Быстрорежущие стали занимают особое место среди большой группы инструментальных сталей, применяемых для изготовления инструмента для обработки металлов резанием и давлением. Стали успешно работают в условиях нагрева рабочей поверхности и при высоких давлениях. Они сочетают теплостойкость (600...700°С) с высокой твердостью и имеют повышенное сопротивление пластической деформации.
Основными легирующими элементами являются вольфрам, молибден, ванадий. Кроме того, все быстрорежущие стали легируют хромом, некоторые - кобальтом. Важным компонентом является углерод.
Углерод в стали.
Содержание углерода (С) 0,7...0,95%. Больше углерода в этих пределах устанавливают в сталях с повышенным содержанием ванадия. Повышение содержания углерода на 0,2% по сравнению с принятым (при условии, что содержание ванадия сохраняется до 2%) не изменяет температуры начала, а-у - превращения. Оно сопровождается ростом количества карбида М6С и более легкорастворимого карбида М2зС6 и увеличением в них концентрации углерода. Сталь при нагреве под закалку получает аустенит более богатый углеродом, что усиливает дисперсионное твердение при отпуске, повышая вторичную твердость до НЯС 65-66 и несколько меньше теплостойкость. Износостойкость при этом возрастает преимущественно в результате повышения твердости отпущенного мартенсита.
Вертикальный (поли термический) разрез диаграммы состояния Ре-Сг-
характерный для быстрорежущих сталей.
При нагреве выше 800...900°С образуется аустенит в быстрорежущих сталях, важно заметить, что при этих температурах аустенит не обогащен основными легирующими элементами и углеродом. Поэтому закалка стали от температур выше 30-50°С не обеспечивает основного свойства быстрорежущей стали: теплостойкости.
Теплостойкость стали.
Теплостойкость достигается после высокотемпературного нагрева под закалку до температур несколько ниже линии солидуса (АД когда большая часть карбидов растворяется в аустените, обогащая его вольфрамом, молибденом, ванадием, хромом и углеродом. Полного растворения карбидов М6С и МС не происходит. Повышение содержания углерода в стали приводит к понижению температуры закалки, т.к. линия солидус 1-2 понижается с 1330°С (0,6%С) до 1100°С (1,5%С). Повышение концентрации углерода в вольфрамомолибденовых сталях сверх 1,0 -1,10% приводит к излишнему росту количества карбидной фазы, ухудшению прочности и вязкости и снижению теплостойкости в результате образования карбида М3С[24,288].
Содержания Хрома в стали
Хром (Cr) является обязательным легирующим элементом быстрорежущих сталей и содержится в количестве около 4%. Cr составляет основу карбида МгзС6 При нагреве под закалку карбид полностью растворяется в аустените при температурах более низких, чем температуры растворения карбидов М6С и МС. Вследствие этого основная роль хрома в быстрорежущих сталях заключается в обеспечении высокой прокаливаемости.
Хром оказывает влияние на процессы карбидообразования при отпуске. При 440-525°С хром частично выделяется из мартенсита, усиливая дисперсионное твердение, и частично остается в а- растворе, задерживая разупрочнение при более высоком нагреве. Повышение вторичной твердости достигается при содержании Cr 3-4%.
Ванадий в стали.
Ванадий ( V) образует в стали наиболее твердый карбид МС (НУ 270-2800). Максимальный эффект от введения в сталь V достигается при условии, что содержание углерода будет достаточным для образования большого количества карбидов и для насыщения твердого раствора. При минимальном содержании ванадия в быстрорежущих сталях около 1% содержание углерода устанавливается в пределах 0,7-0,8%. С ростом количества ванадия содержание углерода должно увеличиваться из расчета: на каждый % ванадия - 2%углерода.
Большая часть ванадия находится в карбидах М2зСб и М6С. Во время растворения этих карбидов при нагреве для закалки ванадий переходит в у- фазу, что повышает вторичную твердость и теплостойкость при отпуске. При большем содержании ванадия сильно возрастает количество мало растворимого карбида МС. Нерастворенная часть карбида увеличивает износостойкость стали. Чем выше содержание ванадия в стали, тем выше износостойкость вследствие увеличения содержания твердого карбида. Однако при этом ухудшается шлифуемость стали.
