В современной промышленности предъявляются высокие требования к качеству металла, из которого изготавливаются различные устройства, оборудование и сооружения, предназначенные для эксплуатации в условиях высоких механических нагрузок. Для обработки таких материалов требуются инструменты, обладающие достаточной твердостью, прочностью и долговечностью. Для удовлетворения потребностей производителей был разработан специальный сплав — быстрорежущая сталь (High-Speed Steel, HSS). Высокоуглеродистый состав материала способствует обработке металлических заготовок с высокой скоростью, точностью, при высоких и низких температурах. Одним из качеств инструментов из сплава HSS является сохранение целостности, формы и остроты даже после длительного использования и контакта с твердыми и крепкими материалами.
Производство быстрорежущей стали
Для проведения обработки черных и цветных металлов необходимо иметь приспособления, значительно превосходящие заготовки по всем характеристикам, определяющим рабочие параметры изделий. Такие свойства достигаются добавлением к железу ряда минералов, коренным образом улучшающих его рабочие свойства — ванадия, хрома, вольфрама, молибдена, углерода, кобальта, титана.
При этом, для достижения заданных показателей используются такие технологии изготовления быстрорежущей стали:
- Электроплавильная (Electric Arc Furnace, EAF). Нагрев сырья осуществляется в дуге, которая создается при подаче высокого напряжения в производственную зону. Современная автоматика обеспечивает контроль протекающих в печи процессов.
- Индукционная. Для достижения необходимой температуры при плавлении сырья применяется принцип электромагнитной индукции. Емкость размещена внутри катушки с высоковольтными проводами. Для настройки необходимых параметров плавления используется силовой трансформатор и электронные приборы, отвечающие за настройку определенной мощности и силы тока.
- Вакуумная. Изготовление высокоскоростной стали осуществляется в герметичном резервуаре, из которого перед нагревом откачивается воздух. Отсутствие контакта с кислородом, азотом и водородом обеспечивает получение идеально чистого по химическим показателям состава конечного продукта.
- На открытом пламени. Самый старый и недорогой способ, где источником тепла служит ископаемое топливо. Чаще это газ, реже — каменный уголь (антрацит). Для создания равномерного нагрева горелки располагаются по всей площади плавильной печи.
Полученный состав еще не готов к дальнейшему использованию. Заготовки подвергаются прокату, закаливанию и ковке. Это способствует созданию нужной кристаллической структуры и уплотнению металла.
Характеристики теплостойкости быстрорежущих сталей:
| Марка стали | Температура отпуска, °C | Время выдержки, час | Твердость, HRCэ |
|---|---|---|---|
| У7, У8, У10, У12 | 150-160 | 1 | 63 |
| Р9 | 580 | 4 | 63 |
| У7, У8, У10, У12 | 200-220 | 1 | 59 |
| Р6М5К5, Р9, Р9М4К8, Р18 | 620-630 | 4 | 59 |
Инструменты из быстрорежущей стали
На предприятия по производству инструментов быстрорежущая сталь поступает в объемах в виде брусков, плит и свернутых в рулоны полос. Наличие в составе сплава таких добавок, как вольфрам, кобальт и молибден, придает готовым изделиям твердость, износостойкость и невосприимчивость к коррозии.
На производстве из заготовок изготавливаются такие инструменты:
- сверла из быстрорежущей стали;
- буры;
- ножи;
- коронки;
- режущие пластины;
- резцы;
- фрезы;
- крепежи;
- различные комплектующие.
Потребителями изделий из быстрорежущей стали являются такие направления промышленности, как авиационная, космическая, военная, строительная, автомобильная, железнодорожная и мебельная.
Маркировка быстрорежущей стали
Изготовленная по технологии Electric Arc Furnace продукция после окончательной обработки помечается лазером, штамповкой или другими способами. Маркировка товара содержит информацию о его принадлежности и химическом составе. По стандарту AISI сплав помечается четырьмя заглавными буквами, обозначающими название основных входящих в него металлов. По немецкой классификации DIN быстрорежущая сталь обозначается аббревиатурой HS, а затем указывается процент вольфрама в сплаве
В мировой практике приняты обозначения HSS буквой М.
Сегодня самыми распространенными являются такие марки быстрорежущей стали:
- М2. Основную долю составляет железо. В качестве добавок применяется вольфрам, молибден, ванадий и углерод в процентном содержании 7, 5, 2 и 1. Сплав отличается прочностью, устойчивостью к истиранию и сильному нагреву. Благодаря относительно доступной стоимости широко применяется при изготовлении бытовых и полупрофессиональных инструментов.
- M35. Помимо вольфрама, молибдена, ванадия и углерода в смесь при плавлении добавляется до 5% кобальта. Готовая продукция еще крепче, обладает большей термической устойчивостью и долговечностью. Применяется в изготовлении профессионального оборудования для обработки особо прочных материалов.
