1.2. Инструментальные стали

В качестве материала для режущих инструментов применяют быстрорежу­щие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 1,0…1,3% и суммарным содержанием леги­рующих элементов (кремния, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0%.

Углеродистые инструментальные стали (табл. 1.1) производят по ГОСТ 1435-73. Их применяют для изготовления мелкоразмерного ручного ре­жущего инструмента (метчики, напильники, развертки), режущие кромки которо­го в процессе работы не претерпевают нагрева выше 200…220°С.

Инструментальные легированные стали (9ХС, ХВГ, ХВСГ и др.) обла­дают более высокой теплостойкостью (до 250°С), а кроме того, имеют повы­шенную прокаливаемость, что позволяет использовать их для изготовления длинномерного инструмента сложной формы размерами сечения выше 20 мм (протяжки, метчики, плашки и др.).

Для изготовления резьбонакатного инструмента кроме низколегированных сталей чаще применяют стали Х6ВФ, Х12Ф1, Х12М.

Инструментальные легированные стали производят по ГОСТ 5950-73 (табл. 1.2).

Таблица 1.1

Некоторые свойства наиболее применяемых углеродистых инструментальных сталей

Таблица 1.2

Некоторые свойства наиболее применяемых легированных инструментальных сталей

Следует отметить, что за последние 15…20 лет существенных изменений в сортаменте этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тен­денция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

Быстрорежущие стали. В настоящее время быстрорежущие стали явля­ются основным материалом для изготовления режущего инструмента, не­смотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспе­чивает более высокую производительность обработки.

Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления слож-нопрофильных высокопроизводительных инструментов определяется сочета­нием высоких значений твердости (до HRC  70) и теплостойкости (620…640°С) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обра­батываются в отожженном состоянии.

По уровню теплостойкости и соответственно применяемым скоростям реза­ния быстрорежущие стали условно классифицируются на стали нормальной производительности (умеренной теплостойкости) и стали повышенной произ­водительности (повышенной теплостойкости). От вольфрамовых и вольфрамомолибденовых сталей нормальной производительности стали повышенной производительности отличаются дополнительным легированием ванадием и (или) кобальтом.

В последние годы как за рубежом, так и в России значительно изменился марочный состав производимой быстрорежущей стали, что связано как с повышением требований к инструменту, так и с совершенствованием терми­ческой обработки и технологии производства стали.

Эти изменения в основном таковы:

• замена вольфрамовых сталей новыми комплексно-легированными вольф-рамомолибденованадиевыми и вольфрамомолибденованадиекобальтовыми сталями;

• увеличение выпуска (до 10…20% от общего объема) быстрорежущих сталей повышенной производительности;

• создание и использование «сверхбыстрорежущих» сталей высокой вто­ричной твердости (68…70 HRC₃) и теплостойкости (640…650 °С), а также ста­лей с интерметаллидным упрочнением и теплостойкостью 680…700 "С;

• разработка наиболее рациональных составов быстрорежущих сталей, предназначенных для производства методами порошковой металлургии;

• разработка новых составов экономнолегированных сталей ограниченного применения.

Наиболее применяемые марки быстрорежущей стали традиционной техно­логии производства приведены в табл. 1.3.

При разработке новых составов сталей учитывалось соответствие харак­терной концентрации вольфрама определенному фазовому составу стали. Так при содержании в стали 18% W и около 0,7% С в структуре стали, в соот­ветствии с диаграммой состояния, присутствует лишь карбид типа Ме_хС на основе вольфрама.

Таблица 1.3

Свойства широкоприменяемых быстрорежущих сталей

В сталях с 1,5…2,0% V часть атомов вольфрама в карбидах Ме_хС заменена атомами ванадия, что позволяет уменьшить содержание вольфрама (от 18 до 12%) при содержании углерода 0,7%. При этом такие стали «сбалансированы» на карбид Ме_хС.

