Быстрорежущие стали

Структура в отожженном состоянии – перлит и большое количество вторичных и эвтектических карбидов. Форма перлита таких сталей всегда зернистая.

В соответствии с ГОСТ 19265–73 одной из характеристик структуры отожженных быстрорежущих сталей является карбидная неоднородность. Быстрорежущие стали – это стали ледебуритного класса. Поэтому в структуре литой стали присутствует эвтектика, располагающаяся по границам зерен. В результате горячей пластической деформации слитка (прокат, ковка) эвтектическая сетка разбивается. Карбидные частицы вытягиваются в направлении деформации, образуя строчечность, т.е. неравномерное по этому направлению распределение карбидов – карбидную неоднородность. Ее характеризуют с помощью 8–балльной стандартной шкалы. Карбидная неоднородность увеличивается от поверхности к середине. Ее изучают на продольных шлифах, выполненных на половине радиуса проката. Образцы закаливают от 875°…900°C, шлифы подвергают травлению 10% раствором азотной кислоты. Карбиды травятся менее сильно и выглядят светлыми на черном (сильно травящемся) фоне.

Большая степень пластической деформации, характерная для производства проката малых сечений, способствует получению структуры с равномерным распределением карбидов (1–2 балл карбидной неоднородности). При увеличении диаметра проката строчечность становится явно выраженной (балл карбидной неоднородности – 3…4). В крупных сечениях проката, т.е. после деформации с небольшими обжатиями, строчечность грубая, с участками, в которых карбидная сетка разрушена не до конца (балл 5 и выше см. табл. 5).

Таблица 5.

Наибольший допустимый балл карбидной неоднородности быстрорежущих сталей в зависимости от диаметра проката по ГОСТ 19265–73.

Наиболее сильно карбидная неоднородность влияет на механические свойства стали. Прочность и ударная вязкость заметно снижаются при наличии в структуре карбидной сетки (даже разорванной), т.е. при переходе от балла 4 к баллу 5 и к баллам больших номеров. Предел выносливости и сопротивление контактной усталости быстрорежущей стали снижается почти в два раза при переходе от балла 2 к баллу 5. Карбидная неоднородность во многом определяет износостойкость стали и, таким образом, стойкость инструментов. Наличие грубых скоплений карбидов приводит к выкрашиванию режущей кромки. Особенно сильно снижается стойкость инструмента с тонкой режущей кромкой (например, резьбообрабатывающий инструмент).

Помимо карбидной неоднородности заметное влияние на свойства стали оказывает размер карбидных частиц. Крупные карбиды менее эффективно, чем мелкие, сдерживают рост зерна аустенита при нагреве под закалку. Величина аустенитного зерна может быть на 1…2 балла больше, это вызывает снижение прочности. Кроме того, крупные карбиды слабее, чем мелкие связаны с матрицей и быстрее выкрашиваются.

Таким образом, лучшими свойствами будет обладать сталь с меньшим баллом карбидной неоднородности и более мелкими карбидами.

Размеры карбидов вольфрамомолибденовых сталей (Р6М5) меньше, чем у вольфрамовых (Р18). Это связано с более низкой температурой кристаллизации вольфрамомолибденовых сталей и их более высокой горячей пластичностью.

Вследствие более низкой температуры кристаллизации эвтектика получает более тонкое строение с менее крупными карбидами. В интервале ковочных температур пластичность стали Р6М5 в 1,5–2 раза выше, чем у стали Р18 (показатель пластичности g при 1000°C составляет 9,4 и 5,1 для сталей Р6М5 и Р18, соответственно [2]). Это означает, что для получения проката одинакового размера стали Р6М5 требуется меньше количество нагревов, вызывающих рост карбидов.

Наиболее эффективное улучшение структуры достигается в быстрорежущих сталях, полученных методом порошковой металлургии. Расплавленную сталь распыляют в инертном газе для предупреждения окисления. При этом образуется мелкодисперсный порошок со сферической формой отдельных элементов, диаметром 100…600мкм. Порошки прессуют в холодном состоянии при давлении около 400МПа, затем производят прессование в горячем состоянии при 1150°…1200°C и давлении 140…150МПа в вакууме. Полученные заготовки куют на необходимые размеры.

Размеры карбидов в сталях, полученных таким методом весьма небольшие – 2…3мкм (в сталях обычного производства встречаются карбиды размером до 12…15мкм). Распределение карбидов (карбидная неоднородность) соответствует 1…2 баллу.