Стали и сплавы для режущего инструмента

1. Стали, не обладающие теплостойкостью.

Для слесарного инструмента, бритв и др. изделий, не нагревающихся при эксплуатации, применяют углеродистые нелегированные стали У8 (У8А), У10 (У10А), У11 (У11А), У12 (У12А), У13 (У13А). Термическая обработка – закалка + низкий отпуск. Они имеют низкую прокаливаемость и нетеплостойки (при нагреве до температуры 200⁰С и выше твердость режущей кромки падает), т.к. нелегированный мартенсит выше этой температуры отпускается.

Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, отвертки, топоры изготавливают из сталей У7 и У8 и проводят закалку со средним отпуском на троостит.

Повышенной прокаливаемостью при низкой теплостойкости обладают малолегированные стали. Их при закалке можно охлаждать не в воде, а в масле, что не приводит к короблению и трещинам (11ХФ, 13Х, 9ХС, ХВСГ) – из этих сталей изготавливают ручные сверла, развертки, плашки и т.д.

Вольфрамовые стали В2Ф и ХВЧ после закалки в водных растворах имеют высокую твердость и применяются для пил (по металлу), граверных инструментов и т.д.

2. Быстрорежущие стали (теплостойкие).

Основными легирующими элементами для теплостойкости являются вольфрам и молибден, а также кобальт и, в меньшей степени, ванадий. Ванадий, образуя очень твердый карбид VC, повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость.

Классическая марка быстрорежущей стали Р18, которую можно условно описать формулой (18-4-1), где цифры в скобках означают соответственно W-Cr-V. Более экономно легированной сталью является Р9, у которой формула (9-4-2). Р18 содержит 0,8% С, Р9 – 0,9% С. Остальные марки на базе этих двух, когда любые изменения в формулах отражаются в марках, например, Р18Ф2 означает, что в стали не 1%, а 2% ванадия. В стали Р18 содержится 0,8% С, в стали Р9 больше, т.к. увеличено содержание ванадия. Из-за дефицитности вольфрама его заменяют молибденом, поэтому в настоящее время широко используется сталь Р6М5. Для обработки высокопрочных сталей применяют легирование. Со сталей типа Р18 и Р9: Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, что приводи к повышению теплостойкости (630⁰С).

Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу, т.е. по структуре это доэвтектические белые чугуны, содержащие много первичных и вторичных карбидов: в Р18 количество карбидов достигает 25-30%.

Карбиды в ледебурите имеют скелетообразный вид. Горячей обработкой давлением (ковка, прокат) они дробятся. Быстрорежущая сталь самокал, поэтому после ковки она очень твердая, а из нее надо изготавливать инструменты (сверла, резцы, фрезы и т.д.). Для смягчения быстрорежущую сталь подвергают изотермическому отжигу, в результате которого сталь будет иметь в структуре сорбитообразный перлит и карбиды легирующих элементов (первичные и вторичные).

После изготовления инструмента для придания твердости и теплостойкости их подвергают закалке и отпуску. Температура закалки стали Р18 - 1270⁰С, а стали Р9 и Р6М5 – 1220⁰С. Такие высокие температуры закалки необходимы для того, чтобы в аустените растворилось как можно больше вторичных карбидов, тогда получится высоколегированный (W, Cr, Mo, V) и высокоуглеродистый аустенит, из которого после закалки получается теплостойкий и твердый мартенсит. Несмотря на высокую температуру нагрева, эти стали не подвержены перегреву, т.к. первичные карбиды и часть нерастворившихся вторичных карбидов препятствует росту зерен аустенита.

Выдержка при температуре закалки проводится чаще всего в соляных ваннах (BaCl₂) для предотвращения окисления и обезуглероживания режущих кромок инструмента, а также для соблюдения более точной температуры, т.к. нагрев при закалке близок к линии солидус, и перегрев может привести к оплавлению.

Охлаждающей средой при закалке является масло. Структура после закалки – мартенсит, карбиды и остаточный аустенит, которого может остаться 30 и более процентов (рис. 10.6). Остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, и поэтому его присутствие в готовом инструменте крайне нежелательно. Большое количество остаточного аустенита объясняется высокой легированностью стали; точка Мн у быстрорежущей стали ~ 150⁰С, а Мк ~ (-80⁰С).

Рис. 10.6 Схемы режимов термической обработки инструментов

из быстрорежущей стали:

а) без обработки холодом

б) с обработкой холодом

Устранить остаточный аустенит можно обработкой холодом (довести сталь после закалки до -80⁰С) или отпуском (рис. 10.6). При отпуске за счет выделения из аустенита дисперсных карбидов W, Mo, Cr легированность его падает, точки Мн и Мк повышаются и при охлаждении с температуры отпуска аустенит переходит в мартенсит. При последующем отпуске он отпускается. Отпуск проводят 3-х кратный (рис. 10.6), при переводе аустенита в мартенсит твердость возрастает.

Теплостойкость инструмента получается более высокой, если вместо трехкратного отпуска проводить после закалки обработку холодом и однократный отпуск при 560⁰С. В этом случае мартенсит будет более легированным, а значит, более теплостойким. Вольфрам и молибден, растворенные в мартенсите, удерживают углерод в растворе до тех пор, пока сами не приобретут диффузионную подвижность. При температурах > 600⁰С углерод в виде карбидов W₆C или Мо₆С выделяется из мартенсита, в результате твердость падает. Температура красностойкости быстрорежущей стали поэтому ~ 600⁰С (до 650⁰С).

Для стали Р6М5 оптимальный режим отпуска: 350⁰, 1ч (1 отпуск) плюс 2 отпуска 560⁰ по 1ч.

Твердость быстрорежущей стали после закалки НR С62-63, а после отпуска возрастает до 64-65 НR С. Подавляющее число режущего инструмента для станков изготавливается из быстрорежущей стали. Для повышения стойкости заточенный инструмент очень часто подвергается химико-термической обработке для получения на поверхности очень тонкого (0,01-0,03 мм) слоя, в котором находятся дисперсные очень твердые частицы карбонитридов или нитридов. К таким видам относится газовое или ионное азотирование, жидкое низкотемпературное цианирование и карбонитрация, вакуумно-плазменное нанесение износостойких покрытий. Применяется также сульфоцианирование и оксидирование. При переточке слой снимается, поэтому этим видам обработки подвергают, в основном, инструмент, неперетачиваемый по всем граням (резьбовые и червячные фрезы, долбяки, протяжки, фасонные резцы, метчики, сверла, зенкеры). Стойкость режущей кромки повышается в 2-2,5 раза.

Все шире применяются быстрорежущие стали, полученные методом порошковой металлургии. В этих сталях карбидная фаза более мелкая, структура более равномерная. Мелкие карбиды легче растворяются в аустените, поэтому эти стали более теплостойкие. Несмотря на высокое содержание ванадия, хорошо шлифуются, меньше содержат дефицитного вольфрама (М6Ф1-МП, Р6М5К5-МП). Стойкость режущего инструмента из порошковых сталей по сравнению со стойкостью инструмента из аналогичных сталей обычного производства в 1,2-2 раза выше.