Основные свойства инструментальных материалов

Инструментальный материал	Предел прочности, МПа		Теплостойкость, оС	Твердость		Микро-твердость, ГПа
	при изгибе	при сжатии		HRCэ	HRA
Легированная сталь	2000–2500	–	До 260	61–63	–	–
Быстрорежущая сталь: нормальной теплостойкости, повышенной теплостойкости	До 3200 До 3700	3800 3800	610–615 До 650	63–65 65–67	– –	7 7,5
Твердые сплавы: вольфрамовые, титановоль-фрамовые	1100–1165 950–1650	3300 4150	800–850 850–900	– –	87–91 87–92	16–17 16–17
Керамические	400–637	–	1200	–	91–93	15
Алмазы	–	–	700–800	–	–	100
Композиты	–	–	1200–1300	–	–	78–95

2.3. Зарубежные марки быстрорежущих сталей

За последние годы в нашей стране, а также в зарубежных странах (США, Германии, Франции, Англии, Швеции, Японии и других) производится большое количество различных быстрорежущих сталей. Химический состав сталей, выпускаемых в нашей стране по ГОСТ 9373–60, ГОСТ 19265–73 и по некоторым ТУ, представлен в табл. 2.9. В ней сталями нормальной теплостойкости называются стали, имеющие теплостойкость до 620 °С, а сталями повышенной теплостойкости – стали с теплостойкостью 630...650 °С.

Таблица 2.9

Химический состав быстрорежущих сталей

Марка стали	Содержание легирующих элементов, %
	С	W	Мо		Сг	V	Со
Стали нормальной теплостойкости
1. Вольфрамовые
Р18	0,7–0,8	17–19	0,5-1		3,8–4,4	1–1,4	–
Р12	0,8–0,9	12–13	До 1		3,2–3,7	1,5–1,9	–
Р9	0,85–0,95	8,5–10	До 1		3,8–4,4	1,3–1,7	–
Р9Ф (ЭП347)	0,7–0,8	8,5–10	До 1		4–4,6	1,3–1,7	–
2. Вольфрамомолибденовые
Р6М3	0,85–0,95	5,5–6,5	3–3,6		3–3,6	2–2,5	–
Р6М5	0,8–0,9	5,5–6,5	4,5–5,5		3,8–4,4	1,8–2,2	–
Р9МК1(ЭП344)	0,8–0,9	8,5–10	3–3,6		3,5–4,1	1,8–2,2	–
Стали повышенной теплостойкости
А. Стали с повышенным содержанием ванадия
Р18Ф2	0,85–0,95	17–19	0,5–1		3,8–4,4	1,8–2,4	–
Р14Ф4	1,2–1,3	13–14,5	До 1		4–4,6	3,4–4,1	–
Р12Ф3 (ЭП597)	0,94–1,04	12–13,5	0,5–1		3,5–4	2,5–3	–
Р9Ф5	1,4–1,5	9–10,5	До 1		3,8–4,4	4,3–5,1	–
Б. Кобальтовые стали
1. Вольфрамокобальтовые
Р18Ф2К5	0,85–0,95	17–19	0,5–1		3,8–4,4	1,8–2,4	5–6
Р15Ф2К5(ЭП599)	0,75–0,85	12,5–14	0,5–1		3,5–4	1,7–2,2	5–6
Р9К5	0,9–1	9–10,5	До 1		3,8–4,4	2–2,6	5–6
Р9К10	0,9–1	9–10,5	До 1		3,8–4,4	2–2,6	9,5–10,5
2. Вольфрамомолибденокобальтовые
Р6М3К5 (ЭП515)	0,8–0,9	5,5–6,5	3–3,6		3–3,6	2,1–2,5	5–6
Р6М5К5	0,8	6	5		4	2	5
3. Кобальтовые стали с повышенным содержанием ванадия
Р10К5Ф5	1,45–1,55	10,5–11,5		До 1	4–4,6	4,3–5,1	5–6
Р12К5Ф4	1,25–1,4	12,5–14		0,5–1	3,5–4	3,2–3,8	5–6

Кроме сталей, приведенных в табл. 2.9, за последние годы раз­работан целый ряд новых быстрорежущих сталей. Ниже приво­дится их краткая характеристика.

Сталь повышенной производительности Р18Ф2К8М (ЭП379) имеет твердость после термообработки 67...68 HRC_э при теплостойкости 640°С. При обработке титановых и жаропрочных сплавов инструменты из стали ЭП379 имеют стойкость в 2...3 раза выше, чем из стали Р18, а при нарезании резьбы и сверлении закаленных сталей – в 10...30 раз выше.

Сталь Р18Ф3К8М (ЭП380) может быть закалена до твердости 69...70 HRC_э и имеет теплостойкость 650 °С, однако она отличается плохой ковкостью и поэтому может применяться только для изготовления инструментов простой формы.

Имея твердость 66...67 HRC_э, сталь Р18Ф4К8М (ЭП381) несколько превосходит предыдущую по прочности и ударной вязкости. Еще более высокие прочностные свойства имеет сталь Р9Ф4К8М. Твердость ее равна 64...65 HRC_э. Для обработки аустенитных сталей и жаропрочных сплавов рекомендуется применять сталь Р12М3Ф2К8 (ЭП657), имеющую твердость до 68,5 HRC_э и теплостойкость до 640 °С при хороших технологических свойствах.

