Вернуться

Составы, свойства и обработка инструментальных сталей сильно изменились преимущественно за последние 30-35 лет. Эти изменения, являющиеся необходимой предпосылкой для повышения стойкости инструментов и увеличения производительности обработки во всех отраслях машиностроения, можно наблюдать по развитию наиболее характерной группы инструментальных сталей — быстрорежущих.
До 1933-1935 гг. отечественная промышленность (как и зарубежная) применяла быстрорежущую сталь Р18, ставшую к этому времени классической и содержащую 0,75 % С; 18 % W; 4 % Сr; 1,2 % V .

В 1928-1930 гг. содержание ванадия было повышено с 0,2-0,5 до 1-1,4 %, что увеличило вторичную твердость и теплостойкость. Было также известно (с 1912 г.), что кобальт (5-10 %) дополнительно улучшает теплостойкость; однако объем производства стали с дорогим кобальтом был незначителен.

Эта сталь, сложная по составу и достаточно трудная в выплавке и обработке, успешно производилась заводами — Путиловским, Златоустовским инструментальным, затем заводом «Электросталь» и несколько позже Днепроспецсталью.

По экономическим соображениям — из-за высокой стоимости и дефицитности вольфрама — еще раньше делались попытки изменить состав быстрорежущей стали. В 1917 г. Н. И. Беляев предложил высокохромистую сталь с небольшим содержанием вольфрама. В США в 1917-1918 гг. изготовлялась сталь, в которой 18 % W были заменены 9 % Мо. Однако эти стали, особенно в существовавших тогда условиях обработки, не обеспечивали нужную стойкость инструментов и применялись лишь короткое время.

Значительные исследования были начаты с 1930-1935 гг. в связи с бурным ростом нашей промышленности, сразу получили большой размах и выполнялись в нескольких направлениях.
Первое направление (в том числе и по времени) ставило задачей изучить тогда еще недостаточно известные превращения, протекающие в быстрорежущей стали при термической обработке, и на этой основе повысить стойкость инструментов. Были вскоре получены интересные результаты, важность которых даже в условиях быстро развивающейся техники сохраняется и в настоящее время.
С. С. Штейнберг и его ученики [1], используя новый тогда магнитный метод исследования, изучали кинетику превращения переохлажденного аустенита при закалке и остаточного при отпуске. Они показали, что при отпуске необходимо предварительное выделение части карбидов из аустенита при 500-600 °С, что мартенситное превращение этого аустенита протекает при последующем охлаждении и что для его полного превращения нужны многократный нагрев и охлаждение.
А. П. Гуляев [2] определил температуры вторичного мартенситного превращения. На основании этих теоретических положений советские авторы предложили трехкратный отпуск быстрорежущей стали вместо прежнего однократного; он был внедрен в 1935-1937 гг. на отечественных заводах. Позже, начиная с 1940-1942 гг., этот отпуск был принят за рубежом.

Почти одновременно А. П. Гуляев [3] на основании исследования превращения переохлажденного аустенита предложил для инструментов обработку холодом. Эта обработка широко используется в качестве наиболее эффективного способа, обеспечивающего стабильность размеров инструментов в эксплуатации.

В 1939 г. С. С. Штейнберг и М. М. Бигеев [4] обнаружили своеобразный эффект стабилизации аустенита против превращения при охлаждении ниже 0 °С. Знание этого эффекта необходимо для рационального выбора режима обработки холодом. Позже было показано [5], что стабилизация аустенита наблюдается и при отпуске.

Существенные результаты дали работы по упрочнению поверхностного рабочего слоя инструментов. Д. А. Прокошкиным [6] было изучено цианирование быстрорежущих сталей и определены природа и свойства цианированного слоя. Начиная с 1938 г. цианирование широко применяется в промышленности и обеспечивает повышение стойкости инструментов примерно в 1,5 раза.

В 1949-1950 гг. были изучены механические свойства быстрорежущей стали и показана зависимость их от условий закалки, от величины и распределения карбидов [7]. Это позволило более рационально устанавливать режимы термической обработки инструментов с учетом их размеров, формы и условий эксплуатации.

В последующих работах изучались объемные и линейные изменения, вызываемые термической обработкой, и были разработаны пути уменьшения деформации инструментов [8, 9].

Одновременно менялась и область применения быстрорежущих сталей. Более простые углеродистые и легированные стали, широко использовавшиеся раньше для многих инструментов (метчиков, фрез, протяжек и даже сверл), постепенно были заменены быстрорежущими сталями. Это было вызвано значительным ростом потребления более трудно обрабатываемых металлов повышенной прочности. Опыт показал, что экономия в результате повышения стойкости инструментов, достигаемая применением быстрорежущей стали, в большинстве случаев значительно превосходит возрастание стоимости стали, идущей для их изготовления.

Необходимо выделить три группы быстрорежущих сталей: 1) нормальной, 2) повышенной и 3) высокой теплостойкости.

К сталям первой группы относится классическая сталь Р18. Эти стали сохраняют высокую твердость (HRC 60) после нагрева до 600-620 °С. Многочисленные исследования и большой опыт показали, что дальнейшее повышение теплостойкости быстрорежущих сталей сопровождается определенным проигрышем в технологических или механических свойствах. Стали первой группы обладают лучшим комплексом основных и технологических свойств. По этой причине они наиболее распространены. Несомненно, что преобладающее место они сохранят и на ближайшие годы.

Главной задачей еще в 1935-1940 гг. была разработка более экономичной стали, с меньшим содержанием дорогого вольфрама и заменой его другими элементами. В первых исследованиях таким элементом был выбран хром, во многом химический аналог вольфрама. Характерной сталью этого типа, применявшейся некоторое время, была сталь, содержащая 4-5 % W и 8-9 % Сr при 1-1,5 % V (сталь ЭИ184). Несколько позже, в 1938 г., были разработаны малолегированные молибденовые стали: с 4 % Мо и 2,2 % V (сталь ЭИ260) и сталь с 3 % W; 3 % Мо и 3 % V (ЭИ 276).

Тогда же было установлено, что для приобретения теплостойкости, равной получаемой сталью Р18, достаточно иметь 7 % W (или 4 % Мо) и что избыток вольфрама (молибдена) в нерастворенных карбидах не насыщает твердый раствор и не улучшает теплостойкость [14].

Определения режущих свойств в лабораторных условиях подтверждали это мнение. Однако дальнейший опыт показал, что при отсутствии достаточного количества избыточных карбидов стали получают повышенную чувствительность к перегреву при закалке и хрупкость (сталь ЭИ184); при большом содержании молибдена они чувствительны к обезуглероживанию (сталь ЭИ260), а при содержании ванадия более 2 % плохо шлифуются.

Определенным успехом отечественной науки и промышленности явилась разработка в 1939-1940 гг. стали Р9 (ЭИ262), имеющей при 4 % Сr в 2 раза меньше вольфрама (9 %), чем сталь Р18. Снижение вольфрама возмещалось повышением ванадия (до 2-2,6 %). Сталь Р9 имела такую же теплостойкость, как и сталь Р18, и содержала достаточно карбидов, задерживавших рост зерна при нагреве для закалки [12]. Сталь Р9 широко применялась в военные и первые послевоенные годы, что обеспечило значительную экономию вольфрама.

Большой опыт, накопленный по быстрорежущим сталям, дальнейшие исследования и возросшие возможности отечественной промышленности позволили в послевоенные годы улучшить композиции быстрорежущих сталей. Новые стали разрабатывались не только для получения менее легированной стали, но и с целью придания им лучших технологичных свойств.

Промышленность стала изготовлять большую группу инструментов (сверл) прокаткой, более производительным способом. Равным образом целесообразность изготовления из быстрорежущих сталей подавляющей части режущих инструментов, особенно метчиков, протяжек, фрез, подвергаемых значительному шлифованию, требует обеспечить хорошую шлифуемость этих сталей.

Стали Р18 и Р9 уже не отвечали в достаточной степени большинству этих новых требований. Сталь Р18 из-за высокого содержания вольфрама имеет пониженную пластичность при высоком нагреве и плохо принимает поэтому значительные обжатия при прокатке сверл. Сталь Р9 плохо шлифуется из-за повышенного содержания ванадия, образующего карбид VC высокой твердости. У стали Р9 этот технологический дефект не компенсировался лучшей теплостойкостью и режущими свойствами (по сравнению со сталью Р18).

Исследования 1959-1962 гг. установили, что лучшее сочетание свойств достигается при 12 % W. Повышение вольфрама с 9 до 12 % позволяет перевести в растворимый карбид М6С больше ванадия и уменьшить его содержание в стали, что значительно улучшает шлифуемость. Увеличение вольфрама сверх 12 % не изменяет объемного содержания карбидной фазы (М6С) и лишь повышает концентрацию вольфрама в карбиде, что снижает его растворимость в аустените [13]. Поэтому увеличение вольфрама сверх 12-13 % не улучшает теплостойкость, но ухудшает механические свойства.

Исследования [15] показали, что введение 3 % Мо и снижение вольфрама до 6 % позволяет получить более мелкие и равномерно распределенные карбиды и большую прочность и вязкость.

Сформулированным условиям отвечают новые стали: вольфрамовая Р12 и вольфрамомолибденовая Р6МЗ, дополнительно включенные в ГОСТ 9373-60.

Опыт промышленности подтвердил, что более дешевые и технологичные стали Р12 и Р6МЗ успешно заменяют сталь Р18 при обработке конструкционных сталей и чугунов. Они особенно пригодны для сверл, в том числе изготовляемых прокаткой. Кроме того, новые стали целесообразно использовать для протяжек, метчиков, червячных фрез (сталь Р12), для долбяков многих типов и литых инструментов (сталь Р6МЗ).

Вторую группу представляют собой стали повышенной теплостойкости. Исследованиями установлено, что заметное повышение режущих свойств достигается только дополнительным легированием ванадием или кобальтом либо совместно ванадием и кобальтом.

Наибольшее применение на ближайшие годы должны получить стали с повышенным содержанием более дешевого ванадия. Ванадий в количестве 3-5 % повышает теплостойкость с 615-620 до 630 °С (критерий HRC 60). При затвердевании стали ванадий образует эвтевтику, отличающуюся в строении от вольфрамовой; но ванадий не увеличивает карбидную неоднородность; она определяется преимущественно содержанием вольфрама.

Влияние ванадия эффективно, если в стали одновременно увеличивается содержание углерода (0,2 % С на каждый 1 % V). Это, однако, снижает прочность и вязкость, поэтому ванадиевые стали целесообразно использовать при чистовом резании, т. е. со снятием стружки небольшого сечения; в этом случае стойкость инструментов возрастает в 1,5-2 раза. При выборе состава сталей надо учитывать, их, пониженную шлифуемость. Наиболее перспективные, по нашему мнению, стали указаны в таблице.

Сталь Р18Ф2 содержит меньше ванадия и шлифуется лучше других; ее твердость в результате термической обработки чаще всего на HRC 1 выше, чем у стали Р18. Применение стали Р18Ф2 обеспечивает относительно небольшое, но устойчивое повышение стойкости на 25-30 %. Важно, что режимы термической обработки сталей Р18Ф2 и Р18 одинаковы, что упрощает использование стали Р18Ф2 в производстве.

Сталь Р9Ф5 имеет самое высокое содержание ванадия и низкую шлифуемость. Использование ее оправдывается преимущественно для нешлифуемых инструментов.

