Инструментальная сталь, относящаяся к карбидному (ледебуритному) классу. Маркируется путем простановки в начале марки буквы «P», за которой идет цифра, указывающая концентрацию вольфрама в процентах. Кроме вольфрама в стали присутствуют другие карбидообразующие элементы (ванадий (V), хром (Cr), молибден (Mo)).
Быстрорежущие стали обладают высокой твердостью (HRC 62...64) и теплостойкостью. Эти свойства достигаются после специальной термообработки, состоящей из закалки с температуры 1250...1290 °С, последующей обработки холодом при температуре минус 80 °C и последующего трехкратного отпуска при температуре 560 °С. После такой термообработки режущие свойства стали сохраняются до температуры 650 °С. Для дальнейшего повышения теплостойкости в быстрорежущей стали увеличивают концентрацию ванадия и молибдена и вводят кобальт. Из-за высокого содержания вольфрама быстрорежущие стали являются дорогостоящими. С целью снижения их стоимости заменяется часть вольфрама его химическим аналогом - молибденом.
В процессе обработки металлов резанием материал инструмента может разогреваться до высоких температур. Однако с повышением температуры твердость сталей стремится к снижению. Поэтому все быстрорежущие стали должны обладать способностью сохранять свою высокую первоначальную твердость по возможности до более высоких температур. Такая способность получила название теплостойкости. Иными словами, теплостойкостью называется максимально допустимая температура эксплуатации инструмента, выше которой его твердость начинает резко падать.
Теплостойкость подавляющего большинства быстрорежущих сталей доходит до 500-650 °С, а у сталей с интерметаллидным упрочнением может доходить до 720 °С.
Достижение высокой теплостойкости быстрорежущих сталей связывается с их легированием такими элементами, как вольфрам и молибден, и с закалкой с очень высоких температур (1200-1300 °С).
Вольфрам, находясь в быстрорежущей стали, способствует образованию карбидов состава Fe3W3C, обладающих высокой твердостью. Кроме того, большое количество вольфрама после закалки и отпуска переходит в α-твёрдый раствор, что способствует сохранению высокой твердости мартенсита при нагревании стали. В современных быстрорежущих сталях концентрация вольфрама может находиться в интервале от 5,5 % (в марках Р6М3, Р6М5, Р6М3Ф5) до 18,5 % (в марках Р18, Р18Ф2, Р18К5Ф2, Р18Ф2К8М).
Молибден в быстрорежущих сталях повышает прокаливаемость и препятствует росту зерна при нагревании. Однако следует иметь в виду, что высокая концентрация молибдена может усиливать склонность стали к ликвации, к образованию трещин и приводить к обезуглероживанию поверхностного слоя.
В составе любой быстрорежущей стали обязательно должны присутствовать хром и ванадий. Хром увеличивает устойчивость мартенсита против отпуска, увеличивает прокаливаемость и повышает устойчивость против окисления и износа. Ванадий так же, как и вольфрам, способствует повышению теплостойкости стали, но ухудшает ее шлифуемость. При шлифовке таких сталей на их поверхности могут появляться прижоги и волосные трещины. Ванадий способен образовывать более прочные карбиды, по сравнению с вольфрамом и хромом, поэтому в присутствии ванадия значительная часть углерода стали связывается в труднорастворимые карбиды, уменьшая количество углерода в аустените, тем самым ухудшая способность стали к закалке. В некоторых марках быстрорежущих сталей может находиться кобальт, уменьшающий склонность стали к перегреву. Присутствие кобальта приводит к увеличению теплопроводности стали, что, в свою очередь, приводит к значительному снижению температуры режущей кромки инструмента, препятствуя износу.
После перитектической реакции начинается эвтектическая реакция:
Таким образом, после завершения кристаллизации образуются дендриты с ферритной сердцевиной и аустенитной оболочкой ( рисунок 2)
В результате последующей ковки карбиды, входящие в состав эвтектики, измельчаются, а после отжига образуются сорбитообразный перлит и карбиды (рисунок 3) При этом общее количество карбидов в некоторых быстрорежущих сталях может доходить до 30 %. В случае недостаточной проковки в структуре быстрорежущей стали может появиться карбидная ликвация (рисунок 4), сильно снижающая эксплуатационные свойства стали (увеличивается твердость и хрупкость, снижается теплостойкость и ухудшается обрабатываемость резанием).
Он проводится для снижения твердости перед обработкой резанием. В данном случае для быстрорежущих сталей назначают изотермический отжиг. Он проводится путем нагрева стали до 830…850 °С, с последующим охлаждением до 720…750 °С и выдержкой при этой температуре в течение 4-6 часов. Для получения минимального количества остаточного аустенита, по окончанию выдержки, сталь охлаждают в печи до 600 °С со скоростью 40-50 град/ч. После чего проводится окончательное охлаждение на воздухе. Твердость после такого отжига должна находиться в пределах 217-255 НВ.
Закалка.
Для закалки быстрорежущей стали ее необходимо нагреть выше Ас1 на 400-450 °С. У подавляющего большинства быстрорежущих сталей точка Ас1 находится на уровне 815-840 °С (см.рисунок 1). В процессе нагрева стали под закалку необходимо стремиться:
- к полному растворению легированного перлита;
- к растворению в аустените структурно свободных вторичных карбидов.
