Быстрорежущая сталь

Быстрорежущая стальБЫСТРОРЕЖУЩАЯ СТАЛЬ, хромовольфрамовая из группы специальных сталей (характерно для химического состава одновременное присутствие Сг и W); в настоящее время вводится V, и в некоторых марках, кроме того, или Со, или Мо, или Со+Мо, или U. Быстрорежущая сталь применяется почти исключительно для изготовления металлорежущих инструментов - резцов, сверл, фрез. Быстрорежущая сталь часто называют самокальной, хотя иногда этим термином называется сталь с пониженным содержанием Сг и W. Основное характерное свойство быстрорежущей стали - сохранять режущую способность при нагревах до 600—650°, а потому инструмент из быстрорежущей стали может работать при больших скоростях резания, при быстром резании, нагреваясь при этом до 600—650°.

Основные качества режущего инструмента - твердость и режущая способность - свойственны стали в закаленном состоянии. Для этого металл нагревом до соответствующей критической температуры переводят в состояние твердого раствора и быстро охлаждают (закаливают), получая его в состоянии переохлажденного твердого раствора, или в т. н. закаленном состоянии; затем делают отпуск, т. е. нагревают вторично, вследствие чего происходит в некоторой степени распадение твердого раствора, причем твердость металла повышается (вторичная твердость), натяжения и напряжения, образовавшиеся при закалке, уменьшаются, а режущая способность, работоспособность и прочность инструмента увеличиваются. Слишком высокий нагрев для отпуска влечет понижение или даже потерю режущей способности. При работе резания инструмент нагревается от трения тем больше, чем больше скорость резания, и слишком большой нагрев (до температуры выше температуры нормального отпуска) повлечет во время работы дальнейший, уже чрезмерный, отпуск и порчу инструмента. Т. о. скорость резания, вообще говоря, ограничивается допустимым нагревом инструмента. Инструменты из углеродистой стали сохраняют твердость и режущую способность при нагреве от трения не выше 300—350°. Быстрорежущая сталь сохраняет твердость и режущую способность при нагреве до 600— 650°. Отсюда следует, что работа инструментом из быстрорежущей стали по сравнению с таковым из углеродистой стали возможна при скоростях резания гораздо больших.

Основные элементы, определяющие особенности быстрорежущей стали - С, Сг и W; современные быстрорежущие стали основного типа – хромовольфрамовые - имеют химический состав: 0,6—0,7% С; 3,0—4,5%Сг; 11—20% W. По содержанию W они м. б. разделены на четыре марки: с малым содержанием W - (11—14%), средним (14—16%), большим (16—18%) и высшим (18—20%). В настоящее время непременно вводится 0,25—0,5% V. Указанный состав надо считать наиболее принятым, но некоторые заводы, изготовляющие быстрорежущую сталь, несколько изменяют состав. Так, содержание С понижают до 0,55—0,65% или, наоборот, повышают до 0,8%; содержание Сг некоторые германские заводы повышают до 5%; весьма многие заводы вводят V до 0,6—1,0% (введением до 0,5% V достигается общее улучшение качества металла; при содержании больше 0,5% V образуется карбид V4С3, влияющий непосредственно на режущую способность стали). Некоторые заводы считают достаточным иметь только два сорта: с 14% W и с 18% W; эти два состава наиболее типичны и имеют каждый свою область применения. Первый состав характеризуется пониженной скоростью резания, но обладает большею степенью вязкости; из стали этого состава изготовляются режущие инструменты с тонкими конструктивными деталями (например, сверла, развертки). Второй состав, с 18% W, допускает большую скорость резания, но, обладая меньшей вязкостью, позволяет изготовлять режущие инструменты лишь более прочных конструкций (например, резцы для тяжелых обдирочных работ). Экономический расчет показывает, что в случаях, где работа ведется с пониженной скоростью (например, на сравнительно несложных станках), необходимо применять сталь с пониженным содержанием W. Кроме указанного основного типа хромовольфрамовой быстрорежущей стали, в настоящее время применяется сталь, содержащая увеличенное количество С и V. Увеличением содержания С до 0,7—0,8% и V до 1,2% получают быстрорежущую сталь для резания более твердых металлов при скорости меньше нормальной. Введение в быстрорежущую сталь Со вполне установилось; резцы из быстрорежущей стали, содержащей Со, Сг и W, работают при больших скоростях и снимают большее количество стружки, чем в равных условиях работы быстрорежущая сталь, содержащая Сг и W.

