Составы наиболее применяемых кобальтовых быстрорежущих сталей

Отмеченные недостатки, а также высокая стоимость кобальтовых сталей определяют узкую область их рационального применения для изготовления режущего инструмента, используемого при обработке резанием коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и сплавов или, если к режущему инструменту предъявляют высокие требования по надежности, например при автоматизи­рованной обработке.

Наибольшей теплостойкостью (свыше 700°С) обладают стали с интерме-таллидным упрочнением В11М7К23 и ВЗМ14К23. Это типичные низко­углеродистые стали (содержание С до 0,3%), упрочняемые при дисперсионном твердении интерметаллидами типа (Fe,Co)₇x(W,Mo)₆, в отличие от упрочнения карбидами для стандартных быстрорежущих сталей. Высокая теплостойкость, твердость и износостойкость определяются повышением уровня температур, приводящих к фазовым превращениям, а также большой сопротивляемо­стью коагуляции интерметаллидной фазы.

Стали с интерметаллидным упрочнением имеют низкую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 HRC), их прочность близка к проч­ности кобальтовых сталей (а_и =2200-2500 МПа). Поэтому инструмент, изго­товленный из таких сталей, рекомендуют для обработки титановых сплавов.

В связи со все более возрастающей дефицитностью вольфрама и молиб­дена - основных легирующих элементов, используемых при производстве бы­строрежущих сталей, все большее применение находят экономнолегирован-ные стали. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11РЗМЗФ2, которая используется при производстве инструмента не только в странах СНГ, но и в Испании, ФРГ, Швеции, Чехии и Словакии, так как обла­дает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63…64), прочности (s_Ти=3400 МПа) и теплостойкостью (до 620^ОС).

В Московском Государственном Технологическом Университете «СТАНКИН» Л.С. Кремневым и его учениками разработана низколегированная без­вольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сг; 1,5% V). Эта сталь принадлежит к новому классу заэвтектоидные сталей, в отличие от традицион­ных ледебуритных быстрорежущих сталей. Нагрев под закалку позволяет рас­творить все карбиды типа Ме₆С (что невозможно для ледебуритных сталей), что обеспечивает легированность и свойства стали 11М5Ф примерно на уров­не соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономно-легированных сталей показали, что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11РЗАМЗФ2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Сталь 11РЗАМЗФ2 более технологична в металлургическом производст­ве, однако из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструмен­тами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

С целью улучшения свойств быстрорежущей стали начали использовать технологию электрошлакового переплава. Карбидная неоднородность металла после электрошлакового переплава снижается на 1…2 балла, стойкость инст­румента возрастает на 15…20%.

Электрошлаковый переплав повышает.пластичность стали в горячем со­стоянии, что позволяет увеличивать выход годного при производстве малотех­нологичных в металлургическом производстве «сверхбыстрорежущих» сталей. Стоимость сталей электрошлакового производства примерно на 30% выше стоимости таких же марок обычной технологии выплавки.

Наиболее эффективные возможности повышения качества быстрорежущей стали, ее эксплуатационных свойств, и создания новых режущих материалов появились при использовании порошковой металлургии.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозер­нистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, понижен­ной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем сталь аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

Существуют два различных способа получения порошковой быстрорежу­щей стали: распылением водой и азотом. Изготовление инструмента из водно-распыленных порошков дешевле, однако качество металла ниже ввиду боль­шей окисленности порошковых частиц. Поэтому для высококачественного ме­талла используется порошок, полученный распылением азотом.

Промышленное производство порошковых быстрорежущих сталей в начале 80-х годов было направлено на изготовление марок, являющихся аналогами сталей традиционной технологии. Опыт ряда зарубежных фирм США, Швеции, а также отечественных исследователей показал, что новая технология позво­ляет существенно изменить схему легирования с целью направленного повы­шения тех или иных эксплуатационных характеристик, определяющих стой­кость инструмента. Основные принципы разработки новых составов:

· возможность введения в состав стали до 5-7% ванадия (по массе) с це­лью увеличения объемной доли карбидов М_хС в стали до 15% и повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости;

· повышение содержания углерода, выше стандартного содержания в быст­рорежущих сталях, т.е. введение углерода с «пресыщением», а также замена части углерода азотом, который вводят путем азотирования порошка непо­средственно перед операцией «компактирования».

Реализация указанных принципов позволяет использовать относительно низкие массовые доли вольфрама, молибдена и кобальта для получения мак­симальных значений твердости и теплостойкости.

Таким образом были разработаны порошковые быстрорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6-М1) по ГОСТ 28393-89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в мно­гочисленных промышленных испытаниях.

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидосталей, которые по своим свойствам могут быть классифицированы как промежуточные между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Карбидостали отличаются от обычных быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание карбидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70%. Пластическим деформированием, главным образом экструзией, из спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет НРС_Э 40-44, а после закалки и отпуска НРС_Э 68-70.

При использовании в качестве материала режущего инструмента карбидо-сталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5…2 раза по сравнению с анало­гичными марками обычной технологии производства [13]. В ряде случаев кар-бидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов.

Выбор быстрорежущих сталей для конкретных условий резания определя­ется большим количеством факторов. Этот выбор не является однозначным, так как каждая группа сталей представлена несколькими марками. Опреде­ляющим условием являются свойства обрабатываемого материала и режимы резания, а для некоторых видов инструмента - и технологические особенности стали (рис. 11.3).

Рис. 1.3. Классификация быстрорежущих сталей по свойствам и слу­жебному назначению:

1- область применения инструмента для обработки конструкционных мате­риалов с s_в < 900 МПа (Р6М5, Р12, Р18); 2 - обработка конструкционных ма­териалов на повышенных скоростях резания, чистовая и получистовая обра­ботка нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов (Р6М5ФЗ, Р12ФЗ.Р14Ф4, Р2М9Ф2КЗ, Р6М5К5, Р9К5, 10Р6М5К5); 3 - обработка материалов с твердостью HRC < 45…50, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, конструкционных сталей на высоких скоростях (Р7М4Ф2К8, Р9М4К8, Р12МЗФ2К8, Р8МЗК6С); 4 - чистовая и получистовая обработка высокопрочных, жаропрочных и других специальных сталей и сплавов (Р12Ф4К5, Р10Ф5К5, Р12М4ФЗК10, Р12М2Ф4К10); 5 - чистовая обработка специальных сталей и сплавов (сплавы типа В11М7К23), 2" - порошковые стали

Для обработки конструкционных материалов с прочностью менее 600…700 МПа рекомендуются низколегированные быстрорежущие стали (цветные ме­таллы - например сплавы на алюминиевой основе; отожженные конструкци­онные стали; серые чугуны и т.д.).

Для обработки конструкционных материалов с прочностью до 1000 МПа используются стали умеренной теплостойкости - Р6М5 и др.

Для обработки конструкционных материалов повышенной прочности (свы­ше 1200 МПа), а также труднообрабатываемых материалов (нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы, титановые сплавы, улучшенные стали с по­вышенной твердостью и др.) рекомендуются стали повышенной теплостойко­сти.

Применение сталей повышенной теплостойкости рекомендуют и для обра­ботки стандартных конструкционных материалов, в тех случаях, когда требует­ся значительное повышение стойкости инструмента или производительности обработки (скорости резания). В первом случае используют высокованадиевые стали, во втором - кобальтовые.

Учитывая эти рекомендации, следует иметь в виду, что в пределах каждой группы большей прочностью обладают стали, легированные молибденом, а более высокой теплостойкостью - вольфрамовые. Например, при использо­вании кобальтовых сталей для работы в условиях ударных нагрузок рекомен­дуется сталь типа Р6М5К5, так как она обладает наибольшей прочностью среди кобальтовых сталей.

В тех случаях, когда от инструмента требуется высокая износостойкость и эксплуатационная надежность, наиболее целесообразно для их изготовления применять стали с повышенным содержанием ванадия, в том числе легиро­ванные кобальтом. Это прежде всего относится к инструменту, работающему в условиях автоматизированного производства.

Среди технологических свойств, влияющих на выбор быстрорежущей стали, следует выделить «обрабатываемость при шлифовании». Это важнейшее свойство определяет не только особенности изготовления инструмента, но и его эффективность.

«Обрабатываемость при шлифовании» в ряде случаев может оказаться решающим фактором при выборе марки стали для определенных видов инст­румента, например для резьбонарезного.

Основным фактором, определяющим обрабатываемость шлифованием, является содержание в стали ванадия, образующего карбиды Ме_хС высокой твердости. По шлифуемости быстрорежущие стали можно разделить на 4 груп­пы (рис. 1.4):

Группа 1. Содержание ванадия до 1,3 % и относительная шлифуемость 0,9-1 (за единицу принята «обрабатываемость при шлифовании» стали Р18, обладающая наилучшей шлифуемостью).

Группа 2. Содержание ванадия 1,6…2,5 %, относительная шлифуемость от 0,4 до 0,95, в эту группу, в частности, входит сталь Р6М5.

Группа 3. Содержание ванадия 2,6…3,3 %, относительная шлифуемость 0,2-0,5.

Группа 4. Содержание ванадия более 4%, относительная шлифуемость 0,2…0,3.

Порошковые быстрорежущие стали независимо от содержания ванадия

относятся к группам 1 и 2.

Рис. 1.4. Изменение твердости стали после шлифова­ния с прижогами [40]

При низком (группа 1) и высоком (группа 4) содержании ванадия относи­тельная шлифуемость не зависит от содержания вольфрама и молибдена, в первом случае шлифуемость хорошая, в последнем - плохая.

Стали с пониженной шлифуемостью склонны к прижогам, т.е. к изменению структуры приповерхностных слоев стали после шлифования или заточки, по­явлению вторичной закалки с большим количеством аустенита, зон вторичного отпуска с пониженной твердостью (см. рис. 1.3.).

Следствием прижогов является значительное снижение стойкости инструмента.

Для сталей групп 2 и 3 лучшая шлифуемость достигается у сталей с соот­ношением W + 1,5Мо = 12-14%, так как в этом случае растворимость ванадия в них максимальна. Указанное, в свою очередь, означает, что количество карби­дов ванадия в таких сталях при прочих равных условиях наименьшее. Вместе с тем для этих сталей относительная шлифуемость в большей степени зависит от содержания вольфрама и молибдена (а также ванадия и углерода), даже в пределах плавочного состава. Таким образом, для таких сталей надежно га­рантировать высокую шлифуемость невозможно. На рис. 1.5 указан интервал колебаний шлифуемости в зависимости от содержания суммы W + Мо в преде­лах состава для некоторых марок стали. Эта особенность учитывается в рекомендациях по выбору сталей, где для изготовления резьбонарезного инструмента предлагается использовать стали с содержанием ванадия не бо­лее 1,3%, т.е. стали группы 1 шлифуемости типа Р18 и Р2М9Ф1.

Рис. 1.5. Влияние суммарного содержания вольфрама и молибдена на шлифуемость быстрорежущих сталей

Дата добавления: 2014-01-20