1. СТАЛИ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Стали для режущего инструмента после закалки и низкого отпуска должны иметь высокую твердость в режущей кромке значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется, с повышенной скоростью.

Углеродистые стали небольшой прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью Углеродистые инструментальные стали вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т. д.) обычно применяют заэвтектоидные стали которых после термической обработки структура — мартенсит и карбиды. Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки, топоры изготовляют из сталей имеющих после термической обработки трооститную структуру.

Углеродистые стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зернистого перлита, низкую твердость (НВ 170-180) и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей должна быть т. е. несколько выше но ниже для того, чтобы в результате закалки стали получали мартенситную структуру и сохраняли мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий инструмент из сталей для уменьшения деформации охлаждают в горячих средах (ступенчатая закалка).

Отпуск проводят при 150-170 °С для сохранения высокой твердости

Сталь закаливают с нагревом выше точки и подвергают отпуску при 275-325 °С (48-58 HRC) или при 400-500 °С (44-48 HRC).

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью, так как их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190-200 °С.

Таблица 26 (см. скан) Химический состав (по легирующим элементам) и термическая обработка некоторых легированных инструментальных сталей (ГОСТ Б950-73)

Легированные стали повышенной прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью (ГОСТ 5950-73). Легированные инструментальные стали (табл. 26) подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания материалов невысокой прочности с небольшой скоростью (до Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают большой устойчивостью переохлажденного аустенита, а следовательно, большей прокаливаемостью. Инструменты из этих сталей можно охлаждать при закалке в масле и горячих средах (ступенчатая закалка), что уменьшает деформацию и коробление инструмента. Низколегированные стали рекомендованы для инструментов диаметром до 15 мм, закаливаемых в масле или горячих средах для уменьшения деформации по сравнению с получаемой вуглеродистых сталях, закаливаемых в воде. Ванадий тормозит рост зерна при нагреве под закалку.

Стали повышенной прокаливаемости (60—80 мм) и имеют большую теплостойкость хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Их применяют для инструмента большого сечения при закалке в масле или горячих средах (ручные сверла, развертки, плашки и гребенки). Однако сталь склонна к обезуглероживанию при нагреве, в отожженном состоянии имеет повышенную твердость что ухудшает ее обработку резанием и давлением.

Вольфрамовые стали после закалки в водных Растворах имеют очень высокую твердость (см. табл. 26) и

Таблица 27 (см. скан) Химический состав, %, наиболее распространенных быстрорежущих стилей

применяются для пил (по металлу), граверных инструментов и обработки твердых металлов.

Инструментальные стали изготовляют в металлургической промышленности в виде горяче- и холоднокатаных прутков с различной формой сечения, прутков с повышенной отделкой поверхности (шлифование) и точностью размеров (серебрянка), а также лент.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73). В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т. е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2—4 раза) и стойкость инструментов (в 10—30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими их теплостойкость, являются в первую очередь вольфрам и его химический аналог — молибден. Сильно повышает теплостойкость (до 645-650 °С) и твердость после термической обработки кобальт и в меньшей степени ванадий. Ванадий, образуя очень твердый карбид повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость.

Составы широко применяемых быстрорежущих сталей (ГОСТ 19265—73) умеренной теплостойкости приведены в табл. 27. Эти стали рекомендуются для всех видов инструмента при обработке углеродистых и легированных сталей. Наиболее часто применяют сталь Для обработки высокопрочных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов применяют стали, содержащие кобальт с повышенной красностойкостью Для чистовых инструментов при обработке вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными

Рис. 176. (см. скан) Микроструктура быстрорежущей стали, Х500: а — ледебурит в литой стали; б - деформированная и отожженная сталь; в — закаленная сталь; г - закаленная и отпущенная; д - строчечное расположение карбидов (карбидная ликвация)

свойствами, нашла применение сталь с высоким содержанием ванадия. Все стали обладают хорошим сопротивлением износу.

Применяют также сталь с повышенным содержанием углерода и азота при низком содержании вольфрама и молибдена для инструментов простой формы при обработке углеродистых и низколегированных сталей (красностойкость 620 °С).

Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Их фазовый состав в отожженном состоянии представляет собой легированный феррит и карбиды Основным карбидом быстрорежущей стали является в котором также растворен ванадий. В феррите растворена большая часть хрома; большая часть вольфрама (молибдена) и ванадия находится в карбидах. Количество карбидной фазы в стали достигает 25-30 %, а в стали

В структуре литой быстрорежущей стали присутствует сложная эвтектика, напоминающая ледебурит (рис. 176, а) и располагающаяся по границам зерен. В результате горячей механической обработки сетка эвтектики дробится. В сильно деформированной быстрорежущей стали карбиды распределены равномерно в основной матрице (рис. 176, б), представляющей после отжига сорбитообразный перлит. В структуре деформированной и отожженной быстрорежущей стали можно различить три вида карбидов: крупные обособленные первичные карбиды, более мелкие вторичные и очень мелкие эвтектоидные карбиды, входящие в основной сорбитный фон (рис. 176, б). При недостаточной деформации наблюдается карбидная ликвация, которая представляет собой участки неразрушенной эвтектики, вытянутые в направлении деформации (рис. 176, 3). При наличии карбидной ликвации уменьшается стойкость инструмента и возрастает хрупкость.

