Инструментальные стали и сплавы для обработки материалов резанием

К инструментальным относят стали и сплавы, применяемые для обработки материалов резанием и давлением и обладающие определенными свойствами (твердостью, теплостойкостъю (красностойкостью), износостойкостью, прокаливаемостью и др.) в условиях эксплуатации.

Стали для режущего инструмента (резцы, сверла, фрезы, протяжки, метчики, пилы и т. д.) должны обладать высокой твердостью режущей кромки – НRС 63–66; высокой прочностью и сопротивлением малой пластической деформации; теплостойкостью (красностойкостью), особенно при высоких скоростях резания и обработке труднообрабатываемых деталей.

Углеродистые инструментальные стали (У7–У13, У7А–У13А) являются наиболее дешевыми. Их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания, не подвергаемого разогреву в процессе эксплуатации.

Достоинствами углеродистых сталей является то, что в малых сечениях (до 15–20 мм) после закалки достигается высокая твердость в поверхностном слое (63–66 НRС) и мягкая, вязкая сердцевина инструмента. Такие свойства благоприятны для ручных метчиков, напильников, пил, стамесок и т. д. В отожженном состоянии углеродистые стали имеют структуру зернистого цементита с низкой твердостью (1500–1800 НВ), что обусловливает их хорошую обрабатываемость при изготовлении инструмента. Углеродистые стали имеют низкую температуру закалки, что делает нагрев под закалку технологически легко выполнимым, вызывает малое окисление и обезуглероживание инструмента.

Недостатками углеродистых сталей являются малая прокаливаемость и закаливаемость. Они не позволяют применять эти стали для инструмента сечением более 20–25 мм. Стали нетеплостойки, высокая твердость их сохраняется лишь до температур 250–200 °С. Стали имеют высокую чувствительность к перегреву вследствие растворения избыточных карбидов в аустените.

Легирование инструментальных сталей для режущего инструмента хромом, ванадием (7ХФ, 9ХФ), вольфрамом (ХВ4, В2Ф) позволяет уменьшить недостатки углеродистых сталей. Подобные стали используют для изготовления метчиков, пил, зубил, отрезных матриц и пуансонов, ножей холодной резки, подвергаемых местной закалке.

Стали с вольфрамом имеют повышенное содержание углерода, что обеспечивает получение карбида Ме₆С и мартенсита с высоким содержанием углерода, благодаря чему эти стали имеют после закалки наиболее высокую твердость (65–67 НRС) и износостойкость. Они применяются для обработки твердых металлов, например валков холодной прокатки, при небольшой скорости резания.

В группу сталей глубокой прокаливаемости входят хромистые стали с более высоким содержанием хрома (1,4–1,7 %) и стали комплексно-легированные несколькими элементами (хромом, марганцем, кремнием, вольфрамом).

Комплексно-легированные стали 9ХС, ХГС, ХВГ обладают высокой прокаливаемостью. Особенно это относится к сталям с марганцем, поэтому стали типа ХВГ применяют для крупного режущего инструмента, работающего при малых скоростях резания (протяжки, развертки, сверла и др.). Легирование кремнием позволяет повысить устойчивость против отпуска. Стали 9Х5ВФ и 8Х4В2М2Ф2 применяют для деревообрабатывающего режущего инструмента. Однако существенным недостатком перечисленных легированных сталей является их низкая теплостойкость, что исключает возможность их применения для режущего инструмента, эксплуатируемого в тяжелых условиях, связанных с разогревом режущей кромки. В таких условиях работы можно применять лишь стали с высокой теплостойкостью, т. е. быстрорежущие.

Применение быстрорежущих сталей для режущего инструмента позволяет повысить скорости резания в несколько раз, а стойкость инструмента – в десятки раз. Главной отличительной особенностью быстрорежущих сталей является их высокая теплостойкость или красностойкость (600–700 °С) при наличии высокой твердости (63–70 НRС) и износостойкости инструмента. Уникальные свойства быстрорежущих сталей достигаются посредством специального легирования и сложной термической обработки, обеспечивающих определенный фазовый состав.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими высокую красностойкость, являются вольфрам, молибден, ванадий и углерод. Кроме них, все стали легируют хромом, а некоторые – кобальтом.

Быстрорежущие стали обозначаются первой буквой Р (от слова «рапид» – скорость), следующая цифра указывает на содержание вольфрама, причем буква «В» пропускается (Р18). Содержание молибдена, который часто добавляют из экономии вольфрама, ванадия, кобальта, указывается соответственно после букв М, Ф и К: Р6М5, Р6М5Ф3, Р6М5К8, Р12МЗФ2К5.

