6. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ.
ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
(В.Г. Шипша)
Инструментальные материалы предназначены для изготовления инструментов, применяемых в процессе металлообработки, а также для измерений. Эти материалы подразделяются на инструментальные стали, твердые сплавы и особо-твердые материалы.
По назначению инструментальные материалы классифицируются на материалы для режущего, штампового и измерительного инструментов.
СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурация и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (60–62 HRCЭ) и износостойкостью — способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.
Вместе с тем, режущий инструмент должен обладать высокой прочностью и достаточной вязкостью, чтобы сохранять форму режущей кромки и сопротивляться разрушению при изгибающем (резцы) и крутящем (сверла) моментах и динамических нагрузках.
В процессе резания происходит нагрев режущей кромки инструмента. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость (красностойкость) — способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы.
По теплостойкости применяемые материалы подразделяются на:
углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью до 200 °С (нетеплостойкие);
среднелегированные стали с теплостойкостью до 400–500 °С (полутеплостойкие);
высоколегированные быстрорежущие стали с теплостойкостью до 600–640 °С (теплостойкие);
твердые сплавы с теплостойкостью до 800–1000 °С;
особотвердые материалы с теплостойкостью до 1200 °С.
Инструментальные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1435–90 маркируют буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют качественные стали марок У7–У13 и высококачественные стали марок У7А–У13А, химический состав которых приведен в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Марки и химический состав инструментальных
углеродистых сталей (ГОСТ 1435–90)
Марка стали |
Массовая доля элемента, % |
||||
Углерода |
Кремния |
Марганца |
Серы |
Фосфора |
|
не более |
|||||
У7 |
0,65–0,74 |
0,17–0,33 |
0,17–0,33 |
0,028 |
0,030 |
У8 |
0,75–0,84 |
0,17–0,33 |
0,17–0,33 |
0,028 |
0,030 |
У8Г |
0,80–0,90 |
0,17–0,33 |
0,33–0,58 |
0,028 |
0,030 |
У9 |
0,85–0,94 |
0,17–0,33 |
0,17–0,33 |
0,028 |
0,030 |
У10 |
0,95–1,04 |
0,17–0,33 |
0,17–0,33 |
0,028 |
0,030 |
У11 |
1,05–1,14 |
0,17–0,33 |
0,17–0,33 |
0,028 |
0,030 |
У12 |
1,15–1,24 |
0,17–0,33 |
0,17–0,33 |
0,028 |
0,030 |
У13 |
1,25–1,35 |
0,17–0,33 |
0,17–0,33 |
0,028 |
0,030 |
У7А |
0,65–0,74 |
0,17–0,33 |
0,17–0,28 |
0,018 |
0,025 |
У8А |
0,75–0,84 |
0,17–0,33 |
0,17–0,28 |
0,018 |
0,025 |
У8ГА |
0,80–0,90 |
0,17–0,33 |
0,33–0,58 |
0,018 |
0,025 |
У9А |
0,85–0,94 |
0,17–0,33 |
0,17–0,28 |
0,018 |
0,025 |
У10А |
0,95–1,04 |
0,17–0,33 |
0,17–0,28 |
0,018 |
0,025 |
У11А |
1,05–1,14 |
0,17–0,33 |
0,17–0,28 |
0,018 |
0,025 |
У12А |
1,15–1,24 |
0,17–0,33 |
0,17–0,28 |
0,018 |
0,025 |
У13А |
1,25–1,35 |
0,17–0,33 |
0,17–0,28 |
0,018 |
0,025 |
По механическим свойствам и назначению углеродистые стали подразделяются на:
стали повышенной вязкости
стали высокой твердости
Области применения углеродистых сталей указаны в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Примерное назначение инструментальной углеродистой стали
Марка стали |
Область применения |
У7, У7А |
Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот. Для пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимов, бойков. Для кузнечных штампов. Для игольной проволоки. Для слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др. |
У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А |
Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрев режущей кромки. Для обработки дерева: фрез, зенковок, цековок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых. Для накатных роликов, плит и стержней для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др. Для калибров простой формы и пониженных классов прочности. Для холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двойных ножей конструкционно-мелких деталей, в том числе для часов и т. д. (лента выпускается по ГОСТ 2283 и ГОСТ 21996 и ряду специальных технических условий) |
У10А, У12А |
Для сердечников |
У10, У10А |
Для игольной проволоки |
У10, У10А, У11, У11А |
Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрев режущей кромки. Для обработки дерева: пил ручных, поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных . Для штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению . Для калибров простой формы и пониженных классов точности . Для накатных роликов, напильников, шаберов, слесарных и др. Для напильников, шаберов. Для хлоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, бедер, ламелей доильных ножей, конструкционно-мелких деталей, в том числе для часов и т. д. (лента выпускается по ГОСТ 2283 и ГОСТ 21996 и ряду технических условий) |
У12, У12А |
Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных. Штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших размеров и без резких переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов точности |
У13, У13А |
Для инструментов с пониженной износостойкостью при умеренных и незначительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки): напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравированных инструментов |
Металлопродукцию из этих сталей выпускают в прутках, полосах и мотках (проволока). Углеродистые стали поставляются после отжига на зернистый перлит, что позволяет получать при последующей термообработке наиболее однородные свойства. Благодаря невысокой твердости (НВ 187–217) эти стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные процессы изготовления инструмента.
Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух этапов: предварительная и окончательная.
Предварительная термическая обработка применяется для уменьшения деформации (в 1,5–2 раза) деталей из углеродистых сталей при последующей закалке. Она заключается в предварительной закалке с 740–770 °С с охлаждением в масле и последующем отпуске при 600 °С (1 ч).
Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска, режимы которых указаны в табл. 6.3.
Мелкие инструменты (диаметром до 120 и длиной до 250 мм) целесообразно нагревать под закалку в соляных ваннах (70 % BaCl2 + 30 % NaCl), так как при этом не надо защищать детали от окисления и обезуглероживания.
При нагреве более крупного инструмента в камерных печах без защитной атмосферы необходимо применять для его защиты упаковочные материалы, например для сталей с температурой закалки до 900 °С — древесный уголь + карбюризатор или смесь свежей и пережженной чугунной стружки (более подробно см. [1]).
Время выдержки на 1 мм диаметра (толщины): 20–35 с при нагреве в ванне и 50–80 с при нагреве в печи.
Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки — порядка 200–300 °С/с. Замедление охлаждения при закалке недопустимо, так как приводит к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен.
Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаться насквозь.
Инструменты крупных размеров при закалке в воде и водных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инструментов представляет собой продукты распада аустенита перлитом в интервале температур. Сердцевина инструментов, имеющих такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит.
Углеродистые стали целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно закаливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливаемости, а также для инструментов диаметром или толщиной 18–25 мм, в которых режущая часть приходится только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.
Таблица 6.3
Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей
Марка стали |
Закалка |
Отпуск |
||
Tз, °С |
Твердость HRCЭ |
Тотп, °С |
Твердость HRCЭ |
|
У7, У7А |
800–820 |
63–65 |
150–160 200–220 |
61–63 57–59 |
У8, У8А |
780–800 |
63–65 |
150–160 200–220 |
61–63 57–59 |
У9, У9А |
760–780 |
64–66 |
150–160 200–220 |
62–63 58–59 |
У10, У10А |
|
64–66 |
150–160 200–250 |
62–63 58–59 |
У11, У11А |
760–780 |
64–66 |
150–160 200–250 |
62–63 58–59 |
У12, У12А |
760–780 |
64–66 |
150–160 200–250 |
62–63 58–59 |
У13, У13А |
760–780 |
64–66 |
150–160 200–250 |
62–63 58–59 |
Примечание. Закалочная среда — вода, отпуск проводится на воздухе. При закалке в масле Тз повышают на 20 °С.
Углеродистые инструментальные стали отпускают при температурах не более 200 °С во избежание снижения твердости. Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 57–63 HRCЭ, а прочность при изгибе составляет » 1800–2700 МПа.
Достоинствами углеродистых инструментальных сталей является низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии.
Их недостатками являются невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.
