Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали – сплавы, которые имеют достаточно большое количество легированных добавок. За счет добавления различных химических веществ свойства металла серьезно меняются. Рассматривая характеристики следует отметить, что материал подобного типа специально создается для эксплуатации при высоком показателе трения, который возникает на момент резания. Состав быстрорежущей инструментальной стали существенно повышает твердость металла, за счет чего он может работать на повышенной скорости.

Основные характеристики быстрорежущих сталей

Характеристики быстрорежущей стали следующие:

1. Высокая твердость. Рассматривая основное назначение подобного металла следует учитывать, что он может использоваться для обработки деталей или заготовок путем резания. Как показывают проведенные тесты, качественная быстрорежущая сталь сохраняет свои основные эксплуатационные качества при нагреве инструмента даже до температуры 6000 градусов Цельсия. Кроме этого быстрорежущая сталь обычного качества может иметь даже меньшую твердость в сравнении с обычным углеродистым металлом.
2. Повышенная стойкость к высокой температуре. Устойчивость к воздействию повышенной температуры определяет то, как долго инструмент сможет работать без изменения своих эксплуатационных качеств. Из-за слишком высокого показателя трения металл может нагреваться, что становится причиной изменения кристаллической решетки. В результате основные свойства быстрорежущей стали могут существенно измениться. Как правило, нагрев становится причиной повышения пластичности и снижения твердости, за счет чего износ поверхности проходит намного быстрее.
3. Устойчивость к разрушению. Режущий инструмент, который может работать на высокой скорости, должен обладать повышенной механической устойчивостью. Кроме этого инструмент может работать при высоком показателе подачи, что позволяет работать на большой глубине резания.

Именно химический состав быстрорежущей стали определяет ее основные эксплуатационные качества.

1 Быстрорежущие инструментальные стали – главные характеристики

Под быстрорежущими сталями понимают легированные стали, которые производятся в большинстве случаев исключительно для выпуска инструмента для резки металлов, который может функционировать на высоких скоростях. Основное их отличие от углеродистых инструментальных сталей заключается именно в том, что они способны обеспечивать резание твердых изделий в высокоскоростном режиме.

Сталь быстрорежущая инструментальная обладает следующими основными характеристиками:

• Горячая твердость. При работе инструмент для резки выделяет тепло, причем весьма интенсивно. Часть этой тепловой энергии (иногда до 80 процентов) идет на его разогрев, что вызывает отпуск материала и существенное уменьшение его твердости. Из-за этого явления инструмент, сделанный из обычных углеродистых сталей, теряет свою твердость. Быстрорежущая же сталь сохраняет твердость при температурах до 600 °C, что обуславливает большую производительность изделий из нее. Заметим – при нормальных температурах резки (не более 200 °C) твердость быстрорежущей стали является даже ниже обычной углеродистой.
• Красностойкость. Величина, определяющая временной промежуток, в течение которого инструмент способен выдерживать без потери своих рабочих свойств высокую температуру. Все марки быстрорежущих сталей имеют высокий показатель красностойкости. По этому показателю им на данный момент нет равных.
• Сопротивление разрушению. Высокие механические характеристики не менее важны для производительности режущего инструмента. Быстрорежущие стали описываются высокой прочностью, гарантирующей возможность изготовления инструмента с большой глубиной и подачей резания.

Изготовление быстрорежущих сталей

При производстве используются следующие технологии:

• Классический способ разливки и формовки металла с последующей проковкой. Эта технология дает возможность предварительного отжига и закалки материала, а также предотвращает образование хрупкости и улучшает качественные характеристики инструмента.
• Порошковый метод, в процессе которого расплавленный состав распыляется с помощью азота.

Для улучшения качества полученных изделий, после изготовления их поверхность подвергают дополнительной обработке азотом, цинком, серосодержащими сульфидами.

Методы производства и обработки

Для производства инструментов, изготавливаемых из быстрорежущих сплавов, используются две основные технологии:

• классический метод, который предполагает разливку расплавленного металла в слитки, в дальнейшем подвергающиеся проковке;
• метод порошковой металлургии, при котором расплавленный металл распыляется при помощи струи азота.

