Быстрорежущие стали и сплавы

Получили такое название за свои свойства. Вследствие высокой теплостойкости (550-650⁰С) инструменты могут работать со скоростями резания, в три – четыре раза большими, чем инструменты из углеродистых и легированных сталей.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (rapid — быстрый, скорый), цифры показывают среднее содержание вольфрама — основного легирующего элемента (Р18, Р9). Среднее содержание углерода и хрома во всех быстрорежущих сталях обычно составляет от 1 до 4 %, поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих (ванадия, молибдена) в целых процентах указывается, как обычно, в цифрах, следующих за их буквенным обозначением (Р6М5, Р6М3).

Высокая теплостойкость быстрорежущей стали объясняется следующими ее особенностями. Высокая твердость мартенсита объясняется растворением углерода в α-железе. При нагреве из углеродистой закаленной стали выделяются мельчайшие частицы карбида (Fe_xC). На первой стадии выделения при температуре до 200⁰С они еще находятся в мельчайшем дисперсном рассеяниии и заметным образом твердость не снижают. Но при более высокой температуре происходит их укрупнение (коагуляция) и твердость падает. Для сохранения твердости при нагреве (теплостойкости) сталь необходимо легировать такими элементами, карбиды которых коагулируют при более высоких температурах. Такими элементами являются вольфрам, хром и др., коагуляция карбидов которых происходит при температурах 600 — 650⁰С.

По структуре в равновесном состоянии эти стали относятся к ледебуритному классу. Отливки из быстрорежущей стали подвергают ковке, а затем отжигу при 860-900⁰С. После отжига структура быстрорежущей стали состоит из сорбита, куда входят очень мелкие эвтектоидные карбиды. Суммарное количество карбидов достигает 30-35%.

Высокую теплостойкость инструмент из быстрорежущих сталей приобретает после закалки и многократного отпуска. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение карбидов и получение высоколегированного аустенита. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки мартенсит с высокой теплостойкостью. Для этой цели заготовки нагревают до высокой температуры. Так температура закалки сталей составляет, ⁰С: для Р18 — 1270 — 1290, Р9 — 1220 — 1240, Р6М5 — 1210 — 1230. Во избежание образования трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности сталей инструмент под закалку нагревают обычно ступенчато в соляных ваннах, а закалку проводят в масле. Инструмент вначале подогревают в первой ванне до 500-600⁰С, а затем переносят в ванну с температурой 800⁰С и после этого в третьей ванне нагревают до 1280⁰С и выдерживают непродолжительное время (10 — 12 с на каждый миллиметр диаметра) для избежания роста зерна и окисления (рис. 16.1,а).

Микроструктура закаленной быстрорежущей стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита (до 30%) и большого числа рассеянных зернышек первичных карбидов. Количество остаточного аустенита и положение точек Мн и Мк также зависят от температуры закалки. Твердость закаленной быстрорежущей стали достигает HRC 60-62.

Остаточный аустенит ухудшает режущие свойства, поэтому закаленный инструмент обязательно подвергают отпуску.

При многократном отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550 — 570⁰С в течение 45 — 60 мин (рис. 16.1, а).

Число отпусков может быть сокращено при обработке заготовки после закалки холодом, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Закаленную сталь охлаждают до (-80) - (-100)⁰С, т.е. до температур ниже точки М_к этой стали. Затем для снятия внутренних напряжений сталь подвергают однократно отпуску (560⁰С, 1 ч) (рис. 16.1, б). Твердость после закалки 62 — 63 HRC, а после отпуска она увеличивается до 63 — 65 HRC.

Рис. 16.1 Режимы термической обработки инструмента из быстрорежущей стали:

а — закалка и трехкратный отпуск; б — закалка, обработка холодом, отпуск

Иногда для повышения износостойкости инструмента применяют низкотемпературное цианирование при 520-560⁰С в течение 10-15 мин. На поверхности образуется слой, насыщенный азотом и углеродом, толщиной 0,03-0,06 мм. Для уменьшения прилипания стружки и повышения коррозионной стойкости проводят обработку паром (при температуре отпуска). На поверхности образуется тонкая пленка, предотвращающая прилипание стружки.

Как правило, из-за высокой стоимости и дефицитности вольфрама из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента, которую прикрепляют к державке из обычной углеродистой инструментальной стали.

Металлокерамические твердые сплавы являются инструментальными материалами, состоящими из карбидов тугоплавких металлов и цементирующего металла — кобальта. Рис. 16.2 иллюстрирует влияние температуры на твердость различных инструментальных материалов.

Твердые сплавы обладают наиболее высокой твердостью и сохраняют ее при нагреве до высоких температур.

Твердые сплавы изготовляют методом порошковой металлургии. Применяют карбиды вольфрама, титана и тантала, а за рубежом— также карбиды ниобия и ванадия. Сплавы получают спеканием порошков карбидов с порошком кобальта, являющегося связующим компонентом, при 1400 — 1550⁰С после предварительного прессования.

