Быстрорежущие стали

Такие стали являются одним из основных инструментальных материалов. Из них изготавливают до 60% режущего инструмента. Это практически вся номенклатура фасонного (сложной формы) режущего инструмента – фрезы, долбяки, шеверы и т.п.

Принципиальное отличие быстрорежущих сталей от углеродистых и легированных инструментальных – теплостойкость. Быстрорежущие стали сохраняют высокую твердость при нагреве до температур свыше 600 °С. Высокая теплостойкость сталей достигается за счет устранения причин, вызывающих разупрочнение углеродистых и легированных инструментальных сталей при нагреве, – распада мартенсита и коагуляции карбидов (см. 9.2.1). Первое условие может быть обеспечено высоким уровнем легирования твердого раствора, в котором затруднена диффузия углерода, т.е. распад мартенсита будет происходить при более высоких температурах. Кроме того, в структуре должна быть карбидная фаза, обладающая высокой устойчивостью против коагуляции при нагреве (т.е. не цементит). Эти условия выполняются при высоком уровне легирования. В качестве легирующих компонентов используются сильные карбидообразующие компоненты, образующие собственные карбиды. Высокая легированность твердого раствора обеспечивается термической обработкой, при которой происходит растворение специальных карбидов в твердом растворе. Основные легирующие компоненты быстрорежущих сталей – это вольфрам и (или) молибден, являющиеся химическими аналогами; в состав сталей также обязательно входят хром для повышения прокаливаемости и ванадий для сохранения мелкого зерна аустенита при закалке. В зависимости от наличия W и Мо стали подразделяются на вольфрамовые, вольфрамомолибденовые и молибденовые.

Маркировка быстрорежущих сталей несколько отличается от конструкционных. Они обозначаются русской буквой "Р", цифра после которой указывает на ОГЛАВЛЕНИЕ вольфрама в стали. ОГЛАВЛЕНИЕ хрома во всех быстрорежущих сталях составляет около 4% и в марке не указывается. Не указываются также ванадий при его содержании до 2% и углерод при содержании 0,7...0,9%. Обозначения этих элементов входят в марку быстрорежущих сталей только при их большем содержании. Покажем маркировку на примере наиболее распространенных быстрорежущих сталей. Сталь Р18 содержит 18% W, сталь Р6М5 – 6% W и 5% Мо, ОГЛАВЛЕНИЕ углерода, хрома и ванадия в этих сталях находится в указанных пределах.

Структура, термическая обработка и свойства быстрорежущих сталей

(Разовый состав быстрорежущих сталей в отожженном состоянии – феррит, в котором растворена часть хрома, имеющегося в стали, и карбиды легирующих компонентов; структура – мелкозернистый (сорбитообразный) перлит. Основным является карбид на основе вольфрама и молибдена: М6С (1200 HV), в структуре сталей Р18 и Р6М5 он присутствует в количестве около 18%. Кроме того, в структуре имеются карбиды хрома – М23С6 (твердость 1000 HV, количество около 9%) и ванадия – МС (2500 HV, количество 1,5...2%).

Карбиды имеют сложный состав. Помимо атомов основного карбидообразующего компонента (основа карбида) в них присутствуют в определенных количествах атомы железа и других легирующих компонентов. Так, в состав карбида Ме6С могут входить атомы хрома, ванадия, железа.

По своей природе карбиды подразделяются на эвтектические и вторичные. Напомним, что положение точек S и Е на диаграмме "Fe – Fe3C" при наличии легирующих компонентов смещается в сторону меньших значений углерода. Поэтому даже при содержании углерода порядка 0,7% (минимальное ОГЛАВЛЕНИЕ для быстрорежущих сталей) структура литой быстрорежущей стали вследствие высокого содержания легирующих компонентов содержит эвтектику – ледебурит. Таким образом, быстрорежущие стали – это стали ледебуритного класса.

Вторичные карбиды выделяются из твердой фазы – аустенита вследствие уменьшения растворимости в нем углерода при понижении температуры (аналогично выделению цементита из аустенита по линии SE на диаграмме "Fe – Fe3C"), а также в результате перлитного превращения. Наличие в структуре эвтектики снижает механические свойства, поэтому слитки быстрорежущих сталей подвергают горячей пластической деформации (ковка, прокат) с целью улучшения структуры за счет раздробления эвтектики. После такой обработки, выполняемой на металлургических заводах, стали подвергают отжигу. Отжиг также проводят на машиностроительных заводах после сварки, ковки для улучшения структуры и обеспечения удовлетворительной обрабатываемости резанием. После этих операций стали могут иметь крупное зерно и повышенную твердость.

Отжиг является разупрочняющей термической обработкой, включающей нагрев выше температуры α → γ превращения (840...860° С для вольфрамовых и 800...830 °С для вольфрамомолибденовых сталей), длительную выдержку при этой температуре (не менее 3 ч) и последующее весьма медленное охлаждение со скоростью не более 25...30 °С/ч. Отжиг должен обеспечить структуру зернистого перлита и минимальную твердость (не более 255 НВ) для удовлетворительной обрабатываемости резанием. После пластической деформации и отжига быстрорежущая сталь приобретает структуру П + Кэвт (крупные эвтектические карбиды) + К„ (мелкие вторичные). В отожженном состоянии выполняются формообразующие операции, после которых осуществляется упрочняющая термическая обработка.

Упрочняющая термическая обработка быстрорежущих сталей, включающая закалку и отпуск, проводится с целью получения высоких значений твердости и теплостойкости. При термической обработке реализуется сложный механизм упрочнения сталей этого класса – мартенситное превращение с последующим дисперсионным твердением. При этом обеспечивается высокая легированность мартенсита, получаемая при закалке, и интенсивное дисперсионное твердение в процессе отпуска.

Закалка. Нагрев под закалку быстрорежущих сталей осуществляется для получения высокой легированности твердого раствора. Это может быть достигнуто растворением в аустените большого количества карбидов. Карбид на основе хрома Ме23С6 полностью растворяется в аустените при 1100 °С; основной карбид быстрорежущих сталей Ме6С интенсивно растворяется при температуре свыше 1200 °С; МеС на основе ванадия растворяется при более высоких температурах.

Таким образом, для обеспечения высокой легированности твердого раствора температура закалки быстрорежущих сталей должна быть выше 1200 °С, т.е. превышать температуру растворения основного карбида. Карбид Ме6С на основе вольфрама растворяется в аустените при температурах более высоких, чем карбид на основе молибдена, поэтому температура закалки вольфрамовых сталей также выше, чем у сталей с молибденом (1270...1290 °С для Р18 и 1210...1230 °С для Р6М5).

После закалки в структуре остается часть нерастворившихся – избыточных – карбидов. В основном это карбиды эвтектического происхождения, растворение которых возможно только в жидкой фазе (оплавление инструмента недопустимо), и часть вторичных карбидов. Роль избыточных карбидов – сдерживание роста зерна (при крупном зерне снижаются прочность и вязкость) при нагреве под закалку, которая вынужденно выполняется при высоких температурах для растворения в аустените карбида Ме6С.

Высокая концентрация углерода и легирующих компонентов в аустените приводит к снижению температур начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения. Температура Мк лежит в области отрицательных температур, поэтому в структуре закаленных быстрорежущих сталей сохраняется достаточно большое количество (до 30%) остаточного аустенита.

Таким образом, структура после закалки – мартенсит закалки (Μ3), карбиды (К) и остаточный аустенит (Аост).