Быстрорежущие стали высокой теплостойкости

Характерным для сталей этой группы является большое содержание вольфрама, молибдена и кобальта, а так же низкое содержание углерода, ванадия и хрома. Суммарное содержание W и Мо в этих сплавах обычно составляет не менее 15-18 %; содержание кобальта находится в пределах 22-30 %; углерода - не более 1%, ванадия - 0,5-0,7 %; хрома не более 1 %, в среднем Сr=0,05 %. В сплавах этой группы в качестве присадок в небольшом количестве находится титан (Тi=0,15-0,25 %), а иногда - алюминий.

Рассмотренные ранее быстрорежущие стали принадлежат к сталям с карбидным упрочнением; их упрочнение достигается за счет карбидов вольфрама, молибдена, ванадия и хрома. Теплостойкость этих сталей не превышает 650°С. Это объясняется происходящей при температуре 600-650°С коагуляцией карбидной фазы, являющейся фазой - упрочнителем, а также интенсивным разупрочнением матрицы (твердого раствора), так как температуры фазового превращения этих сталей не превышают 800-850°С.

Стали высокой теплостойкости после закалки и отпуска имеют в своей структуре низкоуглеродистый мартенсит и упрочняющую интерметаллидную фазу как избыточную, так и выделившуюся из твёрдого раствора. Кроме того, присутствуют карбиды легирующих элементов, а в сталях с добавками алюминия - феррит. Фазовые превращения в этих сталях происходят при более высоких температурах (920-960°С), чем у остальных быстрорежущих сталей; в результате выделения интерметаллидной фазы эти стали приобретают высокую теплостойкость (700-720°С) и твердость (HRC 65-70), так как интерметаллиды устойчивее карбидов. Упрочняющий эффект в результате выделения интерметаллидов при дисперсионном твердении значительно больше: от HRC 45-47 после закалки до HRC 67-68 - после отпуска (580-600°С). Причиной этого является большое различие в кристаллографическом строении металлической основы и упрочняющей фазы, а также ее выделение в повышенном количестве при отпуске.

Прочность и вязкость сталей этой группы определяется в основном содержанием вольфрама и молибдена. Эти характеристики достигают максимальных значений при содержании W+Mo=14% (соответственно, 2,4-2,6 гПа и равно 0,14 мДж/м²). Прочность и вязкость несколько снижается (соответственно, до 2,3-2,5 гПа и 0,12мДж/м²), при увеличении суммарного содержания W+Mo до 18 %, что объясняется увеличением количества избыточной фазы. Но при содержании W+Mo до 18 % обеспечиваются максимальные значения теплостойкости и вторичной твердости сталей этой группы.

Легированность твердого раствора после закалки несколько увеличивается при увеличении содержания кобальта свыше 23 %. Это объясняется тем, что кобальт усиливает эффект дисперсного твердения. При этом увеличивается и теплостойкость стали. Однако увеличение содержания кобальта свыше 23-25 % заметно ухудшает механические свойства сталей. Прочность и вязкость стали с 33 % кобальта, не превышает 2-2,2 гПа и 0,06 мДж/м² соответственно. Это обстоятельство вызвано ростом количества избыточной упрочняющей фазы и увеличением концентрации твердого раствора.

Алюминий наиболее значительно повышает теплостойкость и уменьшает интенсивность разупрочнения стали при повышенном нагреве. Этот эффект достигается даже при небольшом его содержании, порядка 1-2 %. Но при этом вторичная твердость стали уменьшается на 1-2 единицы HRC, прочность снижается до 2-2,2 гПа, вязкость до 0,07 мДж/м² (сталь типа В11М7К23Ю). Обозначение этих сталей такое же, как и обычных быстрорежущих сталей, за исключением буквы В (вольфрам). Стали этой группы по своим режущим свойствам занимают промежуточное положение между обычными быстрорежущими сталями и твердыми сплавами. При прерывистом резании обычных конструкционных сталей дисперсионные сплавы близки по своим режущим свойствам к быстрорежущей стали Р9М4К8; наибольшее повышение производительности в этих условиях резания имеет место при обработке сплавов титана, литых высокомарганцовистых сталей, высокопрочных ста­лей и некоторых жаропрочных сплавов.

При условии сохранения равной теплостойкости наибольшее влияние на свойства сталей этой группы оказывает легирование молибденом. При повышении его содержания появляется возможность уменьшить содержание вольфрама и таким образом обеспечить повышение экономичности, улучшение вязкости и прочности.

