Open Library - открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Механика Быстрорежущие стали
просмотров - 539

Быстрорежущие стали предназначены для изготовления режущего инструмента͵ работающего при высоких скоростях резания.

Быстрорежущая сталь должна обладать высокой горячей твердостью (твердостью в горячем состоянии) и красностойкостью (насколько эта твердость сохраняется во времени), обратимой и необратимой твердостью.

Эти свойства необходимы, т. к. в процессе работы тепло, в основном (на 80%), концентрируется в инструменте, нагревая его. Очевидно, чем больший нагрев (по температуре и продолжительности) без «размягчения» может выдержать материал, тем при большей скорости резания он может работать.

На рис. 3.4 приведены кривые, показывающие твердость трех различных сплавов при разных температурах.

Твердость углеродистой стали после нагрева до 200°С начинает быстро падать. Следовательно, для этой стали недопустим режим резания, при котором инструмент нагревается выше 200°С.

У быстрорежущей стали высокая твердость сохраняется при нагреве до 500–600°С. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, инструмент из быстрорежущей стали более производителœен, чем инструмент из углеродистой стали.

Следует отметить, что твердость в холодном состоянии не определяет режущей способности стали. Как видно из рис. 3.4, твердость углеродистой стали при нормальной температуре даже выше, чем быстрорежущей, но ее режущие свойства намного ниже.

Быстрорежущий инструмента имеет высокую твердость не только в холодном состоянии, но и при повышенных температурах – до ~600°С.

Рис. 3.4. Твердость инструментальных материалов

в нагретом состоянии:

1 – твердый сплав; 2 – быстрорежущая сталь; 3 – углеродистая сталь

Кроме «горячих» свойств от материала для режущего инструмента требуются и высокие механические свойства, прежде всœего сопротивление хрупкому разрушению, т. к. при высокой твердости ( >60 HRC) разрушение всœегда происходит по хрупкому механизму.

Рис. 3.5. Прочность и красностойкость инструментальных материалов:

1 – быстрорежущая сталь; 2 – твердый сплав; 3 – минœералокерамика

Горячая твердость и красностойкость определяются разупрочнением закаленной стали при нагреве – необратимым изменением твердости (рис. 3.5).

Механизм разупрочнения стали следующий.

Высокая твердость мартенсита определяется растворенным в α-Fe углеродом. При отпуске из мартенсита в углеродистой стали выделяются мельчайшие частицы карбида Fe. Пока выделившиеся карбиды еще находятся в мельчайшем дисперсном состоянии (т. е. на первой стадии выделœения при отпуске до 200°С), твердость заметно не снижается. Но если температуру отпуска поднять выше 200°С, происходит рост карбидных выделœений, и твердость падает.

Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы процесс коагуляции карбидов.

В случае если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то красностойкость скачкообразно возрастает.

Дело в том, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид желœеза, так как для этого требуется не только диффузия углерода, но и диффузия легирующих элементов. Практически заметная коагуляция специальных карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия происходит при температурах выше 500°С.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды и эти карбиды переходят в раствор при закалке.

В табл. 3.1 приведены составы быстрорежущих сталей.

Быстрорежущая сталь Р18 имеет состав (средний) 0,8% С, 18% W; 4% Сr; 1% V.

B связи с дефицитом вольфрама Р18 заменена на сталь марки Р6М5 (0,9% С; 6% W; 5% Мо; 4% Сr; 2% V), которая в свою очередь вытесняется безвольфрамовыми сталями Р0М5Ф1 (0,9% С; 5% Мо; 1,5% V) и Р0М2ФЗ (1,1% С; 2,5% Мо; 4% Сr; 3% V). Сталь Р0М5Ф1 изготовляется обычным металлургическим способом, сталь Р0М2ФЗ –методом порошковой металлургии (распылением).

Все быстрорежущие стали обозначаются первой буквой Р (рапид – скорость), следующая цифра содержание вольфрама (буква В – пропускается), затем после букв М, Ф и К указывается содержание молибдена, ванадия и кобальта.

В отожженном виде структура сталей (всœех марок) состоит из α-твердого раствора и карбидов всœех легирующих элементов (Сr, W, Мо, V).

Основными карбидами в быстрорежущей стали являются карбиды М6С, МС, М23С6 и М3С приблизительно одинакового для всœех сталей состава. Учитывая зависимость отсостава стали, в первую очередь соотношение (W + Mo) / V меняется и соотношение М6С / МС. К примеру, в стали Р18 почти нет карбида МС, а в стали Р0М2ФЗ нет карбида М6С. Кроме этих карбидов в отдельных случаях могут присутствовать в небольшом количестве карбиды М23С6, М3С, карбид М2С выделяется при отпуске.

Быстрорежущая сталь обычно изготавливается традиционными металлургическими приемами – разливкой в слитки и последующей ковкой и прокаткой, при этом скелœетообразная эвтектика (рис. 3.6) разбивается на полосы и отдельные включения первичных карбидов (рис. 3.14, а).

Рис. 3.6. Структура литой быстрорежущей стали, изготовленной

по обычной технологии

Более современный способ изготовления быстрорежущей стали – распыление расплава азотом; при этом образуются шаровидные частицы (рис. 3.7, а)размером 50–500 мкм со структурой дендритов тонкого строения, состав которых близок к составу расплава (без выделœения карбидов) (рис. 3.7, б).

