Такой материал, как быстрорежущие стали, отличается уникальными свойствами, что дает возможность использовать его для изготовления инструментов, обладающих повышенной прочностью. Характеристики сталей, относящихся к категории быстрорежущих, позволяют производить из них инструменты самого различного назначения.
Фрезы, метчики, развертки – типичные изделия, производимые из высококачественной быстрорежущей стали
Характеристики быстрорежущих сталей
К категории быстрорежущие стали относят сплавы, химический состав которых дополнен рядом легирующих добавок. Благодаря таким добавкам сталям придаются свойства, позволяющие использовать их для изготовления режущего инструмента, способного эффективно работать на высоких скоростях. Быстрорежущие инструментальные стали от обычных углеродистых сплавов как раз и отличает то, что инструмент, который из них изготовлен, может с успехом применяться для обработки твердых материалов на повышенных скоростях.
Фрезеровка детали на профессиональном гравировальном станке
К наиболее примечательным характеристикам, которыми отличаются быстрорежущие стали различных марок, нужно отнести следующие.
- Твердость, сохраняемая в горячем состоянии (горячая твердость). Как известно, любой инструмент, используемый для выполнения обработки резанием, в процессе такой обработки интенсивно нагревается. В результате нагрева обычные инструментальные стали подвергаются отпуску, что в итоге приводит к снижению твердости инструмента. Такого не происходит, если для изготовления была использована быстрорежущая сталь, которая способна сохранять свою твердость даже при нагреве инструмента до 6000. Что характерно, стали быстрорежущих марок, которые часто называют быстрорезы, обладают даже меньшей твердостью по сравнению с обычными углеродистыми, если температура резания находится в нормальных пределах: до 2000.
- Повышенная красностойкость. Данный параметр любого металла характеризует период времени, в течение которого инструмент, изготовленный из него, способен выдерживать высокую температуру, не теряя своих первоначальных характеристик. Быстрорежущие стали в качестве материала для изготовления режущего инструмента не имеют себе равных по данному параметру.
- Сопротивление разрушению. Режущий инструмент, кроме способности переносить воздействие повышенных температур, должен отличаться и улучшенными механическими характеристиками, что в полной мере демонстрируют стали быстрорежущих марок. Инструмент, изготовленный из таких сталей, обладающий высокой прочностью, может успешно работать на большой глубине резания (сверла) и на высоких скоростях подач (резцы, сверла и др.).
Характеристики и назначение быстрорежущих сталей
Быстрорежущие стали
Быстрорежущая сталь («быстрорез») — высоколегированная инструментальная сталь (5,5-19% W, а также Cr, V, Mo, С, иногда Со), предназначенная для изготовления металлорежущего инструмента.
Быстрорежущая сталь обладает высокой теплостойкостью или красностойкостью (600 — 700 ° С) при наличии высокой твердости (63 — 70 HRC) и износостойкости инструмента. Уникальные свойства быстрореза достигаются посредством специального легирования (главным образом, благодаря присутствию карбида вольфрама) и сложной термической обработки, обеспечивающих определенный фазовый состав. Для быстрорежущих сталей по ГОСТ 19265 — 73 принято использовать термин «красностойкость» вместо «теплостойкость».
Быстрорежущая сталь в режиме работы инструмента обладает повышенной скоростью обработки материала (примерно в 3-5 раз больших,), по сравнению с инструментом из углеродистых сталей.Возможность получения такой скорости резания обусловлена красностойкостью быстрорежущих сталей. Инструмент из быстрорежущей стали размягчается при нагреве выше 550-600°С, в то время как из углеродистой инструментальной стали — при 200 °С. Красностойкость стали обеспечивают легирующие элементы — вольфрам (W), хром (Cr), ванадий (V), которые образуют карбиды высокой устойчивости. Для получения нужной структуры и свойств инструмент из быстрорежущей стали подвергается специальной термической обработке, состоящей в закалке после нагрева до температуры 1240-1300°С и многократного (обычно 3 раза) отпуска при температуре 560-620 °С. Для повышения стойкости быстрорежущей стали применяется цианирование, обработка холодом, ступенчатая закалка и др.
