Швидкорізальна сталь - Кулібінськ клуб
Швидкорізальна сталь
Швидкорізальна сталь повинна мати високий опір руйнування, твердість (у холодному і гарячому станах) і червоностійкість. Високим опором руйнування та твердістю в холодному стані мають і вуглецеві інструментальні сталі. Однак інструмент з них не може забезпечити високошвидкісні режими різання. Легування швидкорізальних сталей вольфрамом, молібденом, ванадієм та кобальтом забезпечує гарячу твердість та червоностійкість сталі.
Для обточування деталей з дерева, кольорових металів, м'якої сталі різці із звичайної твердої сталі були цілком придатні, але при обробці сталевих деталей різець швидко розігрівався, швидко зношувався і деталь не можна було обточувати зі швидкістю більше 5 м/хв.
Цей бар'єр вдалося подолати після того, як в 1858 році Р. Мюшетт отримав сталь, що містить 1,85% вуглецю, 9% вольфраму і 2,5% марганцю. Через десять років Мюшетт виготовив нову сталь, що отримала назву самокалки. Вона містила 2,15% вуглецю, 0,38% марганцю, 5,44% вольфраму та 0,4% хрому. Через три роки на заводі Самуеля Осберна в Шефілді почалося виробництво мюшеттової сталі. Вона не втрачала ріжучої здатності при нагріванні до 300 °C і дозволяла у півтора рази збільшити швидкість різання металу – 7,5 м/хв. Через сорок років на ринку з'явилася швидкорізальна сталь американських інженерів Тейлора та Уатта. Різці із цієї сталі допускали швидкість різання до 18 м/хв. Ця сталь стала прообразом сучасної швидкорізальної сталі Р18. Ще через 5—6 років з'явилася надшвидкорізальна сталь, що допускає швидкість різання до 35 м/хв. Так, завдяки вольфраму було досягнуто підвищення швидкості різання за 50 років у сім разів і, отже, стільки жвкотре підвищилася продуктивність металорізальних верстатів. Подальше успішне використання вольфраму знайшло собі застосування у створенні твердих сплавів, які складаються з вольфраму, хрому, кобальту. Було створено такі сплави для різців, як стелліт. Перший стелліт дозволяв підвищити швидкість різання до 45 м/хв за нормальної температури 700—750 °C. Сплав виду, випущений Круппом 1927 року, мав твердість за шкалою Мооса 9,7—9,9 (твердість алмазу дорівнює 10). У 1970-х роках у зв'язку з дефіцитом вольфраму швидкорізальна сталь марки Р18 була майже повсюдно замінена на сталь марки Р6М5, яка у свою чергу витісняється безвольфрамовими Р0М5Ф1 та Р0М2Ф3.
На малюнку наведені криві, що характеризують твердість вуглецевої та швидкорізальної інструментальних сталей при підвищених температурах випробувань. При нормальній температурі твердість вуглецевої сталі навіть трохи вища за твердість швидкорізальної сталі. Однак у процесі роботи ріжучого інструменту відбувається інтенсивне виділення тепла. При цьому до 80% тепла, що виділилося, йде на розігрів інструменту. Внаслідок підвищення температури ріжучої кромки починається відпуск матеріалу інструменту та знижується його твердість. Після нагрівання до 200 °C твердість вуглецевої сталі починає швидко падати. Для цієї сталі неприпустимий режим різання, при якому інструмент нагрівався б вище 200 °C. У швидкорізальної сталі висока твердість зберігається при нагріванні до 500-600 °C. Інструмент із швидкорізальної сталі більш продуктивний, ніж інструмент із вуглецевої сталі.
