Быстрорез

Истории создания

Сверло с покрытием из нитрида титана

Для обточки деталей из дерева, цветных металлов, мягкой стали резцы из обычной твердой стали были вполне пригодны, но при обработке стальных деталей резец быстро разогревался, скоро изнашивался и деталь нельзя было обтачивать со скоростью больше 5 м/мин.

Барьер этот удалось преодолеть после того, как в 1858 году Р. Мюшетт получил сталь, содержащую 1,85 % углерода, 9 % вольфрама и 2,5 % марганца. Спустя десять лет Мюшетт изготовил новую сталь, получившую название самокалки. Она содержала 2,15 % углерода, 0,38 % марганца, 5,44 % вольфрама и 0,4 % хрома. Через три года на заводе Самуэля Осберна в Шеффилде началось производство мюшеттовой стали. Она не теряла режущей способности при нагревании до 300 °C и позволяла в полтора раза увеличить скорость резания металла — 7,5 м/мин.

Спустя сорок лет на рынке появилась быстрорежущая сталь американских инженеров Тэйлора и Уатта. Резцы из этой стали допускали скорость резания до 18 м/мин. Эта сталь стала прообразом современной быстрорежущей стали Р18.

Ещё через 5—6 лет появилась сверхбыстрорежущая сталь, допускающая скорость резания до 35 м/мин. Так, благодаря вольфраму было достигнуто повышение скорости резания за 50 лет в семь раз и, следовательно, во столько же раз повысилась производительность металлорежущих станков.

Дальнейшее успешное использование вольфрама нашло себе применение в создании твердых сплавов, которые состоят из вольфрама, хрома, кобальта. Были созданы такие сплавы для резцов, как стеллит. Первый стеллит позволял повысить скорость резания до 45 м/мин при температуре 700—750 °C. Сплав вида, выпущенный Круппом в 1927 году, имел твердость по шкале Мооса 9,7—9,9 (твердость алмаза равна 10).

В 1970-х годах в связи с дефицитом вольфрама быстрорежущая сталь марки Р18 была почти повсеместно заменена на сталь марки Р6М5 (так называемый «самокал», самозакаливающаяся сталь), которая, в свою очередь, вытесняется безвольфрамовыми Р0М5Ф1 и Р0М2Ф3.

Это интересно: Белый чугун — структура, состав, свойства, маркировка

Изделия, нашедшие место в быту и на производстве

Сталь быстрорежущая благодаря своим положительным свойствам активно применяется в ножевом производстве. Такие режущие инструменты обладают всеми необходимыми характеристиками. Благодаря высокой устойчивости поверхности к внешним нагрузкам они без проблем перерезают толстые канаты, древесину, кости и т.д. Они могут справиться со стальной пластиной толщиной в несколько мм.

Нож быстрорез даже при интенсивном использовании долгое время удерживает заточку, однако стоит учитывать, что ввиду высоких прочностных качеств он с трудом поддаётся заточке, особенно в домашних условиях.

Быстрорезы широко применяются и в промышленности. Самый яркий пример – это изготовление свёрл самых разных назначений: от дерева до сверхпрочных металлов. Из них же делают следующие детали промышленных механизмов:

• полотна ножовочные;
• зенковки;
• буры;
• резцы долбёжные;
• коронки.

Основные характеристики

К виду рапидных сталей относят сплавы металлов, в которые добавлены дополнительные вещества, улучшающие их химические и физические свойства. Благодаря этому сплав металла становится крепким, износостойким, не способным контактировать с кислородом и покрываться ржавчиной. Быстрорежущая сталь Р6М5 отличается от обычных углеродных сплавов тем, что она может обрабатывать любой твердый материал на высокой скорости, обладая хорошей износостойкостью.

Микроструктура стали Р6М5

Она обладает уникальными свойствами, которые позволяют изготавливать такие инструменты, как фрезы, метчики или развертки. Изготовленные из этого сплава, они будут служить владельцу верой и правдой очень долго.

А к наиболее известным и характеристикам стали марки Р6М5 относятся:

• Твердость стали марки Р6М5 при нагреве. Обычно другие сплавы при длительном и безостановочном бурении, начинают нагреваться, а с повышением температуры, как известно, металл начинается размягчаться. И сверло теряет свои способности и становится хрупким. Эта же быстрорежущая сталь способна нагреваться до 6000 °С, сохраняя свои начальные свойства и не теряя крепости.
• Повышенное сопротивление накаливанию при достаточно высоких температурах.
• Очень хорошо держит заточку.
• Имеет высокую вязкость.
• Отлично обрабатывается на шлифовальном оборудовании.
• Держит нагрузки от удара на отлично.

Характеристики стали Р6М5, перечисленные выше, делают сплав металлов незаменимым в строительстве.

Нарушение технологии термообработки

Снижение количества углерода на поверхности заготовки может быть следствием плохой расскисленности соляной ванны, а также перегрева при аустенизации. Превышение температуры ведет к оплавлению границ зерна. Также обработанная деталь может иметь трещины. Такое явление возникает из-за быстрого нагрева металла. Еще одна причина – ускоренное охлаждение. Низкое значение твердости может быть следствием недостаточного легирования структуры мартенсита, нарушением температурного режима при отпуске, при котором остается остаточный аустенит. Еще один возможный дефект заготовки – нафталинистый излом.

Стоимость металла в продукции

Купить Р6М5 в готовых изделиях несложно, однако стоимость сплава достаточно высока. Приведем небольшой прайс-лист изделий из стали этой марки. Так круг инструментальный, в зависимости от толщины: 2, 5 или 16 мм, стоит 1350, 1200, 600 рублей за килограмм, соответственно. Стоимость полосы инструментальной чуть ниже и составляет 620 рублей за килограмм.

Несомненно, цены на металл марки Р6М5 в продукции могут варьироваться, поэтому приведенные цифры стоит воспринимать относительно, только, чтобы определить уровень стоимости сплава. С другой стороны, высокие расценки на быстрорез, делают металл достаточно популярным при сбыте металлолома. Стоимость вторичной быстрорежущей стали существенно превосходит аналоги обычных марок металла. Альтернативно, изделия из сплава Р6М5, отслужившие свой эксплуатационный ресурс, могут использоваться как деловой лом, с более высокой стоимостью.

Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали (рапиды, быстрорезы) относятся к инструментальным сталям специального назначения. Для всех инструментальных сталей характерны высокая твердость в холодном и горячем состоянии и высокое сопротивление пластической деформации

У быстрорежущих сталей комплекс характеристик дополнен красностойкостью – сохранением свойств при разогревании инструмента до температуры близкой к 600 º С, что важно для обработки твердых металлов резанием на высокой скорости. Красностойкость и горячую прочность стали придают легирующие карбидообразующие добавки: кобальт, вольфрам, ванадий и молибден

Твердость быстрорежущей стали в готовых изделиях HRC 63-66, для резания труднообрабатываемых материалов – HRC 66-69.

Быстрорежущие стали относятся к ледебуритным сталям, которые приобретают высокую износостойкость и твердость в процессе мартенситного превращения во время закалки. При высокотемпературном отпуске происходит дисперсионное твердение, обусловленное выделением упрочняющей фазы, состоящей из карбидов вольфрама, ванадия, молибдена.

Эксплуатационные характеристики инструмента определяются не только твердостью стали. Мелкий режущий инструмент часто выходит из строя до наступления соответствующего износа, то есть, для инструментальной стали важны такие характеристики как прочность и вязкость. Под прочностью подразумевается способность противостоять крутящему или изгибающему моменту, вязкость характеризует сопротивление разрушению под действием ударной нагрузки. Применение инструмента из высокопрочной стали дает возможность резание металла с большей подачей и обработку сплавов большей прочности. Сочетание высокой прочности и вязкости быстрорежущей стали предотвращает образование трещин, выкрашивание и поломку инструмента.

Прочность и вязкость стали имеют особо важное значение для инструментов, используемых при прерывистом точении, а также тонколезвийных и инструментов сложной формы

Улучшение характеристики изделий из HSS-сталей

Для придания твердости материала, стойкости к износу и устойчивости к коррозии поверхность инструментов подвергают дополнительной обработке. К таким методам относятся:

1. Азотирование. Насыщение азотом слоя поверхности проводится в газовой среде, которая состоит из 80% азота и 20% аммиака или на 100% из аммиака. Технологический процесс длится от 10 до 40 минут при температуре 500-600оС и приводит к укреплению поверхностной оболочки.
2. Цианирование. Насыщение осуществляется в жидкой или газовой среде, состоящей из химического элемента — цинка. Процесс высокотемпературного цианирования длится от 5 до 45 минут при температуре 800-900оС. Низкотемпературный процесс происходит при 500-600оС и обеспечивает износостойкость и высокую твердость инструменту.
3. Сульфидирование. Насыщение поверхностей стальных изделий серой осуществляется при 550-600оС путем нагревания в серноазотистых солях в течение 2-3 часов. В результате процесса повышается износоустойчивость стальных изделий.

Суть химико-термической обработки заключается в проникновении различных химических элементов в атомную кристаллическую решетку железа при нагревании деталей из стали в среде, насыщенной необходимыми элементами.

Быстрорежущие легированные стали предназначены для производства металлорежущего инструмента, который используют при работе на высоких скоростях. HSS-сплавы отличаются способностью сохранения износостойкости и сопротивляемости к разрушению при повышенных температурах. Добавление в состав стали молибдена, вольфрама, кобальта и ванадия обеспечивает красностойкость и горячую твердость.

Марки и категории

Различают множество категорий инструментальных сталей — У7, У7А, У8, У8ГА, У9 и другие. Самые используемые материалы марок У7А, У8, У8А и У9, поскольку они отличаются высокой прочностью, устойчивостью к нагреву, не деформируются при ударе. Марки У10 и выше также отличаются хорошей прочностью, однако они становятся пластичными при длительном контакте с высокими температурами, что снижает их универсальность. Основные марки инструментальных сталей:

Категория	Марки	Физические особенности
Углеродистая, стандартная	У7, У7А	Марки отличаются хорошей прочностью, низкой электропроводностью, низким риском коррозии. Подходят для производства деревообрабатывающих инструментов — топоры, стамески, долота. Также могут применяться для изготовления зубил, иголок, плоскогубцев, кусачек, молотков, ручных пил, крючков.
Углеродистая, повышенной прочности	У8, У9 + подвиды	Марки обладают повышенной прочностью, но хуже переносят локальный или общий нагрев. Поэтому их используют для производства деревообрабатывающего оборудования — топоры, стамески, станковое оборудование, пилы, ролики. Также могут применяться для производства мелких деталей, которые не будут подвергаться нагреву — запчасти для часов, иголки, крючки, заклепки, гвозди, болты, шурупы.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, с легирующими добавками или без них	У10, У11 + подвиды	Марки хорошо выдерживают деформацию и локальный нагрев до невысоких температур, отличаются пониженным риском коррозии. Легирующие добавки могут улучшать физические свойства марок (устойчивость к нагреву, пониженный риск коррозии, повышенная пластичность). Основные запчасти — сверла, ленточные пилы, фрезы, ролики, шаберы, напильники. Некоторые марки применяются для изготовления медицинского оборудования, деталей для электронных инструментов.
Углеродистая, повышенной или стандартной прочности, без легирующих добавок	У12, У12А	Марки относятся к категории грубых сталей, отличающихся пониженным классом точности. Сфера применения — производство прочных запчастей или деталей, которые не будут нагреваться до средних, высоких температур. Примеры запчастей — резцы, молотки, топоры, ручные пилы, напильники.
Углеродистая, стандартной или повышенной прочности, без легирующих добавок	У13, У13А	Марки относят к группе грубых сталей, которые становятся пластичными при нагреве. Обладают пониженным классом точности, поэтому эти марки используют для производства ручных обрабатывающих инструментов. Примеры — напильники, лезвия, надфили, инструменты для гравировки, хирургическое оборудование.

