6. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ.
ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

(В.Г. Шипша)

Инструментальные материалы предназначены для изготовления инструментов, применяемых в процессе металлообработки, а также для измерений. Эти материалы подразделяются на инструментальные стали, твердые сплавы и особо-твердые материалы.

По назначению инструментальные материалы классифицируются на материалы для режущего, штампового и измерительного инструментов.


СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурация и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (60–62 HRCЭ) и износостойкостью — способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Вместе с тем, режущий инструмент должен обладать высокой прочностью и достаточной вязкостью, чтобы сохранять форму режущей кромки и сопротивляться разрушению при изгибающем (резцы) и крутящем (сверла) моментах и динамических нагрузках.

В процессе резания происходит нагрев режущей кромки инструмента. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость (красностойкость) — способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы.

По теплостойкости применяемые материалы подразделяются на:

Углеродистые стали

Инструментальные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1435–90 маркируют буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют качественные стали марок У7–У13 и высококачественные стали марок У7А–У13А, химический состав которых приведен в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Марки и химический состав инструментальных
углеродистых сталей (ГОСТ 1435–90)

Марка

стали

Массовая доля элемента, %

Углерода

Кремния

Марганца

Серы

Фосфора

не более

У7

0,65–0,74

0,17–0,33

0,17–0,33

0,028

0,030

У8

0,75–0,84

0,17–0,33

0,17–0,33

0,028

0,030

У8Г

0,80–0,90

0,17–0,33

0,33–0,58

0,028

0,030

У9

0,85–0,94

0,17–0,33

0,17–0,33

0,028

0,030

У10

0,95–1,04

0,17–0,33

0,17–0,33

0,028

0,030

У11

1,05–1,14

0,17–0,33

0,17–0,33

0,028

0,030

У12

1,15–1,24

0,17–0,33

0,17–0,33

0,028

0,030

У13

1,25–1,35

0,17–0,33

0,17–0,33

0,028

0,030

У7А

0,65–0,74

0,17–0,33

0,17–0,28

0,018

0,025

У8А

0,75–0,84

0,17–0,33

0,17–0,28

0,018

0,025

У8ГА

0,80–0,90

0,17–0,33

0,33–0,58

0,018

0,025

У9А

0,85–0,94

0,17–0,33

0,17–0,28

0,018

0,025

У10А

0,95–1,04

0,17–0,33

0,17–0,28

0,018

0,025

У11А

1,05–1,14

0,17–0,33

0,17–0,28

0,018

0,025

У12А

1,15–1,24

0,17–0,33

0,17–0,28

0,018

0,025

У13А

1,25–1,35

0,17–0,33

0,17–0,28

0,018

0,025

По механическим свойствам и назначению углеродистые стали подразделяются на:

Области применения углеродистых сталей указаны в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Примерное назначение инструментальной углеродистой стали

Марка стали

Область применения

У7, У7А

Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот.

Для пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимов, бойков.

Для кузнечных штампов.

Для игольной проволоки.

Для слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.

У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А

Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрев режущей кромки.

Для обработки дерева: фрез, зенковок, цековок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых.

Для накатных роликов, плит и стержней для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов.

Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.

Для калибров простой формы и пониженных классов прочности.

Для холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двойных ножей конструкционно-мелких деталей, в том числе для часов и т. д. (лента выпускается по ГОСТ 2283 и ГОСТ 21996 и ряду специальных технических условий)

У10А, У12А

Для сердечников

У10, У10А

Для игольной проволоки

У10, У10А, У11, У11А

Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрев режущей кромки.

Для обработки дерева: пил ручных, поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных .

Для штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению .

Для калибров простой формы и пониженных классов точности .

Для накатных роликов, напильников, шаберов, слесарных и др.

Для напильников, шаберов.

Для хлоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, бедер, ламелей доильных ножей, конструкционно-мелких деталей, в том числе для часов и т. д. (лента выпускается по ГОСТ 2283 и ГОСТ 21996 и ряду технических условий)

У12, У12А

Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных.

Штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших размеров и без резких переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов точности

У13, У13А

Для инструментов с пониженной износостойкостью при умеренных и незначительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки): напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравированных инструментов

Металлопродукцию из этих сталей выпускают в прутках, полосах и мотках (проволока). Углеродистые стали поставляются после отжига на зернистый перлит, что позволяет получать при последующей термообработке наиболее однородные свойства. Благодаря невысокой твердости (НВ 187–217) эти стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные процессы изготовления инструмента.

Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух этапов: предварительная и окончательная.

Предварительная термическая обработка применяется для уменьшения деформации (в 1,5–2 раза) деталей из углеродистых сталей при последующей закалке. Она заключается в предварительной закалке с 740–770 °С с охлаждением в масле и последующем отпуске при 600 °С (1 ч).

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска, режимы которых указаны в табл. 6.3.

Мелкие инструменты (диаметром до 120 и длиной до 250 мм) целесообразно нагревать под закалку в соляных ваннах (70 % BaCl2 + 30 % NaCl), так как при этом не надо защищать детали от окисления и обезуглероживания.

При нагреве более крупного инструмента в камерных печах без защитной атмосферы необходимо применять для его защиты упаковочные материалы, например для сталей с температурой закалки до 900 °С — древесный уголь + карбюризатор или смесь свежей и пережженной чугунной стружки (более подробно см. [1]).

Время выдержки на 1 мм диаметра (толщины): 20–35 с при нагреве в ванне и 50–80 с при нагреве в печи.

Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки — порядка 200–300 °С/с. Замедление охлаждения при закалке недопустимо, так как приводит к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен.

Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаться насквозь.

Инструменты крупных размеров при закалке в воде и водных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инструментов представляет собой продукты распада аустенита перлитом в интервале температур. Сердцевина инструментов, имеющих такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит.

Углеродистые стали целесообразно применять для инструментов небольшого сечения (до 5 мм), которые можно закаливать в масле и достигать при этом сквозной прокаливаемости, а также для инструментов диаметром или толщиной 18–25 мм, в которых режущая часть приходится только на поверхностный слой, например напильники, зенкера, метчики.

Таблица 6.3

Режимы термической обработки углеродистых инструментальных сталей

Марка

стали

Закалка

Отпуск

Tз, °С

Твердость HRCЭ

Тотп, °С

Твердость HRCЭ

У7, У7А

800–820

63–65

150–160

200–220

61–63

57–59

У8, У8А

780–800

63–65

150–160

200–220

61–63

57–59

У9, У9А

760–780

64–66

150–160

200–220

62–63

58–59

У10, У10А

  1. – 780

64–66

150–160

200–250

62–63

58–59

У11, У11А

760–780

64–66

150–160

200–250

62–63

58–59

У12, У12А

760–780

64–66

150–160

200–250

62–63

58–59

У13, У13А

760–780

64–66

150–160

200–250

62–63

58–59

Примечание. Закалочная среда — вода, отпуск проводится на воздухе. При закалке в масле Тз повышают на 20 °С.

Углеродистые инструментальные стали отпускают при температурах не более 200 °С во избежание снижения твердости. Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 57–63 HRCЭ, а прочность при изгибе составляет »  1800–2700 МПа.

Достоинствами углеродистых инструментальных сталей является низкая стоимость, хорошая обрабатываемость давлением и резанием в отожженном состоянии.

Их недостатками являются невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости и его значительные деформации после закалки в воде.

Легированные стали

В данном пункте будут рассмотрены только низко- и среднелегированные стали. Эти стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости.