Якщо гаряча твердість характеризує те, яку температуру сталь може витримати, то червоностійкість характеризує скільки часу сталь витримуватиме таку температуру. Тобто наскільки тривалий час загартована та відпущена сталь будечинити опір розуміцненню при розігріві. Існує кілька характеристик червоностійкості. Наведемо дві з них. Перша характеристика показує, яку твердість матиме сталь після відпустки за певної температури протягом заданого часу. Другий спосіб охарактеризувати червоностійкість заснований на тому, що інтенсивність зниження гарячої твердості можна виміряти не тільки при високій температурі, але і при кімнатній, оскільки криві зниження твердості при високій температурі і кімнатній йдуть еквідистантно, а виміряти твердість при кімнатній температурі, зрозуміло, набагато простіше, ніж за високої. Досвідами встановлено, що ріжучі властивості втрачаються при твердості 50 HRC при температурі різання, що відповідає приблизно 58 HRC при кімнатній. Звідси червоностійкість характеризується температурою відпустки, за якої за 4 години твердість знижується до 58 HRC
Крім «гарячих» властивостей від матеріалу для ріжучого інструменту потрібні високі механічні властивості; під цим мається на увазі опір крихкому руйнуванню, так як при високій твердості (понад 60 HRC) руйнування завжди відбувається за тендітним механізмом. Міцність таких високотвердих матеріалів зазвичай визначають як опір руйнуванню при згинанні призматичних, не надрізаних зразків, при статичному (повільному) та динамічному (швидкому) навантаженні. Чим вище міцність, тим більше зусилля може витримати робоча частина інструменту, тим більшу подачу та глибину різання можна застосувати, і це збільшує продуктивність процесу різання.
Швидкорізальні сталі виготовляють як класичним способом (розливання сталі в зливки, прокатка та проковування), так і методами порошкової металургії (розпилення струменя рідкої сталі азотом). Якість швидкорізальної сталі взначною мірою визначається ступенем її прокованості. При недостатньому проковуванні виготовленої класичним способом сталі спостерігається карбідна ліквація. При виготовленні швидкорізальних сталей поширеною помилкою є підхід до неї як до «самозагартованої сталі». Тобто достатньо нагріти сталь та охолодити на повітрі, і можна отримати твердий зносостійкий матеріал. Такий підхід абсолютно не враховує особливостей високолегованих інструментальних сталей. Перед гартуванням швидкорізальні сталі необхідно піддати відпалу. У погано відпалених сталях спостерігається особливий вид шлюбу: нафталіновий злам, коли при нормальній твердості сталі вона має підвищену крихкість. Грамотний вибір температури загартування забезпечує максимальну розчинність легуючих добавок у α-залізі, але не призводить до зростання зерна. Після гарту в сталі залишається 25-30% залишкового аустеніту. Крім зниження твердості інструменту, залишковий аустеніт призводить до зниження теплопровідності сталі, що для умов роботи з інтенсивним нагріванням ріжучої кромки є вкрай небажаним. Зниження кількості залишкового аустеніту досягають двома шляхами: обробкою стали холодом або багаторазовою відпусткою. При обробці сталі холодом її охолоджують до -80 ... -70 ° C, потім проводять відпустку. При багаторазовій відпустці цикл "нагрів - витримка - охолодження" проводять по 2-3 рази. В обох випадках домагаються істотного зниження кількості залишкового аустеніту, проте повністю позбутися його не виходить.
В останні десятиліття використання швидкорізальної сталі скорочується у зв'язку з широким поширенням твердих сплавів. З швидкорізальної сталі виготовляють в основному кінцевий інструмент (мітчики, свердла, фрези невеликих діаметрів) У токарній обробці різці зі змінними татвердосплавними напайними пластинами майже повністю витіснили різці з швидкорізальної сталі. Щодо застосування вітчизняних марок швидкорізальних сталей існують такі рекомендації. Сталь Р9 рекомендують для виготовлення інструментів простої форми, що не потребують великого обсягу шліфування, для обробки звичайних конструкційних матеріалів. (різців, фрез, зенкерів). Для фасонних та складних інструментів (для нарізування різьблення та зубів), для яких основною вимогою є висока зносостійкість, рекомендують використовувати сталь Р18 (вольфрамова). Кобальтові швидкорізальні сталі (Р9К5, Р9К10) застосовують для обробки деталей з важкообробних корозійно-стійких і жароміцних сталей і сплавів, в умовах переривчастого різання, вібрацій, недостатнього охолодження. Ванадієві швидкорізальні сталі (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендують для виготовлення інструментів для чистової обробки (протяжки, розгортки, шевери). Їх можна застосовувати для обробки важкообробних матеріалів при зрізанні стружок невеликого поперечного перерізу. Вольфрамомолібденові сталі (Р9М4, Р6М3) використовують для інструментів, що працюють в умовах чорнової обробки, а також для виготовлення протяжок, довбаків, шеверів, фрез.