- Сталь Р9 рекомендуют для изготовления инструментов простой формы, не требующих большого объёма шлифовки, для обработки обычных конструкционных материалов. (резцов, фрез, зенкеров).
- Для фасонных и сложных инструментов (для нарезания резьб и зубьев), для которых основным требованием является высокая износостойкость, рекомендуют использовать сталь Р18 (вольфрамовая).
- Кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р9К10) применяют для обработки деталей из труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, в условиях прерывистого резания, вибраций, недостаточного охлаждения.
- Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендуют для изготовления инструментов для чистовой обработки (протяжки, развёртки, шеверы). Их можно применять для обработки труднообрабатываемых материалов при срезании стружек небольшого поперечного сечения.
- Вольфрамомолибденовые стали (Р9М4, Р6М3) используют для инструментов, работающих в условиях черновой обработки, а также для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез.
- ↑ Мезенин Н. А. Занимательно о железе. — М.: «Металлургия», 1972. — 200 с.
- ↑ Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин, и др. Под общ. ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989. — 640 с.
- ↑ 1 2 Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для втузов. 6-е изд., перераб. и доп. — М.: «Металлургия», 1986. — 544 с.
- Технология конструкционных материалов. Под ред. А. М. Дальского. — М.: «Машиностроение», 1958.
Быстрорежущая сталь. Рапидная сталь
Быстрорежущая сталь - Википедия
Быстроре́жущие ста́ли — легированные стали, предназначенные, главным образом, для изготовления металлорежущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания.
Быстрорежущая сталь должна обладать высоким сопротивлением разрушению, твёрдостью (в холодном и горячем состояниях) и красностойкостью.
Высоким сопротивлением разрушению и твердостью в холодном состоянии обладают и углеродистые инструментальные стали. Однако инструмент из них не в состоянии обеспечить высокоскоростные режимы резания. Легирование быстрорежущих сталей вольфрамом, молибденом, ванадием и кобальтом обеспечивает горячую твердость и красностойкость стали.
Истории создания[ | ]
Сверло с покрытием из нитрида титанаДля обточки деталей из дерева, цветных металлов, мягкой стали резцы из обычной твердой стали были вполне пригодны, но при обработке стальных деталей резец быстро разогревался, скоро изнашивался и деталь нельзя было обтачивать со скоростью больше 5 м/мин[1].
Барьер этот удалось преодолеть после того, как в 1858 году Р. Мюшетт получил сталь, содержащую 1,85 % углерода, 9 % вольфрама и 2,5 % марганца. Спустя десять лет Мюшетт изготовил новую сталь, получившую название самокалки. Она содержала 2,15 % углерода, 0,38 % марганца, 5,44 % вольфрама и 0,4 % хрома. Через три года на заводе Самуэля Осберна в Шеффилде началось производство мюшеттовой стали. Она не теряла режущей способности при нагревании до 300 °C и позволяла в полтора раза увеличить скорость резания металла — 7,5 м/мин.
Спустя сорок лет на рынке появилась быстрорежущая сталь американских инженеров Тэйлора и Уатта. Резцы из этой стали допускали скорость резания до 18 м/мин. Эта сталь стала прообразом современной быстрорежущей стали Р18.
Ещё через 5—6 лет появилась сверхбыстрорежущая сталь, допускающая скорость резания до 35 м/мин. Так, благодаря вольфраму было достигнуто повышение скорости резания за 50 лет в семь раз и, следовательно, во столько же раз повысилась производительность металлорежущих станков.
Дальнейшее успешное использование вольфрама нашло себе применение в создании твердых сплавов, которые состоят из вольфрама, хрома, кобальта. Были созданы такие сплавы для резцов, как стеллит. Первый стеллит позволял повысить скорость резания до 45 м/мин при температуре 700—750 °C. Сплав вида, выпущенный Круппом в 1927 году, имел твердость по шкале Мооса 9,7—9,9 (твердость алмаза равна 10).
В 1970-х годах в связи с дефицитом вольфрама быстрорежущая сталь марки Р18 была почти повсеместно заменена на сталь марки Р6М5 (так называемый «самокал», самозакаливающаяся сталь), которая, в свою очередь, вытесняется безвольфрамовыми Р0М5Ф1 и Р0М2Ф3.
Характеристики быстрорежущих сталей[ | ]
Горячая твердость[ | ]
При нормальной температуре твердость углеродистой стали даже несколько выше твердости быстрорежущей стали. Однако в процессе работы режущего инструмента происходит интенсивное выделение тепла. При этом до 80 % выделившегося тепла уходит на разогрев инструмента. Вследствие повышения температуры режущей кромки начинается отпуск материала инструмента и снижается его твердость.