В отдельную группу можно выделить стали для ударных инструментов [1]. Химический состав данных сталей по ГОСТ 5950–73 приведен в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Марки и химический состав (масс. %) легированных инструментальных сталей
(ГОСТ 5950–73)

Марка стали

Углерод

Кремний

Марганец

Хром

Вольфрам

Ванадий

Молибден

Стали неглубокой прокаливаемости

8ХФ

0,70–0,80

0,10–0,40

0,15–0,45

0,40–0,70

–

0,15–0,30

–

9ХФ

0,80–0,90

0,15–0,35

0,30–0,60

0,40–0,70

–

0,15–0,30

–

9ХФМ

0,80–0,90

0,15–0,35

0,30–0,60

0,40–0,70

–

0,15–0,30

0,15–0,25

11ХФ

1,05–1,15

0,15–0,35

0,40–0,70

0,40–0,70

–

0,15–0,30

–

13Х

1,25–1,40

0,10–0,40

0,15–0,45

0,40–0,70

–

–

–

ХВ4Ф

1,25–1,45

0,15–0,35

0,15–0,40

0,40–0,70

3,50–4,30

0,15–0,30

–

В2Ф

1,05–1,22

0,10–0,40

0,15–0,45

0,20–0,40

1,60–2,00

0,15–0,30

–

Стали глубокой прокаливаемости

9Х1

0,80–0,95

0,25–0,45

0,15–0,40

1,40–1,70

–

–

–

Х

0,95–1,10

0,10–0,40

0,15–0,45

1,30–1,65

–

–

–

12Х1

1,15–1,25

0,15–0,35

0,30–0,60

1,30–1,65

–

–

–

9ХС

0,85–0,95

1,20–1,60

0,30–0,60

0,95–1,25

–

–

–

ХГС

0,95–1,05

0,40–0,70

0,85–1,25

1,30–1,65

–

–

–

9ХВГ

0,85–0,95

0,15–0,35

0,90–1,20

0,50–0,80

0,50–0,80

–

–

ХВГ

0,90–1,05

0,10–0,40

0,80–1,10

0,90–1,20

1,20–1,60

–

–

ХВСГФ

0,95–1,05

0,65–1,00

0,60–0,90

0,60–1,10

0,50–0,80

0,05–0,15

–

9Г2Ф

0,85–0,95

0,10–0,40

1,70–2,20

–

–

0,10–0,30

–

Стали для ударных инструментов

4ХС

0,35–0,45

1,20–1,60

0,15–0,40

1,30 –1,60

–

–

–

6ХС

0,60–0,70

0,60–1,00

0,15–0,40

1,00–1,30

–

–

–

5ХВ2СФ

0,45–0,55

0,80–1,10

0,15–0,45

0,90–1,20

1,80–2,30

0,15–0,30

–

6ХВ2С

0,55–0,65

0,50–0,80

0,15–0,40

1,00–1,30

2,20–2,70

–

–

6ХВГ

0,55–0,70

0,15–0,35

0,90–1,20

0,50 –0,80

0,50–0,80

–

–

6Х3МФС

0,55–0,62

0,35–0,65

0,20–0,60

2,60–3,30

–

0,30–0,60

0,20–0,50

Примечание. В обозначении марок первые цифры означают массовую долю углерода в десятых долях процента. Они могут не указываться, если массовая доля углерода близка к единице или больше единицы. Буквы означают: Г — марганец, Х — хром, В — вольфрам, С — кремний, Ф — ванадий, Н — никель, М — молибден. Цифры, стоящие после букв означают среднюю массовою долю соответствующего легирующего элемента в целых единицах. Отсутствие цифр означает, что массовая доля этого легирующего элемента равна » 1 %. В отдельных случаях массовая доля легирующих элементов не указывается, если она не превышает 1,8 %.

Стали неглубокой прокаливаемости

Стали неглубокой прокаливаемости по устойчивости переохлажденного аустенита незначительно превосходят стали группы У7–У13, но благодаря легированию хромом (0,2–0,7 %), ванадием (0,15–0,30 %) и вольфрамом имеют большую устойчивость к перегреву, более высокие износо- и теплостойкость (в поверхностном слое).

Эти стали используются для изготовления инструментов, подвергаемых поверхностной (местной) закалке: пилы, зубила, штемпели, ножи для холодной и горячей резки, обрезные матрицы и пуансоны и т. п. Некоторые стали имеют специальное применение: сталь 13Х предназначена главным образом для бритвенных ножей и лезвий, хирургического и гравировального инструмента; сталь В2Ф предназначена для ленточных пил и ножовочных полотен для резки сталей средней твердости, по работоспособности превосходящая стали типа 9ХФ в 1,5–2 раза. Сталь ХВ4Ф отличается особо высокой твердостью (HRCЭ 67–69) и износостойкостью благодаря присутствию W6C, который не растворяется при температуре закалки. Эту сталь называют алмазной и из неё изготовляют резцы и фрезы для обработки с небольшими скоростями материалов с высокой поверхностной твердостью (отбеленных чугунов и закаленных деталей).

Термическая обработка аналогична углеродистым сталям, но для закалки на максимальную твердость необходимо использовать резкие охлаждающие среды (водные растворы солей и щелочей). Режимы термической обработки приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Режимы окончательной термической обработки
и твердость низколегированных инструментальных сталей

Марка
стали

Твердость НВ после отжига

Закалка

Отпуск

Тз, °С

Среда

Твердость HRCЭ

Тотп, °С

Твердость HRCЭ

Стали неглубокой прокаливаемости

8ХФ

241

810–820

830–860

вода
то же

58–59

63–65

200–220

57–58

60–62

9ХФ

241

850–880

820–840

масло

вода

61–64

200–250

58–60

55–58

11ХФ

229

810–830

840–860

вода

масло

62–65

62–64

150–170

62–65

13Х

248

780–820

810–830

вода

масло

62 -65

62–64

150–170

62–65

Х4В4Ф

255

830–850

820–840

масло

вода

63–65

65–67

140–170

62–67

В2Ф

229

780–840

масло

вода

66–67

120–180

62–65

Стали глубокой прокаливаемости

9Х1

229

820–850

масло

61–63

160–180

59–61

Х

229

840–860

то же

62–63

130–150

170–210

62–65

58–60

9ХС

241

840–860

то же

62–63

180–250

58–62

ХГС

241

820–860

то же

62–64

150–160

61–63

12Х1

241

850–870

то же

63–65

120–130

62–65

ХВГ

255

820–850

то же

62–63

150–200

200–300

63–62

62–58

9ХВГ

241

820–840

то же

64–66

160–180

170–230

230–275

61

62–60

60–50

ХВСГ

241

840–860

то же

62–63

140–160

60–62

9Г2Ф

229

790–810

то же

61–62

180

60–61

Примечания:

  1. Отжиг этой группы сталей проводится при 750–820 °С с изотермической выдержкой при температуре на 10–30 °С ниже Аp1.
  2. Охлаждение после отпуска на воздухе.
  3. Возможна закалка в 10 %-ном NaCl.

Стали глубокой прокаливаемости

Стали глубокой прокаливаемости (табл. 6.4) имеют более высокое содержание хрома (0,6–1,7 %), а также совместное присутствие в ряде марок сталей хрома, марганца и кремния (вольфрама). Такое комплексное легирование при относительно небольших количествах каждого элемента существенно повышает прокаливаемость, повышает однородность распределения карбидов (кроме сталей типа ХВГ) и уменьшает чувствительность сталей к перегреву.