Методы производства и обработки

Несмотря на то, что значительную часть продукции быстрорежущих сталей по-прежнему производят прокаткой, более перспективным выглядит применение порошковой металлургии. Она позволяет получать детали с равномерным распределением карбидов и, следовательно, с изотропными механическими свойствами. Основным недостатком этого метода производства является его малая чувствительность к параметрам спекания, таким как температура и атмосфера. Более того, оптимальные условия определяются составом быстрорезов, при этом содержание углерода особенно сильно влияет на развитие микроструктуры и температуру спекания, причём содержание углерода и кислорода в исходном материале в процессе спекания претерпевает значительные изменения.

Критическая зависимость свойств HSS-сталей от содержания углерода привела к разработке метода компенсации потерь углерода во время производства. Было обнаружено, что наиболее надежный способ получения хороших результатов заключается в смешивании элементарного углерода (графита) с металлом, поскольку было продемонстрировано, что этот процесс может не только изменить состав, но и улучшить кинетику спекания.

Спекание происходит с помощью процесса суперсолидусного жидкофазного процесса, который позволяет достичь почти полной плотности полуфабриката

Важное отличие процесса от традиционного жидкофазного спекания заключается в том, что в первом случае жидкий расплав концентрируется не только на межчастичных границах, но также на границах зёрен, и внутри них.. Высокие механические свойства и однородная микроструктура, полученные с помощью методов порошковой металлургии, а также возможность легко достичь почти полной плотности за счет точного контроля состава, температуры и атмосферы определяют широкие перспективы данного метода для производства HSS-сталей. Кроме того, для получения практически точных заготовок, используется литьё под давлением

Оно позволяет избежать дорогостоящих операций механической обработки

Кроме того, для получения практически точных заготовок, используется литьё под давлением. Оно позволяет избежать дорогостоящих операций механической обработки.

Высокие механические свойства и однородная микроструктура, полученные с помощью методов порошковой металлургии, а также возможность легко достичь почти полной плотности за счет точного контроля состава, температуры и атмосферы определяют широкие перспективы данного метода для производства HSS-сталей. Кроме того, для получения практически точных заготовок, используется литьё под давлением. Оно позволяет избежать дорогостоящих операций механической обработки.

https://youtube.com/watch?v=K_reer6zVM8

Как точить изделия из быстрореза

Даже быстрорез сталь подвержена износу и затуплению, не смотря на внушающие прочностные показатели. Если учитывать сведения о применении и свойствах данных сплавов, то можно смело утверждать, что заточить их при помощи шлифовальных кругов из электрокорунда не выйдет – поверхность после такой обработки всё равно остаётся шероховатой, а режущие качества не улучшаются. Что тогда говорить о ручной заточке?

Самым правильным вариантом будет отдать изделие на заточку в специализированную мастерскую, которая имеет в своём распоряжении круги из эльбора. Иметь подобные машины в своём гараже – непозволительная роскошь и просто не целесообразно. Лучше не пробовать проводить затачивание в гаражных условиях, так как есть шанс повредить инструмент до степени невозврата в первоначальное состояние.

Минеральная керамика

Для режущего инструмента применяют минеральную керамику ЦМ-332. Ей присуща стойкость к повышенной температуре. Показатель твердости HRC составляет от 89 до 95 при 1200 °С. Также материал характеризуется износостойкостью, что позволяет вести обработку стали, чугуна и цветных сплавов при высоких скоростях резания.

Чтобы изготовить режущие инструменты, также используют кермет серии В. Его основу составляют оксид и карбид. Введение в состав минеральной керамики карбида металла, а также молибдена и хрома, способствует оптимизации физико-механических свойств кермета и устраняет его ломкость. Повышается скорость резки. Получистовая и чистовая обработка приспособлением на основе кермета применяется для серого ковкого чугуна, трудно обрабатываемой стали и ряда цветных металлов. Процесс проводится со скоростью 435—1000 м/мин. Керамика для резки отличается стойкостью к воздействию температуры. Ее твердость по шкале составляет HRC 90—95 при 950—1100 °С.