Классическая технология, предполагающая проковку изделия из быстрорежущего сплава, которое предварительно было отлито в специальную форму, позволяет наделить такое изделие более высокими качественными характеристиками.

Подобная технология помогает избежать формирования карбидных ликваций в готовом изделии, а также дает возможность подвергнуть его предварительному отжигу и дальнейшей закалке. Кроме того, данная технология изготовления позволяет избежать такого явления, как «нафталиновый излом», которое приводит к значительному повышению хрупкости готового изделия, изготовленного из быстрорежущего сплава.

Закалка готовых инструментов, выполненных из быстрорежущего сплава, осуществляется при температурах, которые способствуют лучшему растворению в них легирующих добавок, но в то же время не приводят к росту зерна их внутренней структуры. После выполнения закалки быстрорежущие сплавы имеют в своей структуре до 30% аустенита, что не самым лучшим образом сказывается на теплопроводности материала и его твердости. Для того чтобы уменьшить количество аустенита в структуре сплава до минимальных значений, используются две технологии:

• проводят несколько циклов нагрева изделия, выдержки при определенной температуре и охлаждение: многократный отпуск;
• перед выполнением отпуска, изделие подвергается охлаждению до достаточно низкой температуры: до –800.

3 Производство быстрорежущих сталей и их обработка

Сейчас применяются две технологии изготовления быстрорежущей стали:

• распыление азотом струи жидкого металла (порошковая методика);
• разливка в слитки, прокатка и дальнейшая проковка (классический метод).

Чаще используется классическая методика, которая предполагает учет ряда особенностей обработки сталей, относимых к группе быстрорежущих. Во-первых, необходимо избежать карбидной ликвации в готовом сплаве, вызываемой недостаточной проковкой металла. Во-вторых, закалка быстрорежущей стали в обязательном порядке предваряется отжигом. Если не придерживаться данного требования, готовые изделия будут хрупкими из-за так называемого «нафталинового излома».

Непосредственно закалка осуществляется при температурах, которые не становятся причиной роста зерна в α-железе, и при этом гарантируют наибольшую растворимость в нем легирующих добавок. Закаленная сталь имеет в своей структуре до 30 процентов аустенита, который понижает показатели теплопроводности материала и твердости инструмента. «Убрать» лишний аустенит можно двумя способами:

• многократным отпуском: несколько подряд идущих процедур нагрева, выдержки и охлаждения;
• холодом: перед отпуском металл охлаждается до – 80 °C.

Указанные процедуры не дают возможности полностью удалить аустенит из стали, но обеспечивают значительное уменьшение его количества.

Свёрла по типам

В зависимости от «точки отсчёта», все свёрла можно разделить на несколько больших групп:

• по виду материала инструмента (из быстрорежущей стали, победитовые, закалённые, с защитным покрытием и т.п.);
• для работ по металлу;
• для древесины (отличаются наличием тонкого острого кончика для удобства первичного врезания в материал);
• для хрупких, но твёрдых материалов (бетона, кирпича и пр.) – узнаваемы по характерному режущему конусу с парой «лепестков», имеющих твёрдые наплавки;
• для сверления с ударной нагрузкой – отличаются выступами и проточками на цилиндрическом хвостовике для крепления в патроне перфоратора.

Таким образом, ещё прежде чем взглянуть на маркировку сверла, по внешним признакам можно точно определить тип и назначение инструмента. А уже затем переходить к детальному рассмотрению его характеристик.

Маркировка сверла

Очень тонкие свёрла обычно не имеют никаких обозначений (их просто некуда гравировать!). На хвостовиках свёрл диаметром от 3 мм и более наносится буквенно-цифровой код, обозначающий:

• марку материала – самая распространённая быстрорежущая сталь обозначается буквой Р. Применяются также безвольфрамовые быстрорежущие стали (марок ЭК-41, ЭК-42), и твёрдые сплавы (ВК6, ВК8, Т15К6, Т5К10);
• процент вольфрама в сплаве (например Р6 – быстрорежущая сталь с 6% вольфрама);
• виды легирующих элементов (буквами: М обозначает молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, А – азот, Ш – электрошлаковый переплав);
• массовые доли других легирующих элементов (также цифрами);
• наконец, значок диаметра (может отсутствовать) и число рядом с ним указывают рабочий размер сверла.

Например: маркировка на сверле «Р6М5К5 10,6» – это инструментальная быстрорежущая сталь с 6% вольфрама в сплаве, плюс легирующие добавки молибдена (5%) и кобальта (5%), диаметр инструмента 10,6 мм.

Следует отметить, что чем больше диаметр сверла, тем подробнее маркировка на нём (может включать класс точности, наименование производителя и пр.).

Маркировка перового режущего инструмента

1. Р18 – удовлетворительный показатель, повышенная шлифуемость, указывает на широкий интервал закалочных температур.
2. Р 9 – отличаются повышенной износостойкость, более узким интервалом закалочных температурных показателей, повышенной пластичностью.
3. Р6М5 – дополнительно добавляется молибден, увеличенная склонность к обезуглероживанию.
4. Р12Ф3 – имеют пониженную шлифуемость, используются для сверления на среднем режиме. Добавлено 3% ванадия.
5. Р6М5Ф3 – увеличенная износостойкость, работа на средней скорости резания, применяются для углеродистых и легированных инструментальных сталей.
6. Р9К5,
7. Р6М5К5,
8. Р18К5Ф2 – добавляется кобальт, который обеспечивает повышение вторичной твердости, теплостойкости, повышенный режим резания.

Имеют обозначение 2304 — эксплуатационно-конструктивная характеристика. Полная маркировка 2304-4001-50-108. Показатель от 50 до 108 может изменяться. Он указывает на возможное значение диаметра.

Зарубежная маркировка (DIN и HSS) расшифровывается чуть иначе – хотя обозначает в принципе то же самое.

• HSS (High Speed Steel) – общее маркирование группы быстрорежущих сталей;
• идущие следом буквы подсказывают «специализацию» сверла: R (или без буквенного обозначения) – свёрла с наименьшей стойкостью, G – для работы по углеродистым и легированным сталям, чугуну и цветным металлам, E – для кислотостойких нержавеющих сталей, HSS-G TiN и HSS-G TiAlN – для обработки титана. Разумеется, справедлива и «обратная совместимость» – сверло для титана отлично подойдёт для обработки и углеродистых, и нержавеющих сталей;
• при желании можно узнать детальный состав материала сверла по специальной таблице.

Таблица соответствия общехимического состава HSS сталей и их отечественных аналогов.

Например, свёрла с маркировкой М1 являются более гибкими и менее восприимчивыми к ударам, и они пригодны для общих работ. Свёрла М2 используются уже для высокопроизводительных машинных работ, из-за высокой степени красностойкости и сохранности режущей кромки. Маркировка М7 указывает на гибкость и увеличенный срок службы сверла, что важно при сверлении твёрдого листового металла. Из стали М42 делают свёрла для работ по вязким и сложным материалам, а из стали марки М50 делают свёрла для портативного оборудования, где нежелательна поломка инструмента по причине изгиба.

Cвёрла HSS-E – это аналоги отечественных универсальных Р6М5. Они подходят для работы как по низкоуглеродистым сталям и чугуну, так и по твёрдым легированным и нержавеющим сталям (включая кислотостойкие). А инструмент HSS-Co (с добавлением кобальта в сплав) аналогичен российскому сверлу Р6М5К5 (также содержащему 5% кобальта в быстрорежущем сплаве). HSS-G TiN – наиболее стойкое сверло для работы с прочными титановыми изделиями. Его аналогом является отечественный инструмент Р6Т5 (последняя буква и цифра указывают на 5%-ое содержание титана, что и придаёт быстрорежущей стали особую прочность). Поверхностная твердость сверла с титан-алюминий-нитридовым покрытием (HSS-G TiAlN) составляет уже 3000 HV, а термостойкость 900оС. И наконец, свёрла для обработки нержавеющих сталей имеют маркировку HSS-E VAP (V2A или V4A).

