Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали получили такое название за свои свойства. Вследствие высокой теплостойкости (550—650 °С) инструменты могут работать со скоростями резания, в три — четыре раза большими, чем инструменты из углеродистых и легированных сталей.

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73) содержат 0,7 –1,5 % С, до 18% W, являющегося основным легирующим элементом, до 4,5 % Сr, до 5 % Мо, до 10 % Со. Наиболее распространенные марки быстрорежущих сталей приведены в табл. П7. В обозначении марок стоит буква Р от слова «рапид» — скорость, цифры за этой буквой показывают среднее содержание вольфрама Р18, Р9 и т.д.).

Высокая теплостойкость быстрорежущей стали объясняется следующими ее особенностями. При нагреве углеродистой закаленной стали происходит выделение из мартенсита дисперсных частиц карбидов (Fe_xC), которые уже при 300—400 °С коагулируют. Твердость понижается. Для сохранения твердости при нагреве (теплостойкости) сталь необходимо легировать такими элементами, карбиды которых образуются и коагулируют при более высоких температурах. Такими элементами являются вольфрам, хром и др.

Добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650 °С и вторичную твердость до НRС 67—70. Наиболее высокую теплостойкость имеют стали Р12ФЗ, Р10К5Ф5 и Р9М4К8 (до 640 — 650 °С).

По структуре в равновесном состоянии эти стали относятся к ледебуритному классу.

Отливки из быстрорежущей стали подвергают ковке, а затем отжигу при 860 — 900 °С. После отжига структура быстрорежущей стали состоит из сорбита, куда входят очень мелкие эвтектоидные карбиды, мелких вторичных карбидов, выделившихся при охлаждении из аустенита, и более крупных обособленных первичных карбидов, входящих в состав эвтектики. Суммарное количество карбидов достигает 30 – 35 %. После окончательной термической обработки быстрорежущая сталь приобретает теплостойкость. Чем выше температура закалки, тем большее количество легирующих элементов растворяется в аустените, а, следовательно, тем более легированным получается мартенсит, который обладает большей теплостойкостью.

При нагреве до 1250—1280 °С в аустените стали Р18 содержится около 0,3 % С, ~4 % Сr, ~1 % V и 7—8 % W. Инструмент из стали Р18 подвергают закалке с 1280 °С. Нагрев под закалку до более высоких температур приводит к оплавлению режущих кромок инструмента и появлению карбидной эвтектики. Закалку проводят в масле.

Температура закалки инструмента из стали Р9 составляет 1240 °С, причем в этом случае требуется более точное соблюдение режима.

Инструмент под закалку нагревают обычно в соляных ваннах, что улучшает равномерность прогрева и уменьшает возможность обезуглероживания поверхности. Вследствие малой теплопроводности быстрорежущей стали нагрев осуществляется ступенчато: инструмент вначале подогревают в первой ванне до 500—600 °С, а затем переносят в ванну с температурой 800 ^о С и после этого в третьей ванне нагревают до 1280 °С.

Микроструктура закаленной быстрорежущей стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита (до 30 %) и большого числа рассеянных зернышек первичных карбидов. Количество остаточного аустенита и положение точек М_н и М_к также зависят от температуры закалки. Твердость закаленной быстрорежущей стали достигает HRC 60—62.

Остаточный аустенит ухудшает режущие свойства, поэтому закаленный инструмент обязательно подвергают отпуску. Установлено, что при нагреве до температур ниже 560 °С никаких существенных изменений не происходит. Если же нагревать при отпуске до 560 °С, то при последующем охлаждении часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. После трехкратного отпуска при 560 °С с выдержкой каждый раз в течение часа количество остаточного аустенита уменьшается до 2—3 %, твердость увеличивается до HRC 64—65.

При термической обработке быстрорежущей стали широко применяют обработку холодом. Закаленную сталь охлаждают до (—80)÷(—100) °С, т. е. до температур ниже точки М_к этой стали. Затем для снятия внутренних напряжений сталь подвергают однократно отпуску (560 °С, 1 ч). Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 приведены на рис.161,а,б.

Иногда для повышения износостойкости инструмента применяют низкотемпературноецианирование при 520—560 °С в течение 10—15 мин.

На поверхности образуется слой, насыщенный азотом и углеродом, толщиной 0,03—0,06 мм. Для уменьшения прилипания стружки и повышения коррозионной стойкости проводят обработку паром (при температуре отпуска). На поверхности образуется тонкая пленка, предотвращающая прилипание стружки.

Из-за высокой стоимости и дефицитности вольфрама из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента, которую прикрепляют к державке из обычной углеродистой инструментальной стали. На рис. 162 приведена зависимость твердости различных инструментальных материалов от температуры.