Основные направления совершенствования быстрорежущих сталей

Свойства быстрорежущих сталей определяются объемом основных карбидообразующих элементов – вольфрама (W), молибдена (Mo), ванадия (V) и легирующих элементов – кобальта (Co), азота (N). Вольфрам, молибден и ванадий, взаимодействуя с углеродом, образуют сложные карбиды размером до 0,01 мкм.

Таблица 1

Основные физико-механические свойства современных быстрорежущих сталей

Быстрорежущие сталиобладают сочетанием достаточно высоких значений твердости и теплостойкости при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости. Быстрорежущие стали используют для изготовления, главным образом, инструментов со сложным профилем рабочих поверхностей типа сверл, зенкеров, разверток, концевых и зуборезных фрез, протяжек и т.д. Быстрорежущие стали технологичны и хорошо обрабатываются в отожженном состоянии.

Наиболее применяемые марки быстрорежущих сталей традиционной технологии производства приведены в таблицах 2.

Таблица 2

В последние десятилетия существенно повысились требования к инструменту из быстрорежущих сталей, что привело к совершенствованию технологий их изготовления и разработке новых составов сталей с улучшенными свойствами.

Основные направления совершенствования быстрорежущих сталей:

· создание новых марок комплексно легированных вольфрамо-молибдено-ванадиевых и вольфрамо-молибдено-ванадиево-кобальтых сталей с повышенными эксплуатационными свойствами взамен традиционных вольфрамовых сталей;

· разработка «сверхбыстрорежущих» сталей высокой вторичной твердости (68-70 HRC) и теплостойкости (640-650 °С);

· разработка сталей с интерметаллидным упрочнением высокой теплостойкости (680–700 °С);

· разработка наиболее рациональных составов быстрорежущих сталей и создание технологий их производства методами порошко­вой металлургии; ∙разработка новых составов экономно-легированных сталей ограниченного применения с низким содержанием вольфрама или вообще без вольфрама;∙увеличение выпуска инструмента из быстрорежущей стали с износостойкими покрытиями.

Вольфрамо-молибденовые стали. При выборе области применения вольфрамо-молибденовых сталей следует учитывать, что они обладают повышенной вязкостью, но чувствительны к обезуглероживанию и имеют узкий интервал оптимальных закалочных температур. Повышение износостойкости и теплостойкости быстрорежущих сталей достигается их дополнительным легированием ванадием и кобальтом с соответствующим изменением содержания углерода.

Наиболее широкое применение получила сталь 6%W-5%Mo (Р6М5), которые рекомендуют использовать для изготовления режущего инструмента взамен более дорогой стали с 18%W (таблица 2).

Стали с повышенным содержанием ванадия. Легирование стали ванадием в пределах 2,5 - 5% V приводит к увеличению содержания углерода в количестве 0,2% на каждые 1% веденного ванадия и образованию повышенного количества карбидов, обеспечивающих ее повышенную износостойкость и теплостойкость. К недостаткам ванадиевых сталей следует отнести плохую шлифуемость из-за высокого содержания карбидов ванадия, твердость которых не уступает твердости зерен шлифовальных кругов. Наиболее распространенной маркой этой группы является сталь 6%W-5%Mo-3%V (S 6-5-3 DIN; Р6М5ФЗ GOST) (Табл. 2).

Стали с повышенным содержанием кобальта. Введение кобальта в состав быстрорежущих сталей повышает их твердость и теплостойкость (таблица 2). Кобальт не является карбидообразующим элементом, с ростом содержания кобальта повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту. Влияние кобальта на свойства быстрорежущей стали заметно проявляется при его содержании около 5%, типичное содержание кобальта в стали составляет 5-8%. В частности, наибольшее применение получила сталь 6%W-5%Mo-2%V-5%Co (Р6М5Ф2К5), которую используют для изготовления черновых и получистовых инструментов при обработке улучшенных легированных, а также коррозионно-стойких сталей (таблица 3). Для кобальтовых сталей характерна относительно низкая пластичность, высокая склонность к обезуглероживанию, в процессе нагрева под горячую деформацию и закалку, сниженная прочность при изгибе.

Эксплуатационные свойства кобальтосодержащих быстрорежущих сталей можно повысить без их существенного удорожания путем повышения содержания углерода и корректировки соотношения легирующих элементов. Эта идея была реализована при создании группы «сверхбыстрорежущих» сталей (М41–М47 стандарта AISI США). Широкое внедрение этих сталей оказалось возможным благодаря созданию современного оборудования для нагрева под горячую пластическую деформацию и термическую обработку, так как они имеют более узкий интервал температур горячей обработки. Сверхбыстрорежущие стали 12%W-3%V-5%Co (Р12МЗФ2К5 GOST), 12%W-3%Mo-3%V-10%Co (Р12МЗФЗК10 GOST), 6%W-5%Mo5%Co (S 6-5-2-5 DIN, M35 AISI, BM15 BS 4650, Р6М5К5 GOST) и ряд других используются в промышленности многих стран мира.

Недостатки, а также относительно высокая стоимость кобальтовых сталей определяют достаточно узкую область их рационального применения для обработки резанием коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и сплавов.

