Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости

К быстрорежущим сталям повышенной теплостойкости относятся:

- вольфрамовые стали с повышенным содержанием ванадия Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5;

- вольфрамовые и вольфрамомолибденовые стали, дополнительно легированные кобальтом, например, стали: Р9К5, Р9К10, Р6М5К5;

- кобальтовые стали с повышенным содержанием ванадия типа: Р18К5Ф2, Р10К5Ф5;

- вольфрамомолибденовые (10Р6М5, 10Р8М3) и кобальтовые (Р8М3К6С, Р9М4К8, Р12Ф2К8М3 и др.) стали с повышенным содержанием углерода.

Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости рекомендуются в первую очередь для обработки труднообрабатываемых материалов: жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов, упрочненных конструкционных сталей с s_В>100 кгс/мм². Теплостойкость сталей этой группы находится в пределах 630-650°С (при норме разупрочнения HRC 58-60).

Отличительными особенностями вольфрамовых сталей с повышенным содержанием ванадия является более высокая износостойкость и твердость, следовательно, и несколько худшая обрабатываемость.

Карбид VC ванадия тверже других карбидов, находящихся в стали, в том числе и карбидов вольфрама. Повышение содержания ванадия способствует повышению распада карбидов вольфрама и молибдена в аустените, получению мелкодисперсной структуры, замедляет процесс коагуляции карбидов. Этими факторами объясняются большая износостойкость и твердость ванадиевых сталей, а также их несколько большая теплостойкость по сравнению с ванадиевыми сталями. Однако при повышении содержания ванадия в стали резко снижает теплопроводность. Поэтому температура контактных поверхностей у инструментов, изготовленных из ванадиевых сталей, будет выше, чем у инструментов, изготовленных из вольфрамовых сталей, вольфрамомолибденовых и молибденовых сталей.

При малых скоростях резания (при обильном тепловыделении) увеличение содержания ванадия приводит к снижению интенсивности износа до восьми раз по сравнению со сталями, содержащими ванадий до 1 %, что обусловлено высокой износостойкостью ванадиевых сталей. При больших скоростях резания (при обильном тепловыделении) никаких преимуществ ванадиевых сталей перед вольфрамовыми и молибденовыми сталями практически не наблюдается, поскольку повышенная температура контактных поверхностей у инструментов, изготовленных из ванадиевых сталей, способствует увеличению интенсивности износа.

Ванадиевые стали имеют и другую способность, связанную с содержанием углерода. Быстрорежущие стали, содержащие минимальное количество ванадия (1-1,2 %) должны иметь 0,7-0,8 % углерода, независимо от содержания вольфрама и молибдена. При увеличении ванадия сверх 1-1,2 %, содержание углерода увеличивается из расчета 0,2 % С на 1% V независимо от содержания W и Мо. Это объясняется большим сродством углерода с ванадием, нежели с вольфрамом и хромом. Углерод в первую очередь стремится соединиться с ванадием, причем на образование карбида - ванадия требуется больше углерода, чем для вольфрама и хрома. При недостаточности содержания углерода уменьшается растворимость и концентрация ванадия в твердом растворе. Поэтому стали с повышенным содержанием ванадия отличаются и увеличенным содержания углерода.

Таким образом, по сравнению с вольфрамовыми сталями, быстрорежущие стали дополнительно легированные ванадием, имеют большую теплостойкость и износостойкость, но уступают им по теплопроводности и прочности, По этим причинам ванадиевые стали наиболее эффективны для инструментов, предназначенных для чистовой обработки, а также для инструментов, работающих с низкими скоростями резания (протяжки, развертки, шеверы и др.)

Быстрорежущие стали ссодержанием 5 % Со и выше относятся к группе кобальтовых сталей. Характерной особенностью кобальтовых сталей является высокая горячая твёрдость и высокая теплопроводность в сочетании с низкой ударной вязкостью. Кобальтовые стали уступают по прочности даже ванадиевым, но превосходят и вольфрамовые и ванадиевые по теплостойкости.

Теплостойкость кобальтовых сталей доходит до 640-650°С, вторичная твердость HRC 69-70, теплопроводность на 25-30 % выше теплопроводности ванадиевых сталей. Подобное влияние кобальта объясняется тем, что кобальт способствует большему растворению карбидов вольфрама при нагреве под закалку, а при отпуске закаленных кобальтовых сталей происходит выделение не только карбидов, но и некоторых интерметаллидных соединений, Кобальт увеличивает теплопроводность стали в большей степени, чем молибден, введенный в том же количестве.

Это особеннозаметно сказывается при добавке кобальта в быстрорежущие стали с пониженной теплопроводностью. Для повышения износостойкости во всех марках кобальтовых сталей содержится больше ванадия, чем в стали Р18. За счет каждого процента кобальта, вводимого в сталь, допустимые скорости резания повышаются на 1 %. Увеличение режущих свойств кобальтовых сталей наблюдается во всем диапазоне режимов резания, характерных для быстрорежущих сталей.

Однако кобальтовым сталям присущи и серьезные недостатки: повышенная склонность к образованию трещин, большая чувствительность к обезуглероживанию при нагреве под закалку и отжиг. Эти недостатки усиливаются по мере увеличения содержания кобальта в сталях. Из-за резкого снижения прочности стали при большом содержании кобальта, не применяются кобальтовые стали с содержанием Со выше 10 %.

Рассмотренные особенности кобальтовых быстрорежущих сталей определяют область их рационального использования: обработка обычных конструкционных сталей и малотеплопроводных сталей и сплавов с повышенными скоростями резания в условиях повышенной виброустойчивости системы СПИД. Для этих условий обработки стойкость кобальтовых сталей в 2-5 раз выше стойкости быстрорежущих сталей Р18, Р6М5, Р12.

Термическая обработка этих сталей имеет ряд особенностей. По сравнению с Р18 они обладают чувствительностью к обезуглероживанию и к росту зерна при нагреве, Для предупреждения обезуглероживания на всех этапах термической обработки, связанных с нагревом выше 800-850°С, применяют специальные меры (использование печей с защитной атмосферой при отжиге или применение закрытых ящиков с чугунной стружкой, раскисление соляных ванн фтористым магнием и т.п.).

Стали с повышенным содержанием углерода оправдывают себя при обработке конструкционных сталей с высокой твердостью до HRC 40-45 (инструмент из сталей типа 10Р8М3, 10P6M5). Но особенно эффективно использование сталей этой группы для изготовления инструментов, предназначенных для обработки легированных и нержавеющих сталей, а также других сталей и сплавов аустенитного класса в условиях непрерывного резания. При обработке обычных конструкционных сталей на режимах характерных для сталей Р6М5 и Р18, эти стали не имеют существенного преимущества по стойкости. Обработка обычных конструкционных сталей инструментом из быстрорежущих инструментальных сталей с повышенным содержанием углерода экономична лишь при скоростях резания свыше 50 м/мин.

Еще одной областью применения быстрорежущих сталей этой группы может стать прерывистая обработка труднообрабатываемых материалов взамен твердосплавного инструмента. При этом стойкость инструментов из быстрорежущих сталей твёрдостью до HRC 67-70 с повышенным содержанием углерода оказывается в ряде случаев выше, чем инструментов из твёрдых сплавов.