В данном пункте будут рассмотрены только низко- и среднелегированные стали. Эти стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.
В отдельную группу можно выделить стали для ударных инструментов [1]. Химический состав данных сталей по ГОСТ 5950–73 приведен в табл. 6.4.
Таблица 6.4
Марки и химический состав (масс. %) легированных
инструментальных сталей
(ГОСТ 5950–73)
Марка стали |
Углерод |
Кремний |
Марганец |
Хром |
Вольфрам |
Ванадий |
Молибден |
Стали неглубокой прокаливаемости |
|||||||
8ХФ |
0,70–0,80 |
0,10–0,40 |
0,15–0,45 |
0,40–0,70 |
– |
0,15–0,30 |
– |
9ХФ |
0,80–0,90 |
0,15–0,35 |
0,30–0,60 |
0,40–0,70 |
– |
0,15–0,30 |
– |
9ХФМ |
0,80–0,90 |
0,15–0,35 |
0,30–0,60 |
0,40–0,70 |
– |
0,15–0,30 |
0,15–0,25 |
11ХФ |
1,05–1,15 |
0,15–0,35 |
0,40–0,70 |
0,40–0,70 |
– |
0,15–0,30 |
– |
13Х |
1,25–1,40 |
0,10–0,40 |
0,15–0,45 |
0,40–0,70 |
– |
– |
– |
ХВ4Ф |
1,25–1,45 |
0,15–0,35 |
0,15–0,40 |
0,40–0,70 |
3,50–4,30 |
0,15–0,30 |
– |
В2Ф |
1,05–1,22 |
0,10–0,40 |
0,15–0,45 |
0,20–0,40 |
1,60–2,00 |
0,15–0,30 |
– |
Стали глубокой прокаливаемости |
|||||||
9Х1 |
0,80–0,95 |
0,25–0,45 |
0,15–0,40 |
1,40–1,70 |
– |
– |
– |
Х |
0,95–1,10 |
0,10–0,40 |
0,15–0,45 |
1,30–1,65 |
– |
– |
– |
12Х1 |
1,15–1,25 |
0,15–0,35 |
0,30–0,60 |
1,30–1,65 |
– |
– |
– |
9ХС |
0,85–0,95 |
1,20–1,60 |
0,30–0,60 |
0,95–1,25 |
– |
– |
– |
ХГС |
0,95–1,05 |
0,40–0,70 |
0,85–1,25 |
1,30–1,65 |
– |
– |
– |
9ХВГ |
0,85–0,95 |
0,15–0,35 |
0,90–1,20 |
0,50–0,80 |
0,50–0,80 |
– |
– |
ХВГ |
0,90–1,05 |
0,10–0,40 |
0,80–1,10 |
0,90–1,20 |
1,20–1,60 |
– |
– |
ХВСГФ |
0,95–1,05 |
0,65–1,00 |
0,60–0,90 |
0,60–1,10 |
0,50–0,80 |
0,05–0,15 |
– |
9Г2Ф |
0,85–0,95 |
0,10–0,40 |
1,70–2,20 |
– |
– |
0,10–0,30 |
– |
Стали для ударных инструментов |
|||||||
4ХС |
0,35–0,45 |
1,20–1,60 |
0,15–0,40 |
1,30 –1,60 |
– |
– |
– |
6ХС |
0,60–0,70 |
0,60–1,00 |
0,15–0,40 |
1,00–1,30 |
– |
– |
– |
5ХВ2СФ |
0,45–0,55 |
0,80–1,10 |
0,15–0,45 |
0,90–1,20 |
1,80–2,30 |
0,15–0,30 |
– |
6ХВ2С |
0,55–0,65 |
0,50–0,80 |
0,15–0,40 |
1,00–1,30 |
2,20–2,70 |
– |
– |
6ХВГ |
0,55–0,70 |
0,15–0,35 |
0,90–1,20 |
0,50 –0,80 |
0,50–0,80 |
– |
– |
6Х3МФС |
0,55–0,62 |
0,35–0,65 |
0,20–0,60 |
2,60–3,30 |
– |
0,30–0,60 |
0,20–0,50 |
Примечание. В обозначении марок первые цифры означают массовую долю углерода в десятых долях процента. Они могут не указываться, если массовая доля углерода близка к единице или больше единицы. Буквы означают: Г — марганец, Х — хром, В — вольфрам, С — кремний, Ф — ванадий, Н — никель, М — молибден. Цифры, стоящие после букв означают среднюю массовою долю соответствующего легирующего элемента в целых единицах. Отсутствие цифр означает, что массовая доля этого легирующего элемента равна » 1 %. В отдельных случаях массовая доля легирующих элементов не указывается, если она не превышает 1,8 %.
Стали неглубокой прокаливаемости
Стали неглубокой прокаливаемости по устойчивости переохлажденного аустенита незначительно превосходят стали группы У7–У13, но благодаря легированию хромом (0,2–0,7 %), ванадием (0,15–0,30 %) и вольфрамом имеют большую устойчивость к перегреву, более высокие износо- и теплостойкость (в поверхностном слое).
Эти стали используются для изготовления инструментов, подвергаемых поверхностной (местной) закалке: пилы, зубила, штемпели, ножи для холодной и горячей резки, обрезные матрицы и пуансоны и т. п. Некоторые стали имеют специальное применение: сталь 13Х предназначена главным образом для бритвенных ножей и лезвий, хирургического и гравировального инструмента; сталь В2Ф предназначена для ленточных пил и ножовочных полотен для резки сталей средней твердости, по работоспособности превосходящая стали типа 9ХФ в 1,5–2 раза. Сталь ХВ4Ф отличается особо высокой твердостью (HRCЭ 67–69) и износостойкостью благодаря присутствию W6C, который не растворяется при температуре закалки. Эту сталь называют алмазной и из неё изготовляют резцы и фрезы для обработки с небольшими скоростями материалов с высокой поверхностной твердостью (отбеленных чугунов и закаленных деталей).
Термическая обработка аналогична углеродистым сталям, но для закалки на максимальную твердость необходимо использовать резкие охлаждающие среды (водные растворы солей и щелочей). Режимы термической обработки приведены в табл. 6.5.
Таблица 6.5
Режимы окончательной термической обработки
и твердость низколегированных инструментальных сталей
Марка |
Твердость НВ после отжига |
Закалка |
Отпуск |
|||
Тз, °С |
Среда |
Твердость HRCЭ |
Тотп, °С |
Твердость HRCЭ |
||
Стали неглубокой прокаливаемости |
||||||
8ХФ |
241 |
810–820 830–860 |
вода |
58–59 63–65 |
200–220 |
57–58 60–62 |
9ХФ |
241 |
850–880 820–840 |
масло вода |
61–64 |
200–250 |
58–60 55–58 |
11ХФ |
229 |
810–830 840–860 |
вода масло |
62–65 62–64 |
150–170 |
62–65 |
13Х |
248 |
780–820 810–830 |
вода масло |
62 -65 62–64 |
150–170 |
62–65 |
Х4В4Ф |
255 |
830–850 820–840 |
масло вода |
63–65 65–67 |
140–170 |
62–67 |
В2Ф |
229 |
780–840 |
масло вода |
66–67 |
120–180 |
62–65 |
Стали глубокой прокаливаемости |
||||||
9Х1 |
229 |
820–850 |
масло |
61–63 |
160–180 |
59–61 |
Х |
229 |
840–860 |
то же |
62–63 |
130–150 170–210 |
62–65 58–60 |
9ХС |
241 |
840–860 |
то же |
62–63 |
180–250 |
58–62 |
ХГС |
241 |
820–860 |
то же |
62–64 |
150–160 |
61–63 |
12Х1 |
241 |
850–870 |
то же |
63–65 |
120–130 |
62–65 |
ХВГ |
255 |
820–850 |
то же |
62–63 |
150–200 200–300 |
63–62 62–58 |
9ХВГ |
241 |
820–840 |
то же |
64–66 |
160–180 170–230 230–275 |
61 62–60 60–50 |
ХВСГ |
241 |
840–860 |
то же |
62–63 |
140–160 |
60–62 |
9Г2Ф |
229 |
790–810 |
то же |
61–62 |
180 |
60–61 |
Примечания:
Стали глубокой прокаливаемости
Стали глубокой прокаливаемости (табл. 6.4) имеют более высокое содержание хрома (0,6–1,7 %), а также совместное присутствие в ряде марок сталей хрома, марганца и кремния (вольфрама). Такое комплексное легирование при относительно небольших количествах каждого элемента существенно повышает прокаливаемость, повышает однородность распределения карбидов (кроме сталей типа ХВГ) и уменьшает чувствительность сталей к перегреву.
Из сталей 9ХС, ХГС, ХВГ, 9ХВГ и ХВГС изготовляют режущий (метчики, плашки, развертки, фрезы и т. д.), а также штамповый (пробойники, вырубные штампы и т. д.) инструмент более ответственного назначения, чем из углеродистых сталей.
Отличительная особенность марганецсодержащих сталей (9Г2Ф, ХВГ и др.) состоит в их малой деформируемости при закалке. Марганец, интенсивно снижая интервал мартенситного превращения, способствует сохранению остаточного аустенита (до 15–20 %), который компенсирует (частично или полностью) увеличение объема при образовании мартенсита. Это качество сталей поз-воляет изготавливать из них инструмент, к которому предъявляют жесткие требования к размерной стабильности при термообработке.
Термическая обработка: закалка + низкий отпуск проводится в соответствии с режимами, указанными в табл. 6.5.
Стали для ударных инструментов
Исходя из назначения эти стали должны обладать: повышенной вязкостью для предупреждения поломок и выкрашивания режущих кромок инструмента, работающего в условиях больших ударных нагрузок; высокими прокаливаемостью и закаливаемостью в горячих средах, т. е. возможностью принимать изотермическую закалку в больших сечениях, что обеспечивает повышение ударной вязкости.
Необходимый комплекс свойств сталей этой группы обеспечивается соответствующим легированием. Химический состав представлен в табл. 6.4.
Хромокремнистые стали (4ХС, 6ХС) прокаливаются в образцах диаметром до 50–60 мм при охлаждении в масле. Кроме того, стали, легированные кремнием, имеют повышенные устойчивость при отпуске и предел текучести. Недостатком этих сталей является хрупкость первого рода после отпуска при 270–400 °С на твердость 46–50 HRCЭ. Поэтому для получения удовлетворительной вязкости в этом случае необходимо применять изотермическую закалку.
Хромовольфрамокремнистые стали 5ХВ2СФ, 6ХВ2С и другие, как более сложнолегированные, прокаливаются в больших сечениях (до 70–80 мм) при охлаждении в масле и хорошо принимают изотермическую закалку. Стали с вольфрамом менее чувствительны к отпускной хрупкости первого рода. Легирование сталей вольфрамом также повышает устойчивость против разупрочнения при отпуске.
По структурному признаку стали, содержащие 0,4–0,5 % С, являются доэвтектоидными, а с 0,6 % С — эвтектоидными и заэвтектоидными. Структура доэвтектоидных сталей после отжига состоит из пластинчатого и, реже, зернистого перлита с небольшими участками феррита, заэвтектоидных — из зернистого перлита. Кроме того, в структуре последних наряду с цементитом присутствует карбид МС. После закалки структура характеризуется наличием мартенсита и остаточного аустенита, а при повышенном содержании углерода — еще и избыточных карбидов. Отпуск обеспечивает образование троститной структуры. Режимы термической обработки сталей указаны в табл. 6.6.
Стали этой группы предназначены для изготовления пневматических инструментов: зубил, обжимок, вырубных, обрезанных и чеканочных штампов, работающих с повышенными ударными нагрузками, рубильных ножей, штемпелей, клейм, прошивочного, деревообрабатывающего инструмента и т. д.
Для повышения износостойкости этих сталей иногда необходимо проведение дополнительной химико-термической обработки (азотирования, нитроцементации и др.), обеспечивающей при правильных выбранных режимах значительное возрастание поверхностной твердости без заметного снижения сопротивления хрупкому разрушению.
Таблица 6.6
Режимы
окончательной термической обработки сталей
для ударных инструментов
Марка |
Твердость НВ после отжига |
Закалка |
Отпуск |
||
ТЗ, °C |
Твердость HRCЭ |
Тотп, °C |
Твердость HRCЭ |
||
4ХС |
217 |
880–890 |
47 |
240–270 |
52–55 |
6ХС |
229 |
840–860 |
55–59 |
240–270 |
52–55 |
5ХВ2СФ |
229 |
860–900 |
55 |
200–250 |
53–58 |
6ХВ2С |
269 |
860–900 |
57 |
200–250 |
53–58 |
6Х3МФС |
241 |
980–1020 |
56–60 |
180–200 |
57–59 |
6ХВГ |
217 |
850–900 |
57 |
200–250 |
53–56 |
Примечания:
Отжиг сталей проводится при температуре 800–820 °С, охлажд ние — до 600 °С со скоростью 60 °С/с, далее — на воздухе.
Закалочная среда — масло.
Охлаждение после отпуска на воздухе.
Быстрорежущие стали широко применяют для изготовления режущего инструмента, работающего в условиях значительного силового нагружения и нагрева (до 600–640 °С) режущих кромок. К этой группе сталей относятся высоколегированные вольфрамом совместно с другими карбидообразующими элементами (молибден, хром, ванадий) стали, приобретающие высокие твердость, прочность, тепло- и износоустойчивость в результате двойного упрочнения: а) мартенситного при закалке; б) дисперсионного твердения при относительно высоком отпуске (500–620 °С), вызывающего выделение упрочняющих фаз.
Быстрорежущие стали маркируют буквой «Р» (rapid — быстрый) и числом, показывающим среднее содержание W, а также последующими буквами и цифрами, указывающими другие легирующие элементы и их количество, как в стандартной маркировке легированных сталей. В марках быстрорежущих сталей не указывают углерод и хром (их массовая доля » 1 % и » 4 % соответственно), а также молибден до 1 % включительно и ванадий в сталях Р18, Р9, Р9К5, Р6М5 и др.
Химический состав быстрорежущих сталей приведен в табл. 6.7.
По основным свойствам быстрорежущие стали подразделяются на пять подгрупп: 1) стали умеренной теплостойкости (типа Р9, Р6М5); 2) повышенной износостойкости (типа Р12Ф3, Р6М5Ф3); 3) повышенной теплостойкости (типа Р6М5К5, Р9К5); 4) высокой износо- и теплостойкости (типа Р18К5Ф2); 5) высокой твердости и теплостойкости с улучшенной шлифуемостью (типа Р9М4К8, В11М7К23).
Вместе с тем эти стали имеют много общих характеристик. Поэтому для упрощения рассмотрения особенностей структуры, свойств и режимов термообработки их можно разделить на три группы по производительности обработки:
стали нормальной производительности (стали умеренной теплостойкости);
стали повышенной производительности (стали повышенной тепло- и износостойкости);
стали высокой производительности (стали высокой тепло- и износостойкости).
