IV. Твердые сплавы

ТАБЛИЦА 2

ТАБЛИЦА 1

Материал	s-в, МПа	s, МПа	Твердость по Викерсу HV (МПа) при температуре °С	Теплостой-кость, °С
Инструментальные стали		1500-3500	800-900	200-550	70-270	-	200-300
Быстрорежущие стали	2500-4000	2500-3000	850-900	600-700	450-550	30-50	620-725
Твердые сплавы	3000-5000	1000-2000	1400-1800	1100-1200	800-1000	300-500	800-1200
Минеральная керамика	2500-5000	400-700	2000-2300				Выше 1000
Сверхтвердые материалы	2000-6500	300-500	6000-10000	3000-9000	2000-6000	1500-4500	-

I. УГЛЕРОДИСТЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Для изготовления режущих инструментов применяют высокоуглероди-стые (заэвтектоидные) высококачественные стали с содержанием углерода от 0,9 до 1,3%. Используют следующие марки сталей: У9А, У10А, У12А, У13A.

Для получения необходимой твердости углеродистые стали подвергают закалке с последующим отпуском для снятия остаточных напряжений и повышения прочности и вязкости. Температура закалки колеблется в пределах 760-820°С в зависимости от размеров инструмента и содержания углерода. В результате термообработки стали приобретают HRС 61-63 и s_и = 2000-2200 МПа. Стали хорошо шлифуются и являются дешевым материалом. К недостаткам этих сталей относится их низкая закаливаемость, требующая при закалке резких закалочных сред (вода), что увеличивает напряжения деформации в инструменте. Главным недостатком этих сталей является их низкая теплостойкость Q = 200…250°С. Структура сталей после термообработки состоит из мартенсита, цементита и остаточного аустенита. При температуре 200-2500°С происходит выделение карбидов железа, их размеры увеличиваются и твердость падает. В связи с этим из углеродистых сталей изготавливают инструменты, работающие при скорости резания V 10¸15 м/мин (метчики, сверла малых диаметров, плашки, напильники и др.).

II. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Улучшить свойства углеродистых сталей можно за счет добавления, (легирования) в них небольших количествах хрома, марганца, кремния. Это позволяет повысить их прокаливаемость и несколько увеличить температуру распада мартенсита закалки до 250-300°С, т.е. повысить их красностойкость и, следовательно, повысить скорость резания в 1,1 ¸ 1,3 раза. Низколегированные стали делятся на стали низкой и высокой прокаливаемости.

К первой группе относятся стали марок 11ХФ, I3X, ХВ4. Содержание хрома в этих сталях 0,2-0,7%, ванадия - 0,15-0,3%. Из этих сталей изготавливают ножовочные полотна, развертки, фасонные резцы.

К сталям глубокой прокаливаемости относятся стали марок 9ХС, 9ХФ, ХВГ, ХВСГ. В этих сталях хрома значительно больше - 0,8-1,5%. Из этих сталей изготавливают протяжки, сверла, метчики. Термообработка низколегированных сталей заключается в закалке в масле при температуре нагрева 820-875°С с последующим отпуском при температуре 150-180°С, в результате чего достигается твердость HRC 63-67. Наибольшее распространение получили стали марок 9ХС, ХВГ.

Ш. БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ

Быстрорежущие стали отличаются от легированных присутствием в них значительно большего количества карбидообразущих элементов, таких как: вольфрам, молибден, ванадий, хром. Введение этих элементов в определенных количествах и сочетаниях приводит к образованию сложных карбидов, связывающих почти весь углерод, в результате чего процесс коагуляции карбидов, выделяющегося из мартенсита, начинается при значительно более высоких температурах и теплостойкость стали возрастает.

Обозначение марки быстрорежущей стали включает в себя буквы, обозначающие основные элементы:

Р - вольфрам (от слова Rapid - быстрый),

М - молибден, Ф - ванадий, К - кобальт и.цифры (за буквами), обозначающие среднее массовое содержание элемента в %.

Содержание хрома (~ 4%) в обозначении всех марок быстрорежущих сталей не указывается. Влияние отдельных элементов на свойства сталей различно.

Вольфрам - придает стали теплостойкость,

Хром - придает стали хорошую прокаливаемость,

Ванадий - увеличивает теплостойкость, но ухудшает шлифуемость,

Молибден - влияет на теплостойкость стали также как и вольфрам, если их соотношение по массе Мо: W = 1,0: 1,5 и в случае, если в сталь вводится до 5% Мо.