«Сбалансированности фазового состава» на карбид типа Ме_хС отвечают также стали с содержанием 12% молибдена (рис. 11.2). Последнее означает, что по влиянию на фазовый состав 1% молибдена эквивалентен примерно 1,5% вольфрама.

Таким образом, при содержании в стали 1,5…2,0% ванадия «сбалансиро­ванная» на карбид Ме_хС сталь по содержанию вольфрама и молибдена должна соответствовать соотношению: W + (1,4 … 1,5)Мо = 12 … 14%.

В силу вышеизложенного, наибольшее распространение в мировой практи­ке производства быстрорежущей стали получили марки со следующим со­отношением вольфрама и молибдена: 8 % W - 9 % Мо, 7% W - 4 % Мо, 6 % W - 5 % Мо, 2 % W - 8 % Мо, 1% W - 9 % Мо.

При выборе марок стали для конкретного применения следует учитывать, что вольфрамомолибденовые стали обладают повышенной вязкостью, однако, более чувствительны к обезуглероживанию и имеют более узкий интервал оп­тимальных закалочных температур.

Повышение износостойкости и теплостойкости быстрорежущих сталей дос­тигается дополнительным легированием составов ванадием и кобальтом с соответствующим изменением содержания углерода.

При легировании 2,5 … 5% W и увеличением содержания на каждые 1% W 0,2% С в стали образуется повышенное количество карбида Ме_хС, который практически не растворяется при нагреве под закалку. Наличие в стали после закалки и отпуска ванадиевых карбидов этого типа обеспечивает изготов­ленному из нее инструменту повышенную износостойкость.

Рис. 1.2. Влияние содежания кобальта и вольфрама на те­плопроводность , теплостойкость * и предел прочности при изгибе _и сталей с 4% Сг; 1,2-1,9% V и 0,8-0,85% С

Повышенная теплостойкость таких сталей связана с тем, что часть вана­дия, входящего в карбид Ме_хС, при нагреве под закалку переходит в твердый раствор. Максимальная растворимость ванадия в карбидах Ме_хС в составах с содержанием W-1,5Mo = 12-14%.

Стали этой группы нашли наиболее широкое применение в России и мире (табл. 1.4). Наиболее распространенной маркой этой группы является сталь Р6М5ФЗ.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия, так как твердость по­следних не уступает твердости зерен шлифовального круга.

Введение кобальта в состав быстрорежущих сталей наиболее значительно повышает их твердость и теплостойкость (до 640…650°С).

Таблица 1.4 Некоторые составы высокованадиевых сталей

Кобальт не является карбидообразующим элементом, поэтому его введе­ние приводит к увеличению температуры  >  превращений, повышается химическая активность углерода, вольфрама и молибдена в феррите, что является причиной образования увеличенного количества дисперсных частиц, выполняющих роль фазовых упрочнителей при отпуске. Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Влияние кобальта на свойства быстрорежущей стали становится заметным при его введении в сталь в количестве около 5% (см. рис. 1.2). В связи с ука­занным, типичные концентрации кобальта 5…8 и реже 10…12%.

Наиболее распространенные кобальтовые стали, включенные в стандарты различных стран, представлены в табл. 1.5.

Наряду с большими достоинствами по износостойкости, твердости, тепло­стойкости и теплопроводности, кобальтовые стали имеют ряд существенных недостатков. Среди них относительно низкая пластичность, высокая склон­ность к обезуглероживанию, в процессе нагрева под горячую деформацию и закалку, сниженная прочность при изгибе. Последний параметр сильно за­висит также и от других легирующих элементов. В частности, большей проч­ностью обладают кобальтовые стали Р2М9К8 (а_и=3150…3350 МПа) и Р6М5К5 (_и=2800 МПа), легированные молибденом, меньшей прочностью обладают вольфрамовые стали типа Р12Ф4К5 (_и=2000 МПа).