После нагрева до 200 °C твердость углеродистой стали начинает быстро падать. Для этой стали недопустим режим резания, при котором инструмент нагревался бы выше 200 °C. У быстрорежущей стали высокая твердость сохраняется при нагреве до 500—600 °C. Инструмент из быстрорежущей стали более производителен, чем инструмент из углеродистой стали.
Красностойкость[ | ]
Если горячая твердость характеризует то, какую температуру сталь может выдержать, то красностойкость характеризует, сколько времени сталь будет выдерживать такую температуру. То есть насколько длительное время закаленная и отпущенная сталь будет сопротивляться разупрочнению при разогреве.
Существует несколько характеристик красностойкости. Приведем две из них.
Первая характеристика показывает, какую твердость будет иметь сталь после отпуска при определенной температуре в течение заданного времени.
Второй способ охарактеризовать красностойкость основан на том, что интенсивность снижения горячей твердости можно измерить не только при высокой температуре, но и при комнатной, так как кривые снижения твердости при высокой температуре и комнатной идут эквидистантно, а измерить твердость при комнатной температуре, разумеется, гораздо проще, чем при высокой. Опытами установлено, что режущие свойства теряются при твердости 50 HRC при температуре резания, что соответствует примерно 58 HRC при комнатной. Отсюда красностойкость характеризуется температурой отпуска, при которой за 4 часа твердость снижается до 58 HRC (обозначение K4р58).
| У7, У8, У10, У12 | 150—160 | 1 | 63 |
| Р9 | 580 | 4 | |
| У7, У8, У10, У12 | 200—220 | 1 | 59 |
| Р6М5К5, Р9, Р9М4К8, Р18 | 620—630 | 4 |
Сопротивление разрушению[ | ]
Кроме «горячих» свойств, от материала для режущего инструмента требуются и высокие механические свойства; под этим подразумевается сопротивление хрупкому разрушению, так как при высокой твердости (более 60 HRC) разрушение всегда происходит по хрупкому механизму. Прочность таких высокотвердых материалов обычно определяют как сопротивление разрушению при изгибе призматических, не надрезанных образцов, при статическом (медленном) и динамическом (быстром) нагружении. Чем выше прочность, тем большее усилие может выдержать рабочая часть инструмента, тем большую подачу и глубину резания можно применить, и это увеличивает производительность процесса резания.
Химический состав быстрорежущих сталей[ | ]
| Р0М2Ф3 | 1,10—1,25 | 3,8—4,6 | — | 2,3—2,9 | 2,6—3,3 | — |
| Р6М5 | 0,82—0,90 | 3,8—4,4 | 5,5—6,5 | 4,8—5,3 | 1,7—2,1 | < 0,50 |
| Р6М5Ф2К8 | 0,95—1,05 | 3,8—4,4 | 5,5—6,6 | 4,6—5,2 | 1,8—2,4 | 7,5—8,5 |
| Р9 | 0,85—0,95 | 3,8—4,4 | 8,5—10,0 | < 1,0 | 2,0—2,6 | — |
| Р18 | 0,73—0,83 | 3,8—4,4 | 17,0—18,5 | < 1,0 | 1,0—1,4 | < 0,50 |
Изготовление и обработка быстрорежущих сталей[ | ]
Быстрорежущие стали изготавливают как классическим способом (разливка стали в слитки, прокатка и проковка), так и методами порошковой металлургии (распыление струи жидкой стали азотом)[3]. Качество быстрорежущей стали в значительной степени определяется степенью её прокованности. При недостаточной проковке изготовленной классическим способом стали наблюдается карбидная ликвация.
При изготовлении быстрорежущих сталей распространенной ошибкой является подход к ней как к «самозакаливающейся стали». То есть достаточно нагреть сталь и охладить на воздухе, и можно получить твердый износостойкий материал. Такой подход абсолютно не учитывает особенности высоколегированных инструментальных сталей.
Перед закалкой быстрорежущие стали необходимо подвергнуть отжигу. В плохо отожженных сталях наблюдается особый вид брака: нафталиновый излом, когда при нормальной твердости стали она обладает повышенной хрупкостью.
Грамотный выбор температуры закалки обеспечивает максимальную растворимость легирующих добавок в α-железе, но не приводит к росту зерна.
После закалки в стали остается 25—30 % остаточного аустенита. Помимо снижения твердости инструмента, остаточный аустенит приводит к снижению теплопроводности стали, что для условий работы с интенсивным нагревом режущей кромки является крайне нежелательным. Снижения количества остаточного аустенита добиваются двумя путями: обработкой стали холодом или многократным отпуском[3]. При обработке стали холодом её охлаждают до −80…−70 °C, затем проводят отпуск. При многократном отпуске цикл «нагрев — выдержка — охлаждение» проводят по 2—3 раза. В обоих случаях добиваются существенного снижения количества остаточного аустенита, однако полностью избавиться от него не получается.