Из сталей 9ХС, ХГС, ХВГ, 9ХВГ и ХВГС изготовляют режущий (метчики, плашки, развертки, фрезы и т. д.), а также штамповый (пробойники, вырубные штампы и т. д.) инструмент более ответственного назначения, чем из углеродистых сталей.

Отличительная особенность марганецсодержащих сталей (9Г2Ф, ХВГ и др.) состоит в их малой деформируемости при закалке. Марганец, интенсивно снижая интервал мартенситного превращения, способствует сохранению остаточного аустенита (до 15–20 %), который компенсирует (частично или полностью) увеличение объема при образовании мартенсита. Это качество сталей поз-воляет изготавливать из них инструмент, к которому предъявляют жесткие требования к размерной стабильности при термообработке.

Термическая обработка: закалка + низкий отпуск проводится в соответствии с режимами, указанными в табл. 6.5.

Стали для ударных инструментов

Исходя из назначения эти стали должны обладать: повышенной вязкостью для предупреждения поломок и выкрашивания режущих кромок инструмента, работающего в условиях больших ударных нагрузок; высокими прокаливаемостью и закаливаемостью в горячих средах, т. е. возможностью принимать изотермическую закалку в больших сечениях, что обеспечивает повышение ударной вязкости.

Необходимый комплекс свойств сталей этой группы обеспечивается соответствующим легированием. Химический состав представлен в табл. 6.4.

Хромокремнистые стали (4ХС, 6ХС) прокаливаются в образцах диаметром до 50–60 мм при охлаждении в масле. Кроме того, стали, легированные кремнием, имеют повышенные устойчивость при отпуске и предел текучести. Недостатком этих сталей является хрупкость первого рода после отпуска при 270–400 °С на твердость 46–50 HRCЭ. Поэтому для получения удовлетворительной вязкости в этом случае необходимо применять изотермическую закалку.

Хромовольфрамокремнистые стали 5ХВ2СФ, 6ХВ2С и другие, как более сложнолегированные, прокаливаются в больших сечениях (до 70–80 мм) при охлаждении в масле и хорошо принимают изотермическую закалку. Стали с вольфрамом менее чувствительны к отпускной хрупкости первого рода. Легирование сталей вольфрамом также повышает устойчивость против разупрочнения при отпуске.

По структурному признаку стали, содержащие 0,4–0,5 % С, являются доэвтектоидными, а с 0,6 % С — эвтектоидными и заэвтектоидными. Структура доэвтектоидных сталей после отжига состоит из пластинчатого и, реже, зернистого перлита с небольшими участками феррита, заэвтектоидных — из зернистого перлита. Кроме того, в структуре последних наряду с цементитом присутствует карбид МС. После закалки структура характеризуется наличием мартенсита и остаточного аустенита, а при повышенном содержании углерода — еще и избыточных карбидов. Отпуск обеспечивает образование троститной структуры. Режимы термической обработки сталей указаны в табл. 6.6.

Стали этой группы предназначены для изготовления пневматических инструментов: зубил, обжимок, вырубных, обрезанных и чеканочных штампов, работающих с повышенными ударными нагрузками, рубильных ножей, штемпелей, клейм, прошивочного, деревообрабатывающего инструмента и т. д.

Для повышения износостойкости этих сталей иногда необходимо проведение дополнительной химико-термической обработки (азотирования, нитроцементации и др.), обеспечивающей при правильных выбранных режимах значительное возрастание поверхностной твердости без заметного снижения сопротивления хрупкому разрушению.

Таблица 6.6

Режимы окончательной термической обработки сталей
для ударных инструментов

Марка
стали

Твердость НВ после отжига

Закалка

Отпуск

ТЗ, °C

Твердость HRCЭ

Тотп, °C

Твердость HRCЭ

4ХС

217

880–890

47

240–270

52–55

6ХС

229

840–860

55–59

240–270

52–55

5ХВ2СФ

229

860–900

55

200–250
430–470

53–58
45–50

6ХВ2С

269

860–900

57

200–250
430–470

53–58
45–50

6Х3МФС

241

980–1020

56–60

180–200

57–59

6ХВГ

217

850–900

57

200–250
450–480

53–56
44–47

Примечания:

  1. Отжиг сталей проводится при температуре 800–820 °С, охлажд ние — до 600 °С со скоростью 60 °С/с, далее — на воздухе.

  2. Закалочная среда — масло.

  3. Охлаждение после отпуска на воздухе.

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали широко применяют для изготовления режущего инструмента, работающего в условиях значительного силового нагружения и нагрева (до 600–640 °С) режущих кромок. К этой группе сталей относятся высоколегированные вольфрамом совместно с другими карбидообразующими элементами (молибден, хром, ванадий) стали, приобретающие высокие твердость, прочность, тепло- и износоустойчивость в результате двойного упрочнения: а) мартенситного при закалке; б) дисперсионного твердения при относительно высоком отпуске (500–620 °С), вызывающего выделение упрочняющих фаз.

Быстрорежущие стали маркируют буквой «Р» (rapid — быстрый) и числом, показывающим среднее содержание W, а также последующими буквами и цифрами, указывающими другие легирующие элементы и их количество, как в стандартной маркировке легированных сталей. В марках быстрорежущих сталей не указывают углерод и хром (их массовая доля » 1 % и » 4 % соответственно), а также молибден до 1 % включительно и ванадий в сталях Р18, Р9, Р9К5, Р6М5 и др.

Химический состав быстрорежущих сталей приведен в табл. 6.7.

По основным свойствам быстрорежущие стали подразделяются на пять подгрупп: 1) стали умеренной теплостойкости (типа Р9, Р6М5); 2) повышенной износостойкости (типа Р12Ф3, Р6М5Ф3); 3) повышенной теплостойкости (типа Р6М5К5, Р9К5); 4) высокой износо- и теплостойкости (типа Р18К5Ф2); 5) высокой твердости и теплостойкости с улучшенной шлифуемостью (типа Р9М4К8, В11М7К23).

Вместе с тем эти стали имеют много общих характеристик. Поэтому для упрощения рассмотрения особенностей структуры, свойств и режимов термообработки их можно разделить на три группы по производительности обработки:

Таблица 6.7

Марки и химический состав (масс. %) быстрорежущих сталей (ГОСТ 19265–73)

Марка
стали

Углерод

Хром

Вольфрам

Ванадий

Кобальт

Молибден

Азот

Ниобий

Стали нормальной производительности

Р18

0,73–0,83

3,80–4,40

17,00–18,50

1,00–1,40

< 0,50

< 1,0

–

–

Р9

0,85–0,95

3,80–4,40

8,50–9,50

2,30–2,70

< 0,50

< 1,0

–

–

Р6М5

0,82–0,90

3,80–4,40

5,50–6,50

1,70–2,10

< 0,50

4,80–5,30

–

–

11Р3АМ3Ф2

1,02–1,12

3,80–4,30

2,50–3,30

2,30–2,70

< 0,50

2,50–3,00

0,05–0,10

0,05–0,20

Стали повышенной производительности

Р6М5Ф3

0,95–1,05

3,80–4,30

5,70–6,70

2,30–2,70

< 0,50

4,80–5,30

–

–

Р12Ф3

0,95–1,05

3,80–4,30

12,00–13,00

2,50–3,00

< 0,50

< 1,00

–

–

Р18К5Ф2

0,85–0,95

3,80–4,40

17,00–18,50

1,80–2,20

4,70–5,20

< 1,00

–

–

Р9К5

0,90–1,00

3,80–4,40

9,00–10,00

2,30–2,70

5,00–6,00

< 1,00

–

–

Р6М5К5

0,84–0,92

3,80–4,30

5,70–6,70

1,70–2,10

4,70–5,20

4,80–5,30

–

–

Стали высокой производительности

Р9М4К8

1,00–1,10

3,00–3,60

8,50–9,50

2,30–2,70

7,50–8,50

3,80–4,30

–

–

Р2АМ9К5

1,00–1,10

3,80–4,40

1,50–2,00

1,70–2,10

4,70–5,20

8,00–9,00

0,05–010

0,10–0,30

В11М7К23*

0,05–0,15

< 0,5

10,5–12,5

0,4–0,8

22,5–24,0

7,00–8,00

–

–

В4М12К23*

0,05–0,15

< 0,5

3,8–4,4

0,4–0,8

22,5–24,0

12,00–13,00

–

–

Примечания:

  1. В марках стали буквы и цифры означают: Р — быстрорежущая; цифра, следующая за буквой, — среднюю массовую долю вольфрама, М — молибден, Ф — ванадий, К — кобальт, А — азот; цифры следующие за буквами, означают соответственно массовую долю молибдена, ванадия и кобальта.

    В обозначениях марок стали не указывают массовую долю: хрома — при любой массовой доле; молибдена — до 1 % включительно; ванадия — в стали марок Р18, Р9, Р6М5, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8 и Р2АМ9К5; азота — в стали марок 11Р3АМ3Ф2 и Р2АМ9К5.

  2. По требованию потребителя допускается изготовление стали марок Р6М5 и Р6М5Ф3 с легированием азотом (массовая доля азота 0,05–0,10 %). В этом случае наименование марок — Р6АМ5 и Р6АМ5Ф3.

* Состав указан по ТУ.

Структура сталей с карбидным упрочнением (стали типа «Р») примерно одинакова для всех групп. После окончательной термообработки (закалка + отпуск) их структура состоит из мартенсита с выделением дисперсных частиц легированных карбидов в основном типа М6С и МС. Такая структура обеспечивает теплостойкость инструмента до 600–640 °С.

Наиболее высокую теплостойкость (до 700–720 °С) имеют высоколегированные сплавы системы Fe—Co—W—Mo с интерметаллидным упрочнением (марки В4М12К23 и В11М7К23). После окончательной термообработки структура этих сплавов состоит из безуглеродистого (или малоуглеродистого) мартенсита с невысокой твердостью (30–40 HRCЭ) и мелкодисперсных интерметаллидов (Fe,Co)7(W,Mo)6, Fe3W2(Fe3Mo2), (Fe,Co,Ni)7 (W,Mo)6.

Высокие твердость (HRCЭ 68–70) и теплостойкость (720 °С) обеспечиваются: а) более высокими температурами (900–950 °С) начала фазовых превращений, что на 100 °С выше, чем у стали с карбидным упрочнением; б) большими количествами упрочняющих фаз, отличающихся высокой дисперсностью (до 2–3 мкм) и равномерностью распределения в основной матрице [3].

Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному (карбидному) классу и их структура примерно одинакова. Слитки этих сталей содержат карбидную эвтектику в виде сетки по границам аустенитных зерен (рис. 6.1, а), которая резко снижает обычные механические свойства, особенно пластичность. В процессе горячей обработки давлением (ковка, прокатка) карбидная эвтектика раздробляется и измельченные карбиды более равномерно распределяются в основной матрице (рис. 6.1, б).

После прокатки или ковки быстрорежущие стали подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 800–850 °С до полного превращения аустенита в перлитно-сорбитную структуру с избыточными карбидами (рис. 6.1, б).

Термическая обработка. Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности и вязкости инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и многократного отпуска.

Закалка. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение в аустените труднорастворимых карбидов вольфрама, молибдена и ванадия. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки высоколегированный мартенсит с высокой теплостойкостью. Поэтому температура закалки очень высокая и составляет » 1200–1300 °С (см. табл. 6.8.).

Рис. 6.1. Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига;
в) после закалки; г) после отпуска. ×500.

Таблица 6.8

Оптимальные режимы термообработки основных марок быстрорежущих сталей

Марка стали

Твердость НВ в состоянии

поставки

(не более)

Закалка

Отпуск

Свойства после окончательной
термообработки

Тз,

°С

Тотп, °С

Твердость HRCЭ

s изг, МПа

KCU,

Дж/см2

Теплостойкость, °С (HRCЭ 58)

Стали нормальной производительности

Р9

255

1 230–1260

560

62–65

2800–3100

30–35

620

Р18

255

1270–1290

560

62–65

2700–3000

28–30

620

Р6М5

255

1200–1230

540–560

63–64

3200–3600

38–40

620

Р8М3*

255

1220–1240

560

63–64

3100–3300

35–38

625

11Р3АМ3Ф2

255

1180–1210

540–580

63–64

3400–3800

32–40

620

Стали повышенной производительности

Р12Ф3

269

1230–1270

550–570

63–65

2500–2900

25–28

630

Р9К5

269

1220–1250

550–570

64–65

2300–2700

22–30

630

Р6М5Ф3

269

1200–1240

540–560

63–66

2700–3100

20–25

625

Р6М5К5

269

1210–1240

550–570

65–66

2600–2900

24–28

630

Стали высокой производительности

Р12Ф4К5

285

1230–1260

550–560

66–67

2600–2700

20–22

640

Р9М4К8

285

1210–1240

550–560

66–68

2300–2500

18–20

640

Р2АМ9К5

285

1190–1220

550–560

66–68

1600–1900

20–22

635

В11М7К23

330

1290–1320

580–600

68–70

2300–2600

10–12

720

В4М12К23

321

1290–1320

580–600

68–69

2400–2700

13–15

720

Примечания:

  1. Закалка производится на зерно № 10–11, охлаждение в масле.
  2. Отпуск трехкратный по 1 ч, охлаждение на воздухе.
  3. В зависимости от условий работы инструментов и уровня свойств, определяющих их способность, температуры закалки и отпуска могут быть несколько скорректированы.

Для предотвращения образования трещин и деформации инструмента из–за низкой теплопроводности сталей нагрев под закалку проводят с одним или двумя подогревами в расплавленных солях: первый — при 400–500 °С, второй — при 800–850 °С. Окончательный нагрев также проводят в соляной ванне (BaCl2) c очень малой выдержкой при Тз: 10–12 с на 1мм толщины инструмента из сталей типа «Р» и 30–60 с для сталей типа В11М7К23. Это позволяет избежать роста аустенитного зерна (не крупнее № 10), окисления и обезуглероживания.

Инструменты простой формы закаливают в масле, а сложной — в растворах солей (KNO3) при 250–400 °С.

После закалки структура быстрорежущей стали (рис. 6.1, в) состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3–0,4 % С, не растворенных при нагреве избыточных карбидов, и около 20–30 % остаточного аустенита. Последний снижает твердость, режущие свойства инструмента, ухудшает шлифуемость, и его присутствие нежелательно.

Отпуск. При многократном отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550–570 °С в течение 45–60 мин. Режим термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 приведен на рис. 6.2. Число отпусков может быть сокращено при обработке холодом после закалки, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты сравнительно простой формы. Твердость после закалки HRCЭ 62–63, а после отпуска она увеличивается до HRCЭ 63–65.

Поверхностная обработка. Для дальнейшего повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости поверхностного слоя режущих инструментов применяют такие технологические операции, как цианирование, азотирование, сульфидирование, обработку паром и другие технологии поверхностного упрочнения. Их выполняют после окончательной термообработки, шлифования и заточки инструментов.