Таблица 6.7
Марки и химический состав (масс. %) быстрорежущих сталей (ГОСТ 19265–73)
Марка |
Углерод |
Хром |
Вольфрам |
Ванадий |
Кобальт |
Молибден |
Азот |
Ниобий |
Стали нормальной производительности |
||||||||
Р18 |
0,73–0,83 |
3,80–4,40 |
17,00–18,50 |
1,00–1,40 |
< 0,50 |
< 1,0 |
– |
– |
Р9 |
0,85–0,95 |
3,80–4,40 |
8,50–9,50 |
2,30–2,70 |
< 0,50 |
< 1,0 |
– |
– |
Р6М5 |
0,82–0,90 |
3,80–4,40 |
5,50–6,50 |
1,70–2,10 |
< 0,50 |
4,80–5,30 |
– |
– |
11Р3АМ3Ф2 |
1,02–1,12 |
3,80–4,30 |
2,50–3,30 |
2,30–2,70 |
< 0,50 |
2,50–3,00 |
0,05–0,10 |
0,05–0,20 |
Стали повышенной производительности |
||||||||
Р6М5Ф3 |
0,95–1,05 |
3,80–4,30 |
5,70–6,70 |
2,30–2,70 |
< 0,50 |
4,80–5,30 |
– |
– |
Р12Ф3 |
0,95–1,05 |
3,80–4,30 |
12,00–13,00 |
2,50–3,00 |
< 0,50 |
< 1,00 |
– |
– |
Р18К5Ф2 |
0,85–0,95 |
3,80–4,40 |
17,00–18,50 |
1,80–2,20 |
4,70–5,20 |
< 1,00 |
– |
– |
Р9К5 |
0,90–1,00 |
3,80–4,40 |
9,00–10,00 |
2,30–2,70 |
5,00–6,00 |
< 1,00 |
– |
– |
Р6М5К5 |
0,84–0,92 |
3,80–4,30 |
5,70–6,70 |
1,70–2,10 |
4,70–5,20 |
4,80–5,30 |
– |
– |
Стали высокой производительности |
||||||||
Р9М4К8 |
1,00–1,10 |
3,00–3,60 |
8,50–9,50 |
2,30–2,70 |
7,50–8,50 |
3,80–4,30 |
– |
– |
Р2АМ9К5 |
1,00–1,10 |
3,80–4,40 |
1,50–2,00 |
1,70–2,10 |
4,70–5,20 |
8,00–9,00 |
0,05–010 |
0,10–0,30 |
В11М7К23* |
0,05–0,15 |
< 0,5 |
10,5–12,5 |
0,4–0,8 |
22,5–24,0 |
7,00–8,00 |
– |
– |
В4М12К23* |
0,05–0,15 |
< 0,5 |
3,8–4,4 |
0,4–0,8 |
22,5–24,0 |
12,00–13,00 |
– |
– |
Примечания:
В обозначениях марок стали не указывают массовую долю: хрома — при любой массовой доле; молибдена — до 1 % включительно; ванадия — в стали марок Р18, Р9, Р6М5, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8 и Р2АМ9К5; азота — в стали марок 11Р3АМ3Ф2 и Р2АМ9К5.
* Состав указан по ТУ.
Структура сталей с карбидным упрочнением (стали типа «Р») примерно одинакова для всех групп. После окончательной термообработки (закалка + отпуск) их структура состоит из мартенсита с выделением дисперсных частиц легированных карбидов в основном типа М6С и МС. Такая структура обеспечивает теплостойкость инструмента до 600–640 °С.
Наиболее высокую теплостойкость (до 700–720 °С) имеют высоколегированные сплавы системы Fe—Co—W—Mo с интерметаллидным упрочнением (марки В4М12К23 и В11М7К23). После окончательной термообработки структура этих сплавов состоит из безуглеродистого (или малоуглеродистого) мартенсита с невысокой твердостью (30–40 HRCЭ) и мелкодисперсных интерметаллидов (Fe,Co)7(W,Mo)6, Fe3W2(Fe3Mo2), (Fe,Co,Ni)7 (W,Mo)6.
Высокие твердость (HRCЭ 68–70) и теплостойкость (720 °С) обеспечиваются: а) более высокими температурами (900–950 °С) начала фазовых превращений, что на 100 °С выше, чем у стали с карбидным упрочнением; б) большими количествами упрочняющих фаз, отличающихся высокой дисперсностью (до 2–3 мкм) и равномерностью распределения в основной матрице [3].
Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному (карбидному) классу и их структура примерно одинакова. Слитки этих сталей содержат карбидную эвтектику в виде сетки по границам аустенитных зерен (рис. 6.1, а), которая резко снижает обычные механические свойства, особенно пластичность. В процессе горячей обработки давлением (ковка, прокатка) карбидная эвтектика раздробляется и измельченные карбиды более равномерно распределяются в основной матрице (рис. 6.1, б).
После прокатки или ковки быстрорежущие стали подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 800–850 °С до полного превращения аустенита в перлитно-сорбитную структуру с избыточными карбидами (рис. 6.1, б).
Термическая обработка. Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности и вязкости инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и многократного отпуска.
Закалка. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение в аустените труднорастворимых карбидов вольфрама, молибдена и ванадия. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки высоколегированный мартенсит с высокой теплостойкостью. Поэтому температура закалки очень высокая и составляет » 1200–1300 °С (см. табл. 6.8.).
Рис. 6.1. Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после
ковки и отжига;
в) после закалки; г) после отпуска. ×500.
Таблица 6.8
Оптимальные режимы термообработки основных марок быстрорежущих сталей
Марка стали |
Твердость НВ в состоянии поставки (не более) |
Закалка |
Отпуск |
Свойства после окончательной |
|||||||
Тз, °С |
Тотп, °С |
Твердость HRCЭ |
s изг, МПа |
KCU, Дж/см2 |
Теплостойкость, °С (HRCЭ 58) |
||||||
Стали нормальной производительности |
|||||||||||
Р9 |
255 |
1 230–1260 |
560 |
62–65 |
2800–3100 |
30–35 |
620 |
||||
Р18 |
255 |
1270–1290 |
560 |
62–65 |
2700–3000 |
28–30 |
620 |
||||
Р6М5 |
255 |
1200–1230 |
540–560 |
63–64 |
3200–3600 |
38–40 |
620 |
||||
Р8М3* |
255 |
1220–1240 |
560 |
63–64 |
3100–3300 |
35–38 |
625 |
||||
11Р3АМ3Ф2 |
255 |
1180–1210 |
540–580 |
63–64 |
3400–3800 |
32–40 |
620 |
||||
Стали повышенной производительности |
|||||||||||
Р12Ф3 |
269 |
1230–1270 |
550–570 |
63–65 |
2500–2900 |
25–28 |
630 |
||||
Р9К5 |
269 |
1220–1250 |
550–570 |
64–65 |
2300–2700 |
22–30 |
630 |
||||
Р6М5Ф3 |
269 |
1200–1240 |
540–560 |
63–66 |
2700–3100 |
20–25 |
625 |
||||
Р6М5К5 |
269 |
1210–1240 |
550–570 |
65–66 |
2600–2900 |
24–28 |
630 |
||||
Стали высокой производительности |
|||||||||||
Р12Ф4К5 |
285 |
1230–1260 |
550–560 |
66–67 |
2600–2700 |
20–22 |
640 |
||||
Р9М4К8 |
285 |
1210–1240 |
550–560 |
66–68 |
2300–2500 |
18–20 |
640 |
||||
Р2АМ9К5 |
285 |
1190–1220 |
550–560 |
66–68 |
1600–1900 |
20–22 |
635 |
||||
В11М7К23 |
330 |
1290–1320 |
580–600 |
68–70 |
2300–2600 |
10–12 |
720 |
||||
В4М12К23 |
321 |
1290–1320 |
580–600 |
68–69 |
2400–2700 |
13–15 |
720 |
Примечания:
Для предотвращения образования трещин и деформации инструмента из–за низкой теплопроводности сталей нагрев под закалку проводят с одним или двумя подогревами в расплавленных солях: первый — при 400–500 °С, второй — при 800–850 °С. Окончательный нагрев также проводят в соляной ванне (BaCl2) c очень малой выдержкой при Тз: 10–12 с на 1мм толщины инструмента из сталей типа «Р» и 30–60 с для сталей типа В11М7К23. Это позволяет избежать роста аустенитного зерна (не крупнее № 10), окисления и обезуглероживания.
Инструменты простой формы закаливают в масле, а сложной — в растворах солей (KNO3) при 250–400 °С.
После закалки структура быстрорежущей стали (рис. 6.1, в) состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3–0,4 % С, не растворенных при нагреве избыточных карбидов, и около 20–30 % остаточного аустенита. Последний снижает твердость, режущие свойства инструмента, ухудшает шлифуемость, и его присутствие нежелательно.
Отпуск. При многократном отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550–570 °С в течение 45–60 мин. Режим термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 приведен на рис. 6.2. Число отпусков может быть сокращено при обработке холодом после закалки, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты сравнительно простой формы. Твердость после закалки HRCЭ 62–63, а после отпуска она увеличивается до HRCЭ 63–65.