Принципы легирования быстрорежущих сталей[ | ]
Высокая твердость мартенсита объясняется растворением углерода в α-железе. Известно, что при отпуске из мартенсита в углеродистой стали выделяются мельчайшие частицы карбида. Пока выделившиеся карбиды ещё находятся в мельчайшем дисперсном рассеянии (то есть на первой стадии выделения при отпуске до 200 °C), твердость заметно не снижается. Но если температуру отпуска поднять выше 200 °C, происходит рост карбидных выделений, и твердость падает.
Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно её легировать такими элементами, которые затрудняли бы процесс коагуляции карбидов. Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то красностойкость скачкообразно возрастает. Это обусловлено тем, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого требуется не только диффузия углерода, но и диффузия легирующих элементов. Практически заметная коагуляция специальных карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия происходит при температурах выше 500 °C.
Красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды, и эти карбиды переходят в раствор при закалке. Несмотря на сильное различие в общем химическом составе, состав твердого раствора очень близок во всех сталях, атомная сумма W+Mo+V, определяющая красностойкость, равна примерно 4 % (атомн.), отсюда красностойкости и режущие свойства у разных марок быстрорежущих сталей близки. Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали (он повышает красностойкость), но кобальт очень дорогой элемент.
Маркировка быстрорежущих сталей[ | ]
В советских и российских марочниках сталей марки быстрорежущих сталей обычно имеют особую систему обозначений и начинаются с буквы «Р» (rapid — быстрый). Связано это с тем, что эти стали были изобретены в Англии, где такую сталь называли «rapid steel». Цифра после буквы «Р» обозначает среднее содержание в ней вольфрама (в процентах от общей массы, буква В пропускается). Затем указывается после букв М, Ф и К содержание молибдена, ванадия и кобальта. Инструменты из быстрорежущей стали иностранного производства обычно маркируются аббревиатурой HSS (High Speed Steel).
Применение[ | ]
В последние десятилетия использование быстрорежущей стали сокращается в связи с широким распространением твёрдых сплавов. Из быстрорежущей стали изготавливают в основном концевой инструмент (метчики, свёрла, фрезы небольших диаметров) В токарной обработке резцы со сменными и напайными твердосплавными пластинами почти полностью вытеснили резцы из быстрорежущей стали.
По применению отечественных марок быстрорежущих сталей существуют следующие рекомендации.
Примечания[ | ]
Литература[ | ]
Ссылки[ | ]
encyclopaedia.bid
Быстрорежущая сталь
Изобретение относится к металлургии. Заявлена быстрорежущая сталь для изготовления металлорежущего инструмента и штампов горячего деформирования, работающих в тяжелых условиях, которая позволит заменить существующие кобальтовые стали, например Р10К5Ф5, Р9К10. Предложенная быстрорежущая сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,80-0,95, хром 3,8-4,30, молибден 0,8-1,0, вольфрам 17,0-18,0, ванадий 1,0-2,5, марганец 0,4-0,5, цирконий 1,9-2,0, азот 0,95-1,0, кремний 0,2-0,5, серу 0,0015-0,025, фосфор 0,025-0,035, железо остальное. Техническим результатом изобретения является повышение производительности металлорежущего инструмента. 1 табл.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе железа, и может найти применение при изготовлении металлорежущего инструмента, используемого для механической обработки трудно обрабатываемых материалов и штампов горячего деформирования, работающих в тяжелых условиях.
Из патентной литературы известна “Быстрорежущая сталь” по патенту №2025531, МКИ С 23 С 38/ 14, содержащая углерод (10,01-0,1)%, никель (12-22)%, вольфрам (5-13)%, молибден (0,01-3)%, титан (0,01-3)%, кобальт (0,01-10)%, алюминий (0,01-3)%, азот (0,3-2)% и железо остальное.
Инструмент, выполненный из вышеназванной стали, обладает повышенной хрупкостью, т.к. наличие в ней азота в указанном количестве приводит к образованию пор и раковин, нарушает пластичность. Кроме того, наличие в шихте большого количества вольфрама и кобальта делает эту сталь дорогостоящей.