Кобальт - в стали карбидов не образует, но повышает ее твердость и теплостойкость. При массовой доли кобальта в стали более 5% увеличивается ее хрупкость.

Существенным недостатком быстрорежущих сталей является значительная карбидная неоднородность. Она сильнее выражена в сталях с повышенным содержанием вольфрама, ванадия, кобальта и меньшей степени в сталях, легированных молибденом. Карбидная неоднородность сталей оценивается по 8-балльной шкале. 1 балл соответствует равномерному распределению карбидов, а 8-ой - литой структуре. Инструменты из стали с большой карбидной неоднородностью имеют пониженную стойкость и повышенную хрупкость. Для устранения этого при изготовлении инструментов их заготовки подвергают неоднократной проковке.

Термическая обработка инструментов из быстрорежущей стали состоит из закалки с последующим 2-х или 3-х кратным отпуском при температуре 550-580°С. Нагрев под закалку производится до температуры 1260-1300°С с целью растворения в аустените возможно больше легированных карбидов. В процессе закалки не весь аустенит превращается в мартенсит. Часть его присутствует в виде остаточного аустенита. При отпуске происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных частиц карбидов, что приводит к повышению твердости. После закалки и отпуска быстрорежущая сталь состоит из 2-х фаз:

1. Мартенсита, легированного вольфрамом или молибденом, и, в меньшей степени ванадием и хромом.

2. Дисперсных карбидов вместе с избыточными карбидами, не растворившимися при закалке.

Высокая теплостойкость быстрорежущих сталей позволяет работать со скоростями резания в 2,5-3 раза более высокими, чем те, которые при равной стойкости допускают инструменты из быстрорежущих сталей.

В зависимости, от уровня теплостойкости быстрорежущие стали делятся на стали нормальной теплостойкости (Q_к £ 620°С) и стали повышенной теплостойкости (Q_к ³ 630°С).

Наиболее распространенные марки сталей, их состав и основные физико-механические свойства приведены в таблице 2.

Марка стали	Массовая доля компонента, %	HRC	sи, МПа	Q, °С	Группа применя- емости
C	Cr	W	Mo	V	Co
Р18	0,7-0,8	3,8-4,4	17,0-18,5	1,0 не более	1,0-1,4	-		2900-3100		Нормаль-ной производи-тельности (HSS)
Р6М5	0,8-0,98	3,8-4,4	5,5-6,5	5,0-5,5	1,0-2,1	-		3300-3400
10Р6М5	0,96-1,05	3,9-4,3	5,7-6,7	5,5-6,0	2,2-2,6	-
Р12Ф3	0,94-1,04	3,5-4,0	12,0-13,5	0,5-1,0	2,5-3,0	0,6		3000-3100		Повышен-ной производи-тельности HSS-Е, HSS-Co
Р9К5	0,9-1,0	3,8-4,4	9,0-10,5	1,0 не более	2,0-2,6	5,0-6,0
Р10К5Ф5	1,45-1,55	4,0-4,6	10,0-11,5	1,0 не более	4,3-5,1	5,0-6,0
Р6М5К5	0,8-0,88	3,8-4,3	6,0-7,0	4,8-5,3	1,7-2,2	4,8-5,3
Р6М5Ф2К8	0,95-1,05	3,8-4,3	5,5-6,5	4,8-5,3	1,8-2,3	7,5-8,5	64-68	3000-3500

В зависимости от химического состава стали подразделяют на:

1. Вольфрамовые быстрорежущие стали. Наиболее распространены стали марок PI8, PI2, Р9.

PI8 - имеет наибольший интервал закалочных температур, хорошо шлифуется. Главные недостатки:

1. Большая карбидная неоднородность, 2. Дефицит из-за большого содержания вольфрама. Долгое время это была самой распространенной маркой. HRC 63...64.

PI2 - теплостойкость несколько ниже, чем у PI8, хорошо шлифуется, на 30% дешевле чем PI8.

Р9 - карбидная неоднородность на 2 балла меньше, хуже шлифуется.

2. Вольфрамомодибденовые стали. Наиболее распространены стали Р6М5, 10P6M5. В этих сталях часть вольфрама заменена молибденом, что несколько снижает красностойкость (по сравнению с PI8). Карбидная неоднородность на 2 балла ниже. По режущим свойствам не уступает стали PI8. Применяется для всех видов режущих инструментов (сверла, метчики, протяжки, развертки).

10P6M5. Стойкость инструментов на 30% выше, чем у стали PI8 за счет высокой твердости (HRC 64-65).

