Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали, имеющие в своем составе вольфрам (6—18%), хром (3—4,6%), ванадий (1—5%), кобальт (5—16%) и молибден (до 5,8%), обладают высокой теплостойкостью (615—725вС), твердостью (HRC 62—68) и значительно превосходят по своим режущим свойствам другие инструментальные стали (углеродистые и легированные). Скорость резания при обработке жаропрочных и титановых сплавов быстрорежущими инструментами не превышает 25—30 м/мин. Поэтому быстрорежущие инструменты при резании труднообрабатываемых материалов применяют в тех случаях, когда не представляется возможным использовать инструмент с режущей частью из твердых сплавов: при прерывистом резании и пониженной жесткости системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД), при сверлении и обработке отверстий малого диаметра, а также при нарезании в них резьбы, при протягивании сложного профиля и в ряде других случаев. Быстрорежущие стали обычно делят на две группы: стали, обеспечивающие нормальную производительность и повышенную. Стали первой группы (Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5, Р18Ф2) имеют универсальное применение. Быстрорежущие стали повышенной производительности (Р9Ф5, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2К5) применяются для обработки специальных сталей, жаропрочных и титановых сплавов, а также других труднообрабатываемых материалов. Хорошие результаты по стойкости при резании этих материалов показали стали Р12ФЗК10МЗ и Р12Ф5М, и лучшие показатели по стойкости дают стали высокой теплостойкости (700—720°С) и твердости (HRC 67—69) с интерметаллидным упрочнением ВЗМ12К23 и В11М7К23, содержащие малые количества углерода (до 0,15%), а также сталь Р9М4К8 с повышенным содержанием углерода, полученная новым способом — спеканием распыленных частиц. Быстрорежущие стали можно подразделить по основному свойству — теплостойкости (красностойкости) — на следующие группы:
— стали умеренной (нормальной) теплостойкости (615 — 625°С) с твердостью HRC 63—64,5, широко используемые в промышленности для обработки конструкционных сталей: вольфрамовые (Р9, Р12, Р18) и вольфрамомолибденовые (Р6МЗ, Р6М5, Р8МЗ) быстрорежущие стали;
— стали повышенной теплостойкости (625—640°С), к которым относятся быстрорежущие стали повышенной производительности, а также новые легированные стали с лучшим комплексом свойств: стали 10Р8МЗ, Р12ФЗ (HRC 64,5—66), предназначенные заменить стали Р9Ф5 и Р14Ф4, так как обладают большими прочностью и пластичностью, а также лучшей шлифуемостью; сталь Р12Ф4К5 (HRC 66—67), предназначенная заменить стали Р10Ф5К5, Р9К5 и Р9К10 для обработки коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов: стали с
повышенным содержанием углерода (1 —1,1%) и относительно низким содержанием ванадия (1,5 — 2,2%) Р8МЗК6С, Р9М4К8Ф и Р12МЗФ2К8, сочетающие повышенную теплостойкость (640—650°С) с очень высокой твердостью (до HRC 70), предназначенные для обработки как жаропрочных сплавов, так и улучшенных конструкционных сталей повышенной твердости (HRC 35—45);
— стали высокой теплостойкости (700—725°С), к которым относятся: стали с малым содержанием углерода (до 0,15%) — В11М7К23, ВЗМ12К23, В18М7К25, В18М4К25 и другие, упрочняющиеся в результате выделения интерметаллидной фазы при отпуске, — стали с интерметаллидным упрочнением (в отличие от обычных быстрорежущих сталей с карбидным упрочнением). Эти стали характеризуются высокой твердостью (HRC 67—69) и предназначаются для обработки титановых и жаропрочных сплавов и сталей; стали с большим содержанием углерода (углеродистые) 25В20К25ХФ, ЗВ20К16ХФ и др.
Новые молибденовольфрамовая ВЗМ12К23 и вольфрамомо-либденовая В11М7К23 стали с интерметаллидным упрочнением обладают повышенной износостойкостью при высоких температурах, характерных для процесса резания специальных сталей. Подобно стандартным быстрорежущим сталям, они испытывают а —> у — превращение при нагреве и охлаждении. Температура превращения значительно выше (920—960°С), чем у других быстрорежущих сталей (780—820°С), поэтому данные стали с интерметаллидным упрочнением обладают весьма высокой теплостойкостью (700—720*С) при высокой вторичной твердости (HRC 67—69), являющейся следствием выделения упрочняющей интерметаллидной фазы (Fe, Co)7 (W, Мо)6 при отпуске. Значительной твердостью отличаются эти стали и при высоком нагреве. Сталь В11М7К23 (0,13% С, 11—12% W, 7—8% Мо, 22—23%, Со, 0,4—0,6% V, 0,3% Nb) по прочности (ов = 2300 - 2500 МПа) и ударной вязкости (а = 11 + 13 Дж/см ) близка к кобальтовой стали Р9К10 (ов = 2250 + 2300 МПа, ан = 14 + 16 Дж/см2) и несколько уступает стали Р18 (ов = 3000 + 3200 МПа, ан = 28 + 31 Дж/см ). Однако по твердости (HRC 67—69) она существенно превосходит стандартные стали (РКС 62—65). Молибденовольфрамовая сталь ВЗМ12К23 (0,14% С, 3—4% W, 11,5-12,5% Мо, 22—23% Со, 0,4—0,6% V) представляет не меньший интерес, чем сталь В11М7К23. Это связано как с более экономным ее легированием вольфрамом, так и с повышенными значениями теплопроводности и механических свойств стали ВЗМ12 К23 (ав = 2500 - 2700 МПа, ан = 13-15 Дж/см2) по сравнению со свойствами стали В11М7К23. При этом по твердости и теплостойкости сталь ВЗМ12К23 не уступает последней. Из кобальтовых сталей с повышенным содержанием углерода отвечает современным требованиям экономного легирования сталь Р9М4К8 (1,0—1,1% С, 8,5—9,5% W, 3,8—4,3% Мо, 7,5— 8,5% Со, 3,8-4,3% Сг, 2,1—2,5 V). К порошковым быстрорежущим сталям относятся стали Р6М5К5-МП, Р9М4К8-МП, Р6М5К8Ф2-МП и другие, имеющие карбидную неоднородность по 1—2-му баллу. Они характеризуются повышенной шлифуемостыо и пластичностью при холодном и горячем деформировании, обладают повышенной (до 500—700 МПа) прочностью при изгибе и в 1,5—2,5 раза более высокой стойкостью по сравнению с быстрорежущими сталями аналогичного состава обычного производства. Стали Р9М4К8-МП и Р10М6К8-МП обладают повышенной теплостойкостью, хорошо шлифуются. Они предназначены для обработки материалов с твердостью до НКСЭ 38—42 и нашли применение в инструментах для станков с ЧПУ. Стойкость сталей Р6М5ФЗ-МП, Р6М5К5-МП, Р6М5Ф2К8-МП и 13Р6М5ФЗ-МП при обработке трудонообрабатываемых материалов может быть в четыре раза выше стойкости сталей обычного производства аналогичного состава, они хорошо шлифуются.
К материалам, изготавливаемым методами порошковой металлургии, относится новый класс инструментальных материалов — карбидостали. Они представляют собой композиционный материал, в котором зерна тугоплавких карбидов (типа TiC) равномерно распределены в связки из легированной стали. Карбидостали сочетают твердость и износостойкость твердых сплавов с прочностью и вязкостью легированных сталей. Материал термостоек, легче быстрорежущих сталей на 13%, твердых сплавов - на 50%. Карбидостали разработаны и выпускаются Ижсталью на основе двух сталей Р6М5-КТ20 и Р6М5К5-КТ20 с массовой долей TiC 20% в виде заготовок различного сечения. Вторичная твердость карбидосталей HRC3 70—72 (HRA 87— 89), прочность при изгибе 2000—2500 МПа, ударная вязкость 80—120 Дж/м , теплостойкость 650—690°С, плотность материала 7,1 г/см . Стойкость инструмента при обработке сплавов ЖС6КП и ХН62МВКЮ в 2,5—3,5 раза выше стойкости сталей повышенной производительности; при торцовом фрезеровании сплава ВЖ-122 стойкость инструмента в 10 раз выше стойкости инструмента из стали Р18 и в 2 раза выше стойкости инструмента из стали Р7М2Ф6М5-МП.

Металлокерамические твердые сплавы

Металлокерамические твердые сплавы широко применяют для изготовления режущей части резцов, концевых и торцовых фрез, сверл, зенкеров и разветок. В производстве сложнофасонных инструментов твердые сплавы находят меньшее применение, что связано с определенными трудностями при изготовлении, переточке и доводке этих инструментов. Инструментами, режущая часть которых изготовлена из твердых сплавов, в условиях достаточной жесткости системы СПИД и непрерывного или прерывистого резания, но с достаточно плавным нагружением (без резких ударов) можно обрабатывать специальные стали, жаропрочные и титановые сплавы со скоростями резания, превышающими в 2—3 раза и более скорости при обработке этих материалов инструментами из высококачественных быстрорежущих сталей. При прерывистом резании (при значительных и резких изменениях нагрузки), характерном для многих операций технологических процессов изготовления деталей и узлов из титановых и жаропрочных сплавов, таких, как лопатки, корпуса, роторы и др., а также при пониженной жесткости системы СПИД твердосплавные инструменты оказываются непригодными для производительной обработки вследствие хрупкого разрушения их режущей части. В подобных условиях для резания труднообрабатываемых материалов следует применять быстрорежущие инструменты. Общей особенностью твердых сплавов являются высокие твердость (HRA 86—92) и теплостойкость (800—1000°С), определяющие их важные преимущества перед быстрорежущими сталями — повышенную износостойкость и способность вести обработку при больших скоростях резания. Вместе с тем твердые сплавы характеризуются невысоким пределом прочности при изгибе (900-650 МПа), значительно уступая в этом отношении быстрорежущим сталям. Сравнительно низкий ои твердых сплавов обусловливает хрупкое разрушение режущей части твердосплавных инструментов при прерывистом резании с резкими изменениями нагрузки. Твердые сплавы разных групп и в пределах каждой группы различаются по физико-механическим свойствам, что необходимо учитывать при выборе инструментального материала. Эти различия связаны с химическим составом и структурой твердых сплавов. Так, свойства однокарбидных (вольфрамовых) твердых сплавов (ВК), структура которых состоит из твердых зерен карбида вольфрама WC, сцементированных кобальтом, по мере увеличения содержания последнего (от 2 до 15%) характеризуются снижением твердости (с HRA 90 до HRA 86), износостойкости и теплостойкости и, соответственно, увеличением пластичности и предела прочности при изгибе (от 1000 до 1650 МПа). Поэтому сплавы с меньшим содержанием кобальта (ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4), как наиболее твердые, износостойкие и хрупкие, применяются при чистовой и получистовой безударной обработке в условиях достаточной жесткости системы. При обработке титановых и жаропрочных сплавов рекомендуется применять и сплав ВК60М, характеризующийся особо мелкозернистой структурой (с диаметром зерна менее 1 мкм). Двухкарбидпые (титановольфрамовые) твердые сплавы (ТК) имеют структуру из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана, сцементированных кобальтом. Увеличение содержания кобальта (от 4 до 12%) приводит к снижению твердости (от HRA 92 до HRA 87), износостойкости, теплостойкости и увеличению вязкости (пластичности) и предела прочности при изгибе (от 900 до 1500 МПа). В соответствии с этим сплавы с меньшим содержанием кобальта, как наиболее твердые, износостойкие, теплостойкие, но хрупкие, рекомендуется применять при чистовом непрерывном точении (Т30К4, Т15К6) и фрезеровании (Т15К6) теплостойких и коррозионно-стойких нержавеющих хромистых, хромоникелевых и сложно-легированных сталей в условиях достаточной жесткости системы. Сплавы с большим содержанием кобальта (Т14К8, Т5К10, Т5К12В) обладают повышенной эксплуатационной прочностью и лучшей сопротивляемостью ударам по сравнению со сплавом Т15К6, их применяют для чернового и получистового точения и фрезерования указанных сталей, причем в условиях пониженной жесткости системы, неравномерного сечения среза и при наличии ударов (Т5К12, Т5К10). Трехкарбидные (титанотанталовольфрамовые) твердые сплавы (ТТК), структура которых состоит из зерен твердого раствора карбида титана, карбида тантала и карбида вольфрама, сцементированных кобальтом, обладают повышенными по сравнению со сплавом Т5К10 прочностью (ои = 1550 + 1700 МПа), сопротивляемостью ударам и вибрациям при несколько меньших износостойкости и допустимой скорости резания. Вследствие этого трехкарбидные сплавы ТТ7К12, ТТ7К15 и ТТ10К8Б (вместе со сплавом Т15К12В) по эксплуатационной прочности и стойкости занимают промежуточное положение между сплавом Т5К10 и быстрорежущими сталями, превосходя их по скорости резания не менее чем в два раза. Указанные марки трехкарбид-ных сплавов хорошо зарекомендовали себя при черновой и по-лучистовой обработке коррозионно-стойких