Сталі для різального інструменту

Сталі для різального інструменту після гартування і низького відпуску повинні мати високу твердість у різальній кромці (60…65 HRC), яка значно перевищує твердість оброблюваного матеріалу; високу зносостійкість, необхідну для збереження розмірів і форми різальної кромки під час різання; достатню міцність при деякій в'язкості для попередження поломки інструменту в процесі роботи і теплостійкість, коли різання виконується з підвищеною швидкістю.

11.1.1. Вуглецеві сталі.Вуглецеві інструментальні сталі У8 (У8А), У10 (У10А), У11 (У11А), У12 (У12А) та У13 (У13А) внаслідок малої стійкості переохолодженого аустеніту мають невелику прогартовуваність і тому застосовуються для інструментів невеликих розмірів.

Для різального інструменту (фрези, зенкери, свердла для спіральних пилок, шабери, ножівки ручні, напилки, бритви, гострий хірургічний інструмент і т. ін.) звичайно застосовують заевтектоїдні сталі (У10 та У11, У12 та У13), у яких після термічної обробки структура – мартенсит і карбіди. Деревообробний інструмент, зубила, кернери, борідки, викрутки, сокири тощо виготовляють зі сталей У7 та У8, які після термічної обробки мають трооститну структуру.

Вуглецеві сталі в початковому (відпаленому) стані мають структуру зернистого перліту, низьку твердість (170…180 НВ) і добре обробляються різанням. Температура гартування вуглецевих інструментальних сталей У8–У12 повинна бути 760…810 °С, тобто дещо вища від А_с₁ аленижча від А_ст, для того щоб у результаті гартування сталі набували мартенситної структури і зберігали дрібне зерно та нерозчинені частинки вторинного цементиту. Гартування проводять у воді або у водних сольових розчинах. Дрібний інструмент зі сталей У10–У12 для зменшення деформації охолоджують у гарячих середовищах (ступеневе гартування).

Відпуск проводять при 150…170 °С для збереження високої твердості (62…63 HRC).

Сталь У7 гартують з нагріванням вище за точку А_с₃(на 30…50 °С) і піддають відпуску при 275…325 °С (48…58 HRC) або при 400…500 °С(44…48 HRC).

Вуглецеві сталі можна використовувати як різальний інструмент тільки для різання матеріалів з низькою твердістю і при малій швидкості, оскільки їх висока твердість сильно знижується під час нагрівання вище 190…200 °С.

11.1.2. Леговані сталі підвищеної прогартовуваності.Подібно до вуглецевих, леговані інструментальні сталіне мають високої теплостійкості і придатні тільки для різання м'яких матеріалів з невеликою швидкістю. Їх використовують для інструменту, що не зазнає під час роботи нагрівання понад 200…250 °С. Леговані сталі, у порівнянні з вуглецевими, мають велику стійкість переохолодженого аустеніту, а отже, більшу прогартовуваність. Інструменти з цих сталей можна охолоджувати при гартуванні в маслі і в гарячих середовищах (ступеневе гартування), що зменшує деформацію івикривлення інструменту. Низьколеговані сталі 11Х і 13Х рекомендовані для інструментів діаметром до 15 мм, загартованих у маслі або в гарячих середовищах для зменшення деформації у порівнянні з гартуванням у воді.

Сталі підвищеної прогартовуваності (60…80 мм) 9ХС і ХВСГ мають високу теплостійкість (250…260 °С), достатні різальні властивості і порівняно мало деформуються під час гартування. Їх застосовують для виготовлення інструментів великих перерізів під час гартування в маслі або в гарячих середовищах (ручні свердла, розвертки, плашки і гребінки). Проте сплав 9ХС схильний до втрати вуглецю під час нагрівання, у відпаленому стані має підвищену твердість (187…241 НВ), що погіршує його обробку різанням і тиском.

Вольфрамові сталі В2Ф і ХВ4 після гартування у водних розчинах мають дуже високу твердість і застосовуються для пил (по
металу) та граверних інструментів.

Інструментальні сталі виготовляють у металургійній промисловості у вигляді гаряче- і холоднокатаних прутків з різною формою перерізу, з обробленою поверхнею (шліфування) і підвищеною точністю розмірів (сріблянка), а також стрічок.