3. Вольфрамованадиевые стали. Наиболее распространены марок Р18Ф и Р12ФЗ. Они более твердые (HRC 63... 65) и теплостойкие. Но хуже шлифуются, рекомендуются для инструментов, обрабатывающих некоторые марки нержавеющих и жаропрочных сталей.

4. Вольфрамокобальтовые стали. Наиболее распространены марок Р9К5 и P9K10. Кобальт карбидов не образует, но увеличивает вторичную твердость (HRC 64-66) и теплостойкость Q = 630°С. Стали эти шлифуются лучше, чем вольфрамованадиевые, обладают высокой теплопроводностью. Недостатком этих сталей является более высокая хрупкость, чем у ванадиевых сталей. Применяют для обработки нержавеющих и жаропрочных сталей.

5. Вольфрамованадиевые с кобальтом. Эти стали имеют высокую твердость (HRC 66-68), теплостойкость в Q = 640°С и повышенную износостойкость. Применяются для изготовления инструментов, предназначенных для резания труднообрабатываемых материалов и конструкционных сталей с повышенной твердостью (HRC 40... 45). Наиболее распространены стали марок Р18К5Ф2, Р18Ф2КМ8, Р12Ф4К5, Р10К5ФЗ. Стали с массовой долей вольфрама 18% применяются все реже.

6. Вольфрамомолибденовые стали с кобальтом. Наиболее распространена сталь марки Р6М5К5. Сталь по твердости, теплостойкости и износостойкости не уступает сталям 5 группы. Инструменты из этих сталей предназначены для резания жаропрочных труднообрабатываемых материалов. Недостатком сталей является их склонность к обезуглероживанию.

7. Вольфрамомолибденованадиевые стали с кобальтом. Твердость стали этой группы достигает HRC 66-69. Наиболее распространены стали марок Р12М3Ф2К8, Р10М4Ф3К10, Р6М5Ф2К8. Последняя марка по режущим свойствам не уступает двум предыдущим. Она более экономно легирована. Предназначена для резания труднообрабатываемых материалов.

В последние годы практическое применение находят стали (сплавы) с интерметаллидным упрочнением (дисперсионно твердеющие). Это стали с пониженной массовой долей углерода (0,1-0,3% С) с очень высокой твердостью (HRC 68...69) и теплостойкостью Q = 700-725°С. Это стали следующих марок: PI8M7K25, PI8M3K25, P10M5K25. Эти сплавы весьма дорогие и их применение целесообразно лишь при резании труднообрабатываемых материалов.

В заключении следует отметить, что в практике металлообработки существующие марки быстрорежущих сталей объединены в 2 группы по области применения:

1. Стали обычной производительности. В зарубежной практике обозначаемые индексом HSS.

2, Стали повышенной производительности. В зарубежной практике обозначаются индексом HSS - Е, HSS - Со.

I. Вольфрамосодержащие твердые сплавы. В настоящее время для производства режущих инструментов широко используются твердые спла-вы, которые получают методом порошковой металлургии.

Исходным материалом для изготовления твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов: W, Ti, Тa и не образующих карбидов и Со, который играет роль цементирующего (связующего) вещества. Порошки в специальных пресс-формах на прессах прессуют, смешивают в определенных пропорциях и спекают при температуре 1500-2000°С в печах в среде водорода или в вакууме. При спекании твердые сплавы приобретают высокую твердость, достаточную прочность и в дополнительной термообработке не нуждаются. Размеры частиц твердой (карбидной) фазы составляют 0,5-10 мкм. Теплостойкость твердых сплавов в зависимости от марки твердого сплава лежит в пределах 800-1100°С, что позволяет осуществлять обработку со скоростями резания в 2-10 раз большими, чем при работе инструментами без быстрорежущих сталей. Чем больше в сплаве WC, TiC, TaC, тем выше его теплостойкость, твёрдость и износостойкость. При увеличении содержания кобальта прочность увеличивается, но теплостойкость и твердость снижается. Недостатком твердых сплавов является их меньшая прочность, по сравнению с быстрорежущими сталями, плохая шлифуемость и низкая технологичность.

Отечественной промышленностью выпускаются три основные группы вольфрамосодержащих твердых сплавов:

1. Вольфрамовые (однокарбидные) - ВК,

2. Титано-тантало-вольфрамовые (трёхкарбидные) - ТТК,

3. Титано-вольфрамовые (двухкарбидные) - ТК.