Быстрорежущая сталь – характеристика, маркировка, области применения

История создания

До появления быстрорежущих инструментальных сталей для обтачивания деревянных деталей и изделий из цветных металлов использовались обычные стальные резцы. Но при обработке подобным инструментом деталей из твердых материалов возникала проблема. Резец очень быстро изнашивался, нагревался, им было невозможно обтачивать изделие с высокой скоростью.

Проблему удалось решить в 1858 году, после получения сплава, где в качестве легирующих элементов использовались вольфрам и марганец. В течение нескольких последующих десятилетий в результате экспериментов было получено еще несколько видов сверхпрочных сплавов, способных эксплуатироваться при высоких температурах. Это позволило многократно увеличить скорость обработки деталей и повысить производительность металлорежущих станков.

В конце прошлого века вольфрамовые соединения стали заменяться на самозакаливающиеся, а в настоящее время успешно используются безвольфрамовые составы.

Свойства и виды быстрорежущих сталей

Сплавы сочетают в себе повышенную теплостойкость с твердостью, износостойкостью и высоким сопротивлением пластической деформации. В процессе работы инструмент из быстрорежущей стали должен сохранять заданный размер и форму, выдерживать серьезные динамические нагрузки, сохранять режущую способность при высокой температуре.

Назначение быстрорежущих сталей и их свойства определяются особенностями легирующих элементов. В состав входят хром и вольфрам в различных процентных соотношениях, несколько изменяющих рабочие характеристики материала. Кроме классических хромовольфрамовых составов, используют сплавы с увеличением в составе углерода, ванадия, кобальта.

Сталь Р6М5

Быстрорежущая инструментальная сталь марки Р6М5 повсеместно применяется в производстве основных резьбонарезных и режущих инструментов. Р6М5 используется для эффективной обработки конструкционных легированных углеродистых сталей. Именно эта сталь получила широкое распространение благодаря не только характеристикам, в которые входит высокая теплостойкость, но и из-за относительно невысокой себестоимости.

Сталь Р6М5К5

Инструментальная быстрорежущая молибденово-кобальтовая сталь. Сталь этой марки обладает важными характеристиками: износостойкостью, хорошей вязкостью, легко поддается шлифовке. Применяется в изготовлении инструментов для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей. Инструменты из такой стали незаменимы в условиях повышенного разогрева режущей кромки.

Сталь Р18

Данная марка стали, как правило, используется для обработки конструкционных сталей с обязательным условием сохранения режущих свойств при нагревании до 600 градусов во время работы. Р18 — сталь, отличающаяся большим количеством избыточных карбидов и свойством сохранять мелкое зерно даже при повышенных температурах закалки. Инструмент подогревают, чтобы при нагреве до температуры закалки в нем не образовывались трещины. Основным недостатком стали Р18 является высокая себестоимость, поэтому ее часто стараются заменить более дешевым вариантом — сталью Р9.

Сталь Р12 (по характеристикам близка к стали Р18)

Р12 отличается от стали Р18 меньшей степенью карбидной неоднородности и большей пластичностью. Такая марка стали оптимальна для изготовления инструментов методом пластической деформации.

Используется сталь Р12 в производстве режущего инструмента для механической обработки конструкционных инструментальных легированных сталей.

Сталь Р9К5

Данная марка стали необходима для обработки конструкционных сталей повышенной прочности, жаропрочных и нержавеющих сталей. Пятипроцентное содержание кобальта делает материал более пригодным для работы ударом, благодаря повышенной вязкостью. Инструменты из стали Р9К5 обладают более длительным периодом стойкости (в 3 раза) по сравнению с инструментами из стали Р6М5.

Характеристики быстрорежущих сталей

К категории быстрорежущих сталей относят большую группу сплавов, в составе которых имеются легирующие элементы, позволяющие добиваться стойкости к износу и сильному нагреванию.  От обычных углеродистых сплавов их отличает высокий показатель прочности, который позволяет использовать инструменты из них для обработки твёрдых материалов.

Клинок из быстрореза.

Быстрорезы имеют ряд примечательных характеристик, по которым их можно отличить от других марок сталей, к ним относят следующие:

1. Сохранение твёрдости при высоких температурах, так называемая горяча твёрдость. Любые предметы при трении нагреваются. Температура режущего инструмента, работающего на огромных оборотах, увеличивается очень быстро до высоких показателей. Обычные стали при таком нагреве подвергаются отпуску, из-за чего теряют свои рабочие свойства. Быстрорежущая сталь не подвергается подобным процессам, так как её состав позволяет ей выдерживать температуру до 6000 градусов Цельсия без потери прочности.
2. Высокая красностойкость – параметр сплава, характеризующийся временным промежутком, в течение которого он способен работать при высокой температуре без потери первоначальных свойств.
3. Сопротивление разрушительным процессам. Помимо стойкости к сильному нагреву быстрорезы должны иметь повышенные механические показатели, в сравнении с обычными металлами. Инструменты из таких сплавов даже под высоким давлением не крошатся и не переламываются, за счёт чего активно применяются для изготовления свёрл и резцов.