Применяются также быстрорежущие стали с повышенным содержанием ванадия или с добавкой кобальта, обладающие более высокими режущими свойствами.
Быстрорежущие стали иногда используют в машиностроении для нагревающихся до 500-650°С деталей, особенно для так называемых теплостойких шарикоподшипников. Кроме твёрдости и прокаливаемости, важна чистота быстрореза. (сведение к минимуму неметаллических включений, карбидной ликвации и отсутствие дефектов металлургического происхождения).
Быстрорежущая сталь обычно имеет особую систему обозначений и начинается с буквы «Р». Цифра после буквы «Р» обозначает среднее содержание в ней вольфрама (в процентах от общей массы). Остальные принципы маркировки такие же, как и у остальных сталей.
Наиболее массовым употреблением пользуются марки стали:
Р6М5 (W 5.5-6.5%, Mo 4.8-5.3, Cr 3.8-4.4, V 1.7-2.1, C 0.82-0.9, Mn≤0.5, Si≤0.5,Ni≤0.4, S≤0.025, P≤0.03, Co≤0.5)
(W 8.5-9.5%, Mo≤1.0, Cr 3.8-4.4, V 2.3-2.7, C 0.85-0.95, Mn≤0.5, Si≤0.5,Ni≤0.4, S≤0.03, P≤0.03, Co≤0.5)
Р18 (W 17-18.5%, Mo≤ 1.0, Cr 3.8-4.4, V 1.0-1.4, C 0.73-0.83, Mn≤0.5, Si≤0.5,Ni≤0.4, S≤0.03, P≤0.03, Co≤0.5)
Для изготовления режущих инструментов используют также стали Р12, Р6М3, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, Р10К5Ф5. Режущий инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (HRC 62-65) имеет красностойкость 600-630 °C и обладает повышенной износостойкостью, может работать со скоростями резания до 80 м/мин.
| Инструментальная быстрорежущая сталь | |||
| Россия, ГОСТ | США, AISI, ASTM, ASME | Евронормы, En, DIN, WNr | Области применения |
| Р2АМ9К5 | для режущих инструментов при обработке улучшенных легированных, а также нержавеющих сталей | ||
| Р2М10К8-МП | М42 | S2-10-1-8, 1.3247 | |
| Р3М3Ф4К5( ЭИ976) | |||
| Р6М3 | для изготовления чистовых и получистовых инструментов небольших размеров при обработке конструкционных сталей | ||
| Р6М4К8 | для обработки высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов в условиях повышенного разогрева режущей кромки: зуборезный инструмент, фрезы, фасонные резцы, зенкеры, метчики. | ||
| Р6М5 | М2 | S6-5-2, S600/S601, 1.3343 | Для изготовления металлорежущего и резьбонарезательного инструмента в т.ч. работающего с ударными нагрузками. Рекомендуются для обрабоки и резания нержавеющих сталей, в т.ч. жаропрочных в условиях разогрева режущей кромки |
| Р6М5К5 | — | S6-5-2-5, S 705, 1.3243 | Чистая и п/ч обработка инстр. сталей, нержавеющих в условиях повыш. разогрева режущей кромки. Взамен Р18К5Ф2, как более экономичная. Взамен Р9К5, как имеющая более высокие (на 25-30%) реж. св-ва. HB 269 |
| Р6М5Ф3(ДИ99) | М3 | S 790PM, 1.3342/1.3344 | Чистовой и получистовой инструмент фасонные резцы, развертки, протяжки, фрезы при обр. низколегированных и легированных конструкционных сталей. Повышенная склонность к обезуглероживанию. |
| Р6М5Ф4-МП | М4 | S 690PM | — |
| Р6М5Ф3К8-МП | М36 | S 590PM | — |
| Р6М5Ф3К9-МП | М48 | ||
| Р6Ф2К8М5(ЭП658) | Для производства термостойкого инструмента для обработки высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов | ||
| Р7М2Ф6-МП(ДИ100-МП) | Протяжки, метчики, концевые фрезы, развертки, фасонные резцы для чистовой обработки среднелегированных конструкционных, коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сталей и сплавов. Инструменты для холодного деформирования (вырубки, высадки, выдавливания)углеродистых и легированных сталей | ||
| Инструмент простой формы, не требующий большого объема шлифовки, для обработки обычных конструкционных м-лов. Хорошо сваривается встык со ст45 и 40Х . HB 205-255 | |||
| Р9К10(ЭИ920) | |||
| Р9К5 | Фрезы метчики для обработки нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов на повышенных режимах резания, труднообрабатываемых ст. повышенной твердости. Имеет более низкую стойкость (до 20-30%) по сравнению со сталью Р6М5К5 | ||
| Р9К10 | Для изготовления черновых и получистовых инструментов (резцов, червячных фрез, зенкеров и т.п.),при обработке на повышенных режимах резания углеродистых и легированных конструкционных сталей, а также для обработки нержавеющих , высокопрочных сталей и некоторых жаропрочных сплавов. Имеет более низкие вязкость и режущие свойства по сравнению со сталью Р9М4К8(ЭП688). | ||
| Р9М4К6С(ЭП722) | Для производства режущих инструментов для чистовой обработки жаропрочных сплавов и легированных конструкционных сталей и сплавов, работающих в условиях повышенного нагрева режущей кромки; деталей стрелкового оружия. | ||
| Р9М4К8(ЭП688) | Инструмент для обработки жаропрочных и жаростойких сталей, легированных конструкционных сталей с повышенной твердостью, а также коррозионно-стойких, углеродистых и легированных сталей с применением повышенных режимов резания, высокопроизводительный зубонарезный инструмент в том случае, когда применение сталей марки Р6М5К5 и Р9К10 недостаточно эффективны | ||
| Р9М5Ф3 | Для чистовых и получистовых инструментов при обработке конструкционных сталей. | ||
| Р9Ф5 | для изготовления инструментов простой формы, не требующих больших объемов шлифовальных операций при обработке материалов с повышенными абразивными свойствами; чистовых инструментов простой формы при обработке легированных сталей и сплавов. Пониженная шлифуемость и пониж.енные технологические свойства при изготовлении инструмента по сравнению с Р6М5Ф3(ДИ99), Р12Ф3. | ||
| Р10М2Ф5К8-МП | — | S 390PM | — |
| Р10М3Ф4К8-МП | — | — | — |
| Р10М4Ф3К10-МП | — | S10-4-3-10, 1.3207 | |
| Р10Ф5К5(ЭИ931) | Ч и п/ч инструменты: резцы, фрезы, зенкеры, развертки и т.п., при обр. разл. труднообрабатываемых м-ов — нерж. и высокопрочн. ст. с повыш. тв., жаропрочн. сплавов и т.п. Более низкие шлифуемость и режущие св-ва по ср. с Р12Ф4К5. | ||
| Р12 | Режущий инструмент: фрезы, протяжки, долбяки, метчики, развертки, при обработке углеродистых легированных конструкционных сталей взамен марки Р18 | ||
| Р12Ф3 | — | 1.3318 | Для чистовых инструментов при обработке вязкой аустенитной стали и материлов, обладающих абразивными свойствами. Особые свойства — пониженная склонность к перегреву при закалке. |
| Р12К5Ф4-МП | — | S12-1-4-5, 1.3202,S 308PM | — |
| Р12МФ4-MP | — | S 207PM | — |
| Р12МФ5-МП( ДИ70-МП) | Фасонные резцы, сверла, развертки, зенкеры, метчики, протяжки, фрезы червячные, дисковые, концевые, специальные, долбяки, шеверы для обработки высокопрочных сталей, жаропрочных сталей и сплавов. | ||
| Р12М3К5Ф2-МП( ЭП863-МП, ДИ103-МП) | |||
| Р12М6Ф5-МП | М61 | — | — |
| Р12МФ5К5-МП | Т15 | 1.3202 | — |
| Р12Ф5К5-МП | Т15 | S 200 | — |
| Р0М2СФ10-МП | А11 | CPM 10V | — |
| Р12Ф2К5М3Ш( ЭП863Ш | Для инструментов при обработке высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов. | ||
| Р12Ф2К8М3ш(ЭП657-Ш) | |||
| Р12Ф3К10М3ш( ЭП682ш | |||
| Р12Ф5М( ЭП772) | |||
| Р13Ф4К5(ЭП600) | |||
| Р14Ф4(ЭИ915) | Инструмент простой формы. Резцы, зенкеры, развертки. Чистовой инструмент простой формы при обработке легированных сталей и сплавов. Пониженная шлифуемость по сравн. с Р6М5Ф3(ДИ99) и Р12Ф3. | ||
| Р18 | Т 1 | S 200, 1.3355 | Для всех видов реж. инструм. с сохранением режущих свойств при нагр. при работе до 600град для углеродистых, легированных, конструкционных ст. прочн. до 1000 Мпа. Допустима стыковая сварка со ст45, 40Х |
| Р18Ф2(ЭИ916) | Для изготовления чистовых и получистовых режущих инструментов, резцов, фрез, разверток, сверл, при обработке среднелегированных конструкционных сталей, а также некоторых марок нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов | ||
| Р18К5Ф2 | Для режущих инструментов при обработке улучшенных легированных, а также нержавеющих сталей. Особые свойства — повышенная склонность к обезуглероживанию и перегреву при закалке. | ||
| Р18Ф2К8М(ЭП379) | Для производства термостойкого инструмента для обработки высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов | ||
| Р18Ф2М(ЭИ917) | для изготовления инструмента | ||
| 9Х4М3Ф2АГСТ | |||
| 11М5Ф | |||
| 11Р3АМ3Ф2 | Ножовочные полотна, сверла, фрезы, метчики для обработки углеродистых, низко легированных конструкционных сталей и серого чугуна. Период стойкости режущего инструмента такой же, как и у инструмента марки Р6М5, но они имеют повышенную износостойкость | ||
Расшифровка обозначения марок сталей
Изначально быстрорежущая сталь как материал для изготовления режущих инструментов была изобретена британскими специалистами. С учетом того, что инструмент из такой стали может использоваться для высокоскоростной обработки металлов, этот материал назвали «rapidsteel» (слово «рапид» здесь как раз и означает высокую скорость). Такое свойство данных сталей и придуманное им в свое время английское название послужили причиной того, что обозначения всех марок данного материала начинаются с буквы «Р».
Правила маркировки сталей, относящихся к категории быстрорежущих, строго регламентированы соответствующим ГОСТ, что значительно упрощает процесс их расшифровки.
Первая цифра, стоящая после буквы Р в обозначении стали, указывает на процентное содержание в ней такого элемента как вольфрам, который во многом и определяет основные свойства данного материала. Кроме вольфрама быстрорежущая сталь содержит в своем составе ванадий, молибден и кобальт, которые в маркировке обозначаются, соответственно буквами Ф, М и К. После каждой из такой буквы в маркировке стоит цифра, указывающая на процентное содержание соответствующего элемента в химическом составе стали.
Пример расшифровки марки быстрорежущей стали
В зависимости от содержания в составе стали тех или иных элементов, а также от их количества, все подобные сплавы делятся на три основных категории. Определить, к какой из категорий относится сталь, достаточно легко, расшифровав ее маркировку.
Итак, стали быстрорежущих марок принято разделять на следующие категории:
- сплавы, в которых кобальта содержится до 10%, а вольфрама до 22%; к таким сталям относятся сплавы марок Р6М5Ф2К8, Р10М4Ф3К10 и др.;
- стали с содержанием не более 5% кобальта и до 18% вольфрама; такими сталями являются сплавы марок Р9К5, Р18Ф2К5, Р10Ф5К5 и др.;
- сплавы, в которых как кобальта, так и вольфрама содержится не более 16%; к таким сплавам относится сталь Р9, Р18, Р12, Р6М5 и др.
Определение разновидности стали по искре
Как уже говорилось выше, характеристики сталей, относящихся к категории быстрорежущих, преимущественно определяются содержанием в них такого элемента как вольфрам. Следует иметь в виду, что если в быстрорежущем сплаве содержится слишком большое количество вольфрама, кобальта и ванадия, то по причине формирования карбидной неоднородности такой стали режущая кромка инструмента, который из нее изготовлен, может выкрашиваться под воздействием механических нагрузок. Таких недостатков лишены инструменты, изготовленные из сталей, содержащих в своем составе молибден. Режущая кромка подобных инструментов не только не выкрашивается, но и отличается тем, что имеет одинаковые показатели твердости по всей своей длине.
Маркой стали для изготовления инструментов, к которым предъявляются повышенные требования по их технологическим характеристикам, является Р18. Обладая мелкозернистой внутренней структурой, такая сталь демонстрирует отличную износостойкость. Преимуществом использования стали данной марки является еще и то, что при выполнении закалки изделий из нее они не перегреваются, чего не скажешь о быстрорежущих сплавах других марок. По причине достаточно высокой стоимости инструментов, изготовленных из стали этой марки, ее часто заменяют на более дешевый сплав Р9.
Технические характеристики стали марки Р18
Достаточно невысокая стоимость стали марки Р9, как и ее разновидности — Р9К5, которая по своим характеристикам во многом схожа с быстрорежущим сплавом Р18, объясняется рядом недостатков данного материала. Наиболее значимым из них является то, что в отожженном состоянии такой металл легко поддается пластической деформации. Между тем сталь марки Р18 также не лишена недостатков. Так, из данной стали не изготавливают высокоточный инструмент, что объясняется тем, что изделия из нее плохо поддаются шлифовке. Хорошие показатели прочности и пластичности, в том числе и в нагретом состоянии, демонстрируют инструменты, изготовленные из стали марки Р12, которая по своим характеристикам также схожа со сталью Р18.
Свойства стали марки Р9К5
Что значит марка стали и как ее определить
В мировой практике встречается различные системы маркировки сталей. Единых стандартов для продукции нет из-за большого количества организаций, осуществляющих контроль и маркировку металлопродукции. В Европе действует документ EN10027, имеющий схожий с российским подход к наименованию сталей.
По действующему российскому стандарту легирующие элементы обозначаются буквами кириллицы, а число указывает на количество элемента в процентах. Отсутствие цифрового значения за буквой означает, что содержание легирующей добавки от 0,8 % до 1,5%, за исключением молибдена и ванадия массовой доли которых меньше. Отсутствие числа впереди марки легированной стали означает, что углерода в ней от 1% и более. Обозначение и расшифровка легирующих элементов сталей приведена в таблице
| Название элемента | Химический символ | Обозначение в марке | Примеры |
| Углерод | C | не указывается | |
| Хром | Cr | Х | 40Х; 40Х13 |
| Кремний | Si | С | 65СГ; 30ХГСА |
| Никель | Ni | Н | 45ХН; 12Х18Н10Т-Ш |
| Марганец | Mn | Г | 65СГ; 30ХГС |
| Вольфрам | W | В | ХВГ; Х6ВФ |
| Молибден | Mo | М | 12ХМ; 15Н2М |
| Кобальт | Co | К | Р10Ф5К5; Р6М5К5 |
| Титан | Ti | Т | 15ХГН2Т; 5ХНТ |
| Ванадий | V | Ф | 12ХМФ; 12Х8ВФ |
| Алюминий | Al | Ю | 38ХМНЮА; 36НХТЮА |
Хром в количестве от 1% до 4% улучшает прокаливаемость сплава, повышает его прочность и жаростойкость. Из хромистых изготавливаются различные детали механизмов работающих в условиях высоких нагрузок. В больших массовых долях хром находятся в нержавеющих и жаростойких образцах.
Кремний в количестве от 1% до 1,5% повышает упругие свойства материала и используется для изготовления пружин и рессор. Кремний часто входит в состав инструментальной группы.
Никель в малых соотношениях благотворно влияет на ударную вязкость и прочность, а в больших количествах, как правило в сочетании с хромом, придает жаропрочные свойства и высокую коррозионную стойкость.
Содержание марганца от 1% до 1,5% увеличивает ударную вязкость, то есть ее способность противостоять ударным нагрузкам при низких температурах, когда материал становятся хрупкими.
Вольфрам резко повышает красностойкость и износостойкость, что является необходимым свойством режущих материалов, в которых он и находит наибольшее применение. Молибден, как и вольфрам увеличивает износостойкость и красностойкость, повышая сопротивление к окислению при высоких температурах.
Кобальт, находясь в составе стали и неметаллических режущих материалов, придает им сопротивляемость ударным нагрузкам при повышенных температурах. Наличие титана способствует мелкой зернистости в незакаленном состоянии, а также улучшает сопротивление окислению.
Ванадий, обычно в сочетании с хромом, повышает прочностные характеристики и увеличивает стойкость к окислению при высоких температурах. Алюминий повышает жаростойкость и окалиностойкость, кроме этого, как и титан, воздействуя на извлечение зернистости.
Методы производства и обработки
Для производства инструментов, изготавливаемых из быстрорежущих сплавов, используются две основные технологии:
- классический метод, который предполагает разливку расплавленного металла в слитки, в дальнейшем подвергающиеся проковке;
- метод порошковой металлургии, при котором расплавленный металл распыляется при помощи струи азота.
Классическая технология, предполагающая проковку изделия из быстрорежущего сплава, которое предварительно было отлито в специальную форму, позволяет наделить такое изделие более высокими качественными характеристиками.
Подобная технология помогает избежать формирования карбидных ликваций в готовом изделии, а также дает возможность подвергнуть его предварительному отжигу и дальнейшей закалке. Кроме того, данная технология изготовления позволяет избежать такого явления, как «нафталиновый излом», которое приводит к значительному повышению хрупкости готового изделия, изготовленного из быстрорежущего сплава.
Закалка готовых инструментов, выполненных из быстрорежущего сплава, осуществляется при температурах, которые способствуют лучшему растворению в них легирующих добавок, но в то же время не приводят к росту зерна их внутренней структуры. После выполнения закалки быстрорежущие сплавы имеют в своей структуре до 30% аустенита, что не самым лучшим образом сказывается на теплопроводности материала и его твердости. Для того чтобы уменьшить количество аустенита в структуре сплава до минимальных значений, используются две технологии:
- проводят несколько циклов нагрева изделия, выдержки при определенной температуре и охлаждение: многократный отпуск;
- перед выполнением отпуска, изделие подвергается охлаждению до достаточно низкой температуры: до –800.
Улучшение характеристики изделий
Чтобы инструменты, изготовленные из быстрорежущих сплавов, обладали высокой твердостью, износостойкостью и коррозионной устойчивостью, их поверхность необходимо подвергнуть обработке, к методам выполнения которой относятся следующие.
- Насыщение поверхностного слоя изделия азотом — азотирование. Проводиться такая обработка может в газовой среде, состоящей из азота (80%) и аммиака (20%), либо полностью в аммиачной среде. Время выполнения подобной технологической операции — 10–40 минут, температура, при которой она осуществляется — 550–6600. Использование газовой среды, содержащей азот и аммиак, позволяет сформировать менее хрупкий поверхностный слой.
- Насыщение поверхностного слоя изделия углеродом и азотом — цианирование, которое осуществляется в расплаве цианида натрия или других солей с этим же анионом. В зависимости от назначения детали цианирование может быть высоко-, средне- и низкотемпературным. Чем выше температура и время выдержки детали в расплаве, тем больше толщина получаемого слоя.
- Сульфидирование, которое выполняется в жидких расплавах сульфидов, куда добавляются соединения серы. Проводится такая процедура на протяжении 45–180 минут, при этом температура расплава должна составлять 450–5600.
Инструменты, изготовленные из быстрорежущих сплавов, также подвергают обработке паром, что позволяет улучшить характеристики их поверхностного слоя. Следует иметь в виду, что все вышеперечисленные операции выполняются с инструментом, режущая часть которого уже заточена, отшлифована и подвергнута термической обработке.