Поверхностная обработка. Для дальнейшего повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости поверхностного слоя режущих инструментов применяют такие технологические операции, как цианирование, азотирование, сульфидирование, обработку паром и другие технологии поверхностного упрочнения. Их выполняют после окончательной термообработки, шлифования и заточки инструментов.
Рис. 6.2. Режимы термической обработки
инструмента из стали Р18:
а) закалка и трехкратный
отпуск;
б) закалка, обработка холодом, отпуск
Цианирование осуществляют при 550–570 °С в течение 5–30 мин в жидких средах и 1,5–3,0 ч в газовой атмосфере. Для жидкостного цианирования используют ванны с расплавами NaCN (90 или 50 %), Na2CO3 , NaOH (KOH). Газовое цианирование выполняют в смеси аммиака и науглероживающего газа.
Азотирование инструментов проводится при 550–660 °С продолжительностью 10–40 мин в атмосфере аммиака. Проводят также газовое азотирование в смеси 20 % аммиака и 80 % азота; последнее предпочтительней, так как в этом случае обеспечивается меньшая хрупкость слоя.
Сульфидирование проводят при 450–560 °С, продолжительностью от 45 мин до 3,0 ч в жидких расплавах, например 17 % NaCl, 25 % BaCl2, 38 % CaCl2, 3–4 % K4Fe(CN)6, в которые добавляют серосодержащие соединения FeS, Na2SO4, KCNS.
При обработке паром инструменты помещают в герметичную печь и выдерживают при 300–350 °С под давлением 1–3 МПа в течение 20–30 мин для удаления воздуха. Затем тепература повышается до 550–570 °С, проводится выдержка 30–60 мин, охлаждение в атмосфере пара до 300–350 °С, после чего подача пара прекращается. Заканчивается охлаждение в печи или на воздухе, затем инструмент немедленно подвергают промывке в горячем веретенном масле.
Применение. Грамотный выбор марки стали для конкретного инструмента в зависимости от условий его работы и обрабатываемого материала дает возможность максимально использовать ресурсы свойств выбранной стали и, как следствие, рационально расходовать легирующие материалы, а также определять необходимость тех или иных покрытий, наплавки и других способов поверхностного упрочения. В табл. 6.9. представлены рекомендуемые области применения наиболее распространенных марок быстрорежущих сталей в зависимости от типов обрабатываемых материалов и видов обработки. Такой подход к выбору инструментальных сталей любого назначения способствует повышению как производительности, так и экономичности производства.
Порошковые быстрорежущие стали
Использование порошковых сталей при производстве инструментов (химический состав порошковых сталей дан в табл. 6.10) позволяет, в отличие от быстрорежущих сталей традиционного производства: 1) получить мелкозернистую структуру с равномерным распределением дисперсных карбидов при отсутствии макро- и микроликвации и шлаковых включений; 2) повысить технологическую пластичность, что особенно важно для высокоуглеродистых сложнолегированных сталей;
Таблица 6.9
Рекомендуемые области применения основных марок быстрорежущих сталей
Обрабатываемый материал |
Виды инструментов |
||||||||
Резцы |
Сверла |
Развертки, зенкеры |
Метчики, плашки |
Протяжки, прошивки |
Фрезы |
Зуборезный инструмент |
Ножовочные полотна, пилы |
||
Концевые, дисковые |
Насадные, торцевые |
||||||||
Углеродистые и низколегированные стали |
Р6М5Ф3 Р6М5К5*1 Р9К5 |
Р6М5 11РЗАМ3Ф2 Р6М5Ф3 Р12Ф3 |
Р6М5 Р6М5Ф3 Р6М5К5*1 |
Р6М5 11РЗАМ3Ф2 Р6М5Ф3 |
Р6М5Ф3 Р6М5 |
Р6М5 Р6М5Ф3*1 Р6М5К5 |
Р6М5 Р6М5Ф3 Р6М5К5*1 |
Р6М5 Р6М5Ф3 Р6М5К5*1 Р9М4К8*1 |
11Р3АМ3Ф2 Р6М5 Р9 |
Высоколегированные конструкционные, нержавеющие и легированные улучшенные стали |
Р9К5 Р12Ф4К5 Р6М5К5 |
Р6М5Ф3 Р12Ф3 Р6М5К5 Р18 |
Р6М5Ф3 Р6М5К5 Р9М4К8 Р18 |
Р6М5 Р6М5Ф3 Р6М5К5 Р18 |
Р6М5Ф3 Р6М5К5 Р9К5 |
Р6М5К5 Р9М4К8 Р9К5 |
Р6М5К5 Р9К5 |
Р6М5К5 Р9М4К8 |
11Р3АМ3Ф2 Р6М5 Р9 |
Жаропрочные стали и сплавы, высокопрочные стали |
Р18К5Ф2 Р12Ф4К5*2 Р6М5К5 В4М12К23 |
Р6М5К5 Р9М4К8 Р18К5Ф2 |
Р12Ф4К5 Р6М5К5 Р9К5 |
Р6М5Ф3 Р6М5К5 Р18 |
Р6М5Ф3 Р6М5К5 |
Р18К5Ф2 Р9М4К8 Р6М5К5 В11М7К23 |
Р18К5Ф2 Р12Ф4К5*2 Р6М5К5 В4М12К23 |
Р9М4К8 |
Р6М5К5 Р6М5 |
Примечание. Выделены наиболее предпочтительные марки стали.
*1 При работе на повышенных скоростях резания.
*2 Для инструментов простой формы.
3) существенно уменьшить влияние масштабного фактора на прочность, вязкость и тем самым обеспечить более высокий уровень механических свойств в заготовках крупных сечений по сравнению с металлом, полученным по традиционной технологии; 4) значительно улучшить шлифуемость (в том числе сталей, содержащих 3–6 % ванадия и более) и увеличить надежность работы инструментов вследствие уменьшения вероятности образования дефектов типа прижогов и микротрещин при заточке; 5) повысить стойкость инструментов в 1,5–3 раза.
Порошковая быстрорежущая сталь в силу указанных отличий обладает более высокой теплостойкостью, износостойкостью и технологичностью.
Порошковая технология. Исходная шихта, состоящая из порошка или тонко измельченной стружки быстрорежущей стали, подвергается холодной формовке и последующему твердофазному спеканию заготовок. Спекание производят при 1180 °С [1] в вакууме в течение 3–5 ч. Для уменьшения пористости заготовки подвергают горячей штамповке или прессованию. После этого заготовки подвергаются полному отжигу в защитной среде. Твердость после отжига составляет 269–285 НВ в зависимости от марки стали.
Термическая обработка порошковых быстрорежущих сталей несколько отличается от полученных по традиционной технологии. После механической обработки инструмент, в первую очередь сложной формы и крупногабаритный, целесообразно подвергать отжигу для снятия напряжений (680–720 °С). Последующая закалка и трехкратный отпуск проводят по такой же технологии, как для обычных быстрорежущих сталей. Режимы термической обработки и механические свойства порошковых быстрорежущих сталей приведены в табл. 6.11.