Рис. 6.2. Режимы термической обработки инструмента из стали Р18:
а) закалка и трехкратный отпуск;
б) закалка, обработка холодом, отпуск

Цианирование осуществляют при 550–570 °С в течение 5–30 мин в жидких средах и 1,5–3,0 ч в газовой атмосфере. Для жидкостного цианирования используют ванны с расплавами NaCN (90 или 50 %), Na2CO3 , NaOH (KOH). Газовое цианирование выполняют в смеси аммиака и науглероживающего газа.

Азотирование инструментов проводится при 550–660 °С продолжительностью 10–40 мин в атмосфере аммиака. Проводят также газовое азотирование в смеси 20 % аммиака и 80 % азота; последнее предпочтительней, так как в этом случае обеспечивается меньшая хрупкость слоя.

Сульфидирование проводят при 450–560 °С, продолжительностью от 45 мин до 3,0 ч в жидких расплавах, например 17 % NaCl, 25 % BaCl2, 38 % CaCl2, 3–4 % K4Fe(CN)6, в которые добавляют серосодержащие соединения FeS, Na2SO4, KCNS.

При обработке паром инструменты помещают в герметичную печь и выдерживают при 300–350 °С под давлением 1–3 МПа в течение 20–30 мин для удаления воздуха. Затем тепература повышается до 550–570 °С, проводится выдержка 30–60 мин, охлаждение в атмосфере пара до 300–350 °С, после чего подача пара прекращается. Заканчивается охлаждение в печи или на воздухе, затем инструмент немедленно подвергают промывке в горячем веретенном масле.

Применение. Грамотный выбор марки стали для конкретного инструмента в зависимости от условий его работы и обрабатываемого материала дает возможность максимально использовать ресурсы свойств выбранной стали и, как следствие, рационально расходовать легирующие материалы, а также определять необходимость тех или иных покрытий, наплавки и других способов поверхностного упрочения. В табл. 6.9. представлены рекомендуемые области применения наиболее распространенных марок быстрорежущих сталей в зависимости от типов обрабатываемых материалов и видов обработки. Такой подход к выбору инструментальных сталей любого назначения способствует повышению как производительности, так и экономичности производства.

Порошковые быстрорежущие стали

Использование порошковых сталей при производстве инструментов (химический состав порошковых сталей дан в табл. 6.10) позволяет, в отличие от быстрорежущих сталей традиционного производства: 1) получить мелкозернистую структуру с равномерным распределением дисперсных карбидов при отсутствии макро- и микроликвации и шлаковых включений; 2) повысить технологическую пластичность, что особенно важно для высокоуглеродистых сложнолегированных сталей;

Таблица 6.9

Рекомендуемые области применения основных марок быстрорежущих сталей

Обрабатываемый материал

Виды инструментов

Резцы

Сверла

Развертки, зенкеры

Метчики,

плашки

Протяжки,

прошивки

Фрезы

Зуборезный инструмент

Ножовочные полотна, пилы

Концевые, дисковые

Насадные, торцевые

Углеродистые и низколегированные стали

Р6М5Ф3

Р6М5К5*1

Р9К5

Р6М5

11РЗАМ3Ф2

Р6М5Ф3

Р12Ф3

Р6М5

Р6М5Ф3

Р6М5К5*1

Р6М5

11РЗАМ3Ф2

Р6М5Ф3

Р6М5Ф3

Р6М5

Р6М5

Р6М5Ф3*1

Р6М5К5

Р6М5

Р6М5Ф3

Р6М5К5*1

Р6М5

Р6М5Ф3

Р6М5К5*1

Р9М4К8*1

11Р3АМ3Ф2

Р6М5

Р9

Высоколегированные конструкционные, нержавеющие и легированные улучшенные стали

Р9К5

Р12Ф4К5

Р6М5К5

Р6М5Ф3

Р12Ф3

Р6М5К5

Р18

Р6М5Ф3

Р6М5К5

Р9М4К8

Р18

Р6М5

Р6М5Ф3

Р6М5К5

Р18

Р6М5Ф3

Р6М5К5

Р9К5

Р6М5К5

Р9М4К8

Р9К5

Р6М5К5

Р9К5

Р6М5К5

Р9М4К8

11Р3АМ3Ф2

Р6М5

Р9

Жаропрочные стали и сплавы, высокопрочные стали

Р18К5Ф2

Р12Ф4К5*2

Р6М5К5

В4М12К23

Р6М5К5

Р9М4К8

Р18К5Ф2

Р12Ф4К5

Р6М5К5

Р9К5

Р6М5Ф3

Р6М5К5

Р18

Р6М5Ф3

Р6М5К5

Р18К5Ф2

Р9М4К8

Р6М5К5

В11М7К23

Р18К5Ф2

Р12Ф4К5*2

Р6М5К5

В4М12К23

Р9М4К8

Р6М5К5

Р6М5

Примечание. Выделены наиболее предпочтительные марки стали.

*1 При работе на повышенных скоростях резания.

*2 Для инструментов простой формы.

3) существенно уменьшить влияние масштабного фактора на прочность, вязкость и тем самым обеспечить более высокий уровень механических свойств в заготовках крупных сечений по сравнению с металлом, полученным по традиционной технологии; 4) значительно улучшить шлифуемость (в том числе сталей, содержащих 3–6 % ванадия и более) и увеличить надежность работы инструментов вследствие уменьшения вероятности образования дефектов типа прижогов и микротрещин при заточке; 5) повысить стойкость инструментов в 1,5–3 раза.

Порошковая быстрорежущая сталь в силу указанных отличий обладает более высокой теплостойкостью, износостойкостью и технологичностью.

Порошковая технология. Исходная шихта, состоящая из порошка или тонко измельченной стружки быстрорежущей стали, подвергается холодной формовке и последующему твердофазному спеканию заготовок. Спекание производят при 1180 °С [1] в вакууме в течение 3–5 ч. Для уменьшения пористости заготовки подвергают горячей штамповке или прессованию. После этого заготовки подвергаются полному отжигу в защитной среде. Твердость после отжига составляет 269–285 НВ в зависимости от марки стали.

Термическая обработка порошковых быстрорежущих сталей несколько отличается от полученных по традиционной технологии. После механической обработки инструмент, в первую очередь сложной формы и крупногабаритный, целесообразно подвергать отжигу для снятия напряжений (680–720 °С). Последующая закалка и трехкратный отпуск проводят по такой же технологии, как для обычных быстрорежущих сталей. Режимы термической обработки и механические свойства порошковых быстрорежущих сталей приведены в табл. 6.11.

Таблица 6.10

Марки и химический состав (масс. %) порошковых быстрорежущих сталей
(ГОСТ 28393–89)

Марка  стали

Углерода

Кремния

Марганца

Хрома

Вольфрама

Ванадия

Кобальта

Молибдена

не более

Р6М5Ф3-МП

1,25–1,35

0,60

0,50

3,80–4,30

5,70–6,70

3,10–3,70

< 0,50

5,50–6,00

Р7М2Ф6-МП

1,65–1,75

0,60

0,50

3,80–4,30

6,50–7,50

5,60–6,20

< 0,50

1,80–2,30

Р12МФ5-МП

1,45–1,55

0,60

0,50

3,80–4,30

11,50–12,50

4,00–4,60

< 0,50

1,00–1,50

Р6М5К5-МП

1,02–1,09

0,60

0,50

3,80–4,30

6,00–7,00

1,70–2,20

4,80–5,30

4,80–5,30

Р9М4К8-МП

1,10–1,20

0,60

0,50

3,00–3,60

8,50–9,50

2,30–2,70

7,50–8,50

3,80–4,30

Р12М3К5Ф2-МП

1,05–1,15

0,60

0,50

3,80–4,30

11,50–12,50

1,80–2,30

5,00–5,50

2,5–3,00

Примечания:

  1. В марке стали МП — материал порошковый.
  2. Во всех сталях содержание Ni, S, P, Cu, O2 (%) не более 0,40; 0,030; 0,030; 0,025; 0,02 соответственно.