Рис. 8.5 Зависимость твердости различных инструментальных материалов от температуры испытания:

1 — углеродистая сталь; 2 — быстрорежущая сталь; 3 — твердый сплав

Твердые сплавы изготовляют в виде пластин, которые медным припоем припаивают к державке из обычной углеродистой стали. Твердые сплавы применяют для резцов, сверл, фрез и другого инструмента.

Инструмент из металлокерамических твердых сплавов характеризуется высокой твердостью (80 — 97 HRA), износостойкостью в сочетании с высокой теплостойкостью (до 800 — 1000⁰С). Их недостатком является высокая хрупкость.

Скорость резания твердыми сплавами в 5 — 10 раз выше скорости резания быстрорежущими сталями.

В зависимости от состава карбидной основы различают три группы твердых сплавов: вольфрамовые, титан-вольфрамовые и титан-тантал-вольфрамовые.

Вольфрамовые твердые сплавы изготовляют на основе карбида вольфрама WC и Со. Сплавы этой группы называют однокарбидными и обозначают буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Например, сплав ВКЗ содержит 3 % Со и 97 % WC. Содержание кобальта может меняться (сплавы ВК6, ВК8, ВК1). Чем больше содержание кобальта, тем выше прочность, хотя и несколько ниже твердость сплава. Твердые сплавы вольфрамовой группы имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800⁰С. Их обычно применяют для обработки чутуна, сплавов цветных металлов и различных неметаллических материалов, дающих прерывистую стружку.

Сплавы второй группы (двухкарбидные) изготовляют на основе карбидов WC и TiC и Со. Их маркируют буквами Т, К и цифрами. Цифры после буквы Т указывают содержание карбидов титана в процентах, а цифры после буквы К — содержание кобальта. Например, сплав T15K6 содержит 15 % TiC, 6 % Со, остальное, т.е. 79 %, WC. Карбид вольфрама растворяется в карбиде титана при температуре спекания, образуя твердый раствор (Ti, W) С, имеющий более высокую твердость, чем WC. Сплавы этой группы имеют более высокую (до 900 — 1000⁰С) теплостойкость, повышаюшуюся с увеличением содержания карбидов титана. Их в основном применяют для высокоскоростной обработки сталей.

Для изготовления сплавов третьей группы используют карбиды вольфрама, титана, тантала и Со. Эги сплавы маркируют буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, yкaзывает суммарное содержание карбидов титана TiC и тантала ТаС, а цифра, стоящая после буквы К, — содержание кобальта. Например, сплав ТТ7К12 содержит 4 % ТiС, 3 % ТаС, 12 % Со и 81 % WC. В их структуре присутствует твердый раствор (Ti, Та, W) С и избыток WC. Сплавы этого типа имеют более высокую прочность, чем сплавы второй группы и лучшую сопротивляемость ударным воздействиям вибрации и выкрашиванию. Их применяют для более тяжелых условий резания (черновое точеные стальных слитков, поковок, литья).

Общим недостатком рассмотренных сплавов помимо высокой хрупкости является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья— основного компонента, определяющего их повышенные физико-механические характеристики. Поэтому перспективно направление использования безвольфрамовых твердых сплавов. Хорошо себя зарекомендовали сплавы, в которых в качестве основы используется карбид титана, а в качестве связки — никель и молибден. Они маркируются буквами КТС и ТН. Твердые сплавы КТС — 1 и КТС — 2 содержат 15 — 17 % Ni и 7 — 9 % Мо cooтветственно, остальное — карбид титана. В твердых сплавах типа ТН — 20, ТН — 25, ТН — 30 в качестве связующего металла применяют в основном никель в количестве 16 — 30 %. Концентрация молибдена составляет 5 — 9 %, остальное — также карбид титана. Твердость подобных твердых сплавов составляет 87 — 94 HRA, сплавы имеют высокую износо- и коррозионную стойкость. Их используют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.

Особотвердые инструментальные материалы созданы на основе нитрида бора и нитрида кремния. В них нет пластичной металлической связки. Изделия из этих материалов изготавливают либо с помощью взрыва, либо в условиях сверхвысоких давлений и высоких температур. Изделия из нитридов бора и кремния используют в качестве материала иденторов (наконечников) для измерения твердости тугоплавких материалов в интервале температур 700 — 1800⁰С, абразивного материала, а также в качестве сырья для изготовления сверхтвердых материалов, применяемых для оснащения режущей части инструментов для обработки закаленных сталей, твердых сплавов, стеклопластиков, цветных металлов. Они обладают высокой твердостью (94 — 96 HRA), прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, высокой стабильностью физических свойств и структуры при повышении температуры до 1000⁰С. Их преимуществом является доступность и дешевизна исходного продукта, благодаря чему они используются для замены вольфрамсодержащих твердых сплавов.

Дата добавления: 2015-07-07