Термическая обработка быстрорежущих сталей включает смягчающий изотермический отжиг проката или поковок перед изготовлением инструмента и окончательную термическую обработку – закалку с трехкратным отпуском готового инструмента для уменьшения количества остаточного аустенита. Схема термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 приведена на рисунке 5.8.

 

 

Рис. 5.8. Схема режима термической обработки быстрорежущей стали

 

Путем корректировки содержания углерода и легирующих элементов была создана группа кобальтосодержащих сталей, обладающих повышенной теплостойкостью и называемых «сверхбыстрорежущими»: Р12МЗФ2К5, Р12МЗФ2К8, Р12МЗФЗК10, Р9МЗК6С, 10Р6М5К5 и др.

Несмотря на высокую стоимость кобальтовых сталей, некоторое снижение пластичности и прочности при изгибе и склонность к обезуглероживанию в процессе нагрева под горячее деформирование и закалку, их рационально применять для обработки резанием коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и сплавов.

Повышение свойств и качества быстрорежущих сталей может быть достигнуто с помощью производства этих сталей методами порошковой металлургии.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется более однородной и мелкозернистой структурой, более равномерным распределением карбидной фазы, меньшей деформируемостью при термической обработке, лучшей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученные по традиционной технологии.

Применение методов порошковой металлургии привело к созданию новых материалов, обладающих уникальным сочетанием свойств, – твердых сплавов. Современные порошковые (спеченные) твердые сплавы – это композиции, состоящие из твердых, тугоплавких соединений (карбиды и карбонитриды титана, вольфрама, тантала и др.) в сочетании с цементирующей (связующей) составляющей (кобальт, никель, молибден и др.). Их получают, смешивая порошки карбида и связующего материала, спрессовывая их в формы и спекая при высокой температуре 1250–1500 °С. Такой инструмент не подвергается термической обработке, а лишь затачивается.

Твердые сплавы имеют значительно более высокую красностойкость (выше 800–1000 °С) (рис. 5.9), твердость и износостойкость, чем быстрорежущая сталь. Однако их вязкость меньше, и они очень чувствительны к действию ударных нагрузок.

 

Рис. 5.9. Влияние температуры на твердость твердых сплавов и быстрорежущей стали:

1 – быстрорежущая сталь; 2 – WC+9 % Co; 3 – WC+6 % Co; 4 – WC–TiC–TaC–Co

 

Твердые сплавы, применяемые для оснащения режущего инструмента, по составу и областям применения можно разделить на четыре группы: вольфрамокобальтовые ВК (WC –Со), титановольфрамовые ТК (WC – TiC – Co), титанотанталовольфрамовые ТТК (WC – TiC – TaC – Co), безвольфрамовые БВТС на основе карбонида и карбонитрида титана (TiC–Ni–Mo, TiCN–Ni–Mo) (табл. 5.4). Для стабилизации физико-механических свойств тугоплавкая составляющая и связка безвольфрамовых сплавов дополнительно легируются рядом элементов (W, Na, Zr, B, Hf).

Таблица 5.4

Виды твердых сплавов

Марка стали	Состав, %				σи, МПа	HRA
	WC	TiC	TaC	Co
Вольфрамокобальтовые
ВК3	97	–	–	3	1100	89,5
ВК6	94	–	–	6	1500	88,5
ВК10	90	–	–	10	1650	87
Титановольфрамовые
Т30К4	66	30		4	950	92
Т15К6	79	15		6	1150	90
Т5К12	83	5		12	1650	87
Титанотанталовольфрамовые
Т17К12	81	4	3	12	1650	87
Т18К6	84	8	2	6	1250	90,5
Т120К9	71	8	12	9	1300	89
Безвольфрамовые
ТН20	–	80				87
КНТ16	–	84				89

В марках твердых сплавов буквы обозначают: В – карбид вольфрама,
Т – карбид титана, ТТ – карбиды титана и тантала, КНТ – карбонитрид титана, К – кобальт, Н – никель. Цифры после букв обозначают содержание этих веществ в процентах, для букв ТТ – сумму содержания карбидов титана и тантала. Содержание карбида вольфрама определяется по разности.

Твердые сплавы широко применяют для обработки материалов резанием, для оснащения горного инструмента, быстроизнашивающихся деталей машин, узлов штампов, инструмента для волочения, калибровки, прессования и т. д.