выделением мельчайших карбидов ванадия: (Мо,V)₂СÞFe₄Mo₂C + VС. Эту реакцию сильно стимулирует введение в сталь кремния. Понижение температуры закалки и присутствие в структуре мелких устойчивых карбидов VС обеспечивают получение мелкозернистой структуры железной основы стали.

Установленные факты позволяют выбирать составы молибденовых быстрорежущих сталей без нерастворимых молибденовых карбидов или же с наименьшим их количеством. Поэтому возможно заметно уменьшить содержание молибдена в стали, избегая при этом получения крупнозернистой структуры и понижения прочности и ударной вязкости инструмента. В результате почти весь молибден сталей 11М5ФС и 11М7ФС растворяется в аустените и полностью используется для упрочнения инструментов при отпуске.

При этом молибдена в аустените новых сталей оказывается выше, чем концентрация вольфрама и молибдена (в % ат.) стандартных сталей. В результате теплостойкость и прочность новых сталей выше теплостойкости и прочности стандартных сталей (табл. 25 и 26) при более низкой концентрации компонентов.

Вместе с тем, содержание ванадия в стали должно быть ограничено I,5–2%, так как в противном случае ухудшается шлифуемость инструментов: твердость карбида VС больше твердости оксида алюминия Аl₂O₃, зерна которого являются режущими элементами традиционных шлифовальных кругов.

На базе отмеченных положений в МГТУ Станкин созданы новые быстрорежущие стали на основе молибдена: обычной теплостойкости 11М5ФС и повышенной теплостойкости 11М7ФС и 11М7ФЮС. В их структуре практически отсутствуют (11М5ФС) или присутствуют в небольшом количестве нерастворимые карбиды на основе молибдена. Примерный состав и свойства этих сталей приведены в табл. 27.

Читайте также: