Швидкорізальна сталь: ГОСТ, склад, твердість, термічна обробка

Для того щоб робоча поверхня інструменту зберігала задані властивості тривалий час, необхідно використання спеціальних сплавів і сталей для виготовлення таких елементів. На сьогоднішній день деталі ріжучого інструменту виробляються з твердих сплавів, інструментальних марок сталі. Для фрез, різців, зубил використовується в основному швидкорізальна сталь.

Основні вимоги до сплавів для ріжучого інструменту

Деталі такого типу тривалий час працюють в умовах тертя і підвищених температур. Однак робоча поверхня повинна зберігати свої властивості, володіти високою зносостійкістю і твердістю. При великих швидкостях, які набирає інструмент в процесі різання, нагрівається і його кромка, та сама деталь, і стружка. Тому основна характеристика, якою повинна володіти швидкорізальна сталь – теплостійкість. Для важкооброблюваних матеріалів використовують порошкові швидкорізальні сталі. Вони мають більш високі ріжучі властивості. Недоліком таких сплавів є скрутна обробка заготовок. Всі необхідні характеристики досягаються шляхом введення певних легуючих елементів і спеціальною термічною обробкою.

Маркування сталі

Швидкорізальна сталь маркується літерою Р, яка ставиться попереду. Основними легуючими елементами є вольфрам, хром. Також додатково вводять такі елементи, як ванадій, молібден. Цифра після букви Р вказує на процентний вміст вольфраму в сталі. Як правило, до складу швидкорізальної сталі входить близько 4% хрому. Даний елемент в маркуванні не вказується. Якщо цифри стоять перед буквою Р, то вони вказують на процентний вміст вуглецю (наприклад, сталь 11Р3АМ3Ф2 містить 11% вуглецю). В основному стали даної групи є високолегованими.

Вплив легованих елементів на властивості стали

Високу теплостійкість швидкорізальних марок сталі забезпечують вольфрам, молібден. На їх основі утворюються карбіди, які частково переходять у твердий розчин. Після термообробки забезпечується структуру мартенсіту. Вольфрам, молібден, а також ванадій уповільнюють його розпад. Саме це забезпечує необхідну червоностійкість. Тривалий час використовувалася швидкорізальна сталь, легована тільки вольфрамом. Однак через дефіцитності цього металу його почали частково замінювати молібденом. Цей елемент також позитивно впливає на схильність вольфрамових марок сталі до карбідної неоднорідності. Найбільш твердий утворює карбід ванадій. Однак при цьому вміст вуглецю повинна бути достатньою для більшого насичення твердого розчину. Чим більше вводиться ванадію, тим більше повинно бути вуглецю в складі сплаву. Основне завдання хрому – надання сталі високої прогартованості. Червоностійкість також підвищує і кобальт.




Швидкорізальна сталь (твердість при легуванні даним елементом підвищується до 70 HRC) в даному випадку буде мати знижену міцність. Варто відзначити, що введення хрому широко не застосовується із-за великої вартості елемента.

Термообробка швидкорізальної сталі

Дані марки сталі надходять в стані кування (температура близько 1200 °С). Проводиться нагрів до 860 °С, потім метал витримується при температурі близько 760 °C. Термічна обробка інструменту включає загартування і відпуск. Варто відзначити, що така обробка має свої особливості. По-перше, необхідний повільний, поступовий нагрів. Так як сталь високолегована, її досить низька теплопровідність, стрімке нагрівання може призвести до утворення тріщин. При цьому дуже важливо нагрівати заготівлю рівномірно. Використовуються електричні печі, соляні ванни. Процес обробки швидкорізальної сталі досить трудомісткий, він вимагає чіткого дотримання всіх етапів технологічного процесу.

Гарт стали для ріжучого інструменту

Головна задача загартування – розчинення карбідів в аустените. Як правило, карбіди на основі вольфраму і хрому розчиняються при 1200 °С, ванадій вимагає більш високих температур. Після даного етапу структура має надлишкові (ті, що не розчинилися) карбіди. Вони стримують зростання зерна. Високі температури забезпечують дрібнозернистий аустеніт. Охолодження відбувається в маслі або розплаві солей. Температура по перерізу деталі вирівнюється. Така обробка швидкорізальної сталі дозволяє уникнути появи тріщин. Після загартування сталь має наступну структуру: мартенсит, залишковий аустеніт, карбіди.

Відпустку швидкорізальної сталі

Відпустка стали сприяє перетворенню мартенсіту гартування на мартенсит відпустки, аустеніту в мартенсит (так як перший не володіє достатньою твердістю), зняття залишкових напруг. Як правило, термічна обробка швидкорізальної сталі включає багаторазовий відпуск. Починається цей процес при температурі 150 °С. Далі при 550 °С відбувається дисперсійне твердіння (виділяються карбіди з твердого розчину). В результаті зростає твердість сплаву. Більш високі температури відпустки небажані, так як буде відбуватися процес розпаду мартенсіту, і, відповідно, зниження твердості. Вольфрамові стали після одиничного відпустки мають у складі залишковий аустеніт. Повністю він перетворюється в мартенсит при другому відпустці. Залишкові напруги знімаються в процесі третього відпустки. Сталі з вмістом кобальту можуть піддаватися відпустки і в четвертий раз.

Порушення технології термообробки

Зниження кількості вуглецю на поверхні заготовки може бути наслідком поганої расскисленности соляної ванни, а також перегріву при аустенізації. Перевищення температури веде до оплавлення меж зерна. Також оброблена деталь може мати тріщини. Таке явище виникає з-за швидкого нагрівання металу. Ще одна причина – прискорене охолодження. Низьке значення твердості може бути наслідком недостатнього легування структури мартенсіту, порушенням температурного режиму при відпустці, при якому залишається залишковий аустеніт. Ще один можливий дефект заготовки – нафталинистий злам.

Найбільш поширені марки швидкорізальної сталі

Швидкорізальна сталь (ГОСТ 19265-73) ділиться на сплави нормальної і підвищеної теплостійкості. Перша група включає такі марки, як Р18 Р6М5. Твердість їх досягає 63 HRC. Основне їх призначення – обробка чавунів, мідних, алюмінієвих сплавів. Більш високою теплостійкістю мають вольфрамові сталі. Їх застосовують для виготовлення свердел, фрез, різців. Сталь Р6М5 яка містить молібден, трохи поступається в ріжучих властивостей, однак вона істотно дешевше. До того ж пластичність її трохи вище, а схильність до утворення тріщин не настільки висока. Більш теплостійкі сталі мають в складі ванадій і кадмій (10Р6М5 Р9Ф5). Їх твердість досягає 66 HRC. Використовуються вони для обробки більш міцних конструкційних сталей, жароміцних сплавів, при виготовленні чистового інструменту. Характерно, що ці марки мають більш високу зносостійкість (завдяки наявності в складі ванадію). Останнім часом все частіше застосовується метод порошкової металургії. Такі інструменти мають більш високі ріжучі властивості.