4.3. Состав и свойства быстрорежущих сталей.

В основу классификации быстрорежущих сталей по свойствам положена теплостойкость (красностойкость), которая определяет допустимые скорости резания, т.е. производительность обработки.

В зависимости от красностойкости различают стали нормальной (умеренной) и повышенной теплостойкости (производительности). Кр. 58 для сталей первой группы должна быть не менее 620 и для сталей второй группы не менее 630^ОС.

4.3.1 Стали нормальной теплостойкости.

К ним относятся вольфрамовые и вольфрамомолибденовые стали (табл.4.1).

Таблица 4.1

Состав и свойства быстрорежущих сталей нормальной

теплостойкости

Cталь	Химический состав (средний),% масс					Свойства
Р18	C	W	Mo	Cr	V	HRC	Кр.58,0С	sизг,МПа
	0,75	18	до 1	4,2	1,2	62-63	625	2800
Р12	0,85	12	до 1	3,5	1,7	62-64	625	3100
Р9	0,9	9	до 1	4,2	2,3	62-63	620	3000
Р6М5	0,85	6	5	4	1,9	63-65	620	3400

На сталях этой группы целесообразно рассмотреть принципы легирования быстрорежущих сталей вольфрамом и молибденом.

Химический состав классической БРС Р18 сложился к 10-15 г.г. ХХ века. Композиция 18-4-1 (W,Cr,V) оказалась весьма удачной. Эта сталь вошла практически в стандарты всех стран (S18-0-1-Германия, НS18-0-1-Италия,Z80WCV18-04-01-Франция, ВТ1 – Великобритания, Т1 – США,SKH2 - Япония).

Успешность композиции не является случайной. При соотношении вольфрама и углерода 18 – 0,8 (% масс.) основным карбидом в структуре стали является, в соответствии с фазовой диаграммой «Fe–W-C», карбид Ме₆С.

Работы по исследованию влияния вольфрама на структуру и свойства БРС, содержащих до 2% ванадия (несколько больше, чем в стали Р18), проведенные на кафедре «Металловедение» МГТУ СТАНКИН Л.С.Кремневым и Ю.А.Геллером, показали, что увеличение содержания вольфрама в стали сопровождается ростом количества карбида Ме₆С. При этом рост концентрации вольфрама до 12 – 13% увеличивает как весовое, так и объемное количество карбида, а затем практически возрастает лишь его весовое количество.

Карбид Ме₆С имеет сложный состав. Помимо атомов основного элемента - вольфрама в нем растворены атомы железа, хрома, ванадия. Его состав может меняться в пределах от (Fe,Cr,V)₄W₂С до (Fe,Cr,V)₂W₄C. Такое изменение химического состава карбида приводит к тому, что его плотность увеличивается (атомные весаFe,CrиV– 55,85; 52,01; 50,95, соответственно, тогда какW– 183,92).

Таким образом, увеличение концентрации вольфрама до 12 – 13% приводит к образованию новых карбидов (растет их объемная доля), а дальнейшее увеличение приводит, в основном, к «утяжелению» карбида. Вольфрам при этом расходуется не на образование новых порций карбидных частиц, а на замещение атомов более легких элементов в уже имеющихся карбидах, при этом естественно возрастает весовое количество карбида.

Результаты этих исследований позволили обосновать состав стали Р12. Свойства сталей Р18 и Р12 практически одинаковы, а содержание дорогостоящего вольфрама в стали Р12 в 1,5 раза меньше. Таким образом, оптимальное содержание вольфрама в вольфрамовых БРС составляет 12 - 13%.

В основу создания стали Р9 положено то обстоятельство, что при закалке стали Р18 лишь около половины вольфрама переходит в твердый раствор. Таким образом, возникла гипотеза об излишнем содержании вольфрама в стали Р18. Следствие этой гипотезы - идея сокращения содержания вольфрама в два раза с тем, чтобы «работал» - переходил в твердый раствор - весь вольфрам. Однако эта гипотеза себя не оправдала. И в этом случае растворить в аустените все карбиды не удается (подробнее см. низколегированные быстрорежущие стали). Вместе с тем сталь Р9 обладает достаточной теплостойкостью и, несмотря на пониженные технологические свойства (см. ниже), нашла применение из-за невысокого уровня легирования вольфрамом.

Сталь Р6М5 – вольфрамомолибденовая. Молибден и вольфрам являются химическими аналогами. Атомный вес молибдена (95,95) меньше, чем у вольфрама (183,92), поэтому для получения одинакового количества карбидной фазы (% объемн.) его массовая доля в БРС должна быть, естественно, меньше.

Анализ фазовой диаграммы «Fe– Мо -C» показывает, что при содержании углерода, равном 0,8%, карбид Ме₆С будет основным, если содержание молибдена в стали равно 12% (в системе «Fe–W-C» это достигается при 18%W). Т.е. содержание молибдена в БРС должно быть примерно в 1,5 раза меньше, чем вольфрама.

Таким образом, сталь Р6М5 отвечает сформулированному выше оптимальному содержанию основных легирующих компонентов в БРС (в среднем, W+ 1,5 Мо=13,5%).

Карбиды вольфрамомолибденовых БРС имеют меньшие размеры, чем вольфрамовых. Это связано с более низкой температурой кристаллизации этих сталей и их более высокой горячей пластичностью.

Вследствие более низкой температуры кристаллизации эвтектика получает более тонкое строение (карбиды меньших размеров). При получении одинакового сечения при горячей пластической деформации лучшая пластичность вольфрамомолибденовых БРС определяет меньшее количество нагревов, вызывающих рост карбидов.

Основные, эксаплуатационные свойства сталей этой группы близки. Вольфрамовые БРС обладают несколько большей теплостойкостью по сравнению с вольфрамомолибденовыми, но их механические свойства ниже.

Режущий инструмент из этих БРС предназначен для обработки сталей (s_вдо 80 - 100Мпа) и чугунов (с твердостью до 250 - 280НВ) и цветных металлов и сплавов, обладающих хорошей обрабатываемостью (медные, алюминиевые, цинковые).

При используемых режимах резания отличия в свойствах сталей практически не оказывают влияния на стойкость инструмента (до 40 м/мин при обработке черных и до 80 м/мин при обработке цветных металлов).

Выбор сталей для конкретных условий обработки и типа инструмента определяется различия их технологических свойств.

Сталь Р6М5 обладает большей горячей пластичностью по сравнению с вольфрамовыми сталями, но менее технологична при термической обработке. Она обладает большей склонностью к обезуглероживанию при нагреве, для нее характерен более узкий интервал закалочных температур.

Более мелкие карбиды и их лучшее распределение в стали Р6М5 определяет целесообразность ее применения для инструментов большого сечения.

Обрабатываемость резанием при лезвийной обработке всех сталей близка, их твердость в отожженном состоянии в соответствии с ГОСТ не должна превышать 255НВ. Обрабатываемость шлифованием (шлифуемость) сталей Р18, Р12 и Р6М5 по ГОСТ оценивается как удовлетворительная, тогда как стали Р9 - как пониженная. Это связано с большим содержанием ванадия в этой стали, образующего карбид VC(МеС) высокой твердости (подробно технологические свойства рассмотрены ниже).