» » Общие сведения о быстрорежущих сталях и твердых сплавах
15.01.2016

Для обработки заготовок деталей резанием используются различные виды материалов: инструментальные легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы на основе карбидов вольфрама и титана, сверхтвердые материалы (технические алмазы, модификации нитрида титана, керамика). В металлообрабатывающей промышленности наибольший объем снимаемой стружки приходится на режущий инструмент из быстрорежущих сталей и твердых сплавов.
Широко применяемые быстрорежущие стали, обеспечивающие высокую скорость обработки резанием, сочетают высокие твердость (до 70 НRС), теплостойкость (до 600—680 °С), износостойкость в условиях нагрева и сопротивление пластической деформации.
Высокое содержание упрочняющей карбидной фазы в этих материалах способствует значительному повышению твердости, износостойкости, теплостойкости. При нормальной температуре для всех инструментальных сталей характерна высокая твердость (> 60 НRС), однако резкий спад твердости углеродистых сталей происходит при нагреве до 200 °С, тогда как твердость быстрорежущих сталей и твердых сплавов с более высокой теплостойкостью падает при существенно более высоких температурах.
Наиболее распространенные быстрорежущие стали, которые приведены в табл. 11.1, обычно в высокой степени легированы карбидообразующими элементами (W, Мо, Сr, V, Со и др.) и углеродом до составов, соответствующих образованию карбидной эвтектики — ледебурита, и относятся к ледебуритному классу сталей.
Общие сведения о быстрорежущих сталях и твердых сплавах

Сохранение высокой твердости при нагреве быстрорежущей стали (теплостойкость) определяется замедленностью процесса коагуляции частиц упрочняющих карбидных фаз типа Ме6С [Fе3(W,Мо)3С), МеС (VС), Ме23С6 (Сr23С6), дисперсность которых является важным условием высоких служебных свойств быстрорежущей стали.
Использование быстрорежущих сталей позволяет повысить скорость резания в 3—5 раз по сравнению со скоростями, применяемыми при обработке инструментом из углеродистых и легированных инструментальных сталей. Главным преимуществом инструмента из быстрорежущих сталей в условиях гибкого автоматизированного производства является высокая стабильность свойств.
Для литых высоколегированных быстрорежущих сталей характерно интенсивное проявление карбидной ликвации с выделением крупных карбидов, которое сопровождается снижением механических, технологических, сервисных характеристик.
В связи с этим переход к технологии порошковой металлургии с использованием быстрозакаленных порошков, полученных распылением расплава, ознаменовал новый этап в развитии быстрорежущих сталей.
Промышленное применение изделий из быстрозакаленных порошков инструментальных и быстрорежущих сталей имеет уже 30-летнюю историю. Преимущества этих материалов и постоянное совершенствование технологии их получения способствуют все более широкому их использованию.
В результате комплексных усилий по развитию порошковой металлургии быстрорежущих сталей, в частности основных технологических операций изготовления компактной заготовки — получения быстрозакаленных порошков, подготовки порошков к компактированию и консолидации методом ГИП, разработана технология изготовления высококачественного продукта,
Повышение надежности и служебных свойств заготовок и изделий при сохранении приемлемой стоимости — результат модернизации этих процессов.
Качество и стоимость конечного продукта определяются в значительной степени параметрами ГИП (температурой, давлением, временем),
Современная технология получения изделий и полуфабрикатов из быстрозакаленных порошков инструментальных и быстрорежущих сталей (BUPT — Bohler-Uddeholm Powder Technology) отражена на рис. 11.1.
Основные процессы изготовления компактных заготовок инструментальных и быстрорежущих сталей из быстрозакаленных порошков:
— получение быстрозакаленных порошков методом газового распыления расплава;
— капсулирование порошка в герметичный контейнер (капсулу);
— компактирование методом ГИП;
— горячая обработка капсулы давлением до заданных размеров или механическое удаление материала капсулы и поставка в ГИП-состоянии.
Общие сведения о быстрорежущих сталях и твердых сплавах

Наиболее негативное влияние на свойства заготовок оказывают неметаллические или инородные включения, которые могут действовать как концентраторы напряжений, приводящие к разрушению материалов, полученных компактированием быстрозакаленных порошков. В традиционных быстрорежущих сталях цепочки большой протяженности из крупных карбидных частиц перекрывают влияние неметаллических включений.
В связи с этим основные процессы изготовления компактной заготовки оптимизированы с целью повышения чистоты при оптимальной экономической эффективности.
Приготовление расплава для последующего распыления газовой струей осуществляется в индукционной печи садкой 8 т.
В условиях газового распыления существует опасность загрязнения неметаллическими включениями при попадании шлака в струю металла, поступающего на распыление. Эта проблема решена увеличением объема промежуточного резервуара для распыляемого металла до объема, соответствующего объему индукционной печи, а также мерами по контролю температуры расплава и его движения в промежуточной емкости с использованием систем электромагнитного нагрева шлака (ESH-Electro Slag Heating) и электромагнитного перемешивания расплава (EMS-Electro Magnetic Surrer). Это позволило значительно повысить чистоту порошка по примесям.
На этапе газового распыления расплава усилия были направлены на повышение дисперсности порошков. Предложенный метол позволяет в два раза уменьшить размер гранул при существенно более однородном фракционном составе по сравнению с традиционным газовым распылением (normal atomization) (рис. 11.2).
Общие сведения о быстрорежущих сталях и твердых сплавах