Сталь Р6М5Ф2К8 (ЭП658) имеет твердость 66...68 HRC_э при теплостойкости 640 °С и предназначена для обработки высокопрочных сталей в условиях ударной нагрузки. Для этой же цели рекомендуется и сталь Р6М5К14Ф2 (ЭП804). Все эти стали разработаны в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Ряд новых марок быстрорежущих сталей разработан в МГТУ «СТАНКИН»: Р18Ф2К5М, Р12Ф4К8, Р8М3С, Р9МЧК8 (ЭП688), Р8М33С6С (ЭП722). Сталь ЭП688 имеет твердость до 67...67,5 HRC_э, а сталь ЭП722 – до 69...69,5 HRC_э. Сталь ЭП688 рекомендуется применять для обработки жаропрочных сплавов, где стойкость инструментов из данной стали в 3...4 раза выше, чем из сталей Р18 и Р12, и в 1,5...2,5 раза выше, чем из вольфрамокобальтовых сталей Р9К5 и Р9К10. Инструменты из стали ЭП722 рекомендуются для резания высокопрочных сталей и титановых сплавов.

Выпускаемые в последнее время стали 10Р6М5 и 10Р8М3 обладают повышенной износостойкостью и используются для резания закаленных конструкционных сталей твердостью 30...35 HRC_э. Стойкость инструмента из стали 10Р6М5 при обработке заготовок деталей машин прочностью σ_в = 1000...1100 МПа в 1,3...2 раза выше, чем из стали Р6М5. Сталь Р6М5Ф3 рекомендуется для чистовой и получистовой обработки легированных сталей, включая труднообрабатываемые, нержавеющие и аустенитные стали. Стойкость инструмента на 30...40 % выше, чем у сталей Р18 и Р6М5.

При оптимизации состава легирующих элементов в быстрорежущих сталях часто используют математическое моделирование для установления зависимости состав – свойство. В качестве исследуемых факторов (входные параметры) выбирали содержание легирующих элементов, в качестве функций цели (выходные параметры) рассматривали твердость, прочность, ударную вязкость, тепло- и износостойкость, в качестве контролируемых параметров – балл карбидной неоднородности и глубину обезуглероженного слоя.

Оптимизация полученных моделей позволила выбрать состав стали со следующей концентрацией легирующих элементов: 1,05...1,15 % углерода; 1,7...2,2 % вольфрама; 3,3...3,8 % молибдена; 5,0...5,5 % хрома; 2,5...3,0 % ванадия; 3,3...3,8 % кобальта; 0,7...1,2 % кремния; 0,2...0,5 % ниобия; обозначена сталь маркой Р2М3Ф3К3СБ.

Оптимальный режим термической обработки стали: закалка при 1200...1220 °С и двукратный отпуск при 560 °С в течение 1 ч. После обработки сталь марки Р2М3Ф3К3СБ характеризуется следующими свойствами: твердость 64...66 HRC_э, прочность 2800...3200 МПа, ударная вязкость 0,23...0,28 МДж/м², теплостойкость 670…700 °С, характеризуемая твердостью после четырехчасового нагрева при 630 °С.

В отожженном состоянии структура стали представляет собой полигонизированный феррит и карбид МС, М₆С и М₂₃С₆, распре­деление которых более однородное, чем в высоколегированных сталях марки Р6М5К5.

Аустенизация при температуре 1220 °С не вызывает заметного роста зерна в стали, так как более 90 % избыточных карбидов на основе ванадия и ниобия МС остаются нерастворенными и служат барьером, сдерживающим рост зерна.

Кобальт почти полностью содержится в твердом растворе, не перераспределяется между ним и карбидной фазой и не оказывает влияния на количество последней. Однако при отпуске кобальт совместно с кремнием значительно изменяет кинетику коагуляции карбидов. Этим объясняется то, что размеры выделяющихся при отпуске стали марки Р2М3Ф3К3СБ карбидов МС, М₂С и М₃С значительно меньше, чем в большинстве быстрорежущих сталей.

Стандарт США на быстрорежущую сталь по AISI охватывает 30 марок, разделенных на две группы: молибденовую М – 21 марка и вольфрамовую Т – девять марок. Выпуск молибденовых быстрорежущих сталей составляет 92 % всего производства быстрорежущей стали в США.

При изготовлении режущего инструмента в основном используются быстрорежущие стали следующих марок: вольфрамомолибденовая М2, соответствующая отечественной Р6М5, и марки вольфрамомолибденокобальтовой группы М40 (М41, М42). Фирма Do-All Со заменяет марку М2 на марку М7, как на более износостойкую. Вольфрамомолибденокобальтовую группу сталей М40 (М41–М47) широко применяют для обработки резанием высокотвердых и особо легированных сталей. После закалки и отпуска эти стали имеют высокую твердость, достигающую 70 HRC_э.

Химический состав американских вольфрамомолибденовых и молибденовых быстрорежущих сталей приведен в табл. 2.10.

Таблица 2.10