7. Инструментальные материалы

Быстрорежущие стали представляют собой высоколегированные инструментальные сплавы. По структуре после отжига они относятся к ледебуритному классу. Для повышения структурной однородности литую сталь подвергают горячей обработке давлением, при которой дробится сетка эвтектики. В структуре катаной стали после отжига наблюдаются крупные первичные карбиды, представляющие осколки ледебуритной эвтектики, мелкие вторичные карбиды, выделившиеся в литой стали из аустенита, и очень мелкие эвтектоидные карбиды, входящие в сорбитный фон.

Высокая теплостойкость (красностойкость) быстрорежущих сталей достигается термической обработкой с получением высоколегированного мартенсита, способного сопротивляться отпуску до 600…650 ^ºС и, следовательно, сохранять до этих температур высокую твердость, прочность, износостойкость. Степень легирования мартенсита определяется составом исходного аустенита. Чем выше температура закалки, тем больше легирующих элементов (W, Mo, V), входящих в состав вторичных карбидов, растворяется в аустените, поэтому быстрорежущие стали нагревают под закалку до 1200…1300 ^ºС. Первичные карбиды в аустените не растворяются, но препятствуют росту аустенитных зерен, блокируя их границы. Быстрорежущие стали обладают весьма низкой теплопроводностью, поэтому их нагрев до температуры закалки ведут ступенчато с одной или двумя температурными остановками, что позволяет предупредить появление коробления и трещин. Высокая легированность аустенита предопределяет довольно низкие температуры начала и конца мартенситного превращения, что обусловливает сохранение после закалки значительного количества (более 30 %) остаточного аустенита, который понижает режущие свойства стали. Уменьшение содержания остаточного аустенита достигается проведением после закалки трехкратного отпуска, при котором из аустенита выделяются карбиды легирующих элементов, что влечет за собой повышение температуры мартенситного превращения, и при охлаждении от температур отпуска аустенит превращается в мартенсит. Для уменьшения количества остаточного аустенита иногда закаленную сталь подвергают обработке холодом, т.е. охлаждают в область отрицательных температур (- 80…-196 ^ºС), что также способствует увеличению количества мартенсита.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р, после которой следует число, указывающее на содержание вольфрама в процентах. В остальном маркировка такая же, как у легированных инструментальных сталей. Например, Р18 (18 % W), Р6М5 (6 % W, 5% Мо), Р18К5Ф2 (18 % W, 5 % Со, 2 % V). Содержание углерода составляет 0,7…0,8 %.

Твердые сплавы ─ это инструментальные материалы, состоящие из частиц карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), объединенных металлическим связующим компонентом (кобальтом), изготавливаемые методом порошковой металлургии. Твердые сплавы обладают высокой твердостью (90…92HRA), износостойкостью, красностойкостью (800…900 ^ºС).

Существуют сплавы следующих групп: вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые.

Вольфрамовые сплавы, например, ВК2, ВК8, ВК15, ВК25 состоят из карбидов вольфрама и металлического кобальта (число, стоящее в марке сплава после буквы К, указывает процентное содержание кобальта). Чем больше в сплаве карбида вольфрама, тем сплав тверже и хрупче. Вязкость сплава, дающая возможность воспринимать ударные нагрузки, обеспечивается кобальтом. Сплав ВК2, содержащий около 2 % кобальта, обладает весьма низкой вязкостью. Им можно вести лишь чистовую обработку резанием, не сопровождающуюся динамическими нагрузками. Твердость же и износостойкость сплава настолько высоки, что позволяют обрабатывать закаленные стали. Сплав ВК8 более вязок, но менее тверд, менее износостоек и красностоек. Этим сплавом можно обрабатывать отливки по литейной корке. Сплав ВК15 может быть использован для армирования бурового инструмента, работающего по твердым породам со значительными ударными нагрузками. Сплав ВК25 вязок, из него можно изготавливать детали штампов, воспринимающих ударные нагрузки, возникающие при работе молота.

Титановольфрамовые сплавы, например, Т5К10, Т15К6, Т30К4 изготавливают из карбидов титана, карбидов вольфрама и металлического кобальта. В марке сплава число, стоящее после буквы Т, указывает на содержание в шихте сплава карбида титана в процентах; число, после К, ─ содержание кобальта. Содержание карбида вольфрама определяют по разности. Так, в шихте твердого сплава Т5К10 содержится 5 % TiС, 10 % Co и 85 % WC. Карбид титана обладает более высокой твердостью, чем карбид вольфрама, поэтому чем больше в сплаве TiC (точнее твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана), тем большей твердостью и износостойкостью обладает сплав. Большей твердостью обладает сплав Т30К4. С увеличением в сплавах содержания кобальта (Т15К6, Т5К10) твердость снижается, но повышается эксплуатационная прочность. Применяют титановольфрамовые сплавы в основном для обработки сталей.

Титанотанталовольфрамовые сплавы изготавливают из карбидов титана, карбидов тантала, карбидов вольфрама и металлического кобальта. Например, шихта сплава ТТ7К12 содержит 7 % карбидов титана и тантала, 81 % карбидов вольфрама и 12 % кобальта. Применяют титанотанталовольфрамовые сплавы для черновой (например, сплав ТТ7К12) и чистовой (например, сплав ТТ8К6) обработки труднообрабатываемых материалов (жаропрочных сталей, титановых сплавов и др.).