Быстрорежущая сталь: виды, применение, маркировка

О чем речь? Быстрорежущая сталь — особый вид, обладающий повышенной твердостью и износостойкостью при высоких температурах. Используется для изготовления режущих инструментов, способных работать на больших скоростях без потери свойств.

Чем отличается? Свойства быстрорежущей стали придаются за счет особой обработки и добавки легирующих элементов. В зависимости от присадок и их количества меняется сфера применения металла.

Создание быстрорежущей стали

Быстрорежущие инструментальные стали отличаются повышенной твердостью и прочностью. Этот металл устойчив износу, поэтому он в основном используется для изготовления инструментов, позволяющих обрабатывать очень твердые материалы на высоких скоростях (60 м/с и выше).

В числе добавок могут быть углерод, хром, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт и др. В зависимости от марки сталь имеет определенный состав этих примесей. Структура быстрорежущего сплава позволяет ему выдерживать значительные перепады температур. Это основной критерий для причисления сталей к разряду инструментальных.

Металлы с такими свойствами стали широко востребованными в середине позапрошлого века. Характеристик обычных стальных резцов для обработки деревянных и металлических изделий уже не хватало. Инструменты быстро изнашивались, а под влиянием высоких температур даже деформировались. Скорость обработки не превышала 5 м/мин.

Первые эксперименты по улучшению инструментального металла произвели в 1958 году в Англии. В итоге благодаря усилиям инженеров Тейлора и Уатта на свет появился резец из быстрорежущей стали.

На основе нового сплава создана марка Р18. Максимальная скорость обработки инструментом из этой стали теперь составила 18 м/мин.

Фото: youranedopekin / Freepik

Со временем разработали сверхбыстрорежущий сплав. Резцом из такого металла можно обрабатывать на скоростях до 35 м/мин. Как результат, производительность металлообработки выросла в 7 раз по сравнению с первыми экспериментальными образцами.

Характеристики и свойства быстрорежущей стали

Быстрорежущие металлы соответствуют требованиям особого ГОСТа и обладают множеством преимуществ по сравнению с обычной сталью. При производстве учитывают именно этот стандарт для обеспечения продукции высокой производительности.

Основные отличительные свойства быстрорезов:

• Твердость. Важно, чтобы такой инструмент оставался изначально жестким при сильном нагреве, возникающем вследствие трения об обрабатываемую поверхность.

Обычная сталь при высоких температурах подвергается отпуску и становится более пластичной, теряя полезные свойства.

Быстрорежущие марки без потери этих свойств выдерживают до 600 градусов Цельсия.

• Устойчивость к высоким температурам. Данный показатель характеризует способность металла, находящегося в нагретом состоянии долгое время, сохранять свойства.
• Сопротивляемость к механическим и прочим разрушительным воздействиям. Обрабатывающий инструмент в процессе эксплуатации подвергается не только нагреву, но и влиянию других факторов. Необходимо обеспечивать металлу повышенную прочность и, соответственно, долгий срок службы. Этим свойством обладает инструментальная сталь.

Перечисленные характеристики достигаются путем добавления легирующих добавок в металл и его особой закалки.

Маркировка быстрорежущей стали

Существуют особые марки, выделяющие в отдельную категорию быстрорежущую сталь. ГОСТ 19265 регулирует правила их обозначения.

Маркировка состоит из букв и цифр (например, Р18 или Р6М5). Так, обозначение Р указывает на категорию «быстрорежущий» (Rapid). Далее следует цифра, показывающая среднюю массовую долю вольфрама.

Если используются и другие легирующие добавки, они также обозначаются буквами (М — молибден, Ф — ванадий, К — кобальт, А — азот). Затем – цифра, показывающая массовую долю их включения.

Существуют определенные ограничения по указанию последнего параметра. Так, массовая доля хрома не указывается вообще, молибдена — при содержании до 1 % включительно, ванадия — только в марках Р18, Р6М5, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8 и Р2АМ9К5.

Иная маркировка используется у зарубежных производителей. Чаще всего выпускается быстрорежущая сталь HSS (High Speed Steel). Определенной популярностью пользуется марка HSSE с содержанием кобальта.

Добавки быстрорежущей стали

Данный сплав закаляется обязательно после предварительного обжига. Затем металл особым образом обрабатывают, избавляя его от включений аустенита, негативно влияющего на физические характеристики.

Фото: olegdoroshin / Freepik

Далее подробно рассмотрим присадки, наиболее часто применяемые в составе легирующих.

• Углерод. Является неотъемлемым элементом любой стали. Благодаря включению углерода металл можно закаливать, обеспечивая тем самым его повышенную твердость.
• Χром. Добавление всего 4 % этого элемента позволяет значительно снизить критическую скорость закалки. Металл фактически можно упрочнять буквально на воздухе. Превышать норму содержания хрома крайне не рекомендуется, поскольку в результате резко возрастает концентрация аустенита в стали.
• Вольфрам. Является главным легирующим компонентом. Включение вольфрама и его карбидов в состав закаленного металла позволяет обеспечивать металлу режущую способность даже при температурах 500–600 градусов Цельсия. Фактически инструментальная сталь становится красностойкой.

• Ванадий. Обладает способностью образовывать прочные карбиды, затрудняющие рост зернистости в процессе закалки металла. Благодаря добавлению ванадия сталь меньше перегревается, повышается ее красностойкость и вторичная твердость при отпуске. Равномерное распределение карбидов в структуре металла также способствует росту износостойкости инструмента, улучшению его режущих свойств.
• Молибден. В сравнении с вольфрамом обладает более выраженными легирующими качествами. Поэтому быстрорежущие стали легируют в том числе и с применением молибдена. Тем более, что этого элемента требуется в 1,5 раза меньше, чем ванадия, для обеспечения того же уровня теплостойкости.
• Кобальт. Способствует небольшому повышению твердости металла и его красностойкости. Вместе с тем добавление кобальта в состав сплава позволяет существенно повысить производительность инструмента, изготовленного из этого сплава.

Количество разных легирующих добавок напрямую влияет на свойства закаленного металла.

Например, необходимо улучшить определенные свойства металла вместе со снижением себестоимости либо, напротив, включать в состав самые дорогие присадки и тем самым максимизировать рабочие возможности материала. Исходя из различных целей производства выпускаются соответствующие марки легированных быстрорежущих сталей.

Группы быстрорежущей стали

С точки зрения устойчивости к высоким температурам различают:

• Сплавы со средней теплостойкостью. В данную категорию относят стали, легированные вольфрамом либо содержащие в качестве добавок и его, и молибден. Характерными примерами являются марки Р6М5, Р9, Р18 и Р8М3. Помимо указанных легирующих добавок они могут включать в состав азот для дополнительного повышения режущей способности. Инструментом, изготавливаемым из этой стали, хорошо обрабатывать пластмассы, а также материал из черного, цветного или конструкционного металла.

• Сплавы с повышенной теплостойкостью. Отличаются значительным содержанием ванадия, углерода и кобальта. Марки стали Р9Ф5, Р9К5, Р10К5Ф2 как раз обладают данным свойством. Инструментом, изготавливаемым из этого материала, обрабатывают конструкционные, закаленные, жаропрочные металлы, а также нержавейку.
• Сплавы с высокой теплостойкостью. Содержат много легирующих компонентов и небольшой процент углерода. Марки с высокой теплостойкостью — это В14М7К25 и В11М7К23. Изготавливаемые из них изделия отличаются повышенной производительностью и предназначаются для обработки очень твердых металлов и сплавов (например, титановых).

Применение быстрорежущей стали

Из данной группы металлов производят широкий ассортимент инструментов.

Основные изделия:

• сверла из быстрорежущей стали;
• кромки резцов (основа же делается из менее дорогого металла);
• напайки;
• фрезы из быстрорежущей стали;
• метчики;
• протяжки, зенкеры, пилы и т. п.

Каждая марка быстрорезов предназначена для конкретных областей применения. Для удобства сведем их в таблицу:

Отдельные марки из перечисленных можно использовать исключительно для высокоскоростной обработки. Часть других предназначается для изготовления инструментов простой формы.

Характеристики популярных марок быстрорежущей стали

Р6М5

Из этой инструментальной быстрорежущей стали производят все основные режущие инструменты, включая оснастку для нарезания резьб, для эффективной обработки легированных углеродистых сталей. Высокая теплостойкость вкупе с недорогим производством позволили этой группе металлов получить широкое распространение в самых разных отраслях.

Сталь Р6М5К5

Содержит в себе легирующие добавки молибден, кобальт.

