Быстрорезы

Наверное, почти каждый, кто начал делать сам ножи, прошел через этап “нож из мехпилы”.
А что, все логично - неплохая железка с уже сделанной ТО. Стоит копейки. Слесарка, сборка и нож готов. Как говорится, дешево и сердито.
А с на другом конце ножевой “табели о рангах” зачастую можно встретить ножи от известных фирм или мастеров индивидуалов, выполненные из “пафосных” быстрорезов, часто с запредельной твердостью.

А объединяет их одно – клинки этих ножей выполнены из быстрорежущих сталей. Как следует из названия этой группы материалов (по английски аналогично – High Speed Steel - HSS) они предназначены для резания с высокими скоростями. А что для этого нужно – высокая твердость, высокая теплостойкость и какая никакая “прочность”. И именно эти задачи стоят перед разработчиками этой группы сталей. Так как область применения этих сталей весьма широка (от дерева до титановых сплавов + они часто используются для штампов, работающих при высоких давлениях) то весьма разнообразна и их номенклатура. Стали различаются по системе легирования, составу и свПервые стали, которые по составу можно было бы назвать быстрорежущими, появились в конце 19 века, однако именно комплекс состав + ТО, обеспечивающий получение высокой твердости и теплостойкости был отработан в 1912-1914 годах. Одна из старейших и наиболее широко используемых сталей типа Р18 (T1, 18%W и т.д.) не претерпела серьезных изменений с начала 20Х годов прошлого века. Основная номенклатура сталей была отработана к началу 70х годов.
Сейчас стали получают как методами “классической” металлургии, так, и, (в основном высоколегированные) порошковым переделом.

Давайте рассмотрим состав и структуру этих сталей подробнее.

У классических быстрорезов основными легирующими элементами являются вольфрам и молибден. Взаимодействуя с углеродом, они образуют карбиды (в сталях М6С и М2С), превращения которых в процессе ТО и определяют структуру и свойства этих сталей.

При высоком нагреве (в температура закалки этих сталей доходит до 1300С) эти карбиды частично растворяются в твердом растворе (у Р18 существенно меньше половины, у заэвтектоидных сталей последнего поколения – практически полностью). После резкого охлаждения фиксируется следующая структура:

Средне/высокоуглеродистый мартенсит (примерно 0.3С у Р18 и до 0,6С у сталей последнего поколения) высоколегированный вольфрамом/молибденом (а так же хромом, ванадием, кобальтом и т.д.). Именно высокое легирование этими элементами определяет высокую теплостойкость такого мартенсита.
Остаточный аустенит. Высокое содержание легирующих элементов при достаточно высоком содержании углерода (следствие высоких температур закалки, приводящих к растворению карбидов и обогащению твердого раствора легирующими элементами и углеродом) определяет высокое содержание остаточного аустенита (30-60%), что снижает твердость стали в закаленном состоянии.
Избыточные карбиды (первичные, эвтектические и часть вторичных), которые не принимают участия в процессах при ТО.

Как видно, полученная после закалки структура не обеспечивает получения требуемых характеристик. Относительно высокоуглеродистый мартенсит (даже высоколегированный) не обеспечивает высокую теплостойкость, а высокое содержание остаточного аустенита снижает твердость и стойкость к смятию. Как же быть? Выход – в многократном высоком отпуске. В сочетании с закалкой с высоких температур (при подходящем составе стали, разумеется) такая обработка носит название “обработки на вторичную твердость”

Давайте рассмотрим процессы, происходящие при этом.
Мартенсит частично распадается – их него выделяются ультрамелкодисперстные карбиды. Это процесс состоит как бы из двух противоположно направленных процессов: распад мартенсита приводит к уменьшению его твердости, а выделение мелкодисперстных карбидов – к упрочнению стали. На разных этапах (разных температуре и выдержке) один из этих процессов является определяющим. Сначала (при низких Т) преобладает разупрочнение вследствие распада мартенсита, на пике вторичной твердости выделение большого количества карбидов легирующих элементов приводит к повышению твердости, при более высоком нагреве снова преобладает разупрочнение (об этом ниже)
Выделившиеся карбиды, вследствие коалесценции увеличиваются в размерах, при этом падает их объемная плотность. Оба этих процесса приводят к разупрочнению стали.
При высоком нагреве остаточный аустенит дестабилизируетя и в процессе промежуточного охлаждения после отпуска частично превращается в мартенсит. Это приводит к увеличению твердости стали.