Американская быстрорежущая сталь имеет следующий состав: 0,60—0,70% С; 3,0—4,5% Сг; 13— 20% W; 2,0—4,5% Со, 1,0—1,6% V. Английская сталь имеет: 5,0% Со, 18% W. Bohler Rapid-Stahle Extra 214 содержат: 0,6-0,7% С, 4,0% Сг, 19,5% W, 2,0—2,5% Со, 1,5% V. Большое колебание в содержании Со указывает на не вполне установившийся тип быстрорежущей стали с содержанием Со, Сг и W. Быстрорежущая сталь, содержащая Мо, производится сравнительно в небольшом количестве; состав: 0,6-0,7% С, 3,5-4% Сг, 16-18% W, 0,5— 2,0% Мо, 1,2—2,0% V. Чаще заводы инструментальной стали дают сталь состава: 0,6—0,7% С, 3,5—4,0% Сг, 16—18% W, 5,0% Со, 0,7—1,0% Мо, 0,6—1,2% V. Американский патент указывает следующий состав: 0,75— 1,2% С, 2,5—5,0% Сг, 15—19% W, до 3,0% Со, 1,0—5,0% V. Есть марка быстрорежущей стали, содержащая 0,25% U, но эта сталь мало известна. Как всякая сталь, быстрорежущая сталь имеет, по условиям ее выплавки, до 0,25% Si и до 0,25% Мn; вредных примесей не должно быть более 0,02—0,03% Р и 0,02—0,03 % S.

Относительные качества различной стали характеризуются достигаемой скоростью резания. При резании на токарных станках стали с сопротивлением на разрыв в 70 кг/мм2 скорость резания углеродистой стали с 1,2% С равна 7 м/мин; для быстрорежущей стали скорость резания, в зависимости от состава, приведена в следующей таблице (по Гадфильду):

rapid tabl

Быстрорежущая сталь в расплавленном состоянии есть однородный раствор С, Сг и W в железе. При отвердевании выделяется твердый раствор сложного состава - аустенит; отвердевание оканчивается при температуре около 1340°С образованием некоторого количества эвтектики (ледебурита), в состав которой входят аустенит и сложные карбиды; эта эвтектика на шлифе представляется в виде отдельных островков или тонкой сетки (фиг. 2) в основной массе аустенита, занимающих около 10% общей площади. Т. о. после отвердевания быстрорежущая сталь подобна белому чугуну системы Fe-C при общем содержании С 1,7—4,3%, причем в быстрорежущей стали вместо цементита Fe3C имеются сложные карбиды. Тотчас после окончания отвердевания быстрорежущая сталь представляет собою неоднородную доэвтектическую систему двух компонентов. Системы сплавов Fe+C+х указанного характера, т. е. состоящие из предельного аустенита и эвтектики, по предложению Рапатца, называются ледебуритными сталями. При дальнейшем охлаждении происходит выделение карбидов из аустенита первичного выделения и из аустенита эвтектики; карбиды первичного аустенита мелки, карбиды из аустенита эвтектики значительно крупнее и рассеяны неравномерно. По мере выделения карбидов аустенит доходит до эвтектоидного состава, и при некоторой температуре Аг1 происходит образование эвтектоида, аналогичного перлиту системы Fe-C.

Положение эвтектоидной температуры Ас1—Аг1 и характер прохождения всего процесса нагревания-охлаждения быстрорежущей стали может значительно меняться в зависимости от температуры нагрева и от скорости нагревания-охлаждения. При немедленном охлаждении от 920°С быстрорежущая сталь имеет эвтектоидную температуру Аг1 =764°С, т. е. ту же, как и система Fe-C; при замедленном охлаждении от температуры несколько выше 1000°С или более быстром охлаждении от большей температуры, температура эвтектоидного превращения Аr1 понижается приблизительно до 400°С; при быстром нагреве эвтектоидная температура поднимается до 850°С, вместо максимума в 820°С системы Fe-C. Строение нормальной, медленно отожженной быстрорежущей стали (или достаточно медленно охлажденной из расплавленного состояния) представляется в виде общей массы сорбита, феррит которого содержит Сг и W и в которой выделены карбиды Fe3C, Сг4С, WC, вольфрамид Fe2W, а в случае наличия V карбид V4C3 или двойные карбиды.