Инструменты из быстрорежущей стали этой марки способны работать в условиях сильного разогрева режущей кромки, а потому могут использоваться в обработке жаропрочных металлов и нержавейки.

Сталь Р18

В основном отличается свойством сохранять режущие качества инструмента при нагреве до 600 градусов Цельсия в процессе обработки конструкционных сталей.

Другие важные характеристики марки Р18: большое содержание избыточных карбидов в составе и сохранение мелкозернистости даже при высоких температурах закалки. Последнее необходимо во избежание образования трещин в металле. При этом производство сталей Р18 обходится весьма дорого, в силу чего вместо них часто используют более дешевую по себестоимости марку Р9.

Сталь Р12

Во многом похожа на марку Р18 с тем отличием, что Р12 более податлива и однородна по распределению карбидов.

Фото: fxquadro / Freepik

Из этой стали целесообразно изготавливать инструменты методом пластической деформации. Продукция затем используется в обработке конструкционных инструментальных легированных металлов.

Сталь Р9К5

Изделия из этого металла применяют прежде всего в обработке высокопрочных конструкционных сталей, а также обладающих жаропрочными и нержавеющими свойствами. Ударопрочность и повышенная вязкость марки обеспечены добавкой в состав сплава 5 % кобальта. Инструменты из стали Р9К5 в 3 раза дольше выдерживают нагрузки, чем оснастка, выполненная из Р6М5.

Часто задаваемые вопросы о быстрорежущей стали

Как выполняется ее обработка?

В производстве чаще всего применяются методы проковки, прокатки и отливки в слитки.

Также быстрорезы производят с помощью технологии порошковой металлургии. Методы направлены на изменение физико-химических свойств. Металл обрабатывается разными способами:

• Помещение в соляные ванны. В таких условиях сталь быстрее нагревается и отдает тепло. При этом, однако, существует риск деформации металла.
• Закалка в вакуумных печах. Металл обрабатывается автоматически под давлением, находясь в потоке инертного газа. Данный современный метод позволяет сохранить полезные свойства состава и обеспечить защиту от деформаций.

Какими способами улучшают характеристики стали?

Используют термическую обработку, контролируемый отжиг либо закалку, отпуск, нормализацию. В итоге улучшаются такие качества, как твердость, прочность и износостойкость.

Нормализацией добиваются нужного перераспределения молекул в сплаве и более эффективной диффузии. С целью продления срока службы на поверхность металла могут наноситься защитные покрытия методами физического и химического осаждения из паровой фазы.

Фото: toolsnavis / Freepik

Для снижения трения и роста теплопроводности сталь покрывают тончайшими пленками титана, нитрида титана, нитрида алюминия или других элементов. Качественно улучшить сплав также помогают азотирование, цианирование и сульфидирование.

Как ухаживать за инструментами из быстрорезов?

Необходимо следить за геометрическими параметрами оснастки (углами режущих кромок, радиусами закруглений зубьев и т. д.). Тем самым будут поддерживаться высокая эффективность и качество обработки. Стальные инструменты следует очищать от стружки и окалины после каждого использования. Это делается с помощью мягкой щетки или обдувом воздухом.

Существуют также специальные охлаждающие средства, предотвращающие опасный перегрев материала. Не только чрезмерная, но и слишком низкая температура негативно сказывается на его структуре. Повышается его хрупкость. Инструмент становится более ломким, особенно под влиянием механических нагрузок.

Если не контролировать скорость охлаждения стали, может образоваться мартенситная структура — твердая, но хрупкая и подверженная быстрому износу. Переувлажнение металла также значительно снижает срок службы инструмента, поэтому хранить этот инструмент следует в сухих помещениях вдали от источников влаги.

Чем отличаются быстрорежущие стали от твердых сплавов?

Единственное различие состоит в массе металла. По цвету или по качеству поверхности никак не определить, быстрорез это или твердый сплав. Можно лишь взвесить оба образца одинаковых размеров. Твердосплавный металл окажется приблизительно вдвое тяжелее стального аналога.

Быстрорежущие стали, так называемые быстрорезы, применяются в производстве инструментов для скоростной обработки других металлов в условиях повышенных нагрузок и температур. Отсюда возникают требования к большей прочности, износо- и термостойкости разных марок сплавов. Указанные характеристики обозначаются соответствующей маркировкой.

Изображение в шапке статьи: tedgun / Freepik