В качестве материала для режущих инструментов применяют быстрорежу­щие стали, а также, в небольших количествах, заэвтекгоидные углеродистые стали с содержанием углерода 1,0-1,3% и суммарным содержанием леги­рующих элементов (кремния, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0%.

Углеродистые инструментальные стали (табл. 11.1) производят по ГОСТ 1435-73. Их применяют для изготовления мелкоразмерного ручного ре­жущего инструмента (метчики, напильники, развертки), режущие кромки которо­го в процессе работы не претерпевают нагрева выше 200-220°С.

Инструментальные легированные стали (9ХС, ХВГ, ХВСГ и др.) обла­дают более высокой теплостойкостью (до 250°С), а кроме того, имеют повы­шенную прокапиваемость, что позволяет использовать их для изготовления длинномерного инструмента сложной формы размерами сечения выше 20 мм (протяжки, метчики, плашки и др.).

Для изготовления резьбонакатного инструмента кроме низколегированных сталей чаще применяют стали Х6ВФ, Х12Ф1, Х12М.

Инструментальные легированные стали производят по ГОСТ 5950-73 (табл. 11.2).

Следует отметить, что за последние 15-20 лет существенных изменений в сортаменте этих марок не произошло, однако наблюдается устойчивая тен­денция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

Быстрорежущие стали. В настоящее время быстрорежущие стали явля­ются основным материалом для изготовления режущего инструмента, не­смотря на то, что инструмент из твердого сплава, керамики и СТМ обеспе­чивает более высокую производительность обработки.

Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления слож­нопрофильных высокопроизводительных инструментов определяется сочета­нием высоких значений твердости (до HRC = 70) и теплостойкости (620-640°С) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обра­батываются в отожженном состоянии [5].

По уровню теплостойкости и соответственно применяемым скоростям реза­ния быстрорежущие стали условно классифицируются на стали нормальной производительности (умеренной теплостойкости) и стали повышенной произ­водительности (повышенной теплостойкости). От вольфрамовых и вольфра­момолибденовых сталей нормальной производительности стали повышенной производительности отличаются дополнительным легированием ванадием и (или)кобальтом.

В последние годы как за рубежом, так и в России значительно изменился марочный состав производимой быстрорежущей стали, что связано как с повышением требований к инструменту, так и с совершенствованием терми­ческой обработки и технологии производства стали.

Эти изменения в основном таковы:

замена вольфрамовых сталей новыми комплексно-легированными вольф­рамомолибденованадиевыми и вольфрамомолибденованадиекобальтовыми сталями;

увеличение выпуска (до 10-20% от общего объема) быстрорежущих сталей повышенной производительности;

создание и использование «сверхбыстрорежущих» сталей высокой вто­ричной твердости (68-70 HRC3) и теплостойкости (640-650 °С), а также ста­лей с интерметаллидным упрочнением и теплостойкостью 680-700 °С;

разработка наиболее рациональных составов быстрорежущих сталей, предназначенных для производства методами порошковой металлургии;

разработка новых составов экономнолегированных сталей ограниченного применения.

Наиболее применяемые марки быстрорежущей стали традиционной техно­логии производства приведены в табл. 11.3.

При разработке новых составов сталей учитывалось соответствие харак­терной концентрации вольфрама определенному фазовому составу стали [25]. Так при содержании в стали 18% W и около 0,7% С в структуре стали, в соот­ветствии с диаграммой состояния [134], присутствует лишь карбид типа МехС на основе вольфрама.

В сталях с 1,5-2,0% V часть атомов вольфрама в карбидах МехС заменена атомами ванадия, что позволяет уменьшить содержание вольфрама (от 18 до 12%) при содержании углерода 0,7%. При этом такие стали «сбалансированы» на карбид МехС.

«Сбалансированности фазового состава» на карбид типа МехС отвечают также-стали с содержанием 12% молибдена (рис. 11.2). Последнее означает, что по влиянию на фазовый состав 1% молибдена эквивалентен примерно 1,5% вольфрама.

Таким образом, при содержании в стали 1,5-2,0% ванадия «сбалансиро­ванная» на карбид МехС сталь по содержанию вольфрама и молибдена должна соответствовать соотношению: W + (1,4 — 1,5)Мо = 12 — 14%.

В силу вышеизложенного, наибольшее распространение в мировой практи­ке производства быстрорежущей стали получили марки со следующим со­отношением вольфрама и молибдена: 8 % W — 9 % Мо, 7% W — 4 % Мо, 6 % W — 5 % Мо, 2 % W — 8 % Мо, 1% W — 9 % Мо.

При выборе марок стали для конкретного применения следует учитывать, что вольфрамомолибденовые стали обладают повышенной вязкостью, однако, более чувствительны к обезуглероживанию и имеют более узкий интервал оп­тимальных закалочных температур.

Повышение износостойкости и теплостойкости быстрорежущих сталей дос­тигается дополнительным легированием составов ванадием и кобальтом с соответствующим изменением содержания углерода.