При нагревании быстрорежущей стали сначала образуется эвтектоидный раствор; дальнейшее растворение надэвтектоидных карбидов и вольфрамида происходит очень медленно и при высоких температурах, оканчивается же при температуре, близкой к температуре плавления; кроме растворения, при изменении температуры нагрева происходят изменения в карбидах и в количестве вольфрамида. Быстрорежущая сталь, закаленная при высоких температурах в интервале от Ас1 до температуры плавления, будет тем ближе к состоянию твердого раствора (переохлажденному), чем выше температура закалки. Если быстрорежущую сталь закалить при температуре, близкой к эвтектоидной, то основная масса ее будет в состоянии мартенсита, свойства которого в отношении легкого распадения при небольших нагревах близки к свойствам мартенсита системы Fe-C. Закаленная быстрорежущая сталь в этом случае легко переходит в незакаленное состояние и оказывается близкой по свойствам к углеродистой. Наоборот, при высокой температуре нагрева значительная или большая часть карбидов и вольфрамида переходят в твердый раствор и делают его весьма устойчивым и трудно распадающимся; поэтому уже при охлаждении на воздухе быстрорежущая сталь остается в состоянии твердого переохлажденного раствора-аустенита, т. е. закаливается (отсюда термин «самокалка») полностью или в большой степени и имеет структуру аустенита или мартенсита. Твердый раствор аустенита, образовавшийся при высоких температурах, распадается только при очень медленном охлаждении, закаленный же устойчив при нагревах в интервале 600—650°С. При нагреве до 550—600°С аустенит переходит в мартенсит и частично в троостит; строение мартенсита - в виде очень мелких игол; твердость по Бринеллю сравнительно с твердостью до отпуска возрастает (явление вторичной твердости), доходя до 700. Быстрорежущая сталь, закаленная и отпущенная, имеет большое сопротивление износу; мартенсит ее менее хрупок, чем мартенсит углеродистой стали. Мартенсит быстрорежущей стали устойчив при длительной температуре 550—600°С, и именно длительная устойчивость мартенсита - характерная особенность быстрорежущей стали. Твердость и режущая способность резца из быстрорежущей стали, отпущенной до вторичной твердости, сохраняется в значительной степени при нагревании резца во время резания до 650°С; эта особенность носит название «красностойкости». Указанные особенности быстрорежущей стали - закаливаемость, твердость, длительная устойчивость мартенсита, красностойкость, вторичная твердость - являются следствием вхождения в состав рассматриваемого сплава элементов С, Сг и W, между которыми практикой выработаны некоторые соотношения, что видно из вышеприведенных составов.

Исследования показали, что из упомянутых выше основных элементов С обусловливает закаливаемость и твердость, Сг, также повышая твердость, увеличивает инертность твердого раствора и способность закаливаться, следствием чего получается свойство закаливаемости на воздухе (самозакаливаемость) и вторичная твердость; W, как и Сг, увеличивает инертность твердого раствора; двойные карбиды Сг и W обусловливают устойчивость при отпусках, твердость и устойчивость при высоких температурах (до 600°С).

