Быстрорежущие инструментальные стали: характеристики, маркировка и расшифровка

В последнее время часто можно слышать выражение «быстрорежущая сталь». Что же это такое? По сути, это специальные сплавы, предназначенные для изготовления металлорежущего инструмента, который работает на высоких оборотах. Характеристика такого металла должна предусматривать высокую прочность, износостойкость и устойчивость к перепадам температуры.

Заготовки из быстрорежущей стали.

Характеристики быстрорежущих сталей

Быстрорежущие сплавы появились относительно недавно. До их появления для обточки изделий из дерева или цветных металлов применялись обычные стальные резцы, при использовании которых возникали некоторые трудности. Они имели очень маленький срок службы ввиду быстрого износа и сильно нагревались, из-за чего работы на больших скоростях делалась невозможной.

Проблема была решена в 1858 году после получения сплава, в котором как основные легирующие добавки были использованы вольфрам и марганец. В течение последующих десятилетий методом многочисленных экспериментов было получено несколько видов сверхпрочных металлов, которые позволили значительно увеличить скорость и продуктивность металлорежущих станков.

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.

Р10Ф5К5 — классификация и применение марки

Классификация материала: Сталь инструментальная быстрорежущая

Применение: для изготовления получистовых и черновых инструментов при различных труднообрабатываемых материалов

Р10Ф5К5 — химический состав материала в процентном соотношении

Р10Ф5К5 — pасшифровка обозначений, сокращений, параметров материала

Внимание! Вся приведённая информация о Р10Ф5К5 носит ознакомительный характер. Все интересующие Вас характеристики необходимо уточнять у специалистов.

Другие марки в категории

• 9Х4М3Ф2АГСТ для изготовления инструмента
• 11Р3АМ3Ф2 для инструмента простой формы при обработке углеродистых и малолегированных сталей с прочностью до 784 МПа.
• Р12 для всех видов режущего инструмента при обработке углеродистых легированных конструкционных сталей
• 11М5Ф для изготовления инструмента
• Р12Ф3 для чистовых инструментов при обработке вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными свойствами.
• Р14Ф4 для изготовления инструментов простой формы, не требующих больших объемов шлифовальных операций при обработке материалов с повышенными абразивными свойствами- чистовых инструментов простой формы при обработке легированных сталей и сплавов
• Р18К5Ф2 для черновых и получистовых инструментов при обработке высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов.
• Р18Ф2 для изготовления чистовых и получистовых режущих инструментов при обработке среднелегированных конструкционных сталей
• Р18 резцы, сверла, фрезы, резьбовые фрезы, долбяки, развертки, зенкеры, метчики, протяжки для обработки конструкционных сталей с прочностью до 1000 МПа, от которых требуется сохранение режущих свойств при нагревании во время работы до 600 °С.
• Р18Ф2К5 для изготовления получистовых и черновых инструментов при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей на повышенных режимах резания
• Р2АМ9К5 для режущих инструментов при обработке улучшенных легированных, а также нержавеющих сталей.
• Р2М5 для изготовления инструмента
• Р6АМ5 для изготовления всех видов режущего инструмента, используемого при обработке углеродистых легированных конструкционных сталей- резьбонарезного инструмента- инструмента, работающего с ударными нагрузками.
• Р6АМ5Ф3 для чистовых и получистовых инструментов при обработке нелегированных и легированных конструкционных сталей
• Р6М3 для изготовления чистовых и получистовых инструментов небольших размеров при обработке конструкционных сталей
• Р6М5 для всех видов режущего инструмента при обработке углеродистых легированных конструкционных сталей- предпочтительно для изготовления резьбонарезного инструмента, а также инструмента, работающего с ударными нагрузками
• Р6М5К5 для чернового и получистового инструмента при обработке улучшенных легированных и нержавеющих сталей в условиях повышенного разогрева режущей кромки.
• Р6М5Ф3 для чистовых и получистовых инструментов при обработке нелегированных и легированных конструкционных сталей.
• Р9К10 для изготовления получистовых и черновых инструментов при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей на повышенных режимах резания
• Р9 для изготовления инструментов простой формы, не требующих большого объема шлифовки, для обработки обычных конструкционных материалов.
• Р9К5 для обработки нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов, а также сталей повышенной тветрдости.
• Р9Ф5 для изготовления инструментов простой формы, не требующих больших объемов шлифовальных операций при обработке материалов с повышенными абразивными свойствами- чистовых инструментов простой формы при обработке легированных сталей и сплавов
• Р9М4К8 для изготовления инструмента, используемого при обработке высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей, сплавов и улучшенных легированных сталей в условиях повышенного разогрева режущей кромки (зуборезного инструмента, фрез, фасонных резцов, зенкеров, метчиков).для обработки высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов в условиях повышенного разогрева режущей кромки: зуборезный инструмент, фрезы, фасонные резцы, зенкеры, метчики.