Для обрабатывания железа, прошедшего закалку, прочного чугуна, а также стеклопластика используется орудие, режущая часть которого произведена из твердых веществ, содержащих нитрид бора и алмазы. Показатель твердости эльбора (нитрид бора) примерно такой же, как и у алмаза. Его стойкость к температуре в два раза выше, чем у последнего. Эльбор отличается инертностью к железным материалам. Предел уровня прочности его поликристаллов при сжимании составляет 4—5 ГПа (400—500 кгс/мм2), а при изгибании — 0,7 ГПа (70 кгс/мм2). Стойкость к температуре имеет до предела 1350—1450 °С.

Также следует отметить алмаз на синтетической основе баллас серии АСБ и карбонадо серии АСПК. Химическая активность последнего к содержащим углерод материалам более высокая. Именно поэтому он применяется при заточке деталей из цветных металлов, сплавов с высоким содержанием кремния, твердых материалов ВК10, ВК30, а также неметаллических поверхностей.

Показатель стойкости резцов карбонада — в 20—50 раз больше уровня стойкости твердых сплавов.

Расшифровка маркировки данного сплава

Расшифровка маркировки стали Р6М5 следующая:

• Буква «Р» означает быстрорежущая или рапидная сталь, так как для маркировки бралось сокращение от английского слова «rapid» (на русском читается как рапид), которое в переводе означает «быстрый». А число, которое стоит за этой буквой обозначает процентное соотношение вольфрама в этом сплаве. В данном случае оно равняется 6 %, с небольшими отклонениями.
• Буква «М» показывает на то, что в составе этого сплава присутствует молибден. А число, которое стоит за буквой, также показывает количество его нахождения в сплаве этого металла в процентах.

Пример расшифровки маркировки

Если к этой стали больше не прибавляется никаких дополнительных элементов, то на этом обозначение ее заканчивается. Если же, к сплаву добавлен кобальт, то обозначаться она уже будет, Р6М5К5. Маркировка «Ф» — ванадий, «Т» — титан и другие добавочные элементы.

По ГОСТу сталь Р6М5 делится на следующие изделия, который принадлежит одному из межгосударственных стандартов. В нем описаны все технические требования, относящиеся к этой марке. Хоть и металлопрокат в последнее время переходит уже на твердые сплавы, эта марка все еще удерживает свои лидирующие позиции в спросе на рынке.

https://youtube.com/watch?v=ccSlXrxQTSg

Ниже перечислены некоторые изделия из сплава этих металлов и соответствующий ГОСТ к ним:

• круги горячекатанные относятся к ГОСТу под номером 2590-88;
• калиброванный прут имеет ГОСТ 7417-75;
• полосы и пруты (для изготовления этих изделий используется разновидность стали Р6М5К5) – ГОСТ 19265-73;
• круги, у которых имеется специальная отделка верхнего слоя имеют ГОСТ 14955-77.

Rimoyt.com

Углеродистые стали. Классификация и маркировка углеродистых сталей. Инструментальные и конструкционные углеродистые стали

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют: — по структуре — по способу получения — по степени раскисления — по качеству — по назначению

По структуре углеродистые стали подразделяют на: — доэвтектоидные (содержат менее 0,8% С) — эвтектоидные (0,8% С) — заэвтектоидные (С более 0,8%)

По способу получения углеродистые стали разделяют на: — кислородно-конвертерные — мартеновские — электростали

По степени раскисления углеродистые стали бывают: — спокойные — полуспокойные — кипящие

По качеству (качество определяется содержанием вредных примесей в стали) углеродистые стали разделяют на: — стали обыкновенного качества — качественные стали

По назначению углеродистые стали разделяют на: — конструкционные — инструментальные

Маркировка углеродистых сталей

Маркировка углеродистых сталей зависит от их качества и назначения. Стали обыкновенного качества имеют 3 группы поставки: А, Б, В. Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами, химический состав не регламентируют. Стали группы Б поставляются с гарантированным механическим составом, механические свойства не гарантируются. Стали группы В поставляются с гарантированными химическим составом и механическими свойствами.

