Составы наиболее применяемых

кобальтовых быстрорежу­щих сталей [116]

Отмеченные недостатки, а также высокая стоимость кобаль­товых сталей определяют узкую область их рационального приме­нения для изготовления режущего инструмента, используемого при обработке резанием коррозионностойких, жаропрочных сталей и сплавов или, если к режущему инструменту предъявляют высокие требования по надежности, например при автоматизированной обработке.

Наибольшей теплостойкостью (свыше 700°С) обладают стали с интерметаллидным упрочнением В11М7К23 и ВЗМ14К23 [25, 45]. Это типичные низкоуглеродистые стали (содержание С до 0,3%), уп­рочняемые при дисперсионном твердении интерметаллидами типа (Fe,Co)₇´(W,Mo)₆, в отличие от упрочнения карбидами для стан­дартных быстрорежущих сталей. Высокая теплостойкость, твер­дость и износостойкость определяются повышением уровня темпе­ратур, приводящих к фазовым превращениям [25], а также большой сопротивляемостью коагуляции интерметаллидной фазы.

Стали с интерметаллидным упрочнением имеют низкую обраба­тываемость резанием в отожженном состоянии (38–40 HRC), их прочность близка к прочности кобальтовых сталей (s_и =2200–2500 МПа). Поэтому инструмент, изготовленный из таких сталей, реко­мендуют для обработки титановых сплавов [25, 45].

В связи со все более возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение на­ходят экономнолегированные стали. Среди сталей этого типа наи­большее применение получила сталь 11РЗМЗФ2, которая использу­ется при производстве инструмента не только в странах СНГ, но и в Испании, ФРГ, Швеции, Чехо–Словакии, так как обладает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63–64), прочности (s_и=3400 МПа) и теплостойкости (до 620°С).

В Московском Государственном Технологическом Университете «СТАНКИН» Л.С. Кремневым и его учениками разработана низ­колегированная безвольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сг; 1,5% V). Эта сталь принадлежит к новому классу эаэвтектоидных сталей, в отличие от традиционных ледебуритных быстрорежущих сталей. Нагрев под закалку позволяет растворить все карбиды типа Ме₆С (что невозможно для ледебуритных ста­лей), что обеспечивает легированность и свойства стали 11М5Ф примерно на уровне соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономнолегированных сталей показали [69], что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11РЗАМЗФ2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Сталь 11РЗАМЗФ2 более технологична в металлургическом производстве, однако из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

С целью улучшения свойств быстрорежущей стали начали использовать технологию электрошлакового пе­реплава. Карбидная неоднородность металла после электрошлако­вого переплава снижается на 1–2 балла, стойкость инструмента возрастает на 15–20%.

Электрошлаковый переплав повышает пластичность стали в горячем состоянии, что позволяет увеличивать выход годного при производстве малотехнологичных в металлургическом производстве «сверхбыстрорежущих» сталей. Стоимость сталей электрошлакового производства примерно на 30% выше стоимости таких же марок обычной технологии выплавки.

Наиболее эффективные возможности повышения качества быст­рорежущей стали, ее эксплуатационных свойств, и создания новых режущих материалов появились при использовании порошковой ме­таллургии [46, 93, 124].

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбид­ной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологи­ческими и механическими свойствами, чем сталь аналогичных ма­рок, полученных по традиционной технологии.

Существуют два различных способа получения порошковой быстрорежущей стали: распылением водой и азотом. Изготовление инструмента из воднораспыленных порошков дешевле, однако ка­чество металла ниже ввиду большей окисленности порошковых час­тиц. Поэтому для высококачественного металла используется по­рошок, полученный распылением азотом.

Промышленное производство порошковых быстрорежущих сталей в начале 80–х годов было направлено на изготовление марок, яв­ляющихся аналогами сталей традиционной технологии. Опыт ряда зарубежных фирм США, Швеции, а также отечественных исследова­телей показал, что новая технология позволяет существенно из­менить схему легирования с целью направленного повышения тех или иных эксплуатационных характеристик, определяющих стой­кость инструмента. Основные принципы разработки новых составов [92]:

возможность введения в состав стали до 5–7% ванадия (по массе) с целью увеличения объемной доли карбидов МС в ста­ли до 15% и повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости;

повышение содержания углерода, выше стандартного содержания в быстрорежущих сталях, т.е. введение углерода с «пресыщением», а также замена части углерода азотом, который вводят путем азотирования порошка непосредственно перед операцией «компактирования».

Реализация указанных принципов позволяет использовать относительно низкие массовые доли вольфрама, мо­либдена и кобальта для получения максимальных значений твер­дости и теплостойкости.

Таким образом были разработаны порошковые быст­рорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6–М1) по ГОСТ 28393–89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в многочисленных промышленных испытаниях [73,92].

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидосталей, которые по своим свойствам могут быть классифицированы как промежу­точные между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Карбидостали отличаются от обычных быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном карбидов тита­на), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание кар­бидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70%. Пласти­ческим деформированием, главным образом экструзией, из спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет HRC_э 40–44, а после закалки и отпуска НRС_э 68–70.

При использовании в качестве материала режущего инстру­мента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5–2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства [13]. В ряде случаев карбидосталь является полно­ценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов.

Выбор быстрорежущих сталей для конкретных условий резания определяется большим количеством факторов. Этот выбор не явля­ется однозначным, так как каждая группа сталей представлена несколькими марками. Определяющим условием являются свойства обрабатывае­мого материала и режимы резания, а для некоторых видов инстру­мента – и технологические особенности стали (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Классификация быстрорежущих сталей по свойствам и служебному назначению [40]:

1 – область применения инструмента для обработки конструкционных материалов с s _b < 900 МПа (Р6М5, Р12, Р18); 2 – обработка конструкционных материалов на повышенных скоростях резания, чистовая и получистовая обработка нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов (Р6М5Ф3, Р12Ф3,Р14Ф4, Р2М9Ф2К3, Р6М5К5, Р9К5, 10Р6М5К5); 3 – обработка материалов с твердостью HRC < 45–50, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, конструк­ционных сталей на высоких скоростях (Р7М4Ф2К8, Р9М4К8, Р12М3Ф2К8, Р8М3К6С); 4 – чистовая и полу­чистовая обработка высокопрочных, жаропрочных и других специ­альных сталей и сплавов (Р12Ф4К5, Р10Ф5К5, Р12М4Ф3К10, Р12М2Ф4К10); 5 – чистовая обработка специальных сталей и сплавов (сплавы типа В11М7К23), 2 ²– порошковые стали

Для обработки конструкционных материалов с прочностью ме­нее 600–700 МПа рекомендуются низколегированные быстрорежущие стали (цветные металлы – нап­ример сплавы на алюминиевой основе; отожженные конструкционные стали; серые чугуны и т.д.).

Для обработки конструкционных материалов с прочностью до 1000 МПа используются стали умеренной теплостойкости – Р6М5 и др.

Для обработки конструкционных материалов повышенной прочности (свыше 1200 МПа), а также труднооб­рабатываемых материалов (нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы, титановые сплавы, улучшенные стали с повышенной твер­достью и др.) рекомендуются стали повышенной теплостойкости [5, 25, 45, 77, 99].

Применение сталей повышенной теплостойкости рекомендуют и для обработки стандартных конструкционных материалов, в тех случаях, когда требуется значительное повышение стойкости инструмента или производи­тельности обработки (скорости резания). В первом случае используют высокованадиевые стали, во втором – кобальтовые [25].

Учитывая эти рекомендации, следует иметь в виду, что в пределах каждой группы большей прочностью обладают стали, ле­гированные молибденом, а более высокой теплостойкостью – воль­фрамовые. Например, при использовании кобальтовых сталей для работы в условиях ударных нагрузок рекомендуется сталь типа Р6М5К5 [25], так как она обладает наибольшей прочностью среди кобальтовых сталей.

В тех случаях, когда от инструмента требуется высокая из­носостойкость и эксплуатационная надежность, наиболее це­лесообразно для их изготовления применять стали с повышенным содержанием ванадия, в том числе легированные кобальтом. Это прежде всего относится к инструменту, работающему в условиях автоматизированного производства.

Среди технологических свойств, влияющих на выбор быстро­режущей стали, следует выделить «обрабатываемость при шлифовании». Это важнейшее свойство определяет не только особенности изготовления инструмента, но и его эффективность.

«Обрабатываемость при шлифовании» в ряде случаев может оказаться решающим фактором при выборе марки стали для определенных видов инструмента, например для резьбонарезного.

Основным фактором, определяющим обрабатываемость шлифова­нием, является содержание в стали ванадия, образующего карбиды Ме_хС высокой твердости. По шлифуемости быстрорежущие стали мож­но разделить на 4 группы (рис. 11.4) [45]:

Группа 1. Содержание ванадия до 1,3 % и относительная шлифуемость 0,9–1 (за единицу принята «обрабатываемость при шлифовании» стали Р18, обладающая наилучшей шлифуемостью).

Группа 2. Содержание ванадия 1,6–2,5 %, относительная шлифуемость от 0,4 до 0,95, в эту группу, в частности, входит сталь Р6М5.

Группа 3. Содержание ванадия 2,6–3,3 %, относительная шлифуемость 0,2–0,5.

Группа 4. Содержание ванадия более 4%, относительная шлифуемость 0,2–0,3.

Порошковые быстрорежущие стали независи­мо от содержания ванадия относятся к группам 1 и 2.

Рис. 11.4. Изменение твердости стали после шлифования с прижогами [40]

При низком (группа 1) и высоком (группа 4) содержании ва­надия относительная шлифуемость не зависит от содержания вольфрама и молиб­дена, в первом случае шлифуемость хорошая, в последнем – пло­хая.

Стали с пониженной шлифуемостью склонны к прижогам, т.е. к изменению структуры приповерхностных слоев стали после шли­фования или заточки, появлению вторичной закалки с большим ко­личеством аустенита, зон вторичного отпуска с пониженной твер­достью (см. рис. 11.3.).

Следствием прижогов является значительное снижение стойкости инструмента.

Для сталей групп 2 и 3 лучшая шлифуемость достигается у сталей с соотношением W + 1,5Мо = 12–14%, так как в этом случае растворимость ванадия в них максимальна. Указанное, в свою очередь, означает, что количество карбидов ванадия в таких сталях при прочих равных условиях наименьшее. Вместе с тем для этих сталей относительная шлифуемость в большей степени зависит от содержания вольфрама и молибдена (а также ванадия и углерода), даже в пределах плавочного состава. Таким образом, для таких сталей надежно гарантировать высокую шлифуемость невозможно. На рис. 11.5 указан интервал колебаний шлифуемости в зависи­мости от содержания суммы W + Мо в пределах состава для неко­торых марок стали [45]. Эта особенность учитывается в рекомен­дациях по выбору сталей [25], где для изготовления резьбона­резного инструмента предлагается использовать стали с содержа­нием ванадия не более 1,3%, т.е. стали группы 1 шлифуе­мости типа Р18 и Р2М9Ф1.

Рис. 11.5. Влияние суммарного содержания вольфрама и молибдена на шлифуемость быстрорежущих сталей