Прототипом предлагаемой стали можно считать “Быстрорежущую сталь” по авторскому свидетельству №405967, МКИ С 23 С 38/14, содержащую углерод (1,2-1,4)%, вольфрам (11-13,5)%, молибден (2-3,5)%, ванадий (3-3,8)%, хром (3,5-4)%, титан (0,075-0,1)%, цирконий (0,01-0,05)%, церий (0,1-0,5)%, кальций (0,001-0,025)%, кобальт (9-10,5)% и железо остальное.
Недостаток прототипа заключается том, что он содержит большое количество дорогостоящего вольфрама и кобальта. Кроме того, этот факт снижает прочность и вязкость стали, повышает хрупкость инструмента, выполненного из нее, нарушает пластичность, увеличивает износ и способствует нафталинестому излому.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - повышение эксплуатационной стойкости, путем повышения красностойкости, снижения себестоимости изготовления, путем уменьшения расхода легирующих элементов.
Поставленная задача решается за счет того, что быстрорежущая сталь содержит углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, цирконий, азот, кремний, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,80-0,95
Хром 3,8-4,30
Молибден 0,8-1,0
Вольфрам 17,0-18,0
Ванадий 1,0-2,5
Марганец 0,4-0,5
Цирконий 1,9-2,0
Азот 0,95-1,0
Кремний 0,3-0,6
Сера 0,0015-0,025
Фосфор 0,025-0,035
Железо Остальное
Быстрорежущая сталь с таким химическим составом получается следующим образом.
В шихту быстрорежущей стали, состоящую из феррохрома металлического (ГОСТ 5905-67), ферромолибдена (ГОСТ 4759-79), феррованадия (ТУ 14-5-98-78), ферромарганца углеродистого, силикокальция (ГОСТ 4762-710), добавляют феррохром азотистый (ГОСТ 4757-59), ферросиликоцирконий (ТУ 14-5-83-77), ферросилиций (ГОСТ 1415-93), кремний, никель и электрод из стали У7-У8.
После поплавочной термической обработки по режиму: температура закалки 1280+5°C (зерно №10-11) и трехкратного отпуска при температуре 550+10°С сталь приобретает следующие свойства: твердость HRCэ 69-70 при достаточной вязкости, микроструктура - мелкоигольчатый мартенсит, хорошая шлифуемость, красностойкость 640°С выдержка - 4 часа. Это объясняется совместным влиянием азота, циркония и ферросилиция.
Цирконий и ферросилиций, связывая углерод и азот в карбиды, нитриды и карбонитриды, препятствуют образованию и выделению по границам зерен карбидов и карбонитридов хрома, что препятствует скручиванию стали, повышает стойкость.
Азот в сплаве присутствует в растворимых в аустените карбидных фазах М23(С, N)6, M6 (C,N) и в меньшем количестве в нерастворимых карбидных и нитридных фазах M(C,N), М (N,C). Нитрид Zr(N,C) и карбонитрид Zr (C,N) имеют высокую температуру плавления и в качестве эффективного модификатора измельчают зерно литого сплава, способствуя образованию эвтектики более тонкого строения, задерживают рост зерна при нагреве для закалки. Это позволяет предупредить разнозернистость и на (10-20)°С повысить температуру закалки на мелкое зерно №10-11.
При нагреве для закалки часть азота переходит в раствор, а при отпуске он выделяется в карбонитридные фазы. Это способствует усилению дисперсионного твердения, увеличивает устойчивость против обратного разупрочнения, повышает вторичную твердость на 2-3 НRСэ, красностойкость на (10-15)°С и износостойкость, что в свою очередь улучшает режущие свойства.
Растворы азота относятся к растворам внедрения, в предлагаемом быстрорежущем сплаве атомы азота располагаются между узлами кристаллической решетки карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия.
Основной эффект воздействия межузельных атомов на механические свойства состоит в том, что они скапливаются на дислокациях и препятствуют их движению, вызывая упрочнение.
В результате легирования азотом прочность быстрорежущего сплава возрастает на (50-60)% по сравнению со сталью Р18, азот, кроме того, предупреждает нафталинестый излом.
Наличие в стали ванадия в указанном количестве способствует сохранению мелкого зерна и повышению износостойкости, никеля - способствует возрастанию прочности, вязкости и устойчивости против перегрева, марганца - повышению теплостойкости и сокращению распада аустенита, силиций делает металл более мягким, способствует азоту, марганец сохраняет закаливаемость.
Качественный и количественный состав элементов, входящих в предлагаемую сталь, формирует ее структуру и, находясь в сложной взаимосвязи, обеспечивает высокий уровень механических свойств этой стали.
Полученная таким образом быстрорежущая сталь по своим техническим требованиям соответствует ГОСТ 19265-73.