Таблица 6.10
Марки и химический состав (масс. %) порошковых быстрорежущих
сталей
(ГОСТ 28393–89)
Марка стали |
Углерода |
Кремния |
Марганца |
Хрома |
Вольфрама |
Ванадия |
Кобальта |
Молибдена |
не более |
||||||||
Р6М5Ф3-МП |
1,25–1,35 |
0,60 |
0,50 |
3,80–4,30 |
5,70–6,70 |
3,10–3,70 |
< 0,50 |
5,50–6,00 |
Р7М2Ф6-МП |
1,65–1,75 |
0,60 |
0,50 |
3,80–4,30 |
6,50–7,50 |
5,60–6,20 |
< 0,50 |
1,80–2,30 |
Р12МФ5-МП |
1,45–1,55 |
0,60 |
0,50 |
3,80–4,30 |
11,50–12,50 |
4,00–4,60 |
< 0,50 |
1,00–1,50 |
Р6М5К5-МП |
1,02–1,09 |
0,60 |
0,50 |
3,80–4,30 |
6,00–7,00 |
1,70–2,20 |
4,80–5,30 |
4,80–5,30 |
Р9М4К8-МП |
1,10–1,20 |
0,60 |
0,50 |
3,00–3,60 |
8,50–9,50 |
2,30–2,70 |
7,50–8,50 |
3,80–4,30 |
Р12М3К5Ф2-МП |
1,05–1,15 |
0,60 |
0,50 |
3,80–4,30 |
11,50–12,50 |
1,80–2,30 |
5,00–5,50 |
2,5–3,00 |
Примечания:
Таблица 6.11
Режимы термической обработки и основные свойства порошковых быстрорежущих сталей
Марка стали |
Твердость НВ в состоянии поставки, |
TЗ, °C |
Tотп, °С |
HRCЭ, не менее |
s изг, МПа |
Теплостойкость, °С (HRCЭ 58) |
Р6М5Ф3-МП |
269 |
1190–1210 |
540–560 |
65 |
3500–4400 |
630 |
Р6М5К5-МП |
269 |
1190–1210 |
540–560 |
66 |
3000–3800 |
630 |
Р12МФ5-МП |
285 |
1200–1230 |
560–570 |
65 |
3000–4000 |
635 |
Р7М2Ф6-МП |
269 |
1190–1210 |
540–560 |
64 |
3500–4200 |
630 |
Р9М4К8-МП |
285 |
1200–1220 |
550–570 |
66 |
3000–3700 |
635 |
Р12М3К5Ф2-МП |
285 |
1200–1230 |
560–570 |
66 |
2600–3500 |
635 |
Применение порошковых быстрорежущих сталей для изготовления инструмента не отличается от полученных по традиционной технологии. Ре
комендуемые примеры их применения и сравнения по шлифуемости и стойкости с обычными быстрорежущими сталями приведены в табл. 6.12.
Таблица 6.12
Свойства и примеры применения порошковой быстрорежущей стали (ГОСТ 28393–89)
Марка стали |
Шлифуемость, относительной стали марки Р6М5 |
Предел прочности при изгибе, МПа |
Стойкость инструмента |
Назначение |
|
Коэффициент стойкости |
По сравнению со сталью марки |
||||
Р6М5Ф3-МП |
1,0–1,2 |
3500–4400 |
1,3–1,8 |
Р6М5Ф3 |
Фасонные резцы, сверла, развертки, зенкеры, метчики, протяжки, фрезы, долбяки, шеверы для обработки низко- и среднелегированных сталей |
2,0–5,0 |
Х12МФ |
Инструменты для холодного и полугорячего выдавливания легированных сталей и сплавов |
|||
Р7М2Ф6-МП |
1,0–1,2 |
3500–4200 |
1,3–3,0 |
Р18 |
Протяжки, метчики, концевые фрезы, развертки, фасонные резцы для чистовой обработки, среднелегированных конструкционных, коррозионностойких сталей и жаропрочных сталей и сплавов |
Р7М2Ф6-МП |
1,0–1,2 |
3500–4200 |
3,0–5,0 |
Х12МФ |
Инструменты для холодного деформирования (вырубки, высадки, выдавливания) углеродистых и легированных сталей |
Р6М5К5-МП |
1,0–1,3 |
3000–3800 |
1,5–2,0 |
Р6М5К5 |
Фасонные резцы, сверла, развертки, зенкеры, фрезы долбяки, шеверы для обработки среднелегированных, легированных, коррозионностойких сталей, жаропрочных сталей и сплавов |
Р9М4К8-МП |
1,0–1,3 |
3000–3700 |
1,5–2,0 |
Р9М4К8 |
Фасонные резцы, сверла, развертки, зенкеры, фрезы (червячные, концевые, дисковые, специальные), долбяки, шеверы для обработки высокопрочных сталей и жаропрочных сталей и сплавов |
Р12М3К5Ф2-МП |
1,0–1,3 |
2600–3500 |
1,5–2,0 |
Р12М3К5Ф2 |
Фасонные резцы, сверла, развертки, зенкеры, метчики, протяжки, фрезы (червячные, дисковые, концевые, специальные), долбяки, шеверы для обработки высокопрочных сталей, жаропрочных сталей и сплавов |
Среди изготавливаемых методами порошковой металлургии материалов начинают получать распространение карбидостали — материалы, состоящие из легированной матрицы и карбидов с массовой долей от 20 до 70 % (преимущественно карбид титана).
В настоящее время разработаны карбидостали инструментального назначения, содержащие около 30 об. % карбидов или карбонитридов титана, равномерно распределенных в матрице из инструментальной стали. Компактирование их осуществляется методами горячего изостатического прессования и экструзии при температурах твердофазного спекания, не превышающих 1180 °С. Химический состав, режимы термообработки и основные свойства представлены в табл. 6.13 и 6.14.
Термическая обработка оказывает определяющее влияние на формирование микроструктуры и свойств карбидосталей. Она включает закалку и отпуск.
Закалка производится в соляных ваннах, нагрев ступенчатый — предварительный подогрев (800–850 °С), окончательный нагрев до температуры, указанной в табл. 6.14. Охлаждение проводят в расплаве хлоридов (500–550 °С) или в селитре (400–450 °С).
Отпуск проводится в соляных ваннах: для сплава КСТ-1 отпуск трехкратный по 1 ч; для КСТ-2 отпуск двукратный: первый — с выдержкой 2 ч, второй — 3 ч.
После окончательной шлифовки и заточки инструмент подвергается дополнительному отпуску (400–450 °С) для снятия напряжений.
Применение. Карбидостали после закалки и отпуска обладают высокой твердостью (HRA 86–88) и износостойкостью, по комплексу свойств они занимают промежуточное положение между твердыми сплавами и быстрорежущими сталями. Применяются для изготовления режущего инструмента (протяжки, концевые фрезы и др.), а также штампового инструмента.
Таблица 6.13
Химический состав (%) карбидосталей
Марка стали |
С |
Cr |
W |
Mo |
V |
Co |
Ti |
Р6М5К5-КТ20 (КСТ-1) |
4,5–5,0 |
3,0–3,5 |
4,8–5,8 |
3,8–4,3 |
1,3–1,8 |
3,8–4,3 |
15–17 |
6Х3В3МФС-КТ 20 (КСТ-2) |
4,0–4,5 |
4,4–5,3 |
2,0–2,6 |
0,4–0,7 |
0,4–0,7 |
– |
15–17 |
Таблица 6.14
Режимы термической обработки и основные свойства карбидосталей
Марка стали |
Твердость Hrcэ после |
Tз, °С |
Тотп, °С |
Твердость HRA |
s изг, МПа |
KCU, Дж/см2 |
Теплос-тойкость Т, °С |
Р6М5К5-КТ20 (КСТ-1) |
40–44 |
1190–1210 |
540–560 |
88–89 |
1400–1700 |
3–4 |
660–670 |
6Х3В3МФС-КТ 20 (КСТ-2) |
38–42 |
1060–1075 |
перв. 550–560 втор. 480–520 |
86–88 |
2000–2500 |
8–1,2 |
640–650 |
Примечание. Режимы отжига: КСТ-1 — нагрев до 850–860 °С, выдержка 2–3 ч, охлаждение до 730–740 °С со скоростью 20–30 град/ч, выдержка 4–6 ч, охлаждение со скоростью 30–40 град/ч до 600 °С, охлаждение с печью до 300 °С, далее — на воздухе; КСТ–2 — нагрев до 860–880 °С, выдержка 3–5 ч, охлаждение со скоростью 20–30 град/ч до 760–780 °С, выдержка 4–6 ч, охлаждение со скоростью 30–40 град /ч до 550 °С, далее — на воздухе.
Металлокерамические твердые сплавы
Под твердыми сплавами понимают сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой, как правило, кобальтом. Твердые сплавы являются металлокерамическими.
Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют эту смесь в изделия необходимой формы и подвергают спеканию при 1400–1550 °С в защитной атмосфере (водород) или в вакууме. При спекании кобальт плавится и растворяет часть карбидов, что позволяет получать плотный материал (пористость не превышает 2 %), состоящий на 80–97 % из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение содержание связки вызывает снижение твердости, но повышение вязкости.
Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащаются режущие инструменты (резцы, сверла, фрезы и др.), а также деталей машин, приборов измерительного инструмента.
Такие инструменты обладают высокой твердостью HRA 80–92 (HRCЭ 73–76), износостойкостью и высокой теплостойкостью (до 800–1000 °С). По своим эксплутационным свойствам они превосходят инструменты из инструментальных сталей (см. рис. 6.3). Их недостатком является высокая хрупкость и сложность изготовления фасонных изделий.
Скорость резания твердосплавным инструментом в 5–10 раз выше скорости резания быстрорежущим.
Свойства твердых сплавов и, следовательно, области их применения зависят от состава и зернистости карбидной фазы (WC, TiC, TaC), а также от соотношения карбидной и связывающей фаз. Регулированием этих факторов можно в определенных пределах менять свойства сплавов.
Рис. 6.3. Зависимость твердости различных
инструментальных материалов от температуры испытания:
1 — углеродистая сталь; 2 — быстрорежущая
сталь; 3 — твердый сплав
В соответствии с ГОСТ 3882–74 в РФ выпускают три группы твердых сплавов: вольфрамовая (однокарбидная), титановольфрамовая (двухкарбидная), и титанотанталовольфрамовая (трехкарбидная). Их марки, состав и физико-механические свойства приведены в табл. 6.15.
Сплавы вольфрамовой группы (WC—Со) имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800 °С. Их применяют в режущем инструменте для обработки чугунов, сталей, цветных сплавов и неметаллических материалов. Повышенная износостойкость и сопротивляемость ударам сплавов группы ВК определяет их применение в горном инструменте и для изготовления штампов, пуасонов, матриц, фильер и т. д.
Таблица 6.15
Марки, химический состав и характеристики спеченных твердых сплавов (ГОСТ 3882–74)
Группы |
Марки |
Массовая доля основных |
Физико-механические свойства |
|||||
Карбид вольфрама |
Карбид титана |
Карбид тантала |
Кобальт |
Предел прочности при изгибе, МПа (кгс/мм2), не менее |
Плотность, (кг/м3) · 10–3 |
Твердость HRA, |
||
Вольфрамовая |
ВК3 |
97 |
– |
– |
3 |
1176 (120) |
15,0–15,3 |
89,5 |
ВК3-М |
97 |
– |
– |
3 |
1176 (120) |
15,0–15,3 |
91,0 |
|
ВК4-В |
96 |
– |
– |
4 |
1470 (150) |
14,9–15,2 |
88,0 |
|
ВК6 |
94 |
– |
– |
6 |
1519 (155) |
14,6–15,0 |
88,5 |
|
ВК6-М |
94 |
– |
– |
6 |
1421 (145) |
14,8–15,1 |
90,0 |
|
ВК6-ОМ |
92 |
– |
2 |
6 |
1274 (130) |
14,7–15,0 |
90,5 |
|
ВК6-В |
94 |
– |
– |
6 |
1666 (170) |
14,6–15,0 |
87,5 |
|
ВК8 |
92 |
– |
– |
8 |
1666 (170) |
14,4–14,8 |
88,0 |
|
ВК8-В |
92 |
– |
– |
8 |
1813 (185) |
14,4–14,8 |
86,5 |
|
ВК8-ВК |
92 |
– |
– |
8 |
1764 (180) |
14,5–14,8 |
87,5 |
|
ВК10 |
90 |
– |
– |
10 |
1764 (180) |
14,2–14,6 |
87,0 |
|
ВК10-КС |
90 |
– |
– |
10 |
1862 (190) |
14,2–14,6 |
85,0 |
|
ВК11-В |
89 |
– |
– |
11 |
1960 (200) |
14,1–14,4 |
86,0 |
|
ВК11-ВК |
89 |
– |
– |
11 |
1862 (190) |
14,1–14,4 |
87,0 |
|
ВК15 |
85 |
– |
– |
15 |
1862 (190) |
13,9–14,4 |
86,0 |
|
ВК20 |
80 |
– |
– |
20 |
2058 (210) |
13,4–13,7 |
84,0 |
|
ВК20-КС |
80 |
– |
– |
20 |
2107 (215) |
13,4–13,7 |
82,0 |
|
ВК10-ХОМ |
88 |
– |
2 |
10 |
1470 (150) |
14,3–14,7 |
89,0 |
|
Титановольф- |
Т30К4 |
66 |
30 |
– |
4 |
980 (100) |
9,5–9,8 |
92,0 |
Т15К6 |
79 |
15 |
– |
6 |
1176 (120) |
11,1–11,6 |
90,0 |
|
Т14К8 |
78 |
14 |
– |
8 |
1274 (130) |
11,2–11,6 |
89,5 |
|
Т5К10 |
85 |
6 |
– |
9 |
1421 (145) |
12,4–13,1 |
88,5 |
|
Т8К7 |
85 |
8 |
– |
7 |
1519 (155) |
12,8–13,1 |
90,5 |
|
Титанотантало-вольфрамовая |
ТТ7К12 |
81 |
4 |
3 |
12 |
1666 (170) |
13,0–13,3 |
87,0 |
ТТ8К6 |
84 |
8 |
2 |
6 |
1323 (135) |
12,8–13,3 |
90,5 |
|
ТТ10К8-Б |
82 |
3 |
7 |
8 |
1617 (165) |
13,5–13,8 |
89,0 |
|
ТТ20К9 |
71 |
8 |
12 |
9 |
1470 (150) |
12,0–12,5 |
91 |
Сплавы второй группы (WC—TiC—Co) имеют более высокую теплостойкость (до 900–1000 °С) и твердость. Это связано с тем, что карбид вольфрама частично растворяется в карбиде титана при температуре спекания с образованием твердого раствора (Ti, W)С, имеющего более высокую твердость, чем WC. Структура карбидной фазы зависит от соотношения WC и TiC в шихте. В сплаве Т30К4 образуется одна карбидная фаза — твердый раствор (Ti, W)С, который придает сплаву максимальную твердость (HRA 92), но пониженную прочность. В остальных сплавах этой группы количество WC превышает растворимость в TiС, поэтому карбиды вольфрама в них присутствуют в виде избыточных частиц. Эти сплавы применяют в основном для высокоскоростной обработки сталей и чугунов.
Третью группу образуют сплавы системы (WC—TiC—TaC—Co). В этих сплавах структура карбидной основы представляет собой твердый раствор (Ti, Та, W)С, и избыток WC. Сплавы этой группы отличатся от предыдущей большей прочностью, лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются в наиболее тяжелых условиях резания — при черновой обработке стальных поковок, отливок, а также труднообрабатываемых сталей и сплавов.
Подробные сведения по областям применения твердых сплавов приведены в табл. 6.16.
Общим недостатком рассмотренных сплавов, помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья — основного компонента, определяющего их повышенные физико-механические характеристики. Поэтому перспективно направление использования безвольфрамовых твердых сплавов. Хорошо себя зарекомендовали сплавы, в которых в качестве основы используется карбид титана, а в качестве связки — никель и молибден. Они маркируются буквами КТС и ТН. Твердые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15–17 % Ni и 7–9 % Mo соответственно, остальное — карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-30 в качестве связующего металла применяют в основном никель в количестве 16–30 %. Концентрация молибдена составляет 5–9 %, остальное — также карбид титана. Твердость подобных твердых сплавов составляет 87–94 HRA, сплавы имеют высокую износо- и коррозионную стойкость. Их используют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.
Кроме указанных твердых сплавов все шире в практике обработки резанием применяют керамические инструментальные материалы. К ним относятся керамики оксидного и оксидно-карбидного типа (В-3, ВОК-60, ВО-13), предназначенные для оснащения режущего инструмента (ГОСТ 26630–85). Марки, физико-механические свойства и области применения этих материалов представлены в табл. 6.17.