Расшифровка обозначения марок сталей

Впервые быстрорежущая сталь была изобретена специалистами из Британии. Так как инструменты из этого материала предусматривали работы на больших скоростях, такие сплавы получили название  «rapidsteel» (что в переводе на русский означает быстрая сталь). Такое название, придуманное в Англии, послужило причиной для современного маркирования всех быстрорежущих марок буквой «Р».

Согласно международному регламенту первая цифра, следующая за Р, обозначает содержание вольфрама в процентах, которые является основополагающим элементом, определяющим ключевые характеристики всего сплава.

Помимо вольфрама для быстрорезов характерно наличие таких компонентов, как кобальт, ванадий и молибден, которые в маркировке отображаются соответственными буквами: К, Ф и М. За каждой такой буквой следует цифра, указывающая на процент от общего химического состава. Как видно, человек, который самую малость разбирается в сталях, даже не смотря на описание, может рассказать всю основную информацию о сплаве.

Методы производства и обработки

Инструменты, которые изготавливаются из быстрорежущей стали, производятся по двум основным технологиям:

1. Классический способ, предполагающий отливку раскалённого металла в специальные формы и дальнейшую его обработку и закалку.
2. Метод порошковой металлургии: расплавленная сталь распыляется под воздействием азотной струи и затем сплавляется вновь.

Порошковая металлургия более сложная в сравнении с традиционной. Процесс производства предполагает производство стального порошка, который задувается в специальную форму и уже в ней сплавляется. Это позволяет предотвратить возникновение карбидных ликваций и сделать структуру стали более однородной и стабильной, что положительно сказывается на всех рабочих свойствах.

Так выглядит расплавленная сталь.

Порошковый метод обладает рядом достоинств, которые позволяют ему вытеснить более дорогие виды обработки, такие как литьё, штамповку и ковку:

• экономичность – исходным материалом для производства порошка могут служить даже отходы, например, окалина, к тому же такой способ требует меньше финансовых затрат в сравнении с классическим;
• достижение более точных форм изделий – детали, созданные данным методом, не требуют дальнейших обработок резанием;
• высокий показатель износостойкости.

За производственным процессом обязательно следует процесс закалки. Закалка инструментов из быстрорезов проходит при температурах, которые способствуют наиболее благоприятному разложению в них легирующих компонентов, но в тоже время и к росту зёрен в молекулярной решётке. После закаливания для структуры быстрорежущих сплавов характерно содержание до 30% аустенита, а это отрицательно сказывается на всех на рабочих параметрах. Чтобы уменьшить негативное влияние аустенита до минимальных значений, применяется две различных технологии:

• проводится несколько циклов нагрева, выдержки при однородной температуре и последующее охлаждение, так называемый многократный отпуск;
• до выполнения отпуска, деталь подвергают охлаждению до очень низких температур.

Специфика быстрорежущего проката

Мы работаем непосредственно с производителями, поэтому предлагаем быстрорежущую сталь по адекватной цене. Металл данной категории отличается определёнными характеристиками:

• устойчив к разрушению;
• сохраняет достаточную плотность, как в холоде, так и при высоких температурах;
• способен удерживать прочность, износоустойчивость в условиях температур красного каления.

Обработка металла резанием подразумевает использование инструментов, которые подлежат активному нагреву. Стандартный инструментальный стальной лист после такой обработки теряет прочность. Быстрорежущий металл сохраняет все свои качества, благодаря обработке молибденом, кобальтом, вольфрамом, ванадием.

Изготовленные из такого металла инструменты можно использовать на достаточной глубине резания, в условиях быстрой подачи.

Высокая прочность и качество стали обеспечивают длительную эксплуатацию изготовленных из нее изделий. Обрабатываемые элементы отличаются чистой, ровной поверхностью. Никакое из напряжений при обработке не вызывает деформации инструментов. Они характеризуются устойчивостью к изгибанию, крутящему моменту. Прочность сочетается с достаточной гибкостью, которая противостоит появлению трещин, не даёт инструменту выйти из строя.

Улучшение характеристик изделий

К инструментам, изготовленным из быстрорезов, предъявляются высокие требования и, чтобы они обладали ими в полной мере, их поверхность подвергается обработке. Для этого применяются различные способы, в числе которых:

1. Поверхностный слой детали подвергается азотированию. Проводиться подобная обработка может в газообразной среде, состоящей либо на 80% из азота и на 20% из аммиака, либо из 100% аммиака. Процесс проходит 10-40 минут при температуре 550 – 6600 градусов. Такая операция позволяет сделать верхний слой менее хрупким.
2. Поверхность насыщают углеродом и азотом – так называемое цианирование, которое происходит за счет погружения детали в расплав цианида натрия. В зависимости от конечного назначения детали цианирование проходит под разной температурой. Чем дольше время и выше температура, тем толще получается слой.
3. Сульфидирование – выполняется в жидком расплаве сульфида с добавлением серы. Данный процесс проводится от 45 минут до 3-ёх часов при температуре от 450 до 5600 градусов Цельсия

Все вышеперечисленные процедуры выполняются уже с готовым инструментом: режущая часть заточена, поверхность отшлифована и закалена.