Исследования показали, что повышением относительного содержания уг­лерода и корректировкой пределов содержания легирующих элементов можно повысить служебные свойства кобальтосодержащих быстрорежущих сталей без их существенного удорожания. В результате была создана группа сталей (М41-М47 стандарта США), называемых «сверхбыстрорежущими». Широкое внедрение сталей этой группы оказалось возможным благодаря созданию современного оборудования для нагрева под горячую пластическую деформа­цию и термическую обработку, так как стали этой группы имеют более узкий интервал температур горячей обработки. К сталям этой группы можно отнести достаточно хорошо применяемые в промышленности стран СНГ марки Р12МЗФ2К5, Р12МЗФ2К8, Р12МЗФЗК10, Р9МЗК6С, Р6М5К5 и ряд других.

Таблица 1.5

Составы наиболее применяемых кобальтовых быстрорежущих сталей

Отмеченные недостатки, а также высокая стоимость кобальтовых сталей определяют узкую область их рационального применения для изготовления режущего инструмента, используемого при обработке резанием коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и сплавов или, если к режущему инструменту предъявляют высокие требования по надежности, например при автоматизи­рованной обработке.

Наибольшей теплостойкостью (свыше 700°С) обладают стали с интерме-таллидным упрочнением В11М7К23 и ВЗМ14К23. Это типичные низко­углеродистые стали (содержание С до 0,3%), упрочняемые при дисперсионном твердении интерметаллидами типа (Fe,Co)₇x(W,Mo)₆, в отличие от упрочнения карбидами для стандартных быстрорежущих сталей. Высокая теплостойкость, твердость и износостойкость определяются повышением уровня температур, приводящих к фазовым превращениям, а также большой сопротивляемо­стью коагуляции интерметаллидной фазы.

Стали с интерметаллидным упрочнением имеют низкую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 HRC), их прочность близка к проч­ности кобальтовых сталей (а_и =2200-2500 МПа). Поэтому инструмент, изго­товленный из таких сталей, рекомендуют для обработки титановых сплавов.

В связи со все более возрастающей дефицитностью вольфрама и молиб­дена - основных легирующих элементов, используемых при производстве бы­строрежущих сталей, все большее применение находят экономнолегирован-ные стали. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11РЗМЗФ2, которая используется при производстве инструмента не только в странах СНГ, но и в Испании, ФРГ, Швеции, Чехии и Словакии, так как обла­дает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63…64), прочности (_Ти=3400 МПа) и теплостойкостью (до 620^ОС).

В Московском Государственном Технологическом Университете «СТАНКИН» Л.С. Кремневым и его учениками разработана низколегированная без­вольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сг; 1,5% V). Эта сталь принадлежит к новому классу заэвтектоидные сталей, в отличие от традицион­ных ледебуритных быстрорежущих сталей. Нагрев под закалку позволяет рас­творить все карбиды типа Ме₆С (что невозможно для ледебуритных сталей), что обеспечивает легированность и свойства стали 11М5Ф примерно на уров­не соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономно-легированных сталей показали, что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11РЗАМЗФ2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Сталь 11РЗАМЗФ2 более технологична в металлургическом производст­ве, однако из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструмен­тами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

С целью улучшения свойств быстрорежущей стали начали использовать технологию электрошлакового переплава. Карбидная неоднородность металла после электрошлакового переплава снижается на 1…2 балла, стойкость инст­румента возрастает на 15…20%.

Электрошлаковый переплав повышает .пластичность стали в горячем со­стоянии, что позволяет увеличивать выход годного при производстве малотех­нологичных в металлургическом производстве «сверхбыстрорежущих» сталей. Стоимость сталей электрошлакового производства примерно на 30% выше стоимости таких же марок обычной технологии выплавки.

Наиболее эффективные возможности повышения качества быстрорежущей стали, ее эксплуатационных свойств, и создания новых режущих материалов появились при использовании порошковой металлургии.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозер­нистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, понижен­ной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем сталь аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

Существуют два различных способа получения порошковой быстрорежу­щей стали: распылением водой и азотом. Изготовление инструмента из водно-распыленных порошков дешевле, однако качество металла ниже ввиду боль­шей окисленности порошковых частиц. Поэтому для высококачественного ме­талла используется порошок, полученный распылением азотом.