Обычно для быстрорежущих сталей проводят 3 отпуска при Т 550-580С (в особых случаях больше). Давайте рассмотрим происходящие при этом процессы (упрощенно).
При первом отпуске образовавшийся при закалке мартенсит распадается, выделяются карбиды легирующих элементов. При охлаждении часть остаточного аустенита превращается в мартенсит.
При втором отпуске превращение претерпевает “свежий” мартенсит, образовавшийся при первом отпуске, при охлаждении превращается очередная порция остаточного аустенита.
Третий (а иногда 4-5 отпуск) стабилизирует структуру, снимая напряжения. В структуре стали обычно остается не более 2-4% остаточного аустенита.

В результате в полностью термообработанном состоянии быстрорежущие стали имеют структуру высоколегированного низкоуглеродистого (0.1-0.2%С) мартенсита, упроченного мелкодисперстными карбидами + избыточные карбиды + немного остаточного аустенита.Именно эта структура обеспечивает твердость и теплостойкость.

На этом примере, кстати, хорошо видно, что состав стали и ее термообработка связаны как Ленин и Партия .

В первой части мы рассмотрели структуру, свойства и принципы легирования и ТО быстрорежущих сталей. В этой части мы рассмотрим их классификацию и поговорим о самых распространенных представителях этого класса сталей.

Итак, классифицировать быстрорежущие стали можно по разным параметрам, но наиболее употребимой является их классификация по производительности. Под производительностью в данном случае подразумевается производительность и стойкость при обработке металла, что ножеделу, в общем то, фиолетово, но эта самая производительность определяется тремя важнейшими факторами:

Вторичная твердость (что важно)
Красностойкость – способность сохранять эту твердость при высоком нагреве. Для наших применений это свойство, в общем, неважно, лишь бы сталь получала и сохраняла высокую твердость в процессе ТО.
Структура. В первую очередь количество и тип карбидов, что вместе с твердостью определяет износостойкость и влияет на технологические свойства, например ковкость и шлифуемость.

Традиционно, быстрорежущие стали делят на стали пониженной, нормальной и высокой производительности. Отдельными классами идут стали особо высокой производительности (сверхбыстрорежущие) и стали с интерметаллидным упрочнением. Несколько особняком стоит класс заэвтектоидных сталей (в англоязычной литературе их чаще называют non-ledebutitic HSS – неледебуритные быстрорежущие стали, что лучше отражает их специфику). Эта группа сталей не содержит (или почти не содержит) в структуре эвтектических карбидов и включает в себя стали пониженной, нормальной, а в последнее время и высокой производительности.

По системе легирования можно выделит вольфрамовые, молибденовые и вольфрамо-молибденовые стали. Несколько отдельно стоять стали легированные кобальтом. В большинстве случаев вторична твердость и теплостойкость корреллирует с суммарным содержанием вольфрама и молибдена. Для первичной оценки класса быстрорежущей стали можно воспользоваться “вольфрамовым эквивалентом” который равен Σ(W+xMo) где х может принимать значения 1.5-2 (обычно принимают х=1.5 для высоколегированных “классических” быстрорежущих сталей, х=1.75 для относительно малолегированных сталей пониженной производительности и х=2 для заэвтектоидных молибденовых сталей и сталей, упрочняемых карбидами M23C6). Обычно минимальный вольфрамовый эквивалент быстрорежущих сталей – это 7-8, типичный для сталей обычной производительности – 12-15, высокопроизводительные стали имеют такой же или несколько больший вольфрамовый эквивалент. С ростом эквивалента растет содержание карбидов вольфрама/молибдена, вторичная твердость и теплостойкость. Вместе с тем, ухудшаются механические и технологические свойства сталей.
А теперь давайте рассмотрим наиболее распространенные стали, их свойства, преимущества и недостатки. Сейчас в мире существуют многие сотни марок быстрорежущих сталей, поэтому мы остановимся лишь на наиболее представительных из них.

Р18 (T1) – пожалуй, старейшая из применяемых ныне быстрорежущих сталей. Благодаря высокому содержанию вольфрама (18%) сталь содержит много эвтектических карбидов, что благоприятно сказывается на ее стойкости при обработке труднообрабатываемых материалов. Сталь довольна стабильна при ТО и в отдельных случаях позволяет выполнять закалку “на глазок” – долгое время практиковалась закалка инструмента “на слезу” – инструмент нагревали в восстановительном пламени и термист мог ориентироваться по первым каплям расплавившегося науглероженного слоя. Из за высокого содержания вольфрама и низкого – ванадия сталь практически не содержит карбида МС и хорошо шлифуется

Из недостатков – сталь имеет достаточно низкие мех. свойства, и достаточно тяжело деформируется и имеет высокие Т закалки (1270-1290С).

Максимальная вторичная твердость в районе HRc 65.5.