При легировании 2,5 — 5% W и увеличением содержания на каждые 1% W 0,2% С в стали образуется повышенное количество карбида МехС, который практически не растворяется при нагреве под закалку. Наличие в стали после закалки и отпуска ванадиевых карбидов этого типа обеспечивает изготов­ленному из нее инструменту повышенную износостойкость.

Повышенная теплостойкость таких сталей связана с тем, что часть вана­дия, входящего в карбид МехС, при нагреве под закалку переходит в твердый раствор. Максимальная растворимость ванадия в карбидах МехС в составах с содержанием W -1,5Мо = 12-14%.

Стали этой группы нашли наиболее широкое применение в России и мире (табл. 11.4). Наиболее распространенной маркой этой группы является сталь Р6М5ФЗ.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия, так как твердость по­следних не уступает твердости зерен шлифовального круга.

Введение кобальта в состав быстрорежущих сталей наиболее значительно повышает их твердость и теплостойкость (до 640-650°С).

Кобальт не является карбидообразующим элементом, поэтому его введе­ние приводит к увеличению температуры у -* а превращений, повышается химическая активность углерода, вольфрама и молибдена в феррите, что является причиной образования увеличенного количества дисперсных частиц, выполняющих роль фазовых упрочнителей при отпуске [25, 45]. Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Влияние кобальта на свойства быстрорежущей стали становится заметным при его введении в сталь в количестве около 5% (см. рис. 11.2). В связи с ука­занным, типичные концентрации кобальта 5 — 8 и реже 10-12%.

Наиболее распространенные кобальтовые стали, включенные в стандарты различных стран, представлены в табл. 11.5.

Наряду с большими достоинствами по износостойкости, твердости, тепло­стойкости и теплопроводности, кобальтовые стали имеют ряд существенных недостатков. Среди них относительно низкая пластичность, высокая склон­ность к обезуглероживанию, в процессе нагрева под горячую деформацию и закалку [1], сниженная прочность при изгибе. Последний параметр сильно за­висит также и от других легирующих элементов. В частности, большей проч­ностью обладают кобальтовые стали Р2М9К8 (сти=3150-3350 МПа) и Р6М5К5 (аи=2800 МПа), легированные молибденом, меньшей прочностью обладают вольфрамовые стали типа Р12Ф4К5 (сти=2000 МПа) [5].

Исследования показали, что повышением относительного содержания уг­лерода и корректировкой пределов содержания легирующих элементов можно повысить служебные свойства кобальтосодержащих быстрорежущих сталей без их существенного удорожания. В результате была создана группа сталей (М41-М47 стандарта США), называемых «сверхбыстрорежущими». Широкое внедрение сталей этой группы оказалось возможным благодаря созданию современного оборудования для нагрева под горячую пластическую деформа­цию и термическую обработку, так как стали этой группы имеют более узкий интервал температур горячей обработки. К сталям этой группы можно отнести достаточно хорошо применяемые в промышленности стран СНГ марки Р12МЗФ2К5, Р12МЗФ2К8, Р12МЗФЗК10, Р9МЗК6С, Р6М5К5 и ряд других [104].

Отмеченные недостатки, а также высокая стоимость кобальтовых сталей определяют узкую область их рационального применения для изготовления режущего инструмента, используемого при обработке резанием коррозионно — стойких, 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 интерме — таллидным упрочнением В11М7К23 и B3M14K23 [25, 45]. Это типичные низко­углеродистые стали (содержание С до 0,3%), упрочняемые при дисперсионном твердении интерметаллидами типа (Fe, Co)7x(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 (<ти =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 (ст„=3400 МПа) и теплостойкости (до 620°С).

В Московском Государственном Технологическом Университете «СТАН — КИН» Л. С. Кремневым и его учениками разработана низколегированная без — вольфрамовая 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 электрошпакового переплава. Карбидная неоднородность металла после электрошпакового 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 электрошпакового 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 шли — фуемостью, 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 «компакгирования».

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 HRC3 40-44, а после закалки и отпуска HRC3 68-70.

При использовании в качестве материала режущего инструмента карбидо — сталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с анало­гичными марками обычной технологии производства [13]. В ряде случаев кар — бидосталь 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).

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 МехС 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.

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.

TOC o "1-5" h z Р2М5 Р6^_____ — г-

11М5Ф 2>= = — 10Р18

"• Р19Х ШЯШтМ

5М§\

р0М5каФ -Р6М6К

Р0М6К8Ф/ J ^•/ Р12Ч

11М5Ф/

Р9Ф,

РЮмЕ1203

ЬпоА1 / %<» Р6М5Ф х 9

11РЗАМЗ^/. -^р9К5 Р12ФЗ/

Р12МЗК8

г Р14Ф1

6?Х?!!^сР9Ф9 ‘ Р12Ф5 РЗіуїЗФЗІр |Р5М4Ф і і

Р18Ф2

6 8 10 12 14 16 18 D, %

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