4. Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали предназначены для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь должна обладать высокой горячей твердостью (твердостью в горячем состоянии) и красностойкостью (насколько эта твердость сохраняется во времени), обратимой и необратимой твердостью.

Эти свойства необходимы, так как в процессе работы тепло, в основном (на 80 %), концентрируется в инструменте, нагревая его. Очевидно, чем больший нагрев (по температуре и продолжительности) без размягчения может выдержать материал, тем при большей скорости резания он может работать.

На рис. 308 приведены кривые, показывающие твердость трех различных сплавов при разных температурах. Твердость углеродистой стали после нагрева до 200 °С начинает быстро падать. Следовательно, для этой стали недопустим режим резания, при котором инструмент нагревался бы выше 200 °С. У быстрорежущей стали высокая твердость сохраняется при нагреве до 500-600 °С. Таким образом, инструмент из быстрорежущей стали более производителен, чем инструмент из углеродистой стали. Более производительным

является инструмент из твердого сплава, так как нагрев до 800 °С мало влияет на его твердость.

Следует отметить, что твердость в холодном состоянии не определяет режущей способности стали. Как видно из рис. 308, твердость углеродистой стали при нормальной температуре даже выше, чем быстрорежущей, но ее режущие свойства намного ниже. Высокая твердость инструментальной стали необходима во всех случаях, но для быстрорежущего инструмента требуется высокая твердость не только в холодном состоянии, но и при повышенных температурах, по крайней мере, до 600 °С.

Рис. 308. Твердость инструментальных материалов в нагретом состояния: 1 — твердый сплав; 2 — быстрорежущая сталь; 3 — углеродистая сталь

Рис. 309. Прочность и красностойкость инструментальных материалов: 1 — быстрорежущая сталь; 2 — твердый сплав; 3 — минералокерамика

Красностойкость определяет, сколь долго такая твердость сохраняется, поскольку при этих рабочих температурах происходят процессы коагуляции карбидов снижающих твердость.

Кроме «горячих» свойств от материала для режущего инструмента требуются и высокие механические свойства; под этим подразумевается сопротивление хрупкому разрушению, так как при высокой твердости разрушение всегда происходит по хрупкому

механизму. Дело в том, что чем выше прочность, тем большее усилие может выдержать рабочая часть инструмента, тем большую подачу и глубину резания можно применить и это увеличивает производительность процесса резания.

Оказывается, по прочности разные классы инструментальных сталей располагаются в обратном порядке, чем их расположение по красностойкости (рис. 309) и в отдельных случаях может случиться и так, что инструмент из быстрорежущей стали будет работать производительнее, из-за большего сечения снимаемой стружки, чем инструмент из твердого сплава.

Как указывалось, горячая твердость и красностойкость определяются разупрочнением закаленной стали при нагреве необратимым изменением твердости.

Высокая твердость мартенсита объясняется растворением углерода в Известно, при отпуске из мартенсита в углеродистой стали выделяются мельчайшие частицы карбида. Пока выделившиеся карбиды еще находятся в мельчайшем дисперсном рассеянии (т. е. на первой стадии выделения при отпуске до 200 °С), твердость заметно не снижается. Но если температуру отпуска поднять выше происходит рост карбидных выделений, и твердость падает.

Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы процесс коагуляции карбидов.

Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то красностойкость скачкообразно возрастает. Дело в том, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого требуется не только диффузия углерода, но и диффузия легирующих элементов. Практически заметная коагуляция специальных карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия происходит при температурах выше

Таким образом, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды и эти карбиды переходят в раствор при закалке.

Быстрорежущая сталь появилась на рубеже XIX—XX веков (изобретатели Ф. Тейлор и А. Уайт), ее состав (средний) связи с дефицитом вольфрама в 70-х годах нашего века была почти повсеместно заменена на сталь марки , которая в свою очередь вытесняется безвольфрамовыми

и Сталь изготовляется обычным металлургическим способом, сталь методом порошковой металлургии (распылением).

В табл. 48 приведены составы быстрорежущих сталей, вошедших в ГОСТ 19265-73 или технические условия.

Таблица 48. (см. скан) Состав основных марок быстрорежущих сталей, %

Все быстрорежущие стали обозначаются первой буквой Р (рапид — скорость), следующая цифра содержание вольфрама (буква В — пропускается), затем указывается после букв М, Ф и К содержание молибдена, ванадия и кобальта.

В отожженном виде структура сталей (всех марок) состоит из -твердого раствора и карбидов. Все легирующие элементы . Основными карбидами в быстрорежущей стали являются карбиды приблизительно одинакового для всех сталей состава (табл. 49).