и жаростойких (12Х18Н10Т, 14Х17Н2 и др.) сталей. Сплав ТТ10К8А, содержащий 3% ТаС и 7% TiC, применяют для чистовой безударной обработки, а сплав ТТ10К8Б, содержащий 7% ТаС и 3% TiC, — для чернового точения и тяжелых условиях, а также для предварительного фрезерования сталей. Для фрезерования глубоких пазов в деталях из теплостойких сталей специально разработан и трехкарбидный сплав ТТ20К9. Следует иметь в виду, что трехкарбидные сплавы, особенно при значительном содержании TiC, не рекомендуется применять для обработки титановых и жаропрочных сплавов по тем же причинам, что и двух-карбидные. Твердые сплавы, выпускаемые по ГОСТ 3882—74, в соответствии с рекомендациями международной организации ИСО делятся на три основные группы: Р, М и К. Сплавы группы Р предназначены для обработки стальных отливок и материалов, дающих сливную стружку; сплавы группы М — для обработки труднообрабатываемых материалов всех групп; сплавы группы К — для обработки легированных сталей и других материалов. Разработаны и получили распространение твердые сплавы серии МС, стойкость режущего инструмента из которых в 1,5 раза выше стойкости стандартных марок твердого сплава. Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) — это сплавы на основе карбида (TiC) и карбонитрида (TiN) титана, сцементован-ных никелемолибденовой связкой (Ni+Mo). Они по сравнению с вольфрамовыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, но отличаются повышенной жаростойкостью (до 1000°С) и низкой схватываемостыо с обрабатываемыми материалами. Благодаря высокой плотности при заточке режущих инструментов можно получить острую кромку, что особенно ценно для инструмента, предназначенного для чистовой обработки. Инструменты из этих сплавов работают по сталям практически без наростообразования. Эти свойства и предопределили область их применения — чистовое и получистовой точение и фрезерование. БВТС обеспечивают меньшую шероховатость поверхности по сравнению с ВТС, что дает возможность заменить шлифование точением и способствует повышению производительности труда в 2 — 2,5 раза. Износостойкость БВТС в 1,2—1,5 раза выше износостойкости сплавов группы ТК. В табл. 7.3 приведены основные физико-механические свойства выпускаемых промышленностью БВТС. Вследствие неудовлетворительных термических свойств они плохо поддаются пайке и заточке, поэтому их применяют в основном в виде непередаточных пластин.

Минералокерамические инструментальные материалы

Широкое применение режущих инструментов из минера-локерамических инструментальных материалов (МКИМ) предопределяют три основных фактора: интенсивная автоматизация процессов механической обработки и прямо связанная с этим возможность реализации высоких скоростей резания (500—5000 м/мин), оптимальных для минералокерамики, на современных станках с ЧПУ; уменьшение припусков на механическую обработку деталей за счет развития малоотходных заготовительных технологий (точное литье, порошковая металлургия, обработка давлением); повышение эксплуатационных характеристик конструкционных материалов.
Эти материалы делятся на два основных вида: оксидную белую керамику, содержащую до 99,7% окиси алюминия, — ВО 13 и ВО 18 — и черную оксидно-карбидную керамику с добавлением к окиси алюминия карбидов титана — ВОК95. На основе нитрида кремния (Si3N4) разработан новый инструментальный материал силинит-Р, обеспечивающий стабильность физико-механических свойств и структуры при высоких температурах резания. Используют его для чистового и получистового точения и фрезерования сталей, закаленных до HRC3 58—63. На основе алюмооксидной минералокерамики разработан материал ОНТ-20 (картинит), имеющий мелкозернистую структуру и предназначенный для чистового и получистового точения и фрезерования закаленных сталей. Материалы В013 и В018 при замене твердых сплавов Т30К4, ВКЗМ и ВК6М обеспечивают повышение стойкости в 5—10 раз при увеличении производительности в 2 раза. Одна режущая пластина из В013 или В018 заменяет шесть—восемь пластин из твердого сплава. В013 и ВО 18 используют для чистовой и получистовой безударной обработки сталей, закаленных до HRCL 30—50 со скоростями резания в 2—3 раза большими, чем для наиболее износостойких твердых сплавов, ВОК71 — для чистовой и получистовой обработки сталей, закаленных до HRC3 45—60, и с более высокими скоростями резания и малыми сечениями среза.

Сверхтвердые материалы

Сверхтвердые материалы (СТМ) получают синтезом из гексагонального нитрида бора — композит 01 (эльбор-Р) и композит 02 (бельбор); синтезом из вюртцитоподобной модификации нитрида бора — композит 10 (гексонит-Р) и композит 09; спеканием из порошка кубического нитрида бора с легирующими добавками — композиты 05 и 06. Наибольшее распространение получили резцы и фрезы, оснащенные режущими пластинками из композитов 01 и 10. Лезвийные инструменты из СТМ применяют в основном при обработке сталей, закаленных до HRC более 45.