Технологический процесс производства и обработки быстрорежущей стали имеет свои особенности и большие трудности; производство это является весьма специальным и требующим знаний, искусства и навыков. Один химический состав совершенно не гарантирует качеств продукта. В настоящее время установлены некоторые положения, которые надо считать обязательными. Выплавка быстрорежущей стали как продукта большой ценности, вследствие дорогостоящих составных частей W и V, производится из чистых материалов и процессом, хотя и дорогим, но дающим большую гарантию качества, - в электропечах и тиглях (тигельная сталь лучше электростали). Слитки отливают небольшого веса и отковывают в штанги, прутки, полосы или поковки по заданному чертежу. Теплопроводность быстрорежущей стали мала, и процессы нагревов и охлаждений должны проводиться медленно и постепенно; при несоблюдении этого получается брак (трещины). Строение литой быстрорежущей стали представляется в виде крупных полиэдров (зерен) основной массы, разделенных тонкой сеткой ледебурита (иногда незамкнутой; см фиг. 1 и 2), и крупных включений карбидов в основной массе, неправильной формы и неравномерно размещенных; в таком состоянии быстрорежущая сталь не имеет нужных качеств (фиг. 1). Ковка изменяет структуру стали в высокой степени, превращая ее в мелкозернистую с мелкими равномерно распределенными включениями карбидов (фиг. 3 и 4); общая масса карбидных образований при ковке в условиях нагрева ~ 1000°С остается неизменной, и действие ковки ограничивается только размельчением и перемещением их. Кроме изменения внешней формы (т. е. получения в виде штанги или поковки в форме инструмента), задачей ковки является получение достаточно мелкой и равномерной структуры металла, что обусловливает нужные качества инструмента. После ковки делается отжиг при 850—950°С для уничтожения всех ковочных натяжений и напряжений и для получения состояния большей мягкости для возможности дальнейшей обработки на станках. При отжиге происходит выделение вторичных карбидов в виде мелких, весьма раздробленных включений из основной массы, которая доходит до эвтектоидного состава и принимает сорбитное строение. В таком состоянии (после отжига) быстрорежущая сталь имеет твердость по Бринеллю 250—300 и может без затруднения обрабатываться снятием стружки. Быстрорежущая сталь поступает к потребителям в отожженном состоянии; инструмент обыкновенно готовится потребителем на режущих станках (без нагревов) и подвергается закалке. При нагревании для закалки образуется твердый раствор, аустенит, сначала эвтектоидного состава, который постепенно, при выдерживании и повышении температуры растворяет сначала вторичные карбиды, а при конечной закалочной температуре в 1300°С - отчасти и первичные карбиды. Соответственно этому при закалке строение быстрорежущей стали будет в виде полиэдров аустенита, в стыках между которыми и в массе коих включены карбиды. Чем более продолжительное время выдерживается быстрорежущая сталь при высоких температурах и чем выше температура нагрева, тем резче выделяются полиэдры и тем они крупнее (в связи с укрупнением полиэдров качество металла понижается). С другой стороны, при удлинении времени нагрева и увеличении температуры (нагрева и закалки) количество свободных карбидов (вследствие растворения) уменьшается, и режущая способность и красностойкость стали повышаются. Структура закаленной стали имеет вид полиэдров меньших или больших размеров с включениями карбидов (фиг. 5). Отпуск быстрорежущей стали вызывает распадение аустенита и постепенное выделение карбидов; аустенит переходит в состояние мартенсита и даже троостита, но сталь сохраняет в значительной степени работоспособность; границы полиэдров теряют определенность, но очень мелкие выделения карбидов увеличиваются (фиг. 6). Неправильный нагрев, т. е. слишком продолжительный при высших температурах в интервале 1000—1300°С, может повести к образованию (восстановлению) ледебуритных участков из разбитых ковкой карбидов и даже к началу плавления образовавшегося ледебурита (фиг. 7 и 8). В таком состоянии, если оно достигло довольно большой степени развития, быстрорежущая сталь теряет свои качества (как говорят, сталь «пережжена»), которые м. б. восстановлены перековкой, если она возможна по размерам и форме; небольшая начальная степень образования ледебурита от нагрева стали может и не понизить рабочих качеств инструмента (фиг. 7).

Правила закалки быстрорежущей стали:
1) нагрев для закалки - а) медленный и равномерный подогрев в свинцовой или соляной ванне до 800—820°С; б) для окончательного нагрева инструмент переносят во вторую печь, муфельную или пламенную, температура которой поддерживается при 1250—1320°С (в зависимости от типа закаливаемого инструмента); по достижении необходимой температуры инструмент закаливают;
2) закалка в масле до температуры 70—80°С или струей воздуха;
3) нагрев для отпуска до 540—630°С (равномерно в течение 5—30 минут в зависимости от размеров, очертания и назначения инструмента);
4) охлаждение после отпуска на воздухе или в масле.

Началом применения специальных сталей для работы с увеличенной скоростью надо считать 1856 г., когда стала известна (взят патент) сталь Мошета (Mushet), состав которой был: С—2,0%; Si—1,5%; Мn—2,57%; Сг—1,15%; W—6,62%. В 1900 году Тейлор и Уайт начали исследование работы резания и в 1906 г. предложили следующий состав быстрорежущей стали: С—0,65%; Сг—5,5%; W—19%.

Быстрорежущая сталь

rapid 2

rapid 3

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.