Таблица 49. Состав карбидов в быстрорежущих сталях, %

В зависимости от состава стали, в первую очередь соотношение меняется и соотношение Например, в стали почти нет карбида а в стали нет карбида Кроме этих карбидов в отдельных случаях могут присутствовать в небольшом количестве карбиды карбид выделяется при отпуске.

Сами карбиды делятся по условиям образования на три вида:

1) «эвтектоидные», самые мелкие составляющие основной сорбитный фон;

2) вторичные карбиды, выделившиеся из аустенита после окончания кристаллизации;

3) первичные карбиды, самые крупные, выделившиеся в результате эвтектического превращения и раздробленные на отдельные частицы ковкой.

Быстрорежущая сталь обычно изготавливается традиционными металлургическими приемами — разливкой в слитки и последующей ковкой и прокаткой, при этом скелетообразная эвтектика (рис. 310) разбивается на полосы и отдельные включения первичных карбидов (рис. 311, а). Темные округлые формирования — так называемые -феррит фаза неустойчивая, выделяющаяся на начальных стадиях кристаллизации и пропадающая по периктектической реакции следовательно -феррит в литой быстрорежущей стали фаза неравновесная. Более современный способ изготовления быстрорежущей стали — распыление расплава азотом; при этом образуются шаровидные частицы (рис. 109, а) размером 50— 500 мкм, со структурой дендритов, состав которых близок к составу расплава (без выделения карбидов) (рис. 109, б). Естественно, что такое состояние не равновесно, при технологических нагревах происходит распад твердого раствора, выделение карбидов, значительно меньших по размеру, чем карбиды, образовавшиеся при кристаллизации из жидкой фазы (см. рис. 311, а, б). Сталь с такой дисперсной карбидной фазой обладает лучшими технологическими и механическими свойствами, карбиды легче переходят в твердый раствор, а последние обеспечивают высокие режущие свойства.

Чтобы получить высокую красностойкость необходимо полнее растворить, насытить -твердый раствор углеродом и легирующими элементами — вольфрамом, молибденом и ванадием, что достигается применением высокой температуры закалки.

Рис. 310. Структура литой быстрорежущей стали, изготовленной по обычной технологии

Из рис. 312 видно, что чем выше температура закалки, тем больше в раствор переходит этих элементов и тем выше красностойкость. Отсюда рекомендация нагревать при закалке как можно выше, вплоть до начала оплавления. Теперь от этой рекомендации отказались, так как при таком излишне высоком нагреве происходит рост зерна и ухудшаются механические свойства. В настоящее время рекомендуется нагревать при закалке как можно выше, но не выше начала роста зерна (последнее должно быть не более № 11). В таблице 50 приведены оптимальная температура нагрева под закалку некоторых наиболее распространенных быстрорежущих сталей, состав твердого раствора, красностойкость и количество остаточного аустенита после закалки.

Из табл. 50 следует, что несмотря на сильное различие в общем химическом составе, состав твердого раствора очень близок во всех сталях, сумма определяющая красностойкость, равна примерно (атомн.), отсюда красностойкость и режущие свойства у разных марок быстрорежущих сталей близки.

Рис. 311. Структуры кованой я отожженной быстрорежущей стали, наготовленной по обычной технологии (в) и методом порошковой металлургии (б)

Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали (он повышает красностойкость), но кобальт очень дорогой элемент.

Разные марки быстрорежущей стали различаются главным образом по технологическим свойствам, например, плохо шлифуются, если высокий процент ванадия, образуются высокотвердые карбиды , и они крупного размера; стали склонны к обезуглероживанию, если высокий процент молибдена. В табл. 50 указывается процент остаточного аустенита, в закаленной стали, это показывает, что мартенситная реакция не идет до конца, из-за высокой легированности твердого раствора, точка лежит ниже точки комнатной температуры.

Остаточный аустенит — нежелательная структурная составляющая в инструментальных сталях. Он снижает твердость, уменьшает теплопроводность (поэтому при прочих равных условиях режущая кромка инструмента нагревается до более высокой температуры).

Рис. 312. Влияние температуры закалки на состав твердого раствора (сталь )

Выдержка при температуре закалки, способствуя переводу карбидов в раствор, действует аналогично повышению температуры закалки.

Охлаждение при закалке быстрорежущей стали следует производить в масле. В результате медленного охлаждения с высоких температур (например, на воздухе) могут выделиться карбиды, что ухудшает режущие свойства.