Таблица 6.11

Режимы термической обработки и основные свойства порошковых быстрорежущих сталей

Марка стали

Твердость НВ в состоянии поставки,
не более

TЗ, °C

Tотп, °С

HRCЭ,

не менее

s изг, МПа

Теплостойкость, °С (HRCЭ 58)

Р6М5Ф3-МП

269

1190–1210

540–560

65

3500–4400

630

Р6М5К5-МП

269

1190–1210

540–560

66

3000–3800

630

Р12МФ5-МП

285

1200–1230

560–570

65

3000–4000

635

Р7М2Ф6-МП

269

1190–1210

540–560

64

3500–4200

630

Р9М4К8-МП

285

1200–1220

550–570

66

3000–3700

635

Р12М3К5Ф2-МП

285

1200–1230

560–570

66

2600–3500

635

 

Применение порошковых быстрорежущих сталей для изготовления инструмента не отличается от полученных по традиционной технологии. Ре

комендуемые примеры их применения и сравнения по шлифуемости и стойкости с обычными быстрорежущими сталями приведены в табл. 6.12.

Таблица 6.12

Свойства и примеры применения порошковой быстрорежущей стали (ГОСТ 28393–89)

Марка стали

Шлифуемость, относительной стали марки Р6М5

Предел прочности при изгибе, МПа

Стойкость инструмента

Назначение

Коэффициент стойкости

По сравнению со сталью марки

Р6М5Ф3-МП

1,0–1,2

3500–4400

1,3–1,8

Р6М5Ф3

Фасонные резцы, сверла, развертки, зенкеры, метчики, протяжки, фрезы, долбяки, шеверы для обработки низко- и среднелегированных сталей

2,0–5,0

Х12МФ

Инструменты для холодного и полугорячего выдавливания легированных сталей и сплавов

Р7М2Ф6-МП

1,0–1,2

3500–4200

1,3–3,0

Р18

Протяжки, метчики, концевые фрезы, развертки, фасонные резцы для чистовой обработки, среднелегированных конструкционных, коррозионностойких сталей и жаропрочных сталей и сплавов

Р7М2Ф6-МП

1,0–1,2

3500–4200

3,0–5,0

Х12МФ

Инструменты для холодного деформирования (вырубки, высадки, выдавливания) углеродистых и легированных сталей

Р6М5К5-МП

1,0–1,3

3000–3800

1,5–2,0

Р6М5К5

Фасонные резцы, сверла, развертки, зенкеры, фрезы долбяки, шеверы для обработки среднелегированных, легированных, коррозионностойких сталей, жаропрочных сталей и сплавов

Р9М4К8-МП

1,0–1,3

3000–3700

1,5–2,0

Р9М4К8

Фасонные резцы, сверла, развертки, зенкеры, фрезы (червячные, концевые, дисковые, специальные), долбяки, шеверы для обработки высокопрочных сталей и жаропрочных сталей и сплавов

Р12М3К5Ф2-МП

1,0–1,3

2600–3500

1,5–2,0

Р12М3К5Ф2

Фасонные резцы, сверла, развертки, зенкеры, метчики, протяжки, фрезы (червячные, дисковые, концевые, специальные), долбяки, шеверы для обработки высокопрочных сталей, жаропрочных сталей и сплавов

 

Карбидостали

Среди изготавливаемых методами порошковой металлургии материалов начинают получать распространение карбидостали — материалы, состоящие из легированной матрицы и карбидов с массовой долей от 20 до 70 % (преимущественно карбид титана).

В настоящее время разработаны карбидостали инструментального назначения, содержащие около 30 об. % карбидов или карбонитридов титана, равномерно распределенных в матрице из инструментальной стали. Компактирование их осуществляется методами горячего изостатического прессования и экструзии при температурах твердофазного спекания, не превышающих 1180 °С. Химический состав, режимы термообработки и основные свойства представлены в табл. 6.13 и 6.14.

Термическая обработка оказывает определяющее влияние на формирование микроструктуры и свойств карбидосталей. Она включает закалку и отпуск.

Закалка производится в соляных ваннах, нагрев ступенчатый — предварительный подогрев (800–850 °С), окончательный нагрев до температуры, указанной в табл. 6.14. Охлаждение проводят в расплаве хлоридов (500–550 °С) или в селитре (400–450 °С).

Отпуск проводится в соляных ваннах: для сплава КСТ-1 отпуск трехкратный по 1 ч; для КСТ-2 отпуск двукратный: первый — с выдержкой 2 ч, второй — 3 ч.

После окончательной шлифовки и заточки инструмент подвергается дополнительному отпуску (400–450 °С) для снятия напряжений.

Применение. Карбидостали после закалки и отпуска обладают высокой твердостью (HRA 86–88) и износостойкостью, по комплексу свойств они занимают промежуточное положение между твердыми сплавами и быстрорежущими сталями. Применяются для изготовления режущего инструмента (протяжки, концевые фрезы и др.), а также штампового инструмента.

Таблица 6.13

Химический состав (%) карбидосталей

Марка стали

С

Cr

W

Mo

V

Co

Ti

Р6М5К5-КТ20 (КСТ-1)

4,5–5,0

3,0–3,5

4,8–5,8

3,8–4,3

1,3–1,8

3,8–4,3

15–17

6Х3В3МФС-КТ 20 (КСТ-2)

4,0–4,5

4,4–5,3

2,0–2,6

0,4–0,7

0,4–0,7

–

15–17

Таблица 6.14

Режимы термической обработки и основные свойства карбидосталей

Марка стали

Твердость

Hrcэ после
отжига

Tз, °С

Тотп, °С

Твердость HRA

s изг, МПа

KCU,

Дж/см2

Теплос-тойкость Т, °С

Р6М5К5-КТ20

(КСТ-1)

40–44

1190–1210

540–560

88–89

1400–1700

3–4

660–670

6Х3В3МФС-КТ 20

(КСТ-2)

38–42

1060–1075

перв. 550–560

втор. 480–520

86–88

2000–2500

8–1,2

640–650

Примечание. Режимы отжига: КСТ-1 — нагрев до 850–860 °С, выдержка 2–3 ч, охлаждение до 730–740 °С со скоростью 20–30 град/ч, выдержка 4–6 ч, охлаждение со скоростью 30–40 град/ч до 600 °С, охлаждение с печью до 300 °С, далее — на воздухе; КСТ–2 — нагрев до 860–880 °С, выдержка 3–5 ч, охлаждение со скоростью 20–30 град/ч до 760–780 °С, выдержка 4–6 ч, охлаждение со скоростью 30–40 град /ч до 550 °С, далее — на воздухе.

Металлокерамические твердые сплавы

Под твердыми сплавами понимают сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой, как правило, кобальтом. Твердые сплавы являются металлокерамическими.

Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют эту смесь в изделия необходимой формы и подвергают спеканию при 1400–1550 °С в защитной атмосфере (водород) или в вакууме. При спекании кобальт плавится и растворяет часть карбидов, что позволяет получать плотный материал (пористость не превышает 2 %), состоящий на 80–97 % из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение содержание связки вызывает снижение твердости, но повышение вязкости.

Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащаются режущие инструменты (резцы, сверла, фрезы и др.), а также деталей машин, приборов измерительного инструмента.

Такие инструменты обладают высокой твердостью HRA 80–92 (HRCЭ 73–76), износостойкостью и высокой теплостойкостью (до 800–1000 °С). По своим эксплутационным свойствам они превосходят инструменты из инструментальных сталей (см. рис. 6.3). Их недостатком является высокая хрупкость и сложность изготовления фасонных изделий.

Скорость резания твердосплавным инструментом в 5–10 раз выше скорости резания быстрорежущим.

Свойства твердых сплавов и, следовательно, области их применения зависят от состава и зернистости карбидной фазы (WC, TiC, TaC), а также от соотношения карбидной и связывающей фаз. Регулированием этих факторов можно в определенных пределах менять свойства сплавов.

Рис. 6.3. Зависимость твердости различных инструментальных материалов от температуры испытания:
1 — углеродистая сталь; 2 — быстрорежущая сталь; 3 — твердый сплав

В соответствии с ГОСТ 3882–74 в РФ выпускают три группы твердых сплавов: вольфрамовая (однокарбидная), титановольфрамовая (двухкарбидная), и титанотанталовольфрамовая (трехкарбидная). Их марки, состав и физико-механические свойства приведены в табл. 6.15.

Сплавы вольфрамовой группы (WC—Со) имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800 °С. Их применяют в режущем инструменте для обработки чугунов, сталей, цветных сплавов и неметаллических материалов. Повышенная износостойкость и сопротивляемость ударам сплавов группы ВК определяет их применение в горном инструменте и для изготовления штампов, пуасонов, матриц, фильер и т. д.

Таблица 6.15

Марки, химический состав и характеристики спеченных твердых сплавов (ГОСТ 3882–74)

Группы

Марки

Массовая доля основных
компонентов в смеси порошков, %

Физико-механические свойства

Карбид вольфрама

Карбид титана

Карбид  тантала

Кобальт

Предел прочности при изгибе, МПа (кгс/мм2),

не менее

Плотность,

(кг/м3) · 10–3

Твердость HRA,
не менее

Вольфрамовая

ВК3

97

–

–

3

1176 (120)

15,0–15,3

89,5

ВК3-М

97

–

–

3

1176 (120)

15,0–15,3

91,0

ВК4-В

96

–

–

4

1470 (150)

14,9–15,2

88,0

ВК6

94

–

–

6

1519 (155)

14,6–15,0

88,5

ВК6-М

94

–

–

6

1421 (145)

14,8–15,1

90,0

ВК6-ОМ

92

–

2

6

1274 (130)

14,7–15,0

90,5

ВК6-В

94

–

–

6

1666 (170)

14,6–15,0

87,5

ВК8

92

–

–

8

1666 (170)

14,4–14,8

88,0

ВК8-В

92

–

–

8

1813 (185)

14,4–14,8

86,5

ВК8-ВК

92

–

–

8

1764 (180)

14,5–14,8

87,5

ВК10

90

–

–

10

1764 (180)

14,2–14,6

87,0

ВК10-КС

90

–

–

10

1862 (190)

14,2–14,6

85,0

ВК11-В

89

–

–

11

1960 (200)

14,1–14,4

86,0

ВК11-ВК

89

–

–

11

1862 (190)

14,1–14,4

87,0

ВК15

85

–

–

15

1862 (190)

13,9–14,4

86,0

ВК20

80

–

–

20

2058 (210)

13,4–13,7

84,0

ВК20-КС

80

–

–

20

2107 (215)

13,4–13,7

82,0

ВК10-ХОМ

88

–

2

10

1470 (150)

14,3–14,7

89,0

Титановольф-
рамовая

Т30К4

66

30

–

4

980 (100)

9,5–9,8

92,0

Т15К6

79

15

–

6

1176 (120)

11,1–11,6

90,0

Т14К8

78

14

–

8

1274 (130)

11,2–11,6

89,5

Т5К10

85

6

–

9

1421 (145)

12,4–13,1

88,5

Т8К7

85

8

–

7

1519 (155)

12,8–13,1

90,5

Титанотантало-вольфрамовая

ТТ7К12

81

4

3

12

1666 (170)

13,0–13,3

87,0

ТТ8К6

84

8

2

6

1323 (135)

12,8–13,3

90,5

ТТ10К8-Б

82

3

7

8

1617 (165)

13,5–13,8

89,0

ТТ20К9

71

8

12

9

1470 (150)

12,0–12,5

91

 

Сплавы второй группы (WC—TiC—Co) имеют более высокую теплостойкость (до 900–1000 °С) и твердость. Это связано с тем, что карбид вольфрама частично растворяется в карбиде титана при температуре спекания с образованием твердого раствора (Ti, W)С, имеющего более высокую твердость, чем WC. Структура карбидной фазы зависит от соотношения WC и TiC в шихте. В сплаве Т30К4 образуется одна карбидная фаза — твердый раствор (Ti, W)С, который придает сплаву максимальную твердость (HRA 92), но пониженную прочность. В остальных сплавах этой группы количество WC превышает растворимость в TiС, поэтому карбиды вольфрама в них присутствуют в виде избыточных частиц. Эти сплавы применяют в основном для высокоскоростной обработки сталей и чугунов.

Третью группу образуют сплавы системы (WC—TiC—TaC—Co). В этих сплавах структура карбидной основы представляет собой твердый раствор (Ti, Та, W)С, и избыток WC. Сплавы этой группы отличатся от предыдущей большей прочностью, лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются в наиболее тяжелых условиях резания — при черновой обработке стальных поковок, отливок, а также труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Подробные сведения по областям применения твердых сплавов приведены в табл. 6.16.

Общим недостатком рассмотренных сплавов, помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья — основного компонента, определяющего их повышенные физико-механические характеристики. Поэтому перспективно направление использования безвольфрамовых твердых сплавов. Хорошо себя зарекомендовали сплавы, в которых в качестве основы используется карбид титана, а в качестве связки — никель и молибден. Они маркируются буквами КТС и ТН. Твердые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15–17 % Ni и 7–9 % Mo соответственно, остальное — карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-30 в качестве связующего металла применяют в основном никель в количестве 16–30 %. Концентрация молибдена составляет 5–9 %, остальное — также карбид титана. Твердость подобных твердых сплавов составляет 87–94 HRA, сплавы имеют высокую износо- и коррозионную стойкость. Их используют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.

Кроме указанных твердых сплавов все шире в практике обработки резанием применяют керамические инструментальные материалы. К ним относятся керамики оксидного и оксидно-карбидного типа (В-3, ВОК-60, ВО-13), предназначенные для оснащения режущего инструмента (ГОСТ 26630–85). Марки, физико-механические свойства и области применения этих материалов представлены в табл. 6.17.