Сравнительный анализ опытных образцов быстрорежущей стали Р12М3К10Ф3 и предлагаемой приведен в табл.№1. Образцы закаливались при температурах (1260-1290)°С с интервалами 10°С, а выдержка назначалась из расчета 8 с на 1 мм сечения.
Каждая плавка быстрорежущей стали имеет свою температуру закалки, при которой она дает необходимую твердость и другие механические свойства, необходимые при работе режущего инструмента. Отклонения от этих температур приводят к снижению качества режущего инструмента: более высокие температуры приводят к перегреву, а низкие -к недостаточной твердости режущего инструмента.
Предлагаемая быстрорежущая сталь позволит заменить существующие кобальтовые быстрорежущие стали, например Р10К5Ф5, Р9К10 и др., за счет введенного в ее состав азота и ферросилиция, которые позволяют повысить производительность в 4 и более раз, понизить себестоимость изготовления режущего инструмента в 2 и более раз, что в свою очередь даст большой экономический эффект.
Формула изобретения
Быстрорежущая сталь, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, кремний, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и азот при следующем соотношении компонентов мас.%:
Углерод 0,80 - 0,95
Хром 3,8 - 4,30
Молибден 0,8 -1,0
Вольфрам 17,0-18,0
Ванадий 1,0-2,5
Марганец 0,4-0,5
Цирконий 1,9 - 2,0
Азот 0,95-1,0
Кремний 0,3-0,6
Сера 0,0015-0,025
Фосфор 0,025-0,035
Железо Остальное
www.findpatent.ru
Термическая обработка быстрорежущей стали :: Технология металлов
Наибольшее применение для изготовления режущего инструмента получили быстрорежущие стали
Углерод в быстрорежущей стали, как и во всякой другой стали, является важным элементом, под влиянием которого сталь приобретает способность закаливаться на высокую твердость.
Χρом в количестве около 4% настолько сильно понижает критическую скорость закалки, что сталь становится «самозакаливающейся», т. е. закаливается на воздухе. При содержании хрома выше нормы резко увеличивается количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали.
Вольфрам в быстрорежущей стали — основной легирующий элемент. Благодаря высокому содержанию Wи его карбидов закаленная сталь не теряет режущей способности при 560 - 600° С. Вольфрам придает красностойкость быстрорежущей стали.
Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и создает прочные карбиды, которые затрудняют рост зерна при нагреве под закалку и уменьшают склонность стали к перегреву. Под влиянием ванадия увеличивается красностойкость быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при отпуске. Высокопрочные карбиды ванадия, равномерно распределенные в структуре быстрорежущей стали, повышают сопротивление инструмента истираемости и улучшают режущие свойства стали.
Рис. 1. График термической обработки быстрорежущей стали:
I — растворение карбидов в аустените,
II — выделение карбидов из остаточного аустенита,
III—мартенситное превращение
Термическая обработка быстрорежущей стали имеет особенности, обусловленные ее химическим составом. Для более полного растворения карбидов в аустените и получения красностойкого мартенсита нагрев при закалке производят до высокой температуры (1260— 1280° С).
Оптимальная температура нагрева под закалку быстрорежущей стали Ρ18 для тонких деталей (5—8 мм)1260° С, для деталей толщиной более 10—15 мм 1280° С, а для инструментов простой формы, например резцов, 1300° С. Для стали Р9 температура нагрева под закалку составляет 1230—1250° С.
Быстрорежущая сталь обладает малой теплопроводностью и склонна к образованию трещин, изделия из нее нагревают до 820—850° С медленно, чтобы не вызвать тепловых напряжений, а затем быстро до 1260—1280° С. Окончательный нагрев лучше всего производить в соляных ваннах, так как при этом можно избежать обезуглероживания стали.
Выдержка при температуре закалки зависит от сечения инструмента и измеряется долями минуты. Охлаждение быстрорежущей стали производится в масле.
Быстрорежущая сталь после закалки обязательно должна подвергаться отпуску при температурах 580° С для стали Ρ18 и 560° С для стали Р9.
В структуре закаленной быстрорежущей стали содержится от 30 до 40% остаточного аустенита; твердость такой стали значительно ниже, чем при однородной мартенситной структуре. Поэтому для наиболее полного превращения остаточного аустенита в мартенсит применяют многократный отпуск с выдержкой по 1 часу (I, II , III,... и т. д., рис. 1). Во время выдержки при отпуске из аустенита выделяются карбиды, а при охлаждении аустенит превращается в мартенсит. В результате твердость и износостойкость стали повышаются. Структура быстрорежущей стали после отпуска — мартенсит отпуска, высокодисперсные карбиды и небольшое количество остаточного аустенита.
Источник:Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.
markmet.ru
.jpg)
