Новые направления в создании быстрорежущих сталей

 

Разработаны новые марки безвольфрамовых быстрорежущих сталей нормальной производительности – 9Х6М3Ф3АГСТ (ЭК-41) и 9Х4М3Ф2АГСТ (ЭК-42). Стали имеют меньшую плотность, что сокращает расход быстрорежущих сталей на 4-5 %. По режущим свойствам они соответствуют свойствам стали Р6М5, что и предопределяет область их применения.

Для чистовых инструментов при обработке вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными свойствами нашла, применение сталь Р12Ф3 с высоким содержанием ванадия. Применяются стали с повышенным содержанием углерода и азота при низком содержании вольфрама и молибдена (11Р3АМ3Ф2) для инструментов простой формы при обработке углеродисты и низколегированных сталей (красностойкость до 620⁰С).

Цементуемые быстрорежущие стали. Быстрорежущие стали, несмотря на высокую стоимость, находят широкое приме­нение в промышленности. Снижение стоимости инструмента из быстрорежущей стали и повышение его долговечности имеет большое практическое значение. В Польше разработаны новые, экономные с точки зрения химического состава стали и более эффективные технологии ХТО. В институте прецизионной механики разработана быстрорежущая сталь (условная марка SM5) с пониженным содержанием углерода. Такая сталь предназначена для инструмента, изготовляемого методом пластической деформации и штамповки, работающего в условиях ударной нагрузки, а также для крупногабаритного инструмента. Ниже рассмотрены технологические, и эксплуатационные свойства этой стали, а также режимы ее термической обработки. В результате испытаний большого количества плавок, проведенных в лабораторных и промыш­ленных условиях, установлен оптимальный хими­ческий состав быстрорежущей стали для цемента­ции: 0,35% С; 4%-Сг; 1% W; 5% Мо; 1% V; 0,2% Ti; 0,1% Nb; 0,05% N.

Термическая обработка инструмента из быс­трорежущей стали SM5 заключается в высокотем­пературной цементации при 1000 - 1050°С с последующей аустенитизацией при 1080-1120°С в этой же печи и закалкой с температуры цемента­ции в масле или закалочных жидкостях, близких по охлаждающим способностям к маслу. После закалки, как и в случае других быстрорежущих сталей, проводят отпуск на вторичное твердение. Режим термической обработки подбирается инди­видуально для определенного инструмента.

В таблице 1 даны свойства образцов из разработанной стали SM5 и для сравнения — стандартной быстрорежущей ста­ли SW7M (0,8% С; 4% Сг; 5% Мо; 2% V; 7% W). Видно, что при одинаковой твердости поверхнос­тного слоя образцы стали SM5 имеют более высо­кое сопротивление ударным нагрузкам и коэффи­циент вязкости разрушения, чем сталь SW7M.

 

Таблица 1- Свойства образцов из стали SM5 и SW7M

 

Сталь	HRC	а1, МДж/м^2	RД, Н/мм^2	к1с, Н/мм^3/2	fc, мм	fs, мм	fp, мм	fp/fc,%
SM5	65,5	0,67			2,78	2,53	0,25	8,4
SW7М	65,5	0,47			2,84	2,73	0,11	4,0
Обозначения: RД - сопротивление изгибу, К1с - коэф­фициент интенсивности напряжений;.fс - стрела прогиба; fs и fp, - упругая и пластическая доля стрелы прогиба.

 

Показано, что в разработанной стали для цементации по срав­нению со сталью типа SW7M значительно мень­ше объемной доли карбидной фазы, но количес­тва частиц карбидов больше, причем эти карбиды мельче. Вследствие этого поверхность раздела карбидной фазы и матрицы относительно боль­шая, что облегчает их растворимость в процессе аустенитизации и насыщение аустенита легиру­ющими элементами. Качественный анализ пока­зывает, что в стали SM5, как и в сталях типа SW7M, в отожженном состоянии в основном со­держатся карбиды типа M₆C; наблюдается также небольшое количество карбидов М₂₃С₆ и МС. В закаленной стали SM5 среди нерастворенных в процессе аустенитизации карбидов - 60% состав­ляют карбиды типа МС и - 40% — карбиды типа M₆C. Основная масса карбидов, которая перешла в твердый раствор, — это карбиды типа М₆С. После отпуска в местах первичных выделений карбидов в стали наблюдаются в основном кар­биды типа МС (-65%) и M₆C, а также образовав­шиеся при отпуске мелкие карбиды типа М₃С.

Разработанную быстрорежущую сталь SM5 можно поставлять в виде кованых стержней и хо­лоднокатаной ленты, что позволяет изготовлять полуфабрикаты для инструмента определенного типа, т. е. экономить тем самым материал и энер­гию на механическую обработку. Незначительная сегрегация карбидов позволяет осуществлять про­изводство крупногабаритного инструмента. Новая сталь предназначена в основном для инструмента следующих типов: плоского по форме (пильные полотнообразные фрезы и др.); крупногабаритного, производство, которого из быстрорежущих сталей до сих пор невозможно из-за большой сегрегации карбидов; работающего в условиях ударной нагрузки; изготовляемого методом холодной и горя­чей формовки.

 

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

 

Твердые сплавы являются спеченными порошковыми материалами на основе твердых тугоплавких соединений переходных металлов. Основой большинства твердых сплавов является карбид вольфрама, наряду с ним используется карбид и карбонитрид титана и карбид тантала. В качестве связующего материала главным образом используется кобальт, а в ряде сплавов никель с молибденом.

Твердые сплавы изготовляют методами порошковой металлургии, смешивая порошки карбида и связующего металла, спрессовывая их в формы и спекая при температуре 1250-1500°С. Такой инструмент не подвергается термообработке, а лишь затачивается. Марки твердых сплавов регламентируются ГОСТ 3882-74. В марках твердых сплавов буквы обозначают: В-карбид вольфрама, Т-карбид титана, ТТ-карбиды титана и тантала, КНТ-карбонитрид титана, К-кобальт, Н-никель. Цифры после букв – содержание этих веществ в процентах.

Классификация твердосплавных материалов:

- вольфрамокобальтовые (ВК5, ВК9);

- титанокобальтовые (Т15К6);

- титанотанталокобальтовые (ТТ7К10) и др.

Твердые сплавы широко применяют для обработки материалов резанием, для оснащения горного инструмента, быстроизнашивающихся деталей машин, узлов штампов, инструмента для волочения, калибровки, прессования и т.д. Твердосплавный инструмент очень дорог, поэтому из него изготовляют лишь режущую или изнашиваемую часть инструмента.

 

СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Сверхтвердые материалы широко применяют для оснащения лезвийных инструментов (резцы, сверла, фрезы). Они используются для чистовой размерной обработки при высоких скоростях резания (100-200 м¤мин и более).

Из сверхтвердых материалов наибольшее применение находят синтетические алмазы, твердость которых в 6 раз превосходит твердость карбида вольфрама и в 8 раз – твердость быстрорежущей стали. Алмазы имеют сравнительно небольшую теплостойкость до 800°С, что компенсируется их высокой теплопроводностью. Алмазным инструментом наиболее эффективно обрабатываются цветные металлы и их сплавы, пластмассы, керамика.

Большой универсальностью обладают инструменты из поликристаллического нитрида бора с кубической решеткой (b - BN), называемого кубическим нитридом бора (КНБ). Его получают спеканием микропорошков нитрида бора с гексагональной кубической решеткой при высоких температурах и давлениях. Известны следующие модификации КНБ: эльбор, эльбор-Р, боразон. Нитрид бора (b - BN) имеет такую же, как алмаз, кристаллическую решетку и близкие к нему свойства. По твердости КНБ не уступает алмазу, но превосходит его по теплостойкости (до 1200°С). В отличие от алмаза, КНБ не имеет химического сродства к железу, что позволяет использовать последний при обработке труднообрабатываемых сталей и чугунов.

В перспективе в качестве инструментальных материалов будут применяться вещества с преимущественно химической связью между атомами, обладающие вследствие этого наиболее высокими значениями твердости и теплостойкости: металлокерамика, нитриды, бориды и другие сверхтвердые материалы. Перспективным является использование способов упрочнения поверхностных слоев инструмента путем нанесения покрытий из нитридов титана, молибдена и других твердых соединений.