Таблица 6.16

Область применения твердых сплавов

Марки

Применение

Для обработки материалов резанием

ВК3

Чистового точения с малым сечением среза, окончательного нарезания резьбы, развертывания отверстий и других аналогичных видов обработки серого чугуна, цветных сплавов и неметаллических материалов (резины, фибры, пластмассы, стекла, стеклопластиков, и т.д.). Резки листового стекла

ВК3-М

Чистовой обработки (точения, растачивания, нарезания резьбы, развертывания) твердых, легированных и отбеленных чугунов, цементированных и закаленных сталей, а также высокоабразивных неметаллических материалов

ВК6-ОМ

Чистовой и получистовой обработки твердых, легированных и отбеленных чугунов, закаленных сталей и некоторых марок нержавеющих высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, особенно сплавов на основе титана, вольфрама и молибдена (точения, растачивания, развертывания, нарезания резьбы, шабровки)

ВК6-М

Получистовой обработки жаропрочных сталей и сплавов, нержавеющих сталей аустенитного класса, специальных твердых чугунов, закаленного чугуна, твердой бронзы, сплавов легких металлов, абразивных неметаллических материалов, пластмасс, бумаги, стекла. Обработки закаленных сталей, а также сырых углеродистых и легированных сталей при тонких сечениях среза на весьма малых скоростях резания

ТТ8К6

Чистового и получистового точения, растачивания, фрезерования и сверления серого и ковкого чугуна, а также отбеленного чугуна. Непрерывного точения с небольшими сечениями среза стального литья, высокопрочных, нержавеющих сталей, в том числе и закаленных. Обработки сплавов цветных металлов и некоторых марок титановых сплавов при резании с малым и средним сечением среза

ВК6

Чернового и получернового точения, предварительного нарезания резьбы токарными резцами, получистового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания и растачивания отверстий, зенкерования серого чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов

ВК8

Чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, строгании, чернового фрезерования, сверления, чернового рассверливания, чернового зенкерования серого чугуна, цветных сплавов и неметаллических материалов. Обработки нержавеющих, высокопрочных и жаропрочных труднообрабатываемых сталей и сплавов, в том числе сплавов титана

ВК10-ХОМ

Сверления, зенкерования, развертывания, фрезерования и зубофрезерования стали, чугуна, некоторых труднообрабатываемых материалов и неметаллов цельнотвердосплавным, мелкоразмерным инструментом

ВК15

Режущего инструмента для обработки дерева

Т30К4

Чистового точения с малым сечением среза (типа алмазной обработки); нарезания резьбы и развертывание отверстий незакаленных и закаленных углеродистых сталей

Т15К6

Получернового точения при непрерывном резании, чистового точения при прерывистом резании, нарезания резьбы токарными резцами и вращающимися головками, получистового и чистового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания и растачивания предварительно обработанных отверстий, чистового зенкерования, развертывания и других подобных видов обработки углеродистых и легированных сталей

Т14К8

Чернового точения при неравномерном сечения среза и непрерывном резании; чернового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания литых и кованных отверстий, чернового зенкерования и других подобных видов обработки углеродистых и легированных сталей

Т5К10

Чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, фасонного точения, отрезки токарными резцами; чистового строгания; чернового фрезерования прерывистых поверхностей и других видов обработки углеродистых и легированных сталей, преимущественно в виде поковок, штамповок и отливок по корке и окалине

Т8К7

Фрезерования труднообрабатываемых чугунов

ТТ7К12

Тяжелого чернового точения стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковинами при наличии песка, шлака и различных неметаллических включений при равномерном сечении среза и наличии ударов. Всех видов строгания углеродистых и легированных сталей. Тяжелого сверления отверстий в стали, чернового фрезерования углеродистых и легированных сталей

ТТ10К8-Б

Черновой и получистовой обработки некоторых марок труднообрабатываемых материалов, нержавеющих сталей аустенитного класса, маломагнитных сталей и жаропрочных сталей и сплавов в том числе титановых

ТТ20К9 Фрезерования стали, особенно фрезерование глубоких пазов и других видов обработки, предъявляющих повышенные требования к сопротивлению сплава тепловым и механическим циклическими нагрузками

Для бесстружковой обработки металлов,
быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений

ВК3, ВК6, ВК3-М, ВК6-М

Сухого волочения проволоки из стали, цветных металлов и их сплавов при небольшой степени обжатия. Быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и измерительного инструмента, работающих без ударных нагрузок

ВК8

Волочения, калибровки и прессования прутков и труб из стали цветных металлов и их сплавов.

Быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и измерительного инструмента, работающих при небольших ударных нагрузках

ВК10

 

Волочения и калибровки прутков и труб из стали, цветных металлов и их сплавов при средней степени обжатия

Быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и измерительного инструмента, работающих при ударных нагрузках средней интенсивности

ВК15

Волочения и прессования прутков и труб из стали при повышенной степени обжатия.

Штамповки, высадки, обрезки, вытяжки углеродистых и качественных сталей при ударных нагрузках малой интенсивности

ВК10-КС

Штамповки, высадки, вытяжки легированных и специальных сталей при ударных нагрузках малой интенсивности

ВК20-КС

Штамповки, высадки, обрезки легированных и специальных сталей и сплавов при ударных нагрузках средней интенсивности

ВК20К

Объемной штамповки и высадки при обычной и повышенной температурах углеродистых легированных и специальных сталей при ударных нагрузках высокой интенсивности

Таблица 6.17

Марки, физико-механические характеристики и области применения
керамических инструментальных материалов (ГОСТ 26630–85)

Марка

Физико-механические свойства

Область применения

Плотность,

(кг/м3) · 10–3

Предел прочности при изгибе, МПа (кгс/мм2)

не менее

Твердость

HRA,

не менее

В-3

4,50–4,70

637 (65)

93

Чистовая и получистовая обработка без ударов закаленных конструкционных сталей HRCЭ 30–50, серых ковких

В-3

4,50–4,70

637 (65)

93

и легированных чугунов НВ 190–340, графита, цветных металлов на основе меди с высоким скоростями резания (в 2–3 раза большими, чем для наиболее износостойких марок твердых сплавов) с малыми сечениями среза

ВОК-60

4,20–4,30

637 (65)

93

Чистовая и получистовая токарная обработка закаленных конструкционных сталей HRCЭ 45–60 и более серых, ковких, легированных чугунов с высокими скоростями резания, с малыми сечениями среза

ВО-13

3,92–3,94

400 (40,8)

92

Токарная обработка чугуна и стали при получистовом и чистовом точении

Керамические материалы по сравнению с твердыми сплавами обладают меньшей прочностью, но более высокой твердостью (HRA 92–93). Их преимуществом является доступность и низкая стоимость, благодаря чему они используются как замена вольфрамосодержащих твердых сплавов.

Особотвердые инструментальные материалы созданы на основе алмаза, нитрида бора и нитрида кремния.

Алмаз имеет твердость (HV10 000) в 6 раз выше твердости карбида вольфрама (HV1 700). Преимущественно применяют синтетические алмазы (борт, баллас, карбонадо) поликристаллического строения, отличающиеся меньшей хрупкостью и стоимостью, чем монокристаллы. Алмазным инструментом обрабатывают цветные сплавы, стеклопластики, керамику, обеспечивая при этом низкую шероховатость. При обработке сталей и чугунов применение алмаза ограничивается его высокой адгезией к железу и, как следствие, низкой износостойкостью.

Большей универсальностью обладают инструменты из поликристаллического нитрида бора с кубической решеткой (b -NB), называемого кубическим нитридом бора (КНБ). В зависимости от технологии получения, КНБ выпускают под названиями: эльбор, эльбор-Р, боразон. Нитрид бора (b -NB) по твердости (HV9000) почти не уступает алмазу, но превосходит его по теплостойкости (1200 °С) и химической инертности. Применяется для обработки труднообрабатываемых материалов: закаленных, цементованых сталей (HRCЭ > > 60), твердых сплавов, стеклопластиков и др.