11.1.3. Швидкорізальні сталі. На відміну від інших інструментальних сталей, швидкорізальні сталі мають високу теплостійкість (червоностійкість), тобто здатність зберігати мартенситну структуру і відповідно високі твердість, міцність та зносостійкість при підвищених температурах, що виникають у різальній кромці в процесі різання з великою швидкістю. Ці сталі зберігають мартенситну структуру при нагріванні до 600…620 °С, тому застосування їх дозволяє значно підвищити швидкість різання (в 2…4 рази) і стійкість інструментів (у 10…30 разів) у порівнянні зі сталями, які не мають високої теплостійкості.

Основними легуючими елементами швидкорізальних сталей, що забезпечують їх теплостійкість, є насамперед вольфрам і молібден. Сильно підвищує теплостійкість (до 645…650 °С) і твердість після термообробки (67…70 HRC) кобальт і в меншій мірі ванадій.

Склад широко застосовуваних швидкорізальних сталей помірної теплостійкості (615…620 °С) наведений в табл. 11.1. Крім того, стандарт передбачає такі марки сталі з підвищеною теплостійкістю (630…650 °С), що містять кобальт: Р6М5К5, Р9М4К8, Р18К5Ф2, Р10К5Ф5 та ін. Деяке застосування знайшли швидкорізальні сталі Р8М3К6С і Р12Ф4К5, а також менш дорогі, ніж кобальтові сталі, вольфрамованадієва сталь Р12Ф3 (теплостійкість близько 635 °С) і сталі з підвищеним вмістом вуглецю 10Р8М3 і 10Р6М5 (теплостійкість 625…630 °С). Найбільш широко використовують сталь Р6М5 з меншим вмістом
вольфраму.

Таблиця 11.1. Хімічний склад найпоширеніших швидкорізальних сталей, %

Марка сталі	C	Cr	W	V	Mo
Р18 Р12 Р6М3 Р6М5 (АР6М5)	0,70…0,80 0,80…0,90 0,85…0,95 0,80…0,88	3,8…4,4 3,1…3,6 3,0…3,5 3,8…4,4	17,5…19,0 12,0…13,0 5,5…6,5 5,5…6,5	1,0…1,4 1,5…1,9 2,0…2,5 1,7…2,1	0,5…1,0 < 1,0 3,0…3,6 5,0…5,5

Швидкорізальні сталі належать до класу карбідних (ледебуритних). Їх фазовий склад у відпаленому стані – легований ферит і карбіди М₆С, М₂₃С₆, МС, М₃С. Основним карбідом швидкорізальної сталі є М₆С, в якому також розчинений ванадій. У фериті розчинена більша частина хрому, а майже весь вольфрам (молібден) і ванадій знаходяться в карбідах. Кількість фази карбіду в досягає 25…30 % сталі Р18 і 22 % у сталі Р6М5.

У структурі литої швидкорізальної сталі присутня складна евтектика, що нагадує ледебурит і розташована по границях зерен. Унаслідок гарячої механічної обробки сітка евтектики дробиться. У сильно деформованій швидкорізальній сталі карбіди розподілені рівномірно в основній матриці, що після відпалювання являє собою сорбітоподібний перліт. У структурі деформованої і відпаленої швидкорізальної сталі можна розрізнити три види карбідів: великі відокремлені первинні карбіди, більш дрібні вторинні і дуже дрібні евтектоїдні карбіди, що входять в основний сорбітний фон. При недостатній проковці спостерігається карбідна ліквація, яка є ділянками незруйнованої евтектики, витягнутими в напрямі деформації.За наявності ліквації карбіду зменшується стійкість інструменту і зростає його крихкість.

Для зниження твердості, поліпшення обробки різанням і підготовки структури сталі до гартування після кування швидкорізальну сталь піддають відпалу при 840…860 °С (сталь Р6М5 – при 800…830 °С). Якщо відпал проведений незадовільно, при подальшому гартуванні можливий брак сталі внаслідок утворення так званого нафталінового зламу. У цьому випадку злам сталі грубозернистий, лускатий, схожий на нафталін. Сталь з таким зламом має високу крихкість.

Для надання сталі теплостійкості інструменти піддають гартуванню і багаторазовому відпуску. Температуру гартування сталі Р18 беруть рівною 1270…1290 °С, сталі Р12 – 1225…1245 °С, Р6М5 – 1210…1230 °С. Високі температури гартування необхідні для більш повного розчинення вторинних карбідів та отримання під час нагрівання аустеніту, високолегованого хромом, вольфрамом, молібденом і ванадієм. Це забезпечує отримання після гартування мартенситу, якому притаманна висока теплостійкість. Проте навіть при дуже високій температурі нагрівання розчиняється тільки частина карбідів: приблизно 30 % від тих, що є у структурі сталі Р18, і 50…60 % від наявних в структурі сталі Р12. Для швидкорізальних сталей, які мають багато надлишкових карбідів (евтектичних і вторинних), характерне збереження дрібного зерна (бал 11…10) навіть при нагріванні до вказаних вище дуже високих температур. Щоб уникнути утворення тріщин при нагріванні до температури гартування, застосовують підігрів інструменту впродовж 10…15 хв при 800…850 °С або 3…5 хв при 1050…1100 °С, а великого інструменту, крім того, ще 15…20 хв при 550…600 °С.

Витримка при температурі гартування повинна забезпечити розчинення в аустеніті частини карбідів у межах можливої їх розчинності. Щоб уникнути окиснення, зневуглецювання і росту зерна, витримка повинна бути нетривалою: для інструментів діаметром (товщиною) 10…50 мм вона становить 10…12 с на кожний міліметр діаметра або найменшої товщини інструменту при нагріванні в розплавленій солі (частіше у ВаСl₂) і 12…14 с при нагріванні в печі. Для отримання більш високої твердості сталі Р6М5 (63 HRC)і теплостійкості (59HRC при 620 °С) витримку при нагріві під гартування збільшують на 25 %.

Високолегований аустеніт, отриманий при нагріванні під гартування, має високу стійкість, тому охолоджуючим середовищем при гартуванні частіше є масло. Для зменшення деформації інструментів застосовують ступеневе гартування в розплавлених солях, частіше при 250 або 650 °С.

Структура швидкорізальної сталі після гартування складається з високолегованого мартенситу, що містить 0,3…0,4 % С, нерозчинені надлишкові карбіди і залишковий аустеніт. Чим вища температура гартування, тим нижча температура мартенситних точок М_п іМ_кта тим більша кількість залишкового аустеніту. Звичайно вміст залишкового аустеніту в сталі Р18 складає 25…30 %, у сталі Р6М5 – 28…34 %. Залишковий аустеніт знижує різальні властивості сталі, і тому його присутність у готовому інструменті недопустима.

Після гартування виконують відпуск при 550…570 °С, що викликає перетворення залишкового аустеніту на мартенсит і дисперсійне твердіння в результаті часткового розпаду мартенситу та виділення дисперсних карбідів. При цьому збільшуться твердість (вторинна твердість). У процесі витримки при відпуску із залишкового аустеніту виділяються карбіди. Це зменшує його легованість, і тому при подальшому охолоджуванні він зазнає мартенситного перетворення (при температурах близько 150 °С). У процесі одноразового відпуску тільки частина залишкового аустеніту перетворюється на мартенсит. Щоб весь залишковий аустеніт перетворився на мартенсит і відбувся відпуск знов утвореного мартенситу, застосовують багаторазовий (частіше за все триразовий) відпуск при 550…570 °С. Тривалість кожного відпуску 45…60 хв. Для сталі Р6М5 оптимальний режим відпуску, що забезпечує найбільшу твердість і високі механічні властивості, – 350 °С упродовж 1 год (перший відпуск) і 560…570 °С по 1 год (подальші два відпуски). Отримання більш високої твердості пояснюється тим, що при 350 °С виділяються частинки цементиту, рівномірно розподілені в сталі. Це сприяє більш однорідному виділенню і розподілу спеціальних карбідів М₆С при 560…570 °С.

Інструмент простої форми із швидкорізальної сталі для зменшення вмісту залишкового аустеніту іноді безпосередньо після гартування (щоб уникнути стабілізації аустеніту) охолоджують до –80 °С. При обробці холодом більше половини залишкового аустеніту зазнає перетворення в мартенсит; після обробки холодом іде один або два відпуски при рекоиендованій температурі. Твердість сталі після гартування становить 62…63 HRC, а після відпуску – 63…65 HRC.

Різальні властивості і твердість інструменту, що не переточується по всіх гранях (свердла, розвертки, мітчики, фрези), можна підвищити низькотемпературною азотизацією при 550…560 °С. Тривалість процесу 10…30 хв. Твердість шару HV10000…11000 МПа, а його товщина 30…50 мкм. Для підвищення твердості робочих поверхонь інструменту також застосовують напилення тонкого (5…20 мкм) шару з карбідів (нітридів) титану або з інших тугоплавких сполук з високою твердістю (25000…45000 МПа).

11.1.4. Тверді сплави.Твердими сплавами називають сплави, які виготовлені методом порошкової металургії і складаються з карбідів тугоплавких металів (WC, TiC, TaC), зв'язаних кобальтом. Їх одержують шляхом пресування порошків карбідів і кобальту у вироби необхідної форми та подальшого спікання при 1250…1450 °С в атмосфері водню або у вакуумі. Тверді сплави частіше виготовляють у вигляді стандартних пластин різної форми для оснащення ними різців, фрез, свердел та інших різальних інструментів, а також різних матриць для пресування напівфабрикатів і волочіння дроту. Пластини в різальному інструменті кріплять або за допомогою мідного припою, або механічним способом. Кріплення штампових і волочильних матриць проводять шляхом тугої посадки у відповідну сталеву обойму або з’єднання за допомогою мідного припою.

У країнах СНД виготовляють тверді сплави трьох видів: вольфрамові (ВК3, ВК6, ВК8, ВК10 і ВК20, ВК25); титановольфрамові (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12); титанотанталовольфрамові (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ20К9).

Вольфрамові сплави маркуються буквами ВК і цифрою, що вказує відсоток кобальту. Структура вольфрамових сплавів являє собою частинки карбіду вольфраму WС, зв'язані кобальтом. Титановольфрамові сплави складаються з карбідів WC і TiC, зв'язаних кобальтом. При високому вмісті карбіду титану (Т30К4) структура складається тільки з карбіду титану і кобальту, оскільки вольфрам і вуглець розчиняються в карбіді титану.

Чим менше в сплаві ВК кобальту і дрібніші частинки карбідів, тим вища зносостійкість, але нижчі міцність та опір ударам. Сплави ВК3 та особливо ВК3-М, що мають найвищу зносостійкість (твердість 89,5…90,0 HRC і σ_зг = 1100 МПа), допускають високу швидкість різання при обробці чавуну, кольорових металів і неметалевих матеріалів.

Сплави ВК4, ВК6, ВК6-М з твердістю 88,0…90,0 HRC і σ_зг= 1400…1350 МПа рекомендуються для чорнового точіння, фрезерування, розсвердлювання, зенкування при обробці чавуну, жароміцних сплавів, кольорових металів і неметалевих матеріалів. Сплави ВК8 і ВК10 мають меншу зносостійкість, але більш високу експлуатаційну міцність (σ_зг = 1750...1650 МПа).

Сплав ВК8 застосовують для чорнового точіння та інших видів чорнової обробки (різання чавуну, жароміцних сплавів і кольорових металів), а також для волочіння і калібрування труб, прутків і дроту. Сплави ВК10, ВК15 і ВК25 призначені для виготовлення деталей, що швидко зношуються. Ці сплави характеризуються високою експлуатаційною міцністю, але порівняно низькою зносостійкістю.

Титановольфрамові сплави маркуються буквами Т, К і цифрами, що вказують відповідно відсотки карбідів титану і кобальту.

Найвищою для титановольфрамових сплавів зносостійкістю і допустимою швидкістю різання при зниженій експлуатаційній міцності (σ_зг = 950 МПа) характеризується сплав Т30К4. У сплавів Т15К6 і Т5К10 експлуатаційна міцність вища, а зносостійкість і допустима швидкість різання нижчі. Титановольфрамові сплави застосовують для чистового (Т30К4) і чорнового (Т15К6, Т5К10) точіння, фрезерування і стругання сталі.Твердість сплавів 92…87 HRC.

Титанотанталовольфрамові сплави маркуються буквами ТТ, К і цифрами, що вказують відповідно відсотки суми карбідів титану і танталу, а також кобальту.

Сплав ТТ10К8-Б при помірній зносостійкості має високий опір ударам і достатню експлуатаційну міцність (σ_зг = 1300 МПа). Титанотанталовольфрамові сплави застосовують при чорновій і чистовій обробці матеріалів, що важко піддаються обробці, у тому числі жароміцних сплавів і сталей (87…90 HRC).