Особое внимание уделяется мерам по предупреждению загрязнения порошка при заполнении капсул для дальнейшего горячего компактирования. С этой целью операция проводится в модуле, объединенном с установкой для распыления расплава.
ГИП при подсолидусных температурах для получения плотных заготовок является оптимальным методом компактирования быстрозакаленных порошков инструментальных быстрорежущих сталей с высоким содержанием карбидной фазы в связи с необходимостью сохранения высокодисперсных частиц карбидов в конечном продукте.
Контактирование обычно проводятся при давлении около 100 МПа и температуре 1150 °С. Время, необходимое для полного устранения пористости, зависит от размеров капсулы.
Размеры рабочей камеры и капсул, масса порошка, компактируемого за один цикл ГИП, время выдержки и давление, необходимые для достижения 100 %-ной плотности, оптимизируют с целью увеличения объема производства и повышения экономической эффективности.
Для получения однородной плотной заготовки важен характер изменения температуры и давления на начальной стадии горячего изотермического прессования до выхода на заданные значения параметров процесса. В случае, когда порошок нагревается без приложения давления, происходит спекание наружных слоев порошковой заготовки и образование перешейков между частицами, которое приводит к формированию пористости, перекосу поверхностно-активных элементов серы, кислорода, образованию сульфидов и оксидов. В этом случае в результате роста сульфидов происходит деградация свойств. Поэтому необходимо нагревать компактируемый порошок в капсуле после приложения давления. Это предотвращает образование пористости при спекании и подавляет рост сульфидов.
Повышение эффективности ГИП было достигнуто в результате увеличения объема рабочей камеры, уменьшения продолжительности рабочего цикла за счет ускорения нагрева и охлаждения капсул (рис. 11.3).
Общие сведения о быстрорежущих сталях и твердых сплавах

Современные газостаты могут выходить на рабочие температуры благодаря высокой электрической мощности нагревателя за время менее одного часа. В сочетании с возможностью одновременного нагружения с использованием мощных компрессоров и нагревателей нагружающего газа, а также быстрого охлаждения общая продолжительность цикла ГИП составляет 6 ч, включая 4 ч выдержки под нагрузкой даже для самых больших газостатов.
Обычная практика промышленного производства больших объемов компактных заготовок включает проведение операций нагружения и разгрузки в газостате горячей или холодной капсулы.
Первые технологии компактирования методом ГИП порошков быстрорежущих сталей предусматривали предварительный нагрев капсул вне газостата (без нагружения) (рис. 11.4, в), последующее нагружение в газостате, разгрузку горячей капсулы, ее охлаждение и перезагрузку. В связи с этим цикл компактирования был довольно продолжительным.
Общие сведения о быстрорежущих сталях и твердых сплавах

С появлением установок ГИП нового поколения в середине 80-х гг. реализована технология нагрева капсулы в условиях приложения давления. Установки такого типа характеризовались также довольно большим временем проведения процесса, так как рабочие камеры с молибденовыми нагревателями открывались для перезагрузки при снижении температуры до 200—300 °С (рис. 11.4, б).
Дальнейшее развитие технологии компактировання быстрозакаленных порошков быстрорежущих сталей состоит в использовании метода ГИП по схеме холодное нагружение — горячая разгрузка (рис. 11.4, в). С помощью этой технологии достигаются высокая однородность в результате компактирования с нагревом под давлением и экономическая эффективность благодаря быстрой разгрузке после получения плотной заготовки.
Таким образом, современные высококачественные заготовки быстрорежущих сталей и твердых сплавов получают компактированием быстрозакаленных порошков (гранул) с использованием усовершенствованных основных технологических операций выплавки исходного сплава, распыления, компактирования.
Современная технология изготовления полуфабрикатов быстрорежущих и инструментальных сталей из быстро-закаленных порошков (ВUРТ-технология) отличается:
— большим объемом камеры для расплава, подвергаемого распылению с целью получения высокодисперсных быстрозакаленных порошков;
— системами контролируемого электронагрева шлака, электромагнитного перемешивания расплава в промежуточном резервуаре с расплавом, поступающим на распыление;
— системой газового распыления высокодисперсных порошков меньшего размера и более однородных по сравнению с обычным распылением;
— уменьшением числа операций подготовки порошка к компактированию и его защитой от загрязнения;
— использованием технологии ГИП холодное нагружение — горячее разгружение.
В результате применения этой оптимизированной технологии получаемый продукт характеризуется дисперсной структурой высокой однородности с очень низким содержанием неметаллических включений при конкурентоспособной цене.
ГИП по схеме холодное нагружение — горячее разгружение (СН-схема) осуществляется следующим образом.
Капсула с порошком помещается в рабочую камеру газостата и подвергается давлению около 15 МПа, после чего осуществляются одновременно нагрев и повышение давления до заданных параметров ГИП. Высокая скорость нагрева в газостате обусловлена ростом теплопроводности газа под давлением примерно в 5 раз по сравнению с процессом спекания при атмосферном давлении. Уплотнение порошка за счет предварительного нагружения предотвращает сегрегацию поверхностно-активных элементов серы и кислорода,
Разгрузка в горячем состоянии обеспечивает уменьшение времени рабочего цикла и, следовательно, стоимости операции ГИП.
Нагревательные элементы, используемые по СН-схеме, совместимы с воздухом. Рабочий цикл составляет примерно 5 ч при размерах рабочей камеры ∅25x2,55 м. Годовое производство высококачественных заготовок быстрорежущих сталей составляет 10 000 т в виде капсул размером ∅0,3x2,5 м. В дальнейшем капсулы подвергаются горячей обработке давлением или прокатке.
Система Fе—W—С представляет основу быстрорежущих сталей. Дополнительное легирование этой системы для традиционных быстрорежущих сталей осуществляется по следующим причинам.
Добавки ванадия ограничивают рост зерен при термообработке на твердый раствор, а хрома — способствуют повышению прокаливаемости при закалке заготовок, получаемых по традиционной технологии.
Технология быстрой закалки расплава обеспечивает формирование пересыщенного твердого раствора и дисперсной зерен ной структуры, что снимает необходимость легирования дорогостоящими ванадием и хромом.
На рис. 11.5 представлены данные по микротвердости быстрозакаленных сплавов этой системы, полученных высокоскоростным охлаждением расплава и после обычной закалки в твердом состоянии.
Общие сведения о быстрорежущих сталях и твердых сплавах