Промышленное производство порошковых быстрорежущих сталей в начале 80-х годов было направлено на изготовление марок, являющихся аналогами сталей традиционной технологии. Опыт ряда зарубежных фирм США, Швеции, а также отечественных исследователей показал, что новая технология позво­ляет существенно изменить схему легирования с целью направленного повы­шения тех или иных эксплуатационных характеристик, определяющих стой­кость инструмента. Основные принципы разработки новых составов:

• возможность введения в состав стали до 5-7% ванадия (по массе) с це­лью увеличения объемной доли карбидов М_хС в стали до 15% и повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости;

• повышение содержания углерода, выше стандартного содержания в быст­рорежущих сталях, т.е. введение углерода с «пресыщением», а также замена части углерода азотом, который вводят путем азотирования порошка непо­средственно перед операцией «компактирования».

Реализация указанных принципов позволяет использовать относительно низкие массовые доли вольфрама, молибдена и кобальта для получения мак­симальных значений твердости и теплостойкости.

Таким образом были разработаны порошковые быстрорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6-М1) по ГОСТ 28393-89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в мно­гочисленных промышленных испытаниях .

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидосталей, которые по своим свойствам могут быть классифицированы как промежуточные между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Карбидостали отличаются от обычных быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание карбидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70%. Пластическим деформированием, главным образом экструзией, из спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет НРС_Э 40-44, а после закалки и отпуска НРС_Э 68-70.

При использовании в качестве материала режущего инструмента карбидо-сталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5…2 раза по сравнению с анало­гичными марками обычной технологии производства [13]. В ряде случаев кар-бидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов.

Выбор быстрорежущих сталей для конкретных условий резания определя­ется большим количеством факторов. Этот выбор не является однозначным, так как каждая группа сталей представлена несколькими марками. Опреде­ляющим условием являются свойства обрабатываемого материала и режимы резания, а для некоторых видов инструмента - и технологические особенности стали (рис. 11.3).

Рис. 1.3. Классификация быстрорежущих сталей по свойствам и слу­жебному назначению :

1- область применения инструмента для обработки конструкционных мате­риалов с _в < 900 МПа (Р6М5, Р12, Р18); 2 - обработка конструкционных ма­териалов на повышенных скоростях резания, чистовая и получистовая обра­ботка нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов (Р6М5ФЗ, Р12ФЗ.Р14Ф4, Р2М9Ф2КЗ, Р6М5К5, Р9К5, 10Р6М5К5); 3 - обработка материалов с твердостью HRC < 45…50, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, конструкционных сталей на высоких скоростях (Р7М4Ф2К8, Р9М4К8, Р12МЗФ2К8, Р8МЗК6С); 4 - чистовая и получистовая обработка высокопрочных, жаропрочных и других специальных сталей и сплавов (Р12Ф4К5, Р10Ф5К5, Р12М4ФЗК10, Р12М2Ф4К10); 5 - чистовая обработка специальных сталей и сплавов (сплавы типа В11М7К23), 2" - порошковые стали

Для обработки конструкционных материалов с прочностью менее 600…700 МПа рекомендуются низколегированные быстрорежущие стали (цветные ме­таллы - например сплавы на алюминиевой основе; отожженные конструкци­онные стали; серые чугуны и т.д.).

Для обработки конструкционных материалов с прочностью до 1000 МПа используются стали умеренной теплостойкости - Р6М5 и др.

Для обработки конструкционных материалов повышенной прочности (свы­ше 1200 МПа), а также труднообрабатываемых материалов (нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы, титановые сплавы, улучшенные стали с по­вышенной твердостью и др.) рекомендуются стали повышенной теплостойко­сти.