По-видимому, большее применение должна получить сталь типа Р12ФЗ, более новая и поставляемая пока еще по техническим условиям. Она имеет более высокий комплекс свойств и обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза. Сталь Р12ФЗ рекомендуется для сверл и ряда фрез. Она хорошо принимает прокатку, хорошо сваривается и шлифуется лучше стали Р9Ф5.

Таблица 1. Современные быстрорежущие стали и сплавы

Марка стали Содержание элементов, %
C W Mo Cr V Co
Стали нормальной теплостойкости
Р18 0,75 18 до 0,3 4 1,2
Р12 0,85 12,5 до 0,2 3,5 1,7
Р6М3 0,85 6 3 3,3 2,1
Стали повышенной теплостойкости
Р18Ф2 0,9 18 до 0,3 4 2,1
Р9Ф5 1,45 9,5 до 0,3 4 4,7
Р12Ф3* 1,0 12,7 3,7 2,7
Р9К5 0,95 9,5 до 0,3 4 2,3 5,5
Р15Ф2К5* 0,80 13,5 до 0,3 3,8 2,0 5,5
Р9М3К6С* 1,05 9 3 3,6 1,7 6 и 0,8 Si
Р12Ф4К5* 1,35 13,5 до 0,3 3,8 3,5 5,5
Стали высокой теплостойкости
Р9М4К25* 0,1 18 4 0,5 0,2 25
    *Поставляется по техническим условиям.

Кобальтовые стали представлены у нас (и за рубежом) большим числом марок. Это связано с тем, что лучший состав стали еще надежно не определен. Кобальт повышает теплостойкость до 640-650 °С. Кроме того, в кобальтовых сталях путем повышения содержания углерода (в строго определенных пределах) можно получить очень высокую твердость (HRC 69) и повышенную износостойкость. Исследования Б. Л. Александровича, автора и Л. С. Кремнева показали, однако, что это сопровождается заметным снижением прочности и вязкости. Для получения лучшего комплекса свойств целесообразно устанавливать твердость несколько ниже (HRC 67,5-68) и заменять молибденом часть вольфрама (сталь Р9МЗК6С, см. таблицу). В подобной стали может быть не более 1,5-1,8 % V, что обеспечивает хорошую шлифуемость.

Кобальтовые стали рациональнее применять для резания труднообрабатываемых материалов. Перспективные кобальтсодержащие стали приведены в таблице. Целесообразно, по-видимому, применять сталь Р9МЗК6С для условий спокойного резания и сталь Р15Ф2К5, получающую меньшую твердость (HRC 65-66) при несколько больших нагрузках. Более полные выводы могут быть получены в результате широкого промышленного опробования.

Сплавы высокой теплостойкости были разработаны в последние годы [16]; от быстрорежущих сталей они сильно отличаются по составу, структуре и многим свойствам. Известны две группы сплавов: 1) безуглеродистые и 2) с 0,2-0,3 % С. Они испытывают при закалке αа↔γ-превращение и получают твердость HRC 35-50.

Безуглеродистые сплавы упрочняются при отпуске (до HRC 68-70) вследствие выделения интерметаллидной фазы. Твердость HRC 60 сохраняется после нагрева до 700-710 °С. Бóльшую прочность (до 200-220 кГ/мм2 при изгибе) имеют сплавы с 3-4 % Мо, выплавленные в вакууме [16]; они указаны в таблице. Стойкость инструментов при обработке жаропрочных и титановых сплавов соответственно в 3-6 и более 15 раз больше, чем у стали Р18.

Температуры ковки сплава В18М4К25 1200-1000 °С, температуры закалки 1270-1290 °С и отпуска 600 °С (для точения) и 650 °С (для фрезерования). Сплавы с углеродом упрочняются вследствие выделения при отпуске интерметаллидов и карбидов. Стойкость их несколько ниже.