Стали В3М12К23 и В11М7К23 имеют более широкий интервал температур отпуска (580-620°C) по сравнению с быстрорежущими сталями с карбидным упрочнением, не сохраняют в структуре остаточного аустенита после закалки. Это позволяет применять однократный отпуск вместо двух- и трехкратного отпуска, применяемого обычно для быстрорежущих сталей нормальной и повышенной теплостойкости.

Сплавы с интерметаллидным упрочнением благодаря хорошему распределению упрочняющих фаз лучше шлифуется, чем волъфрамомолибденовые стали типа Р6М5; изменения формы и размеров заготовки после термообработки почти в три раза меньше, чем у стали Р18, что может оказать существенное влияние на выбор инструментального материала для изготовления инструментов сложной формы.

Стоимость стали В3М12К23 примерно в четыре раза выше стоимости стали Р18. Однако применение этой стали может обеспечить получение экономического эффекта за счет повышения производительности обработки и стойкости инструмента. Области преимущественного использования дисперсионно-твердующих быстрорежущих сталей: обработка сплавов титана, аустенитных жаропрочных сплавов повышенной прочности; обработка марганцовистых, а также нержавеющих ферритных сталей с более высокими подачами (при точении) и дополнительными нагрузками (при фрезеровании), по сравнению с допустимыми для быстрорежущих сталей на вольфрамомолибденовой основе. Использование их при обработке углеродистых и умеренно легированных конструкционных материалов в экономическом отношении нецелесообразно.

Твердые сплавы

Твердые сплавы являются основными инструментальными материалами, обеспечивающими высокопроизводительную обработку резанием. Общее количество твердосплавного инструмента в металлообрабатывающей промышленности не превышает 25-28 %, однако этим инструментом производят съем до 65 % стружки благодаря использованию скоростей резания, в 2-3 раза превышающих уровень скоростей, принятых для инструмента из быстрорежущей стали.

Спеченные твердые сплавы состоят из твердых, тугоплавких соединений (карбиды, карбонитриды титана, вольфрама, тантала и др.) и цементирующей (связующей) фазы (кобальт-никель-молибден). Твердые сплавы, применяемые для оснащения режущего инструмента, по составу и областям применения можно разделить на 4 группы: вольфрамовые (WC-Co), титано-вольфрамовые (WC-TiC-Co), титано-тантало-вольфрамовые (WC-TiC-TaC-Co), безвольфрамовые (TiC-Ni-Mo, TiCN-Ni-Mo).

Твердые сплавы обладаютвысокой твердостью (82-92 HRA), которая сохраняется при нагреве до температуры 700-1100°С, имеют высокие значения модуля упругости (500-700 гПа) и предела прочности при сжатии (s_сж<6 гПа). Относительно невысокие значения предела прочности при изгибе (s_и=0,9-2,0 гПа) и ударной вязкости (КС<0,6×10^-5 Дж/м²) несколько ограничивают возможности твердосплавного инструмента, однако его способность сохранять высокие твердость и сопротивляемость деформированию при температурах резания обеспечивает им заметное преимущество по сравнению с инструментом из быстрорежущих сталей.

Области применения твердых сплавов в соответствии с рекомендациями международной организации стандартов ISO P513-66 определены основными свойствами каждой марки сплава и условиями обработки (режимы резания, характер операции, обрабатываемыйматериал, тип формируемой стружки и т.д.). В соответствии с указанным, твердые сплавы классифицируют на шесть основных групп применения - К, М, Р, S, H, N, которые, в свою очередь, подразделяют на подгруппы применения (табл.2.2). Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость), подача и глубина резания. Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется повышенная износостойкость при сравнительно невысоких требованиях к прочности и вязкости, большие индексы соответствуют черновым операциям, когда твердый сплав должен быть прочным и вязким. Поэтому каждая марка сплава имеет свою предпочтительную область применения, в которой обеспечиваются максимальные работоспособность инструмента и производительность обработки.

Границы групп применения марок твердых сплавов определяются ориентировочно и неоднозначно, поэтому допускается использовать одну и ту же марку в двух-трех подгруппах или даже в разных группах применения (табл.2.3). Например, сплав Т15К6 можно использовать в подгруппах Р10 (основная), Р15, Р20, а сплав ВК8 в подгруппах К30 (основная), К40, М30.