Расшифровка: что обозначают символы маркировки

Выше уже рассказывалось, какие данные можно извлечь из названия любой марки быстрорезов. Для большей наглядность рассмотрим расшифровку одной широко используемой быстрорежущей стали Р9Ф5:

• Р – понятно, обозначение быстрорежущих сплавов, от английского «рапид» — скорость;
• 9 – процентное содержание в сплаве вольфрама;
• Ф – обозначает наличие в составе стали ванадия;
• 5 – процентное содержание ванадия.

Если анализировать аббревиатуру Р9Ф5 дальше, то её расшифровка может содержать и другие буквы. Например, если металл получен методом электрошлакового переплава, появляется ещё одна буква – «Ш».

Внедрение современных технологий, а именно с применением азотирования, можно встретить следующую маркировку Р9АФ5.

Импортные аналоги быстрорезов имеют следующую маркировку – HSS, которая расшифровывается как High Speed Steel, в переводе на русский — это высокоскоростная сталь:

• Германия — 1.3343;
• Япония — S600/S601;
• США — М2.

ГОСТ и ТУ

Требования к производству, технические характеристики, процесс термообработки  и элементный состав быстрорежущих сталей регулируют специальные госты. Регулирующих документов большое количество, так как для каждого вида изделий предусмотрен свой стандарт:

• ТУ 14-11-245-88 — холоднодеформированные фасонные профили высокой точности;
• ГОСТ 1133-7 — кованые круги или квадраты, сортамент;
• ГОСТ 2590- 88 — горячекатаные круги;
• ГОСТ 7417-75 — калиброванный пруток;
• ГОСТ 14955-77 — круги со специальной отделкой поверхности .

Эти стандарты применяются практически на всех российских производствах.

Трудности закалки быстрорежущей стали

Термическая обработка быстрорезов имеет ряд сложностей, связанных со спецификой применения и предъявляемыми требованиями. Например, термообработка Р6М5 затруднена свойством этого сплава к обезуглероживанию (его закалка требует на четверть времени больше, чем схожих сплавов Р18 и Р12). Температура закалки данного металла – 1230 градусов. Сначала производится отпуск при 200 и 300 градусах с часовой выдержкой. Дальше обработка осуществляется в 3 этапа:

• 3 минуты – 690 градусов;
• 3 минуты – 680 градусов;
• 1,5 минуты – 1230 градусов.

Затем сталь охлаждается в селитре, в масле и на воздухе. Последующая обработка предполагает троекратный отпуск с выдержкой по 90 минут при однородной температуре 560 градусов. На этапах отпуска сплав обогащается легирующими добавками.

Область использования быстрорежущей стали

Резцы из быстрорежущей стали могут использоваться для разных инструментов. В основном, это сверла и фрезы небольшого размера. С помощью данных инструментов проводят обработку материалов, из которых создают конструкции, детали машин и некоторых сооружений. Область применения способны расширить примеси.

Например, с вольфрамом сталь становится пригодной для нарезания зубьев или резьбы. Инструмент с добавлением ванадия используют для создания приспособлений, способных сделать чистовую обработку материала. С кобальтом можно обрабатывать металл с антикоррозионными и жаропрочными свойствами.

И фрезы, и сверла из быстрорежущей стали должны быть устойчивыми к разным температурам и износу. Но есть и ряд дополнительных требований, которые способны повысить качество стали. В первую очередь это способность сопротивляться коррозии, а также сохранять первоначальные габариты и форму даже при высокой скорости работы.

Не менее важна устойчивость к динамическим нагрузкам. Для марок инструментальной быстрорежущей стали характерно сопротивление высоким температурам от +600 °С до +6 400 °С. Эти параметры позволяют их использовать для создания фрез, метчиков, протяжек, резцов, пил и зенкеров.

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.

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.

Стоимость металла в продукции

Рассмотрим стоимость металла на примере одного из самых популярных быстрорезов на отечественном рынке – Р6М5. Купить готовые изделия не составит большого труда, они распространены повсеместно, однако стоимость стали довольно высокая. Ниже будет представлен примерный прайс-лист.

В зависимости от толщины листа круг инструментальный соответственно будет стоить:

• 2 мм — 1350 рублей за кг;
• 4 мм — 1200 рублей за кг;
• 16 мм – 600 рублей за кг.

Приведённые выше расценки – это относительное усреднённое значение. Они могут меняться в зависимости от многих факторов: местности, экономической ситуации и т.д. Высокая цена быстрорежущих металлов делает их популярными при сбыте металлолома. Стоимость такой вторичной продукции гораздо выше, чем обыкновенных сплавов.