В процессе выдержки при отпуске из мартенсита и остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды состава М6С. Аустенит, обедняясь углеродом и легирующими элементами, переходя границу начала мартенситного превращения (Мн), становится менее устойчивым и подвергается мартенситному превращению. На рисунке 5 участки выделены красным цветом.
Однако однократного отпуска оказывается недостаточно для полного превращения остаточного аустенита, т.к. за первый отпуск превращается в мартенсит только около половины всего остаточного аустенита. После второго отпуска еще примерно половина из оставшегося аустенита превращается в мартенсит. После третьего отпуска в структуре быстрорежущей стали находится не более 2 % остаточного аустенита, что вполне допустимо по эксплуатационным условиям.
В целях сокращения операций отпуска и для более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит инструмент после закалки немедленно подвергают обработке холодом при температуре минус 80 °С. После выдержки такого инструмента в холодильной установке в течение 30-60 мин он подвергается отпуску при температуре 550-560 °С в течение 1 часа для снятия внутреннх напряжений.
| Марка стали | Достоинства | Недостатки | Назначение |
|---|---|---|---|
| Р18 | Малая чувствительность к перегреву при закалке. Хорошая шлифуемость. Повышенное сопротивление пластической деформации. Стабильность свойств от плавки к плавке | Крупные карбиды ухудшают режущие свойства в инструментах с тонкой кромкой. Прочность и вязкость сильно зависят от профиля проката. Ухудшена ковкость. Самая низкая горячая пластичность | Черновые и чистовые фрезы диаметров 15-40 мм, резцы, подвергаемые значительному шлифованию, долбяки, протяжки, метчики, шеверы для обработки конструкционных сталей с пределом прочности 90-100 кгс/мм2. Из-за высокого содержания W лучше использовать для изготовления инструмента высокой точности |
| Р12 | Обладает несколько большей теплостойкостью, чем Р18. Размеры карбидных частиц меньше, чем у Р18. Самая высокая горячая пластичность | Режущие свойства в инструментах простой формы (резцы) немного хуже, чем у Р18 | Как заменитель Р18 |
| Р9 | Малая чувствительность к перегреву. Пластичность в холодном состоянии выше, чем у Р12. Высота нагрева под закалку ниже, чем у Р18 | Ухудшенная шлифуемость | Чистовые и получистовые режущие инструменты простой формы, не требующие большого объема шлифования и предназначенные для обработки конструкционных сталей с пределом прочности до 100 кгс/мм2 (сверла, деревообрабатывающий инструмент) |
| Р6М5 | Размеры карбидных частиц меньше, чем у Р18, что приводит к повышению вязкости. Хорошая шлифуемость | Повышенная чувствительность к обезуглероживанию. Нестабильность размеров зерна от плавки к плавке | Режущие инструменты всех видов для обработки при обычных скоростях резания углеродистых и среднелегированных сталей, а также зуборезные и резьбонарезные инструменты для обработки нержавеющих сталей |
| Р6М3 | Низкая склонность к обезуглероживанию. Хорошая горячая пластичность | Пониженная закаливаемость из-за уменьшенного содержания хрома | Преимущественно для изготовления катаных сверл |
| Р8М3 | Хорошая шлифуемость. Менее склонна к обезуглероживанию, чем Р6М5. Хорошая стабильность свойств, после закалки | Несколько меньший предел прочности при изгибе, чем у Р6М5 | Для тех же целей, что и Р6М5, особенно, когда не ставятся задачи точного контроля тепловых режимов термической обработки |
| Р18Ф2 | Стойкость на 20-40 % выше, чем у Р18 | По износостойкости уступает Р14Ф4 | Чистовые и получистовые режущие инструменты(резцы, фрезы, машинные развертки, сверла и т.п.) для обработки среднелегированных конструкционных сталей, в том числе нержавеющих и жаропрочных |
| Р14Ф4 и Р9Ф5 | Хорошая теплостойкость, доходящая до 630 °С, и вторичная твердость (HRC 65-66). | С увеличением W >12-13 % ухудшаются механические свойства из-за роста количества карбидов, поэтому необходимо увеличивать ванадий | Инструменты простой формы, не требующие большого объема шлифования (резцы, зенкеры, сверла и т.п.), для обработки материалов с повышенными абразивными свойствами (пластмассы, стеклопластики, эбонит и т.п.); чистовые инструменты простой формы для обработки легированных сталей и сплавов |
| Р18Ф2К5 | Повышается теплостойкость до 645 °С | Повышенная склонность к ликвации, что приводит к неравномерному дисперсионному твердению по сечению | Преимущественно получистовые и черновые инструменты для обработки углеродистых и легированных сталей при повышенных режимах резания, а также материалов с повышенной твердостью, нержавеющих и жаропрочных сплавов |
| Р6М5К5 | Основная марка, дающая повышенную производительность | Теплостойкость и вторичная твердость несколько ниже, чем у предыдущей марки | Различные черновые и получистовые инструменты (фрезы, долбяки, зенкеры, резьбонарезной инструмент и т.п.), предназначенные для обработки углеродистых и легированных сталей при повышенных режимах резания. Заменитель Р18К5Ф2 |