Это интересно: Коррозионностойкая сталь – выбираем качественные марки

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.

Классификация материала и применение марки Р9М4К8

Классификация материала: Сталь инструментальная быстрорежущая Применение: для изготовления инструмента, используемого при обработке высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей, сплавов и улучшенных легированных сталей в условиях повышенного разогрева режущей кромки (зуборезного инструмента, фрез, фасонных резцов, зенкеров, метчиков).для обработки высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов в условиях повышенного разогрева режущей кромки: зуборезный инструмент, фрезы, фасонные резцы, зенкеры, метчики.

Химический состав сплава

Хим. элемент% содержания

Механические свойства сплава

Физические свойства сплава

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.

Преимущества и недостатки быстрорежущей порошковой стали

Основными преимуществами быстрорежущей порошковой стали являются износостойкость и прочность. Это связано с равномерным распределением карбидов молибдена (ванадия) в структуре материала готового изделия, что делает его более стойким к механическому и термическому воздействию. При выполнении операций по механической обработке, соединённой с ударом, а также при удалении большого припуска, не существует лучше инструмента, чем изготовленный именно из такого порошкового материала.

Обычная порошковая сталь содержит в структуре своего материала около 2% карбидов высокой твёрдости, а для изделия из быстрорежущей порошковой стали этот показатель составляет уже более 6%. При этом содержание карбидов со средними свойствами твёрдости в обоих изделиях колеблется в районе 8% от общей использованной в производстве порошковой массы.

Однако, изделия из быстрорежущей порошковой стали обладают и недостатком — высокой себестоимостью: затраты на проведение спекания в условиях восстановительной среды, а также необходимость использования качественных и чистых составов порошков металлов. Однако такие повышенные затраты в полном объёме компенсируются лёгкостью обработки и меньшей трудоёмкостью калибровки.

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.

Нож из быстрорежущей стали.

Где применяются быстрорежущие стали?

Область применения износостойкого металла зависит от состава, определяющего его рабочие свойства. В основном – это инструмент, к которому предъявляются высокие требования прочности, термостойкости, длительного срока службы.

• Производство сверл, резцов, фрез, метчиков;
• Изготовление режущих кромок для инструмента, которые в ряде случаев могут быть съемными;
• Детали для металлообрабатывающих станков и оборудования;
• Изготовление инструментов, с помощью которых осуществляется чистовая отделка труднообрабатываемых металлических изделий.

По использованию данных марок металла специалисты дают следующие рекомендации:

• Вольфрамомолибденовые составы подходят для инструментов, предназначенных для черновой обработки изделий, изготовления фрез, протяжек и шеверов.
• Кобальтовые соединения используют для обработки жаропрочных и коррозионностойких изделий в сложных условиях.
• Ванадиевые сплавы используются для чистовой обработки материалов.
• Марка P9 применяется для создания элементов оборудования, не подвергающихся чрезмерной нагрузке.
• Марка P18 подходит для инструментов сложной формы и фасонных изделий, с повышенными требованиями износостойкости.

Сортамент металлических изделий представлен квадратом, кругом, полосой, листовым прокатом. Чаще всего режущий инструмент изготавливаются из круга. Квадратный прокат применяется для производства электрорубанков, ножей, токарных резцов. Если есть сомнения в правильном выборе подходящего сплава, лучше обратиться к специалистам. В профильных компаниях смогут подобрать прокат высокого качества и нужных эксплуатационных характеристик.