Таблица 6.16
Область применения твердых сплавов
Марки |
Применение |
Для обработки материалов резанием |
|
ВК3 |
Чистового точения с малым сечением среза, окончательного нарезания резьбы, развертывания отверстий и других аналогичных видов обработки серого чугуна, цветных сплавов и неметаллических материалов (резины, фибры, пластмассы, стекла, стеклопластиков, и т.д.). Резки листового стекла |
ВК3-М |
Чистовой обработки (точения, растачивания, нарезания резьбы, развертывания) твердых, легированных и отбеленных чугунов, цементированных и закаленных сталей, а также высокоабразивных неметаллических материалов |
ВК6-ОМ |
Чистовой и получистовой обработки твердых, легированных и отбеленных чугунов, закаленных сталей и некоторых марок нержавеющих высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, особенно сплавов на основе титана, вольфрама и молибдена (точения, растачивания, развертывания, нарезания резьбы, шабровки) |
ВК6-М |
Получистовой обработки жаропрочных сталей и сплавов, нержавеющих сталей аустенитного класса, специальных твердых чугунов, закаленного чугуна, твердой бронзы, сплавов легких металлов, абразивных неметаллических материалов, пластмасс, бумаги, стекла. Обработки закаленных сталей, а также сырых углеродистых и легированных сталей при тонких сечениях среза на весьма малых скоростях резания |
ТТ8К6 |
Чистового и получистового точения, растачивания, фрезерования и сверления серого и ковкого чугуна, а также отбеленного чугуна. Непрерывного точения с небольшими сечениями среза стального литья, высокопрочных, нержавеющих сталей, в том числе и закаленных. Обработки сплавов цветных металлов и некоторых марок титановых сплавов при резании с малым и средним сечением среза |
ВК6 |
Чернового и получернового точения, предварительного нарезания резьбы токарными резцами, получистового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания и растачивания отверстий, зенкерования серого чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов |
ВК8 |
Чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, строгании, чернового фрезерования, сверления, чернового рассверливания, чернового зенкерования серого чугуна, цветных сплавов и неметаллических материалов. Обработки нержавеющих, высокопрочных и жаропрочных труднообрабатываемых сталей и сплавов, в том числе сплавов титана |
ВК10-ХОМ |
Сверления, зенкерования, развертывания, фрезерования и зубофрезерования стали, чугуна, некоторых труднообрабатываемых материалов и неметаллов цельнотвердосплавным, мелкоразмерным инструментом |
ВК15 |
Режущего инструмента для обработки дерева |
Т30К4 |
Чистового точения с малым сечением среза (типа алмазной обработки); нарезания резьбы и развертывание отверстий незакаленных и закаленных углеродистых сталей |
Т15К6 |
Получернового точения при непрерывном резании, чистового точения при прерывистом резании, нарезания резьбы токарными резцами и вращающимися головками, получистового и чистового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания и растачивания предварительно обработанных отверстий, чистового зенкерования, развертывания и других подобных видов обработки углеродистых и легированных сталей |
Т14К8 |
Чернового точения при неравномерном сечения среза и непрерывном резании; чернового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания литых и кованных отверстий, чернового зенкерования и других подобных видов обработки углеродистых и легированных сталей |
Т5К10 |
Чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, фасонного точения, отрезки токарными резцами; чистового строгания; чернового фрезерования прерывистых поверхностей и других видов обработки углеродистых и легированных сталей, преимущественно в виде поковок, штамповок и отливок по корке и окалине |
Т8К7 |
Фрезерования труднообрабатываемых чугунов |
ТТ7К12 |
Тяжелого чернового точения стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковинами при наличии песка, шлака и различных неметаллических включений при равномерном сечении среза и наличии ударов. Всех видов строгания углеродистых и легированных сталей. Тяжелого сверления отверстий в стали, чернового фрезерования углеродистых и легированных сталей |
ТТ10К8-Б |
Черновой и получистовой обработки некоторых марок труднообрабатываемых материалов, нержавеющих сталей аустенитного класса, маломагнитных сталей и жаропрочных сталей и сплавов в том числе титановых |
ТТ20К9 | Фрезерования стали, особенно фрезерование глубоких пазов и других видов обработки, предъявляющих повышенные требования к сопротивлению сплава тепловым и механическим циклическими нагрузками |
Для бесстружковой обработки металлов, |
|
ВК3, ВК6, ВК3-М, ВК6-М |
Сухого волочения проволоки из стали, цветных металлов и их сплавов при небольшой степени обжатия. Быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и измерительного инструмента, работающих без ударных нагрузок |
ВК8 |
Волочения, калибровки и прессования прутков и труб из стали цветных металлов и их сплавов. Быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и измерительного инструмента, работающих при небольших ударных нагрузках |
ВК10
|
Волочения и калибровки прутков и труб из стали, цветных металлов и их сплавов при средней степени обжатия Быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и измерительного инструмента, работающих при ударных нагрузках средней интенсивности |
ВК15 |
Волочения и прессования прутков и труб из стали при повышенной степени обжатия. Штамповки, высадки, обрезки, вытяжки углеродистых и качественных сталей при ударных нагрузках малой интенсивности |
ВК10-КС |
Штамповки, высадки, вытяжки легированных и специальных сталей при ударных нагрузках малой интенсивности |
ВК20-КС |
Штамповки, высадки, обрезки легированных и специальных сталей и сплавов при ударных нагрузках средней интенсивности |
ВК20К |
Объемной штамповки и высадки при обычной и повышенной температурах углеродистых легированных и специальных сталей при ударных нагрузках высокой интенсивности |
Таблица 6.17
Марки, физико-механические характеристики и области применения
керамических инструментальных материалов (ГОСТ 26630–85)
Марка |
Физико-механические свойства |
Область применения |
||
Плотность, (кг/м3) · 10–3 |
Предел прочности при изгибе, МПа (кгс/мм2) не менее |
Твердость HRA, не менее |
||
В-3 |
4,50–4,70 |
637 (65) |
93 |
Чистовая и получистовая обработка без ударов закаленных конструкционных сталей HRCЭ 30–50, серых ковких |
В-3 |
4,50–4,70 |
637 (65) |
93 |
и легированных чугунов НВ 190–340, графита, цветных металлов на основе меди с высоким скоростями резания (в 2–3 раза большими, чем для наиболее износостойких марок твердых сплавов) с малыми сечениями среза |
ВОК-60 |
4,20–4,30 |
637 (65) |
93 |
Чистовая и получистовая токарная обработка закаленных конструкционных сталей HRCЭ 45–60 и более серых, ковких, легированных чугунов с высокими скоростями резания, с малыми сечениями среза |
ВО-13 |
3,92–3,94 |
400 (40,8) |
92 |
Токарная обработка чугуна и стали при получистовом и чистовом точении |
Керамические материалы по сравнению с твердыми сплавами обладают меньшей прочностью, но более высокой твердостью (HRA 92–93). Их преимуществом является доступность и низкая стоимость, благодаря чему они используются как замена вольфрамосодержащих твердых сплавов.
Особотвердые инструментальные материалы созданы на основе алмаза, нитрида бора и нитрида кремния.
Алмаз имеет твердость (HV10 000) в 6 раз выше твердости карбида вольфрама (HV1 700). Преимущественно применяют синтетические алмазы (борт, баллас, карбонадо) поликристаллического строения, отличающиеся меньшей хрупкостью и стоимостью, чем монокристаллы. Алмазным инструментом обрабатывают цветные сплавы, стеклопластики, керамику, обеспечивая при этом низкую шероховатость. При обработке сталей и чугунов применение алмаза ограничивается его высокой адгезией к железу и, как следствие, низкой износостойкостью.
Большей универсальностью обладают инструменты из поликристаллического нитрида бора с кубической решеткой (b -NB), называемого кубическим нитридом бора (КНБ). В зависимости от технологии получения, КНБ выпускают под названиями: эльбор, эльбор-Р, боразон. Нитрид бора (b -NB) по твердости (HV9000) почти не уступает алмазу, но превосходит его по теплостойкости (1200 °С) и химической инертности. Применяется для обработки труднообрабатываемых материалов: закаленных, цементованых сталей (HRCЭ > > 60), твердых сплавов, стеклопластиков и др.