Рубрика: Металлы и сплавы
Быстрорежущая сталь остаётся основным материалом для свёрл, метчиков, плашек, фрез, протяжек и долбяков, хотя твёрдые сплавы давно заняли значительную часть рынка режущего инструмента. Причина проста: быстрорез сочетает высокую твёрдость с вязкостью, хорошо шлифуется, позволяет делать сложный профиль и острую кромку и при этом прощает вибрации и прерывистое резание. Ниже рассказываем, как устроены эти стали, чем отличаются распространённые марки и что важно учитывать при термообработке и изготовлении инструмента.
Углеродистые инструментальные стали вроде У8А или У10А после закалки имеют высокую твёрдость, но быстро теряют её при нагреве. Уже при 200–250 °C начинается интенсивный распад мартенсита, кромка «садится», и инструмент перестаёт резать. При обработке стали на заметных скоростях зона резания разогревается значительно сильнее, поэтому углеродистый инструмент годится лишь для невысоких режимов.
Быстрорежущие стали сохраняют твёрдость около 58 HRC при нагреве до 600–650 °C. Это свойство называется красностойкостью (теплостойкостью). Именно оно позволяет работать на скоростях резания в два–четыре раза выше, чем углеродистым инструментом, отсюда и название стали.
Сталь легирована сильными карбидообразующими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием, а также хромом. При закалке с очень высокой температуры значительная часть этих элементов растворяется в аустените и затем остаётся в мартенсите. Во время отпуска из мартенсита выделяются мельчайшие специальные карбиды, которые тормозят разупрочнение. В результате после правильного отпуска твёрдость не падает, а наоборот, растёт — это так называемая вторичная твёрдость. Нерастворившиеся первичные карбиды обеспечивают износостойкость кромки.
Отечественная маркировка быстрорежущих сталей построена по своему правилу. Буква «Р» в начале обозначает принадлежность к группе быстрорежущих, а цифра сразу за ней — среднее содержание вольфрама в процентах. Дальше идут буквы других элементов с цифрами их содержания. Углерод в марке не указывается: он всегда подобран под количество карбидообразующих и составляет обычно 0,8–1,3%.
Например, Р6М5 содержит около 6% вольфрама и 5% молибдена, Р6М5К5 дополнительно около 5% кобальта, Р6М5Ф3 — около 3% ванадия. Буква «А» внутри марки, как в Р2АМ9К5, означает легирование азотом, а сочетание «МП» в конце обозначает порошковую сталь. Подробнее о системе обозначений мы рассказываем в отдельном материале о маркировке сталей.
На практике большая часть инструмента изготавливается из нескольких марок. Приводим сводку с ориентировочными характеристиками; конкретные значения зависят от режима термообработки и качества металла.
| Марка | Особенности состава | Твёрдость после ТО, HRC | Типичное применение |
|---|---|---|---|
| Р18 | W около 18%, классическая вольфрамовая | 62–65 | Фасонный и чистовой инструмент, где важна стабильность; сейчас применяется редко из-за цены |
| Р6М5 | W 6%, Mo 5%, V около 2% | 63–65 | Свёрла, метчики, плашки, фрезы, развёртки — универсальная марка |
| Р6М5К5 | Как Р6М5 плюс Co около 5% | 64–66 | Обработка нержавеющих и жаропрочных сталей, повышенные скорости |
| Р9К5 | W 9%, Co 5% | 64–66 | Инструмент для труднообрабатываемых материалов при чистовых режимах |
| Р6М5Ф3 | Повышенный ванадий | 64–66 | Чистовой инструмент с высокой износостойкостью: развёртки, протяжки |
| Р2АМ9К5 | Мало вольфрама, Mo 9%, Co 5%, азот | 65–67 | Концевые фрезы и свёрла для титана, жаропрочных сплавов |
По составу Р6М5 близка к зарубежной М2 (W.-Nr. 1.3343), Р18 — к Т1, Р6М5К5 — к М35. Аналоги не являются полностью взаимозаменяемыми: допуски по химическому составу и требования к структуре в разных стандартах различаются.
Для обработки конструкционных углеродистых и легированных сталей твёрдостью до 30 HRC, чугуна, цветных сплавов достаточно Р6М5. Если инструмент работает по нержавеющей стали, жаропрочным сплавам, закалённым до 35–40 HRC заготовкам или на повышенных скоростях без обильного охлаждения, кобальтовая сталь заметно увеличивает стойкость. Платой за это становится более высокая цена и несколько меньшая прочность на изгиб, поэтому для тонких свёрл малого диаметра и метчиков, работающих с большими крутящими моментами, кобальт не всегда оправдан.
В обычной литой стали первичные карбиды при кристаллизации собираются в крупные скопления, а после ковки вытягиваются в строчки. Это явление называют карбидной неоднородностью. Чем крупнее сечение заготовки, тем сильнее неоднородность и тем выше риск выкрашивания кромки, трещин при закалке и коробления.
Порошковые стали получают распылением жидкого металла в инертном газе с последующим горячим изостатическим прессованием. Карбиды в такой стали мелкие и равномерно распределены по всему сечению. Отсюда практические преимущества:
Порошковые марки дороже, поэтому их выбирают для высоконагруженного, точного и дорогого в изготовлении инструмента, где стоимость металла составляет небольшую долю общей цены.
Свойства быстрореза определяет не столько марка, сколько качество термообработки. Ошибка в несколько десятков градусов или пропуск одного отпуска сводят на нет преимущества дорогой стали.
Поставляемая сталь находится в отожжённом состоянии с твёрдостью не выше 255–269 HB. В таком виде её точат, фрезеруют и нарезают профиль.
Из-за низкой теплопроводности сталь нагревают с подогревами при 450–500 и 800–850 °C, чтобы избежать трещин и выровнять температуру по сечению.
Окончательный нагрев для Р6М5 ведут до 1210–1230 °C, для Р18 — до 1270–1290 °C с короткой выдержкой, затем охлаждают в масле или в расплаве солей.
Обязателен двух-, а чаще трёхкратный отпуск при 550–570 °C по часу каждый с охлаждением до комнатной температуры между ними.
После закалки в структуре остаётся 20–30% остаточного аустенита. Он мягкий и нестабильный: со временем может превращаться в мартенсит, вызывая изменение размеров и внутренние напряжения. При каждом отпуске часть аустенита превращается в мартенсит при охлаждении, а новый мартенсит отпускается уже следующим нагревом. Три цикла снижают количество остаточного аустенита до нескольких процентов и дают максимальную вторичную твёрдость. Иногда между закалкой и отпуском применяют обработку холодом, что позволяет сократить число отпусков.
Нагрев в соляных ваннах или вакуумных печах защищает поверхность от окисления и обезуглероживания. Наш участок термической обработки выполняет закалку и многократный отпуск быстрорежущего инструмента с контролем твёрдости каждой партии.
В отожжённом состоянии быстрорез обрабатывается удовлетворительно, хотя и хуже конструкционных сталей: стружка вязкая, инструмент изнашивается быстрее. Предварительную обработку ведут с припуском под шлифование 0,2–0,5 мм на сторону в зависимости от размера и склонности детали к короблению.
После закалки профиль доводят шлифованием. Здесь главный риск — прижоги. Местный перегрев шлифовальным кругом выше температуры отпуска снижает твёрдость поверхностного слоя, а резкое охлаждение эмульсией может вызвать вторичную закалку и сетку микротрещин. Чтобы избежать этого:
Для ванадиевых марок шлифуемость заметно хуже, и без эльборовых кругов получить чистую кромку сложно. Сложные профили, узкие пазы и отверстия в закалённом инструменте удобно выполнять электроэрозией.
Стойкость готового инструмента можно увеличить в полтора–три раза за счёт поверхностной обработки. Выбор метода зависит от условий работы.
Покрытие наносят на окончательно заточенный инструмент. После переточки по передней поверхности покрытие на задней сохраняется и продолжает работать, хотя эффект становится меньше. Подробнее о технологиях — в разделе нанесения покрытий.
При выборе марки стоит отталкиваться не от каталога, а от условий работы инструмента: обрабатываемого материала, режима, типа станка, наличия охлаждения, требуемой точности и стоимости переточки.
| Задача | Рекомендуемые марки | Комментарий |
|---|---|---|
| Свёрла, метчики общего назначения | Р6М5 | Оптимальное соотношение цены, прочности и стойкости |
| Обработка нержавеющих сталей | Р6М5К5, Р9К5 | Кобальт компенсирует нагрев кромки и налипание |
| Развёртки, протяжки, чистовые фрезы | Р6М5Ф3, порошковые стали | Важна износостойкость, кромка долго держит размер |
| Титановые и жаропрочные сплавы | Р2АМ9К5, порошковые кобальтовые | Высокая твёрдость и красностойкость |
| Крупный фасонный инструмент | Порошковые стали | Однородная структура по сечению, минимальное коробление |
Быстрорежущий инструмент предпочтителен на станках с ограниченной жёсткостью и невысокими оборотами шпинделя, при прерывистом резании, для сложнопрофильного и мелкоразмерного инструмента, а также в единичном и мелкосерийном производстве, где важна возможность многократной переточки. Резьбонарезные плашки и метчики, фасонные резцы, зуборезный инструмент по-прежнему массово делают из быстрорежущих сталей.
Быстрорежущая сталь — материал с большим запасом возможностей, но раскрываются они только при правильном выборе марки и грамотной термообработке. Универсальная Р6М5 закрывает большинство задач, кобальтовые и ванадиевые марки дают выигрыш на сложных материалах и чистовых операциях, а порошковые стали оправданы для дорогого и точного инструмента. Решающую роль играют точная температура закалки, многократный отпуск и шлифование без прижогов.
Компания «ВМС» изготавливает режущий инструмент и плашки из быстрорежущих сталей по чертежам и образцам, выполняет закалку, отпуск, шлифование и нанесение покрытий в одном производственном цикле. Пришлите чертёж или описание задачи — подберём марку стали и предложим технологию.