Буры для перфораторов

Свёрла для перфораторов часто называются «бурами». Они имеют ряд характерных отличий:

• во-первых, с ударной нагрузкой обрабатываются практически только хрупкие, но очень твёрдые материалы (бетон, кирпич, натуральный природный камень и т.п.). Для этого буры имеют специальную, усиленную, конструкцию и сверхтвёрдые наплавки на режущие кромки (режущий кончик с лепестковыми кромками у буров аналогичен по конструкции таковому для свёрл по бетону).
• а во-вторых, буры устанавливаются в специальные сверлильные машины – перфораторы. Их патроны совершают не только вращательное, но и осевое перемещение. Этим достигается удар инструментом по материалу – наряду с вращательным «вгрызанием» в него. Подобная механика требует прочного крепления инструмента в патроне перфоратора – для этого буры имеют хвостовик с продольными выступами и проточками (в отличие от обычных свёрл с абсолютно гладкими цилиндрическими хвостовиками). Такая система крепления буров получила название SDS.

В соответствие с этим, маркировка на бурах несколько отличается от таковой для обычных свёрл:

• первым идёт буквенное обозначение системы крепления бура (конструкции хвостовика) – SDS-max или SDS-plus;
• затем два числа указывают на диаметр и длину бура (в миллиметрах).

Например, бур «SDS-max 16*670» имеет диаметр 16 мм и длину рабочей части 670 мм.

Следует отметить, что диаметр бура всегда равен чётному числу. Соответственно, размерный ряд инструментов будет выглядеть как Ø4 мм, Ø6 мм, Ø8 мм и т.д.

И снова к внешнему виду!

В начале статьи говорилось о внешнем виде сверла – опытному взгляду его конструктивная форма сразу позволит определить назначение. Столь же ценную информацию можно почерпнуть, оценивая цвет сверла или бура:

• обычный серый указывает на «голую» инструментальную сталь без покрытия. Такой инструмент может быть качественным, но он подвержен коррозии и быстрому износу (поскольку не имеет дополнительной упрочняющей сталь термообработки);
• «жирный» чёрный оттенок свидетельствует об обработке материала паром. Это повышает стойкость инструмента, увеличивая его ресурс;
• жёлто-золотистый цвет означает, что материал сверла был подвергнут закалке (значительно повышающей прочность инструмента), а затем отпуску (термической обработке для снятия внутренних напряжений после закалки). Подобные свёрла отличаются хорошей стойкостью, но ввиду склонности закалённой стали к появлению хрупких трещин, «золотистый» инструмент чувствителен к перегреву и перепадам температур. Поэтому в процессе работы необходимо периодически остужать инструмент, придерживаясь рекомендаций производителя (особенно это касается буров для перфоратора). И ни в коем случае нельзя охлаждать свёрла жидкостью!
• ярко-золотой цвет — поверхность такого сверла обработана нитридом титана. Это покрытие уменьшает контактное трение в зоне реза, одновременно упрочняя металл инструмента.

Именно «золотые» свёрла и буры считаются «элитой» среди качественного инструмента. Но и цена таких свёрл, естественно, выше.

Инструментальная легированная сталь ГОСТ 5950-2000

Легированная сталь — сталь, в которую в процессе легирования в определенных количествах вводят специальные элементы, обеспечивающие требуемые свойства. Такие элементы называют легирующими. Они могут повышать прочность и коррозионную стойкость стали и снижать опасность ее хрупкого разрушения.

Легирование стали может проводиться на различных этапах производства металла и заключается во введении легирующих элементов в расплав или шихту. В процессе легирования стали вводимые элементы могут образовывать с основой стали особые химические соединения. Такие интерметаллидные, карбидные и нитридные элементы обладают высокой твердостью и прочностью, химической стойкостью, жаропрочностью и т.п. Равномерное распределение по всему объему твердого раствора и достаточное количество этих элементов в стали придают металлу необходимые свойства при легировании стали.

Для легирования стали используются следующие химические элементы: марганец (Mn) — Г; кремний (Si) — С; хром (Cr) — Х; никель (Ni) — Н; медь (Cu) — Д; азот (N) — А; ванадий (V) — Ф; ниобий (Nb) — Б; вольфрам (W) — В; селен (Se) — Е; кобальт (Co) — К; бериллий (Be) — Л; молибден (Mo) — М; бор (B) — Р; титан (Ti) — Т; алюминий (Al) — Ю.

Чистые металлические элементы при легировании стали обычно не используются. Чаще для легирования стали применяют ферросплавы (сплавы железа) и лигатуры (вспомогательные сплавы). Это экономически выгоднее и позволяет избежать ряда технологических трудностей в процессе легирования стали.

ГОСТ 5950-2000 регулирует нормы изготовления прутков, полос и мотков горячекатаных, кованых, калиброванных и со специальной отделкой поверхности из инструментальной легированной стали, а также нормы химического состава для стали 3Х2МНФ, 4ХМНФС, 9ХФМ, слитков, заготовок, лент, труб, поковки и другой металлопродукции.

Классификация легированных сталей

По количеству легирующих элементов:

• высоколегированная — общая масса легирующих элементов более 10%;
• среднелегированная — общая масса легирующих элементов более 2,5-10%;
• низколегированная — общая масса легирующих элементов до 2,5%.

• I — для изготовления инструмента, используемого для обработки металлов и других материалов в холодном состоянии;
• II — для изготовления инструмента, используемого для обработки металлов давлением при температурах выше 300°С.

По способу дальнейшей обработки:

• а — горячекатаная и кованая металлопродукция для горячей обработки давлением и холодного волочения без контроля структурных характеристик;
• б — горячекатаная и кованая металлопродукция для холодной механической обработки с полным объемом испытаний.

По качеству изготовления:

• обычная;
• высококачественная — А.

По качеству и отделке поверхности:

• горячекатаная и кованая: 2ГП — для подгруппы «а», 3ГП — для подгруппы «б» повышенного качества, 4ГП — для подгруппы «б» обычного качества;
• калиброванная — Б и В;
• со специальной отделкой поверхности — В, Г, Д.

• завод «Электросталь» — ЭИ;
• златоустовский металлургический завод — ЗИ.

Марки инструментальной легированной стали

Марки инструментальной легированной стали I группы: 13Х, 8ХФ, 9ХФ, 11ХФ (ИХ), 9ХФМ, Х, 9Х1, 12Х1 (120Х, ЭП430), 6ХС, 9Г2Ф, 9ХВГ, 6ХВГ, 9ХС, В2Ф, ХГС, 4ХС, ХВСГФ, ХВГ, 6ХВ2С, 5ХВ2СФ, 6ХЗМФС (ЭП788), 7ХГ2ВМФ, 9Х5ВФ, 8Х6НФТ (85Х6НФТ), 6Х4М2ФС (ДИ55), Х6ВФ, 8Х4В2МФС2 (ЭП761), 11Х4В2МФ3° C2 (ДИ37), 6Х6В3МФС (ЭП569, 55Х6В3СМФ), Х12, Х12МФ, Х12Ф1, Х12ВМФ.

Марки инструментальной легированной стали II группы: 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХНВС, 7Х3, 8Х3, 4ХМФС (40ХСМФ), 4ХМНФС, 3Х2МНФ, 5Х2МНФ (ДИ32), 4Х3ВМФ (3И2), 3Х3М3Ф, 4Х5 МФС, 4Х4ВМФС (ДИ22), 4Х5МФ1С (ЭП572), 4Х5В2ФС (ЭИ958), 4Х2В5МФ (ЭИ959), Х3В3МФС (ДИ23), 05Х12Н6Д2МФСГТ (ДИ80).

Обозначение марки стали: первые цифры — массовая доля углерода в десятых долях процента, затем буквы — вещество, используемое в качестве легирующего элемента, цифры, стоящие после букв, — средняя массовая доля соответствующего легирующего элемента в целых единицах процентов. Начальную цифру опускают, если содержание углерода не менее 1%. Буква «А», в середине марки стали — содержание азота, в конце — сталь высококачественная. Например, сталь 5ХНМ — 0,5 С, 1 Cr, 1 N1, до 0,3 Mo.

Нестандартные легированные стали, выпускаемые, например, заводом «Электросталь» обозначаются соответствующим сочетанием букв (в данном случае «ЭИ»), после которого идет порядковый номер стали. Например, ЭИ959, ЭП761, ДИ80 и др.

Применение инструментальной легированной стали

Трудности закалки быстрорежущей стали

Термическая обработка быстрорезов имеет ряд сложностей, связанных со спецификой применения и предъявляемыми требованиями. Например, термообработка Р6М5 затруднена свойством этого сплава к обезуглероживанию (его закалка требует на четверть времени больше, чем схожих сплавов Р18 и Р12). Температура закалки данного металла – 1230 градусов. Сначала производится отпуск при 200 и 300 градусах с часовой выдержкой. Дальше обработка осуществляется в 3 этапа:

• 3 минуты – 690 градусов;
• 3 минуты – 680 градусов;
• 1,5 минуты – 1230 градусов.

Затем сталь охлаждается в селитре, в масле и на воздухе. Последующая обработка предполагает троекратный отпуск с выдержкой по 90 минут при однородной температуре 560 градусов. На этапах отпуска сплав обогащается легирующими добавками.

Общие принципы классификации марок сталей

Основные классификационные признаки сталей: химический состав, назначение, качество, степень раскисления, структура.

• Стали по химическому составу подразделяют на углеродистые и легированные. По массовой доле углерода и первая, и вторая группы сталей делят на: низкоуглеродистые (менее 0,3% С), среднеуглеродистые (концентрация С находится в пределах 0,3-07%), высокоуглеродистые – с концентрацией углерода более 0,7%.

Легированными называются стали, содержащие, помимо постоянных примесей, добавки, вводимые для повышения механических свойств этого материала.

В качестве легирующих добавок используют хром, марганец, никель, кремний, молибден, вольфрам, титан, ванадий и многие другие, а также сочетание этих элементов в различных процентных соотношениях. По количеству добавок стали делят на низколегированные (легирующих элементов менее 5%), среднелегированные (5-10%), высоколегированные (содержат более 10% добавок).

• По своему назначению стали бывают конструкционными, инструментальными и материалами специального назначения, обладающими особыми свойствами.

Наиболее обширным классом являются конструкционные стали, которые предназначаются для изготовления строительных конструкций, деталей приборов и машин. В свою очередь, конструкционные стали подразделяют на рессорно-пружинные, улучшаемые, цементуемые и высокопрочные.

Инструментальные стали различают в зависимости от назначения произведенного из них инструмента: мерительного, режущего, штампов горячей и холодной деформации.

Стали специального назначения разделяют на несколько групп: коррозионностойкие (или нержавеющие), жаростойкие, жаропрочные, электротехнические.

• По качеству стали бывают обыкновенного качества, качественными, высококачественными и особо качественными.

Под качеством стали понимают сочетание свойств, обусловленных процессом её изготовления. К таким характеристикам относятся: однородность строения, химического состава, механических свойств, технологичность. Качество стали зависит от содержания в материале газов – кислорода, азота, водорода, а также вредных примесей – фосфора и серы.

• По степени раскисления и характеру процесса затвердевания стали бывают спокойными, полуспокойными и кипящими.

Раскислением называют операцию удаления из жидкой стали кислорода, который провоцирует хрупкое разрушение материала при горячих деформациях. Спокойные стали раскисляют с помощью кремния, марганца и алюминия.

• По структуре разделяют стали в отожженном (равновесном) состоянии и нормализованном. Структурные формы сталей – феррит, перлит, цементит, аустенит, мартенсит, ледебурит и другие.

Красностойкость

Если горячая твердость характеризует то, какую температуру сталь может выдержать, то красностойкость характеризует, сколько времени сталь будет выдерживать такую температуру. То есть насколько длительное времязакаленная и отпущенная сталь будет сопротивляться разупрочнению при разогреве.
Существует несколько характеристик красностойкости. Приведем две из них.
Первая характеристика показывает, какую твердость будет иметь сталь после отпуска при определенной температуре в течение заданного времени.
Второй способ охарактеризовать красностойкость основан на том, что интенсивность снижения горячей твердости можно измерить не только при высокой температуре, но и при комнатной так как кривые снижения твердости при высокой температуре и комнатной идут эквидистантно, а измерить твердость при комнатной температуре, разумеется, гораздо проще, чем при высокой. Опытами установлено, что режущие свойства теряются при твердости 50 HRC при температуре резания, что соответствует примерно 58 HRC при комнатной. Отсюда красностойкость характеризуется температурой отпуска, при которой за 4 часа твердость снижается до 58 HRC.