- T1. Эта марка имеет повышенное содержание вольфрама (18%), до 5% хрома и в пределах 0,6-0,8% углерода. Сплав отличается высокой твердостью и возможностью работы в условиях сверхвысокой температуры. Как правило, используется в изготовлении сверл для скоростного сверления и ножей для быстрой нарезки твердых металлов.
В ГОСТ 19265-73 в маркировке используются кодовые обозначения металлов буквами, а их процентное содержание цифрами. Как пример: Р7М5 (7% вольфрама и 5% хрома)
| Обрабатываемый материал / Инструмент | Резцы | Сверла | Развертки, зенкеры | Метчики, плашки | Протяжки, прошивки | Фрезы, концевые | Фрезы, насадные цилиндрические | Фрезы, дисковые | Зуборезный инструмент |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Углеродистые и низколегированные стали | 10Р6М5, Р12Ф2М3К8*, Р12Ф4К5*, Р6М5К5* | Р6М5, 10Р6М5, Р12Ф3 | Р6М5, 10Р6М5, Р6М5К5 | Р6М5, 10Р6М5 | Р6М5, 10Р6М5 | Р6М5, 10Р6М5, Р6М5К5* | Р6М5, 10Р6М5, Р6М5К5* | Р6М5, 10Р6М5, Р6М5К5 | Р6М5, Р6М5К5*, Р9М4К8* |
| Легированные улучшенные стали | Р12Ф2М3К8, Р12Ф4К5, Р6М5К5 | 10Р6М5, Р12Ф3, Р6М5К5 | 10Р6М5, Р6М5К5, Р9М4К8 | Р6М5, 10Р6М5, Р9М5К5 | 10Р6М5, Р12Ф3, Р6М5К5, Р12Ф2М3К8 | Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2М3К8 | Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2М3К8, Р12Ф4К5 | Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2М3К8 | Р6М5К5, Р9М4К8 |
| Высоколегированные конструкционные, в том числе нержавеющие стали | Р12Ф2М3К8, Р12Ф4К5, Р6М5К5 | 10Р6М5, Р12Ф3, Р6М5К5 | 10Р6М5, Р6М5К5, Р9М4К8 | Р6М5, 10Р6М5, Р9М5К5 | 10Р6М5, Р12Ф3, Р6М5К5, Р12Ф2М3К8 | Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2М3К8 | Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2М3К8, Р12Ф4К5 | Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2М3К8 | Р6М5К5, Р9М4К8 |
| Жаропрочные стали и сплавы, высокопрочные стали | Р12Ф2М3К8, Р12Ф4К5, Р6М5К5 | Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2М3К8 | Р12Ф2М3К8, Р12Ф4К5, Р6М5К5 | 10Р6М5, Р6М5К5, Р12Ф2М3К8 | 10Р6М5, Р12Ф3, Р12Ф2М3К8** | Р12Ф2М3К8, Р9М4К8, Р6М5К5 | Р12Ф4К5, Р12Ф2М3К8, Р9М4К8, Р6М5К5 | Р12Ф2М3К8, Р9М4К8, Р6М5К5 | Р9М4К8, Р6М5К5 |
** Применяется при работе со сталью и сплавами с твердостью HRC 35.
Улучшение характеристик изделий из быстрорежущей стали
Для улучшения качества изготовленных из быстрорежущей стали инструментов применяются следующие технологии:
- Термическая. Металл нагревается и отпускается, раскаливается и резко охлаждается в масле. Молекулы смеси распределяются равномерно, а кристаллическая решетка становится более четкой и точной.
- Давление. Прокат, экструзия и ковка уплотняют материал, удаляют из него пузырьки воздуха, делают тверже и крепче.
- Внешнее усиление. На поверхности деталей химическим или термическим способом наносятся материалы (титан, нитрида алюминия), которые уменьшают его трение, увеличивают теплоотдачу и устойчивость к истиранию.
Правила эксплуатации изделий из быстрорежущей стали
Эффективность использования инструментов напрямую зависит от целостности, остроты кромок, а также от их геометрии. После каждого применения изделия необходимо обслуживать. При необходимости режущие края нужно править на шаблонах и кондукторах, удалять с поверхности остатки металлов, смазки и пыли. При очистке следует применять средства средней жесткости, чтобы не деформировать тонкие режущие края. При обработке особо твердых материалов рекомендуется использовать водяное охлаждение для предотвращения перегрева инструмента. Даже самые прочные приспособления от этого могут деформироваться и потерять твердость.
Вместе с тем, изделиям из быстрорежущей стали противопоказано использование в чрезмерно холодной среде. От этого сплав становится тверже, но вместе с тем и хрупким, повышается вероятность образования трещин и поломок. Одновременно возрастает сила трения, а перепад температур между внутренней и внешним еще больше ослабляет сталь. Хранить изделия рекомендуется в сухом месте, желательно в смазке, чтобы полностью исключить риск появления коррози
