Порошковые стали инструментального назначения.

К основным материалам инструментального назначения порошкового производства относятся твердые сплавы типа ВК, изготовляемые на основе карбида вольфрама- и кобальтовой цементирующей связки. Однако дефицитность вольфрама, а также широкие возможности порошковой металлургии в создании металлоэкономных технологий, обеспечивающих высокий уровень механических свойств, позволили разработать ряд материалов и на их основе технологию изготовления режущих инструментов со свойствами превосходящими свойства традиционных инструментальных сталей и приближающимися, к свойствам инструментов, которые изготовляют из твердых сплавов. Среди инструментальных порошковых материалов в настоящее время широкое, применение имеют быстрорежущие стали и карбидостали.

Порошковые быстрорежущие стали должны обладать высокой горячей твердостью и красностойкостью. Достигается это путем легирования сталей карбидообразующими элементами (W, Mo, Cr, V, Ti и др.) в таком количестве, при котором они связываются с углеродом в специальные карбиды типа Ме₆С, Ме₂₈С₆, Ме₈С. Эти карбиды являются более устойчивыми по отношению к цементиту, а их влияние на свойства стали определяется состоянием карбидной фазы (дисперсностью, формой, размером, распределением). Увеличение числа карбидных включений, их дисперсности и равномерность распределения повышают механические и режущие свойства инструмента.

Быстрорежущая сталь, являясь сложным высоколегированным сплавом, в литом состоянии обладает рядом недостатков, выражающихся в ликвации легирующих элементов, карбидной неоднородности. В структуре литой стали карбиды обычно образуют карбидную сетку, наличие которой способствует повышению неоднородной концентрации напряжений при закалке, повышает склонность к трещинообразованию, снижает механические и эксплуатационные свойства. Даже при применении совмещенных процессов обработки давлением с последующей термической обработкой не устраняются отрицательные явления в быстрорежущих сталях.

Наиболее перспективным направлением получения инструмента из быстрорежущих сталей является метод порошковой металлургии. При получении инструмента из порошковой быстрорежущей стали появляется возможность регулировать дисперсность структурных составляющих. Кроме того, в структуре готовых изделий при этом отсутствуют такие пороки, как ликвация по легирующим компонентам и карбидам. Особенности структурного состояния порошковых быстрорежущих сталей повышают стойкость, механические свойства, служебные характеристики инструментальных изделий в два-три раза по сравнению с изделиями, изготовленными из кованых сталей.

Изготовление изделий из быстрорежущих сталей может производиться на основе механических смесей порошковых компонентов, распыленных порошков и порошков, полученных путем переработки отходов инструментального производства — стружки.

В связи со сложностью химического состава быстрорежущих сталей, большим различием исходных порошковых компонентов по физическим и технологическим свойствам получение при смешивании однородной смеси практически невозможно. Спеченные инструментальные изделия в этом случае отличаются большой неоднородностью по химическому составу, структуре и свойствам, что отрицательно сказывается на механических свойствах.

В настоящее время изготовление инструментальных изделий в основном осуществляется на базе распыленных порошков.

Возможность при распылений в широком интервале регулировать скорость охлаждения позволяет получать микрослитки - гранулы — с тонкодисперсной структурой, лишенной карбидной ликвации, строчечности, ликвации легирующих элементов. Распыление расплава быстрорежущей стали производится либо инертными газами, либо водой. После распыления порошки подвергаются восстановительному отжигу для понижения удержания кислорода и улучшения технологических свойств, а иногда — дроблению с последующим отжигом.

Изготовление инструментальных изделий на основе порошков быстрорежущей стали может осуществляться путем горячего прессования непосредственно порошка или предварительно спрессованных и спеченных заготовок, а также посредством изостатического горячего прессования, экструзии, горячей прокатки.

В связи с низкой технологичностью (плохой прессуемостью) наиболее широкое применение находит следующая схема изготовления инструментальных изделий. Гранулы засыпаются в капсулу, которая после вакуумирования заваривается и помещается в газостат, где при температуре 1000-1200°С подвергается прессованию за счет объемного сжатия газами. Спрессованная таким образом заготовка содержит 4-6% пор. В целях получения малопористого материала (с остаточной пористостью 0,5-1,0%) заготовки подвергаются горячей ковке, экструзии, прокатке, а затем получают готовый инструмент. При изготовлении длинномерных изделий (сверл, протяжек, разверток) широкое применение имеет горячая экструзия, обеспечивающая однородность структуры, плотность и требуемые механические свойства по всей длине изделия. Полученные изделия подвергаются термической обработке в режимах, близких к режимам, применяемым для изготовления инструментов из кованых сталей.

В целях повышения технологичности порошков быстрорежущих сталей гранулы подвергаются дроблению с последующим отжигом. Полученный после дробления порошок хорошо прессуется и обладает повышенной активностью, вследствие чего при спекании в присутствии активных засыпок (порошка, губки титана) можно после однократного прессования и спекания получать изделия повышенной плотности (до 96-98%). Повышение механических свойств и улучшение эксплуатационных характеристик быстрорежущих сталей может достигаться путем предварительной обработки гранул перед прессованием.

Порошковые карбидостали. Карбидосталями называются соединения стали, выполняющей роль связки с равномерно распределенными в ней карбидами тугоплавких металлов. По свойствам сталь— карбид титана является промежуточным материалом между инструментальными сталями и твердыми сплавами. В таком материале сталь обеспечивает способность к термической и механической обработке, а карбид титана — износостойкость.

В качестве стальной основы обычно применяются инструментальные и быстрорежущие стали. Технология изготовления состоит из приготовления порошковой смеси; прессования до плотности 45-50%; предварительного спекания при 600-700°С в вакууме, среде аргона или азота; механической обработки и окончательного спекания в вакуумной печи при остаточном давлении 1-0,1 Па при температуре 1320-1380°С в течение 30-60 мин. В результате спекания получаются заготовки с плотностью 98-99%.

Для улучшения окончательной механической обработки изделия могут подвергаться смягчающему отжигу.