Рис. 3.7. Гранулы (а) и их структура (б) быстрорежущей стали,

полученной закалкой из жидкого состояния

Естественно, что такое состояние неравновесно, при технологических нагревах происходит распад твердого раствора, выделœение карбидов, значительно меньших по размеру, чем карбиды, образующиеся при кристаллизации из жидкой фазы. Сталь с такой дисперсной карбидной фазой (рис. 3.8) обладает лучшими технологическими и механическими свойствами, карбиды легче переходят в твердый раствор, а последние обеспечивают высокие режущие свойства.

Рис. 3.8. Структуры кованой и отожженной быстрорежущей стали, изготовленной по обычной технологии (а)и методом порошковой металлургии (б)

Чтобы получить высокую красностойкость, крайне важно полнее растворить, насытить γ-твердый раствор углеродом и легирующими элементами – вольфрамом, молибденом и ванадием, что достигается применением высокой температуры закалки (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Влияние температуры закалки на состав твердого раствора (сталь Р6М5)

Из рис. 3.9 видно, что чем выше температура закалки, тем больше в раствор переходит этих элементов и тем выше красностойкость. Отсюда рекомендация – нагревать при закалке как можно выше, вплоть до начала оплавления. Теперь от этой рекомендации отказались, т. к. при таком излишне высоком нагреве происходит рост зерна и ухудшаются механические свойства.

Сегодня рекомендуется нагревать при закалке как можно выше, но не выше начала роста зерна (последнее должно быть не более № 11).

В табл. 3.3 приведена оптимальная температура нагрева под закалку некоторых наиболее распространенных быстрорежущих сталей.

Красностойкость характеризуется температурой отпуска, при которой за 4 ч твердость снижается до 58 HRC (обозначение К4p58).

Из табл. 3.2 следует, что, несмотря на сильное различие в общем химическом составе, состав твердого раствора очень близок во всœех сталях, сумма W + Мо + V, определяющая красностойкость, равна примерно 4% (атомн.), отсюда красностойкость и режущие свойства у разных марок быстрорежущих сталей близки.

Таблица 3.3

Температура закалки, состав γ-твердого раствора и красностойкость


Читайте также


  • - Быстрорежущие стали.

    Стали получили свое название за свойства. В следствии высокой теплостойкости (550…650oС), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания. Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного легирующего элемента – вольфрама, до 5 % хрома... [читать подробенее]


  • - Быстрорежущие стали

    Стали получили свое название за свойства. В следствии высокой теплостойкости (550…650oС), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания. Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного легирующего элемента – вольфрама, до 5 % хрома... [читать подробенее]


  • - Быстрорежущие стали

    Стали для режущих инструментов Основные требования к режущим инструментам: · высокая твердость режущей кромки, · износостойкость, · теплостойкость (красностойкость) – способность стали сохранять высокую твердость при нагреве. 8.5.1.1. Углеродистые стали: У7…У13... [читать подробенее]


  • - Быстрорежущие стали (1910)

    Придуманы Тейлором и Уайтом. Р18 – 18% содержание вольфрама; (от слова: «rapid»); Очень легко закаливается (нет необходимости в специальной среде), самозакаливается. Применение: изготовление любых инструментов; Физико-механические свойства быстрорежущих сталей выше, чем у... [читать подробенее]


  • - Инструментальные стали. Теплостойкость. Быстрорежущие стали.

    Вообще инструментальными материалами называют класс материалов, который по своим физико - механическим свойствам (прочность, твердость, износостойкость, рабочая температура и т.п.) превосходит другие материалы, что позволяет их применять для обработки других (в первую... [читать подробенее]


  • - Инструментальные быстрорежущие стали

    Инструментальные углеродистые и легированные стали ДЕ 2 Инструментальные материалы и конструкции металлорежущих инструментов Лекция № 2 Для изготовления режущего инструмента в настоящее время применяют гамму различных инструментальных материалов:... [читать подробенее]


  • - Быстрорежущие стали

    Быстрорежущие стали предназначены для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь должна обладать высокой горячей твердостью (твердостью в горячем состоянии) и красностойкостью (насколько эта твердость... [читать подробенее]


  • - Быстрорежущие стали

    Легированные инструментальные стали Содержат 0,9…1,4 % углерода. В качестве легирующих элементов содержат хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний и другие. Общее содержание легирующих элементов до 5%. Высокая твердость и износостойкость в основном определяются... [читать подробенее]


  • - Быстрорежущие стали

    Доля режущего инструмента из быстрорежущей стали (в общем объёме режущего инструмента) составляет до 70%. Повышенная теплостойкость данных сталей предопределяется введением в их состав легирующих элементов (W, Mo, Cr, V и Co), образующих сложные карбиды, которые связывает... [читать подробенее]


  • - Быстрорежущие стали

    Доля режущего инструмента из быстрорежущей стали (в общем объёме режущего инструмента) составляет до 70%. Повышенная теплостойкость данных сталей предопределяется введением в их состав легирующих элементов (W, Mo, Cr, V и Co), образующих сложные карбиды, которые связывает... [читать подробенее]