Таблица 2.2

Классификация групп применения твердых сплавов

Подгруппа применения	Обрабатываемый материал. Тип стружки	Вид обработки	Ограничивающие условия
Группа резания Р
Р01	Сталь. Сливная стружка	Чистовое точение, растачивание, развертывание.	s£0,1...0,3 мм/об t£0,5...2 мм
Р10	Точение, нарезание резьбы, чистовое фрезерование, рассверливание, растачивание.	s£0,2...0,5 мм/об t£2...4 мм
Р20	Сталь, ковкий чугун, цветные металлы. Сливная стружка.	Точение, фрезерование, чистовое строгание.	s£0,4...1 мм/об t£4...10 мм
Р25	Сталь нелегированная, низко и среднелегированная	Фрезерование
Р30	Сталь, ковкий чугун. Сливная стружка.	Черновое точение, фрезерование, строгание.	s=1 и более мм/об t=6...20 мм
Р40	Сталь с включением песка и раковин. Стружка сливная и надлома.	Черновое точение, строгание в неблагоприятных условиях*	¾¾¾
Р50	Сталь со средней и низкой прочностью с включением песка и раковинами. Стружка сливная и надлома.	Точение, строгание в особо тяжелых условиях.	¾¾¾
Группа резания М
М10	Сталь аустенитная жаропрочная труднообрабатываемая, серый, ковкий и легированный чугуны. Стружка сливная и надлома.	Точение и фрезерование.	s£0,2...0,5 мм/об t£2...4 мм
М20	Жаропрочная сталь, труднообрабатываемые сплавы, серый и ковкий чугуны. Стружка сливная и надлома.	Точение и фрезерование	s£0,4...1 мм/об t£4...10 мм
М30	Аустенитная нержавеющая сталь, жаропрочные труднообрабатываемые стали и сплавы, серый и ковкий чугуны. Стружка сливная и надлома.	Точение, фрезерование, строгание, в том числе в неблагоприятных условиях*	s>1 мм/об t£6...20 мм

Окончание табл. 2.2

М40	Низкоуглеродистая сталь с пониженной прочностью, автоматная сталь, другие металлы и сплавы. Стружка сливная и надлома.	Точение, фасонное точение, отрезание преимущественно на станках-автоматах.	¾¾¾
Группа резания К
К01	Серый чугун высокой твердости, алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния, закаленная сталь, конструкционные пластмассы, керамика, стекло. Стружка, надлома и элементная.	Чистовое точение, растачивание, фрезерование, шабрение.	s£0,1...0,3 мм/об t£0,5...2 мм
К05	Легированные чугуны, закаленные стали, коррозионностойкие, высокопрочные и жаропрочные стали и сплавы. Стружка надлома и элементная.	Чистовое и получистовое точение, растачивание, развертывание, нарезание резьбы.	s£0,2...0,5 мм/об t£2...4 мм
К10	Серый и ковкий чугуны повышенной твердости, закаленная сталь, алюминиевые и медные сплавы, стекло, керамика. Стружка надлома.	Точение, растачивание, фрезерование, сверление
К20	Серый чугун, цветные металлы, пластмассы. Стружки надлома и элементная.	Точение, фрезерование, строгание, сверление, растачивание.	s£0,4...1 мм/об t£4...10 мм
К30	Серый чугун низкой твердости и прочности, сталь низкой прочности, цветные металлы, пластмассы. Стружки надлома и элементная.	Точение, фрезерование, строгание, сверление. Работа в неблагоприятных условиях*	s£1 мм/об t£6...20 мм
К40	Цветные металлы, древесина, пластмассы. Стружки надлома и элементная.	Точение, фрезерование, строгание	¾¾¾
Группа резания S
S01-S40	Жаропрочные специальные сплавы на основе железа, никеля, кобальта, титана. Титановые сплавы.	Точение, растачивание, фрезерование, сверление	_______
Группа резания H
Н01-Н40	Закалённая сталь, упрочнённые чугуны, отбелённый чугун	Точение, растачивание, фрезерование.	_______
Группа резания N
N01-N40	Цветные сплавы на основе алюминия и меди, дерево, пластмасса	Точение, растачивание, фрезерование, сверление	_______

* Работа с переменной глубиной резания, с прерывистой подачей, с ударами, вибрациями, с наличием литой корки и абразивных включений в обрабатываемом материале.

Таблица 2.3