Все эти стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) маркируются буквами Ст, после которых ставится цифра от 0 до 6. Впереди марки – буква, указывающая группу поставки (для стали группы А – не ставится). В конце марки указывается степень раскисления: пс, кп (для спокойных – не указывают). Ст3кп – углеродистая сталь обыкновенного качества, группы поставки А, с номером 3, кипящая.

ВСт4пс – углеродистая сталь обыкновенного качества, группы поставки В, с номером 4, полуспокойная.

Для сталей группы поставки А номер характеризует механические свойства (выше номер – выше прочность). У сталей группы Б с возрастанием номера возрастает содержание углерода. У сталей группы В механические свойства такие же как у стали группы А, а химический состав как у стали группы Б аналогичного номера. О механических свойствах и химическом составе информацию получают в сопроводительных документах.

Качественные конструкционные углеродистые стали (ГОСТ 1050-74) маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, 25… до 85. Цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если сталь содержит повышенное количество марганца (0,8-1,2%), то после цифр ставится буква Г. В конце марки указывают степень раскисления (кп или пс).

Сталь 40 – качественная конструкционная углеродистая сталь с содержанием углерода 0,4 % , спокойная.

Сталь 65Гпс – качественная конструкционная углеродистая сталь с содержанием углерода 0,65%, более 0,8% марганца, полуспокойная.

Инструментальные углеродистые стали (гост 1435-74) тоже качественные. Они маркируются большой буквой У и цифрами, которые означают содержание углерода в десятых долях процента. Эти стали всегда качественные. Однако, если сталь имеет повышенное качество, то в конце марки ставится буква А.

Обычно в качестве инструментальной стали используют стали с повышенным содержанием углерода (0,75-1,3%). Они отличаются высокой твердостью и прочностью. Из них изготавливают сверла, метчики, развертки, а также пуансоны и матрицы штампов для холодной штамповки. Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость – при нагреве выше 200 ?С их твердость снижается, поэтому в этих случаях целесообразно применять легированные инструментальные стали.

У8 – инструментальная углеродистая со средним содержанием углерода 0,8% (имеет точно такой же химический состав, что и Сталь 80, но отличается структурой и свойствами).У12А – углеродистая инструментальная сталь, 1,2% углерода, повышенного качества.

Особенности термической обработки быстрорежущих сталей

Изделия из быстрорежущей стали подвергают термической обработке. Это увеличивает эксплуатационные качества. Но необходимо учитывать состав сплава. Сталь накалённая до температуры закалки, получает растворение различных примесей и добавок в структуре.

После термической обработки в составе быстрорежущей стали остаётся до 30% аустенита. Он негативно сказывается на характеристиках стали. Для его уменьшения применяется два способа. Рассмотрим первый из них:

1. Термический процесс проводится в несколько этапов. При этом выдержка проводится при определённой температуре. Также применяется многократный отпуск.
2. Отпуск производится при температурах от 150 до 550 градусов.
3. Закалку производят при повышенных температурах. Это позволяет металлу перестроить кристаллическую решётку.
4. Для охлаждения применяют масло или соляные ванны. Обычная вода может привести к появлению различных дефектов.

Второй способ, который поможет улучшить характеристики сплава:

1. Вначале производится насыщение поверхностного слоя цинком. Процесс происходит при высоких температурах, но кратковременно.
2. Поверхность заготовки может подвергаться азотированию. Процедуру проводят в газовой среде.
3. Для увеличения плотности и твёрдости поверхности стали, её могут обработать сульфидами.
4. В качестве дополнительной обработки на поверхность детали напыляют различные материалы. Это может существенно изменить свойства сплава.

Примеры клинков из быстрорежущей стали.