Мобилен в стали
Влияние молибдена (Мо) и вольфрама, являющихся химическими аналогами, на превращения и на многие свойства быстрорежущих сталей почти одинаково. В сталях с молибденом они протекают лишь при более низких температурах.
Молибден образует карбид с такой же решеткой и близким периодом, но меньшей плотностью, чем карбид МбС в стали с вольфрамом. Карбид при аустенитизации частично переходит в твердый раствор, обеспечивая после закалки повышение легированности мартенсита вольфрамом (молибденом). Эти легирующие элементы затрудняют распад мартенсита при нагреве, обеспечивая теплостойкость. Нерастворенная часть карбида способствует повышению износостойкости стали.
Наличие в стали высокого содержания вольфрама приводит к ухудшению теплопроводности, вызывая технологические трудности при обработке давлением и необходимость замедленного (ступенчатого) нагрева стали под закалку для предупреждения образования трещин.
Температурная область перетектической реакции превращения у молибденовых сталей шире, и оно протекает полнее. Вследствие этого к окончанию превращения сохраняется меньше жидкой фазы. Оставшаяся жидкость кристаллизуется при более низких температурах в более тонкую эвтектику с менее крупными карбидами. Молибден в сталях с вольфрамом почти не увеличивает размеров карбидных частиц. По влиянию на теплостойкость молибден заменяет вольфрам по соотношению Мо : АЛ^ = 1: (1,4-1,5).
Эвтектика.
Эвтектика образуется при 1240-1250°С в стали с 8% молибдена (без вольфрама) и при 1275°С в стали с 5% Мо (и 6% \¥). Поэтому температура закалки молибденозых сталей выбирается более низкой, чем вольфрамовых. Температура, вызывающая рост зерна и образование эвтектики при нагреве, сильно снижается с увеличением содержания молибдена.
В процессе охлаждения молибденовых сталей наблюдается выделение карбидов при 950-550°С. Прочность сталей с молибденом при температурах до 400-500°С выше, чем вольфрамовых. При более высоком нагреве это преимущество уменьшается из-за большей склонности молибденовых сталей к разупрочнению. Остаточный аустенит сталей с молибденом также менее устойчив при отпуске, чем вольфрамовых сталей, и превращается главным образом при однократном отпуске.
Влияние вольфрама на структуру и большинство свойств не пропорционально его содержанию в теплостойких сталях. Удовлетворительные вторичная твердость и теплостойкость создаются уже при 7-8%
При увеличении содержания вольфрама до 12- 13% возрастает количество карбида МбС, вследствие чего заметно улучшается устойчивость против перегрева. При увеличении содержания вольфрама до 18-20% возрастает параметр решетки М6С, что свидетельствует о росте концентрации вольфрама в карбиде и увеличении в его решетке числа мест, замещаемых атомами вольфрама. Размеры карбидных частиц сильно увеличиваются с повышением содержания вольфрама до 18-20%. Увеличение до 12-13% V/ сопровождается почти пропорциональным ростом его концентрации в мартенсите благодаря возможности повышения температуры закалки и более полному растворению карбидов.
Кобальт используется для дополнительного легирования быстрорежущей стали с целью повышения теплостойкости. Кобальт в основном находится в твердом растворе и частично входит в состав карбида МбС. По мнению некоторых исследователей кобальт может образовывать интерметаллиды типа (Со, Ре)7(\У,Мо)б. Кобальт увеличивает устойчивость против отпуска и твердость быстрорежущих сталей (до НЯС 67...70).
Кобальт снижает характеристики прочности, вязкости стали, увеличивает обезуглероживание. Содержание остаточного аустенита после закалки в сталях с кобальтом возрастает до 40% по сравнению с 25% для сталей при его отсутствии. Главной причиной, сдерживающей широкое применение кобальтовых сталей, является дефицитность и высокая стоимость кобальта.
0 комментариев