Рис. 313. Обычный режим термической обработки

Весьма хорошие результаты (в смысле уменьшения закалочной деформации) дает ступенчатое охлаждение.

Для превращения остаточного аустенита в мартенсит производят обработку холодом или отпуск.

При обработке холодом продолжается мартенситная реакция и после охлаждения до все же его сохраняется примерно (допустимо более глубокое охлаждение вплоть до температуры жидкого азота но это не ведет к уменьшению количества остаточного аустенита его сохраняется примерно еще

Таблица 50. (см. скан) Температура закалки, состав у-твердого раствора и красностойкость некоторых быстрорежущих сталей

10 %. Для уменьшения напряжения и отпуска мартенсита и после обработки холодом дается отпуск при 560 °С.

Без обработки холодом остаточный аустенит может быть превращен в мартенсит отпуском. Для этого закаленную сталь нагревают до 560 °С, при этом из аустенита выделяются карбиды типа Для более полного превращения операцию отпуска повторяют два или три раза (так называемый «многократный отпуск»).

Графики термообработки быстрорежущей стали с обработкой холодом или многократным отпуском приведены на рис. 313 и 314.

Исследование структуры хорошо иллюстрирует сказанное изменение в строении. На рис. 315 показана структура стали после закалки от разных температур. На рис. 315, а—недогрев; видно большое количество нерастворимых карбидов; на рис. 315, в — перегрев, крупное зерно, на рис. 315, б структура правильно закаленной стали.

Рис. 314. Режим термической обработки инструментов из быстрорежущей стали с обработкой холодом

Рис. 315. Структура закаленной быстрорежущей стали при температуре закалки, °С: а - 1150; 6 - 1200; в - 1250

На рис. 316 показана структура отпущенной стали. Низкий отпуск против оптимального нагрева не вызвал способности превращения аустенита в мартенсит. На рис. 316, а белые поля — остаточный аустенит; после многократного отпуска остаточного аустенита нет (рис. 316, б).

Температурные режимы термической обработки быстрорежущей стали разных марок представлены в табл. 51.

Для инструментов некоторых видов применяют низкотемпературное цианирование, которое улучшает их режущие свойства.

В этом случае термически обработанный (закаленный и отпущенный) инструмент дополнительно обрабатывают в жидких цианистых солях при 520-580 °С в течение непродолжительного времени.

Рис. 316. Структура отпущенной быстрорежущей стали при температуре отпуска, °С: а - 500; б - 600

В результате такого низкотемпературного цианирования на поверхности инструмента образуется слой, насыщенный азотом и углеродом. Несмотря на небольшую толщину этого слоя (всего несколько микрон), он значительно повышает износоустойчивость инструмента.

Часто для той же цели на специальных установках («Булат») инструмент покрывают тонкой золотистой пленкой нитрида титана.

Перед термической обработкой быстрорежущая сталь должна быть хорошо отожжена.

Обычно проводят изотермический отжиг, так как это ускоряет процесс. В этом случае сталь нагревают до и после

Таблида 51. (см. скан) Температурные режимы термической обработки инструментов из быстрорежущих сталей

выдержки охлаждают до 700-750 °С. В этом интервале температур сталь выдерживают до окончания превращения аустенита, которое заканчивается за 1,5-2 ч.

Твердость после такой обработки должна составлять 207— 255 НВ. Структура состоит из сорбита с включениями первичных и вторичных карбидов (см. рис. 311).

В плохо отожженной быстрорежущей стали после закалки наблюдается особый вид брака: при нормальной твердости и нормальном количестве остаточного аустенита сталь оказывается очень хрупкой, а ее излом — грубозернистый, чешуйчатый, напоминает нафталин (рис. 317). Этот вид брака быстрорежущей стали обычно называется нафталиновым изломом.

Качество быстрорежущей стали в значительной степени определяется также степенью ее прокованности. При недостаточной проковке наблюдается так называемая карбидная ликвация (рис. 318), представляющая собой остатки участков ледебурит ной эвтектики, не разбитых ковкой.

Рис. 317. Нафталиновый излом в быстрорежущей стали

Рис. 318. Карбидная ликвации быстрорежущей стали, полученной по обычной технологии (а) и методом порошковой металлургии (б)

Чем резче выражена карбидная ликвация, тем ниже качество быстрорежущей стали (понижается стойкость инструмента в работе, увеличивается его хрупкость И т. д.).

Разумеется в быстрорежущей стали, изготовленной методами порошковой металлургии, карбидная ликвация отсутствует.