Для снижения твердости улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при (сталь — при Если отжиг проведен неудовлетворительно, при последующей закалке возможен брак стали вследствие образования нафталинового излома. Этот излом крупнозернистый, чешуйчатый, похожий на нафталин. Сталь с таким изломом обладает высокой хрупкостью.

Для придания стали теплостойкости инструменты подвергают закалке и многократному отпуску. Температуру закалки стали принимают равной 1270 °С и стали Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Это обеспечивает получение после закалки мартенсита, обладающего высокой теплостойкостью. Однако даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов. Для быстрорежущих сталей, содержащих много избыточных (эвтектических и вторичных) карбидов, характерно сохранение мелкого зерна (номер 11—10) даже при нагреве до указанных выше очень высоких температур (см. рис. 176, в). Во избежание образования трещин при нагреве до температуры закалки применяют подогрев инструмента при мин или при 1050-1100 °С 3-5 мин, а крупного инструмента, кроме того, еще при 550-600 °С 15- 20 мин.

Выдержка при температуре закалки должна обеспечить растворение в аустените части карбидов в пределах возможной их растворимости. Во избежание окисления, обезуглероживания и роста зерна выдержка должна быть непродолжительной для инструментов диаметром (толщиной) 10—50 мм она составляет 10—12 с на каждый миллиметр диаметра или наименьшей толщины инструмента при нагреве в расплавленной соли (чаще ) и 12—14 с при нагреве в печи. Для получения более высокой твердости стали и теплостойкости при 620 °С) выдержку при нагреве под закалку увеличивают на 25 %.

Высоколегированный аустенит, полученный при нагреве под закалку, обладает большой устойчивостью, поэтому охлаждающей средой при закалке чаще является масло. Для уменьшения деформации инструментов применяют ступенчатую закалку в расплавленных солях температурой 400-500 °С.

Структура быстрорежущей стали после закалки представляет собой высоколегированный мартенсит, содержащий , нерастворенные избыточные карбиды и остаточный аустенит (см. рис. 176, в). Чем выше температура закалки, тем ниже температура мартенситных точек и тем больше количество остаточного аустенита. Обычно содержание остаточного аустенита в стали составляет и в стали Остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, и поэтому его присутствие в готовом инструменте недопустимо.

После закалки следует отпуск при 550-570 °С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов. Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость). В процессе выдержки при отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды, что уменьшает его легированность, и поэтому при последующем охлаждении он претерпевает мартенситное превращение . В процессе однократного отпуска только часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Чтобы весь остаточный аустенит перешел в мартенсит и произошел отпуск вновь образовавшегося мартенсита, применяют многократный (чаще трехкратный) отпуск при Продолжительность каждого отпуска 45— 60 мин. Для стали оптимальный режим отпуска, обеспечивающий наибольшую твердость и высокие механические свойства: (первый отпуск) и 560-570 °С по 1 ч (последующие два отпуска). Получение более высокой твердости объясняется тем, что при температуре 350 °С выделяются частицы цементита, равномерно распределенные в стали. Это способствует более однородному выделению и распределению специальных карбидов при температуре 560-570 °С.

Инструмент простой формы из быстрорежущей стали иногда для уменьшения содержания остаточного аустенита непосредственно после закалки (во избежание стабилизации аустенита)

(кликните для просмотра скана)

охлаждают до При обработке холодом более половины остаточного аустенита претерпевает превращение в мартенситу после обработки холодом следует один или два отпуска при обычно принятой температуре. Твердость стали после закалки составляет а после отпуска

Режущие свойства и твердость инструмента, не подвергающегося переточке по всем граням (сверла, развертки, метчики, фрезы), можно повысить низкотемпературным азотированием при 550-560 °С. Продолжительность процесса 10—30 мин. Твердость слоя и толщина его мм.

Выбор стали для режущего инструмента. 6 табл. 28 указаны рекомендуемые стали для металлорежущего инструмента. Нетеплостойкие стали применяют редко. Подавляющее число инструментов изготовляют из быстрорежущей стали.

Все шире применяют быстрорежущие стали, полученные методом порошковой металлургии. В этих сталях карбидная фаза очень мелкая, что способствует более полному растворению карбидов в аустените и повышению теплостойкости. Основные порошковые стали, предложенные для замены сталей мало содержат дефицитного вольфрама. Несмотря на высокое содержание ванадия, стали хорошо шлифуются. Применяются и другие порошковые стали, например Стойкость режущего инструмента из порошковых сталей по сравнению со стойкостью инструмента из аналогичных сталей обычного производства в раза выше.