Применение сталей повышенной теплостойкости рекомендуют и для обра­ботки стандартных конструкционных материалов, в тех случаях, когда требует­ся значительное повышение стойкости инструмента или производительности обработки (скорости резания). В первом случае используют высокованадиевые стали, во втором - кобальтовые.

Учитывая эти рекомендации, следует иметь в виду, что в пределах каждой группы большей прочностью обладают стали, легированные молибденом, а более высокой теплостойкостью - вольфрамовые. Например, при использо­вании кобальтовых сталей для работы в условиях ударных нагрузок рекомен­дуется сталь типа Р6М5К5, так как она обладает наибольшей прочностью среди кобальтовых сталей.

В тех случаях, когда от инструмента требуется высокая износостойкость и эксплуатационная надежность, наиболее целесообразно для их изготовления применять стали с повышенным содержанием ванадия, в том числе легиро­ванные кобальтом. Это прежде всего относится к инструменту, работающему в условиях автоматизированного производства.

Среди технологических свойств, влияющих на выбор быстрорежущей стали, следует выделить «обрабатываемость при шлифовании». Это важнейшее свойство определяет не только особенности изготовления инструмента, но и его эффективность.

«Обрабатываемость при шлифовании» в ряде случаев может оказаться решающим фактором при выборе марки стали для определенных видов инст­румента, например для резьбонарезного.

Основным фактором, определяющим обрабатываемость шлифованием, является содержание в стали ванадия, образующего карбиды Ме_хС высокой твердости. По шлифуемости быстрорежущие стали можно разделить на 4 груп­пы (рис. 1.4):

Группа 1. Содержание ванадия до 1,3 % и относительная шлифуемость 0,9-1 (за единицу принята «обрабатываемость при шлифовании» стали Р18, обладающая наилучшей шлифуемостью).

Группа 2. Содержание ванадия 1,6…2,5 %, относительная шлифуемость от 0,4 до 0,95, в эту группу, в частности, входит сталь Р6М5.

Группа 3. Содержание ванадия 2,6…3,3 %, относительная шлифуемость 0,2-0,5.

Группа 4. Содержание ванадия более 4%, относительная шлифуемость 0,2…0,3.

Порошковые быстрорежущие стали независимо от содержания ванадия

относятся к группам 1 и 2.

Рис. 1.4. Изменение твердости стали после шлифова­ния с прижогами [40]

При низком (группа 1) и высоком (группа 4) содержании ванадия относи­тельная шлифуемость не зависит от содержания вольфрама и молибдена, в первом случае шлифуемость хорошая, в последнем - плохая.

Стали с пониженной шлифуемостью склонны к прижогам, т.е. к изменению структуры приповерхностных слоев стали после шлифования или заточки, по­явлению вторичной закалки с большим количеством аустенита, зон вторичного отпуска с пониженной твердостью (см. рис. 1.3.).

Следствием прижогов является значительное снижение стойкости инструмента.

Для сталей групп 2 и 3 лучшая шлифуемость достигается у сталей с соот­ношением W + 1,5Мо = 12-14%, так как в этом случае растворимость ванадия в них максимальна. Указанное, в свою очередь, означает, что количество карби­дов ванадия в таких сталях при прочих равных условиях наименьшее. Вместе с тем для этих сталей относительная шлифуемость в большей степени зависит от содержания вольфрама и молибдена (а также ванадия и углерода), даже в пределах плавочного состава. Таким образом, для таких сталей надежно га­рантировать высокую шлифуемость невозможно. На рис. 1.5 указан интервал колебаний шлифуемости в зависимости от содержания суммы W + Мо в преде­лах состава для некоторых марок стали. Эта особенность учитывается в рекомендациях по выбору сталей, где для изготовления резьбонарезного инструмента предлагается использовать стали с содержанием ванадия не бо­лее 1,3%, т.е. стали группы 1 шлифуемости типа Р18 и Р2М9Ф1.

Рис. 1.5. Влияние суммарного содержания вольфрама и молибдена на шлифуемость быстрорежущих сталей