При содержании вольфрама выше 15 % мае. наблюдается значительное повышение твердости быстрозакаленных сталей по сравнению со сталями того же состава, полученными по традиционной технологии закалки в твердом состоянии.
Структурно-фазовое состояние быстрозакаленных сталей характеризуется наличием мартенсита, остаточного аустенита и некоторого количества высокодисперсных карбидов, максимальной растворимостью карбида вольфрама. Определяющее влияние на повышение твердости от 8 до 10,5 ГПа по сравнению с традиционной технологией оказывают, по-видимому, высокодисперсные карбиды. В быстрозакаленном состоянии при наиболее высоких скоростях охлаждения инструментальные стали имеют в основном аустенитную структуру.
Влияние изохронного отпуска на микротвердость быстрорежущей стали Fе—23,0 W—0,75 С %, полученной компактированием быстрозакаленных гранул и по традиционной технологии с закалкой в твердом состоянии, представлено на рис. 11.6.
Общие сведения о быстрорежущих сталях и твердых сплавах

Для быстрозакаленной стали отчетливо проявляется максимум вторичного твердения, тогда как в случае стали, полученной по традиционной технологии, он отсутствует.
Быстрозакаленные инструментальные быстрорежущие стали имеют обычно более выраженный максимум вторичного твердения при более высоких температурах по сравнению с образцами после традиционной закалки в твердом состоянии. Вторичный максимум твердения при отпуске быстрозакаленных сталей связан с превращением остаточного аустенита в мартенсит и сравнительно низкой скоростью карбидообразования.
Повышение содержания легирующих элементов в обычных литых быстрорежущих сталях выше некоторого предела приводит к потере обрабатываемости, в том числе и в горячем состоянии. Для полуфабрикатов, полученных компактированем быстрозакаленных порошков, этот предел легирования существенно повышается.
При выборе оптимальных составов инструментальных сталей необходимо учитывать размерную стабильность при термообработке и обрабатываемость (включая шлифуемость).
Быстрорежущие стали типа ASP (ASEA STORRA Process), получаемые из быстрозакаленных порошков, характеризуются значительно меньшим изменением размеров изделий в процессе термообработки по сравнению с традиционными сталями.
Быстрорежущие стали обычно представляют собой труднообрабатываемые материалы. В связи с этим операция окончательной механической обработки режущего инструмента является дорогостоящей, и поэтому, несмотря на его более высокую твердость и износостойкость, не всегда приемлемо использование инструмента из быстрорежущей стали.
Применение технологий изготовления изделий и заготовок из быстрозакаленных порошков способствует улучшению обрабатываемости быстрорежущих сталей вследствие высокой дисперсности карбидов и равномерности их распределения.
Таким образом, разработка быстрорежущих ASP-сталей обеспечила одновременное повышение степени легирования и хорошую обрабатываемость заготовок.
Важными служебными свойствами быстрорежущих сталей являются высокая твердость, сопротивление износу, вязкость.
Все эти свойства в значительной степени зависят от дисперсности и однородности структуры, размеров и распределения частиц карбидов.
Структура заготовок, полученных из быстрозакаленных порошков, существенно более однородная и дисперсная по сравнению с традиционными заготовками. Кроме того, она практически не зависит от размера заготовки, тогда как в случае традиционной технологии увеличение размера слитка сопровождается усилением неоднородности структуры и состава.
В связи с этим вязкость, износостойкость и твердость заготовок из быстрозакаленных порошков обычно существенно превышают эти характеристики заготовок, полученных по традиционной технологии.