Р12 и Р9 – вольфрамовые стали, в которых последовательно было уменьшено количество вольфрама и увеличено – ванадия. По структуре и свойствам близки к Р18, имеют несколько лучшую механику и худшую шлифуемость (особенно Р9).

Максимальная вторичная твердость HRc 66 и 64,5 соответственно. Закалочные температуры ниже, чем у Р18 (1240-1260С).

Р6М5 (M2). Наиболее универсальная и широко применяемая быстрорежущая сталь в мире. Тоже ветеран – была разработана в 30х годах прошлого века. Сейчас является своеобразным эталоном, с которым сравнивают новые стали. Замена части вольфрама молибденом улучшила мех. свойства, но сделала сталь более требовательной к соблюдению режимов при ТО, за что ее долго не любили на советских заводах. Сталь находит применение для изготовления клинков.

Закалочные температуры – 1210-1220 для режущего инструмента и 1160-1180 для штампов (и клинков). Максимальная вторичная твердость 65 и 62 соответственно.

Существует высокоуглеродистая версия – 10Р6М5, максимальная вторичная твердость HRc 66.

Р6М5Ф3 и Р6М5Ф4 (M4) – высокованадиевые версии Р6М5. Содержат в структуре заметное количество карбида МС, что определяет высокую износостойкость и плохую шлифуемость. По мех. свойствам не уступают Р6М5. Вторичная твердость до HRc 66.5. Сейчас практически заменили Р6М5 для производства клинков.

11Р3(А)М3Ф2-3(Б) (ABC III) – группа сталей пониженной производительности, разработанная в Германии во время второй мировой войны. Обладают мех. свойствами на уровне Р6М5 или несколько лучше, имеют несколько меньшую твердость (HRc 64) и теплостойкость. Из этих сталей часто изготавливают полотна для мех. пил, и таким образом они достаточно популярны у “самоделкиных”. Имеют несколько более низкие по сравнению с Р6М5 закалочные температуры (1150-1200С) и пониженную шлифуемость.

Р6М5К5 – один из самых старых и распространенных кобальтовых быстрорезов. Легирование кобальтом повышает вторичную твердость (до HRc 67) и теплостойкость, но снижает мех. свойства и ухудшает технологические свойства при горячей деформации и ТО.

Р2М8К8 (M42) – достаточно распространенный в США кобальтовый быстрорез, сочетающий высокую вторичную твердость (до HRc 68) со все еще приемлемой механикой. Из за высокого содержания молибдена и кобальта имеет весьма высокую чувствительность к обезуглероживанию при ТО. Идеологически (не по составу) к этой марке близки стали Р9М4К8 и Р9М4К6С.

Стали типа 160-245Р(9-11)М(2-8)Ф(5-6)К(8-16) (S390, Hap72, ASP2080, CPM REX121, Maxamelt и т.д.) - группа “сверхбыстрорежущих” сталей, производимых по порошковой технологии, сочетающих высокую твердость (до HRc72) и износостойкость (из-за высокого содержания карбида МС). Механические свойства достаточно низки. Шлифуемость удовлетворительная (спасибо порошковому переделу).

Стали с интерметаллидным упрочнением и стали с основным карбидом М23С6 мы в этой статье рассматривать не будем.
Под конец я хочу остановится на группе заэвтектоидных быстрорежущих сталей. В составе этих сталей (молибденовых) отсутствуют (или почти отсутствуют) грубые эвтектические карбиды, благодаря чему стали имеют высокую однородность структуры и механические свойства.

Родоначальником семейства стала американская сталь М50, которая активно применяется не только для режущего инструмента, но и для штампов и даже теплостойких подшипников. Из-за низкой вторичной твердости (63-64) и теплостойкости она относится к сталям пониженной производительности.

В СССР и России были разработаны заэвтектоидные стали нормальной и высокой производительности.
11М5, 11М5ФСЮ стали, разработанные для замены Р6М5. Обладают лучшими мех свойствами и хорошей технологичностью (за исключением склонности к обезуглероживанию). Вторичная твердость высока (РКс 65-67)
11М7, 11М7ФСЮ стали высокой твердости (до HRc 68) и теплостойкости. Имеют характеристики высокопроизводительных кобальтовых быстрорезов при механических свойствах лишь немного хуже Р6М5.

17М6Ф5Б – высокованадиевая сталь, имеющая высокую твердость и износостойкость при хорошей механике.

На базе этих сталей нами разработана сталь типа 17М6Ф4Б2НТСЮ, которая должна сочетать высокую твердость (РКС 67+), износостойкость и высокие мех. свойства.
источник