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.

Сталь с маркировкой Р9Ф5.

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.

Особенности термической обработки

Результатом высокотемпературной обработки быстрорежущих сталей становится изменение структуры материала для получения определенных физико-механических свойств, требуемых при работе с данным инструментом.

Отжиг

HSS-сталь после процесса прокатки и ковки приобретает повышенную твердость и внутреннее напряжение. В связи с этим заготовки предварительно подвергаются отжигу. Отжиг снимает внутреннее напряжение материала, улучшает обрабатываемость и подготавливает ее для закалки.

Процесс отжига происходит при температуре около 850-900оС. Тем не менее следует опасаться излишнего повышения температуры и длительности выдержки, потому что сталь при этом может получить повышенную твердость. В связи с пониженной теплопроводностью сплава нагрев осуществляется медленно и равномерно.

Изделия загружают в печь при температуре 200-300оС, при этом увеличивают последующий нагрев со скоростью 150-200о/час. Процесс оканчивается медленным охлаждением: сначала в печи до 650оС, а затем до комнатной температуры на открытом воздухе.

Машиностроительные заводы небольшое количество заготовок подвергают изотермическому отжигу. Их нагревают до 880-900оС короткое время, а затем переносят в печь с температурой не выше 720-730оС на 2-3 часа. Для защиты от появления излишних внутренних напряжений заготовки охлаждают в печи до 400-450оС, а затем оставляют на открытом воздухе.

Обычный отжиг длится дольше, чем изотермический процесс. В последующем заготовки проходят механическую обработку, а затем инструмент подвергается окончательному процессу термической обработки — закалке и отпуску.

Закалка

Инструменты, выполненные из быстрорежущей стали, подвергаются закаливанию при температурах свыше 1300оС. После процесса закалки происходит многократный отпуск при 550-560оС. Такая температура необходима для растворения в аустените большого количества карбидов для получения высоколегированного аустенита.

При дальнейшем охлаждении получается высоколегированный мартенсит, который содержит большое количество вольфрама, ванадия и хрома. Мартенсит не распадается во время нагрева до 600оС, что придает быстрорежущей стали красностойкость.

Для получения высоких показателей красностойкости температура во время закалки должна быть очень высокой. Однако есть предел, при повышении которого в быстрорежущей стали начинается быстрый рост зерна и происходит оплавление.

Отпуск

Закаленная быстрорежущая сталь в обязательном порядке проходит процесс отпуска. При температуре 550-560оС проводится многократный процесс с промежутками по 1 часу. Цель отпуска заключается в превращении аустенита в мартенсит. Быстрорежущая сталь проходит два внутренних процесса:

1. При нагревании и последующем отпуске из остаточного аустенита выделяется измельченный карбид. Вследствие чего легирование аустенита понижается, что способствует легкому превращению в мартенсит.
2. Во время охлаждения при 100-200оС получается мартенсит. При этом также снимается внутреннее напряжение, возникшее при закалке.

В наше время чаще всего на заводах применяют процесс ускоренного отпуска стали, который проходит при повышенных температурах.

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.

Как выбрать сверло?

Цель использования сверлящего инструмента – делать необходимые отверстия в различных конструкциях. Сверла отличаются:

• устройством;
• материалами производства;
• сферой использования;
• стоимостью.

Одно сверло предназначено работать с алюминиевыми изделиями, другое – с толстым железом или с нержавеющей сталью

Поэтому важно точно знать, какие материалы предстоит просверливать, из какого сплава должно быть выполнено выбираемое сверло, чтобы можно было сверлить каленую конструкцию. Тип сверла определяется его механизмом

• Спиральные – наиболее используемые. Имеют форму металлического цилиндра, имеющего от 2 до 4 винтовых канавок, которые предназначены для отведения срезанного материала, уменьшения трения сверла о стенки производимого отверстия.
• Шнековые. Отличаются от винтовых наличием всего 1 спиральной канавки и режущего конца, оснащенного острым жалом с центровкой. Острие инструмента с резьбовой нарезкой позволяет сверлам самим углубляться в конструкцию без приложения дополнительных усилий.