Стали с интерметаллидным упрочненеим. Наибольшей теплостойкостью (свыше 700°С) обладают стали с интерметаллидным упрочнением. Например, стали 11%W-7%Mo-23%Co (Р11М7К23 GOST) и 3%W-14%Mo-23%Co (РЗМ14К23 GOST) являются типичными низкоуглеродистыми сталями (С до 0,3%), которые упрочняются интерметаллидами. Такие стали имеют высокую стоимость, обладают низкой технологичностью, поэтому инструмент, изготовленный из таких сталей, рекомендуют только для ограниченного применения при обработке титановых сплавов.

Экономно-легированные стали. В связи с возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение находят экономно-легированные стали. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3ФМ3Ф2 (3%W-3%Mo-2%V).

Сталь обладает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63–64), прочности (sи=3400 МПа) и теплостойкости (до 620°С), поэтому достаточно успешно используется для изготовления инструмента просто формы при обработке сталей с прочностью до 800 МПа (Таблица 2).

Стали нетрадиционной технологии изготовления. С целью улучшения свойств быстрорежущей используют технологию электрошлакового переплава (ESU). Электрошлаковый переплав улучшает равномерность структуры и карбидную однородность стали на 1-2 бала. Это способствует повышению ее пластичности в горячем состоянии, в результате инструменты, изготовленный из такой стали, имеют стойкость на 15-20 % выше стойкости инструмента из сталей традиционной технологии изготовления.

В настоящее время созданы технологии изготовления инструмента из быстрорежущих сталей методами порошковой металлургии (PM-стали) [46, 93, 124]. Технология позволяет существенно из­менить схему легирования с целью направленного повышения свойств стали, определяющих стой­кость инструмента.

Порошковая быстрорежущая сталь обладают примерно такими же свойствами, как и стали, изготовляемые способом электрошлакового переплава. Стали характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, имеют более высокими технологическими и механическими свойствами по сравнению с аналогичными показателями сталей традиционной технологии изготовления.

Быстрорежущие стали с покрытием. Быстрорежущая сталь с износостойким поверхностным покрытием является новым типом композиционного материала с повышенными значениями поверхностной твердости и износостойкости при высокой вязкости и прочности при изгибе в объеме геометрического тела инструмента. Повышение поверхностной твердости и прочности достигается путем нанесения покрытий толщиной 3-10 мкм на основе соединений тугоплавких металлов и алюминия (главным образом нитридов, карбидов и карбонитридов), что позволяет до 2-2,5 раз повысить стойкость инструмента, а также увеличить скорость обработки на 20-40% по сравнению с соответствующими показателями для быстрорежущего инструмента без покрытия.

Для получения износостойких покрытий на быстрорежущем инструменте используют процессы физического осаждения конденсата (PVD-процессы) при температурах до 500-550^оС не превышающих температуры теплового разупрочнения быстрорежущих сталей. Наибольшее применение получили методы вакуумно-дугового осаждения (arc-PVD) и магнетронно-ионного распыления (Magnetron-spattering systems). В некоторых случаях используют также процессы химического осаждения покрытий (CVD), при этом операции термообработки инструмента и формирования покрытий совмещают.

При производстве быстрорежущего инструмента используют покрытия на основе одинарных и многокомпонентных систем нитридов и карбонитридов титана, хрома, алюминия. Некоторые физико-механические свойства и параметры этих покрытий, полученных при использовании процессов arc-PVD, показаны в таблице 3.

Таблица 3

Область применения покрытий для резания сильно зависит от их свойств. Кратко рассмотрим свойства покрытий, наиболее широко применяемые при производстве быстрорежущего инструмента.

1. TiN

Преимущества:

· высокую термодинамическую устойчивость;

· химически пассивно к сталям;

· обладает хорошим сочетанием твердости и пластичности.

Недостатки:

· недостаточно хорошо сопротивляется окислению и коррозии при повышенных температурах.

Применение:

Инструмент с покрытием TiN используют для операций непрерывного резания (точение, сверление, развертывание и т.д.), в том числе с СОТС.

2. TiCN

Преимущества:

· высокая твердость;

· высокая сопротивляемость окислению при повышенных температурах;

· высокая окалиностойкость.

Применение:

Инструмент с покрытием TiCN используют для операций фрезерования, в том числе на повышенных скоростях резания.

3. (Ti,Al)N

Преимущества:

· высокая твердость;

· повышенной сопротивляемостью окислению при повышенных температурах.

Применение:

Инструмент с покрытием (Ti,Al)N рекомендуют для обработки с повышенными скоростями резания, в т.ч. с обильным СОТС.

4. CrN и (Ti,Cr)N

обладает большой твердостью при достаточно высоком уровне пластичности, имеют высокую стойкость против коррозии и окисления. Поэтому инструменты с покрытиями CrN и (Ti,Cr)N достаточно работоспособны при больших толщинах покрытия, чем соответствующие значения толщин для инструмента с покрытием на основе нитридов титана и алюминия (таблица 3). Поэтому быстрорежущие инструменты с покрытиями CrN и (Ti,Cr)N рекомендуют для чистовых и получистовых операций фрезерования, в том числе при использовании охлаждающих жидкостей.

Стеллиты (карбидостали). Стеллиты занимают промежуточное положение между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами, отличаются от быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном карбидов титана). При использовании в качестве материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов, а также при обработке на низких скоростях резания.

Поиск по сайту: