Быстрорежущая сталь

Быстрорежущая сталь (сокр. быстрорез, инструментальная быстрорежущая сталь, англ. High-speed steel, HSS) — это легированная инструментальная сталь, обладающая высокой твёрдостью, износостойкостью и способностью сохранять режущие свойства при нагреве до температур 600—650 °C в процессе резания. Относится к группе теплостойких (красностойких) сталей. Основное применение — изготовление металлорежущего инструмента (свёрл, фрез, метчиков, плашек, резцов, развёрток, зенкеров, протяжек) для обработки конструкционных и легированных сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов на станках с умеренными скоростями резания.

История

Предпосылки создания

До конца XIX века основным материалом для режущего инструмента служила углеродистая инструментальная сталь (например, У10, У12). Её главным недостатком была низкая теплостойкость: уже при нагреве до 200—250 °C твёрдость резко падала, что ограничивало скорость резания (обычно не более 10—15 м/мин для стали). С развитием машиностроения и ростом требований к производительности возникла необходимость в материале, способном работать при более высоких температурах.

Открытие быстрорежущей стали

В 1868 году английский металлург Роберт Машетт (Robert Mushet) разработал первую легированную инструментальную сталь, содержащую вольфрам и марганец. Однако промышленное внедрение произошло позже. В 1898—1900 годах американские инженеры Фредерик Тейлор и Монсел Уайт (компания Bethlehem Steel) провели серию экспериментов, в результате которых была создана сталь, легированная вольфрамом (около 8 %) и хромом (около 4 %). Они обнаружили, что при нагреве до определённой температуры (температура вторичного закаливания) и последующем охлаждении сталь приобретает повышенную твёрдость и износостойкость. Тейлор и Уайт в 1900 году на Всемирной выставке в Париже продемонстрировали инструмент из новой стали, который работал при скоростях резания до 30—40 м/мин — в 2—3 раза выше, чем углеродистая сталь. Это открытие произвело революцию в металлообработке и положило начало эре быстрорежущих сталей.

Развитие в XX веке

В 1910-х годах началось промышленное производство вольфрамовых быстрорежущих сталей (типа 18-4-1 — 18 % W, 4 % Cr, 1 % V). В 1930-х годах были разработаны молибденовые быстрорежущие стали (например, M2, M7), которые обладали лучшей вязкостью и меньшей склонностью к карбидной неоднородности. В СССР стандартизация быстрорежущих сталей началась в 1930-е годы (ГОСТ 5952-51, затем ГОСТ 19265-73). В 1960-х годах появились стали с добавлением кобальта (например, Р6М5К5), которые обеспечивали повышенную теплостойкость для обработки жаропрочных и титановых сплавов. В 1970-х годах началось внедрение порошковой металлургии для производства быстрорежущих сталей (например, сталь ASP-23), что позволило получить мелкозернистую структуру и улучшить свойства.

Классификация

По химическому составу

Быстрорежущие стали классифицируются по основным легирующим элементам:

• Вольфрамовые (например, Р18, Р9, T1, T4). Содержат 8—20 % вольфрама. Обладают высокой теплостойкостью, но пониженной вязкостью. Применяются для черновой обработки, резания с ударами.
• Вольфрамомолибденовые (например, Р6М5, M2, M7). Содержат 5—6 % вольфрама и 4—5 % молибдена. Наиболее распространённая группа. Сочетают хорошую теплостойкость, износостойкость и вязкость.
• Молибденовые (например, M1, M10). Содержат 8—10 % молибдена. Обладают высокой вязкостью, но несколько меньшей теплостойкостью, чем вольфрамовые. Чувствительны к обезуглероживанию при термообработке.
• Кобальтовые (например, Р6М5К5, M35, M42). Содержат 5—10 % кобальта. Кобальт повышает теплостойкость (до 650—670 °C) и твёрдость, но снижает вязкость. Применяются для обработки труднообрабатываемых материалов (нержавеющих, жаропрочных сталей).
• Ванадиевые (например, Р12Ф3, M4). Содержат 3—5 % ванадия. Образуют твёрдые карбиды ванадия, обеспечивающие высокую износостойкость. Используются для чистовой обработки.

По способу производства

• Стали традиционного литья (выплавка в открытых или вакуумных печах, разливка в слитки, последующая ковка и прокатка). Наиболее распространённый тип.
• Порошковые быстрорежущие стали (например, ASP-23, CPM Rex). Получают методом распыления расплава в инертной среде с последующим горячим изостатическим прессованием. Отличаются однородной микроструктурой, отсутствием карбидной ликвации, более высокими прочностью и износостойкостью.

По назначению

• Для общего машиностроения (Р6М5, M2) — обработка конструкционных сталей, чугуна, цветных металлов.
• Для труднообрабатываемых материалов (Р6М5К5, M42) — нержавеющие, жаропрочные, титановые сплавы.
• Для ударных нагрузок (Р18, T1) — черновое фрезерование, строгание, долбление.
• Для чистовой обработки (Р12Ф3, M4) — финишное точение, развёртывание.

Химический состав и свойства

Основные легирующие элементы

• Вольфрам (W) — образует карбиды (WC, W₂C), обеспечивающие высокую твёрдость и теплостойкость. Замедляет диффузионные процессы при нагреве.
• Молибден (Mo) — частично заменяет вольфрам (1 % Mo ≈ 1,5—2 % W по влиянию на теплостойкость). Улучшает вязкость.
• Хром (Cr) — повышает прокаливаемость, коррозионную стойкость, способствует образованию карбидов.
• Ванадий (V) — образует твёрдые карбиды VC, повышающие износостойкость и режущую способность.
• Кобальт (Co) — растворяется в твёрдом растворе, повышает температуру рекристаллизации и теплостойкость.
• Углерод (C) — необходим для образования карбидов. Содержание 0,7—1,5 %.

Типичный состав распространённых марок (в % по массе)

Физико-механические свойства

• Твёрдость после термообработки: 63—68 HRC (в зависимости от марки и режима).
• Теплостойкость (красностойкость): 600—650 °C (для кобальтовых — до 670 °C).
• Предел прочности на изгиб: 2500—4000 МПа.
• Ударная вязкость: 0,2—0,6 МДж/м² (зависит от марки и термообработки).
• Плотность: 7,8—8,2 г/см³.

Термическая обработка

Термическая обработка быстрорежущей стали включает несколько обязательных этапов, обеспечивающих формирование структуры, устойчивой к высоким температурам резания.

Отжиг

Проводится для снятия напряжений после ковки или прокатки, а также для подготовки к механической обработке. Температура отжига: 800—850 °C. После выдержки медленное охлаждение (обычно с печью). Твёрдость после отжига — 207—255 HB.

Закалка

Закалка быстрорежущей стали — сложный процесс, отличающийся от закалки обычных инструментальных сталей. Основная особенность — высокая температура нагрева (1200—1280 °C), необходимая для растворения карбидов в аустените. Нагрев ведётся ступенчато, с предварительным подогревом (500—600 °C и 800—850 °C) для предотвращения трещин. Охлаждение производится в масле, расплаве солей (соляная ванна) или на воздухе (для тонких инструментов). После закалки структура состоит из мартенсита, остаточного аустенита (до 20—30 %) и нерастворившихся карбидов.

Отпуск

Для превращения остаточного аустенита в мартенсит и снятия напряжений проводится многократный отпуск (обычно 3—4 раза) при температуре 540—560 °C. После каждого отпуска происходит вторичное затвердевание (дисперсионное упрочнение) за счёт выделения мелкодисперсных карбидов. Твёрдость после отпуска достигает 63—68 HRC.

Обработка холодом

Для некоторых марок (например, Р6М5) для уменьшения количества остаточного аустенита применяется обработка холодом (—70…—80 °C) после закалки, перед отпуском.

Применение

Быстрорежущая сталь используется для изготовления широкого спектра металлорежущего инструмента:

• Свёрла (спиральные, центровочные, перовые) — для сверления отверстий в различных материалах.
• Фрезы (концевые, торцевые, дисковые, угловые) — для фрезерования плоскостей, пазов, уступов.
• Метчики и плашки — для нарезания резьбы.
• Резцы (токарные, строгальные, долбёжные) — для точения, растачивания, подрезки.
• Развёртки — для чистовой обработки отверстий.
• Зенкеры и зенковки — для обработки отверстий под крепёж.
• Протяжки — для протягивания шпоночных пазов, шлицевых отверстий.
• Ножи для гильотинных ножниц — для резки листового металла.

Также быстрорежущая сталь применяется для изготовления штампов (для холодного выдавливания, вырубки), матриц и пуансонов, работающих при умеренных температурах.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая твёрдость и износостойкость.
• Способность сохранять режущие свойства при нагреве до 600—650 °C.
• Хорошая вязкость (по сравнению с твёрдыми сплавами).
• Возможность изготовления инструмента сложной формы (свёрла, фрезы, метчики).
• Относительно низкая стоимость (по сравнению с твёрдосплавным инструментом).

Недостатки

• Ограниченная скорость резания (обычно до 50—80 м/мин для стали, для твёрдых сплавов — до 300—500 м/мин).
• Необходимость сложной термической обработки (высокие температуры, многократный отпуск).
• Чувствительность к перегреву при закалке (рост зерна, снижение вязкости).
• Ограниченная стойкость при обработке абразивных материалов (например, стеклопластиков, керамики).

Интересные факты

• Название «быстрорежущая» связано с тем, что инструмент из этой стали позволил значительно увеличить скорость резания по сравнению с углеродистой сталью — в 2—3 раза.
• Первая быстрорежущая сталь (18-4-1) была разработана в 1900 году и до сих пор используется (например, Р18 в России).
• В СССР и России наиболее распространённой маркой быстрорежущей стали является Р6М5 (аналог M2). На её долю приходится до 70—80 % всего выпускаемого быстрорежущего инструмента.
• Порошковые быстрорежущие стали (например, ASP-23) по износостойкости приближаются к твёрдым сплавам, но сохраняют вязкость, характерную для быстрорежущих сталей.
• Быстрорежущая сталь используется для изготовления инструмента для обработки деталей в авиа- и ракетостроении, где требуется высокая надёжность и стойкость.

Источники

• ГОСТ 19265-73 «Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия».
• ГОСТ 5952-51 «Сталь быстрорежущая. Марки».
• Марочник сталей и сплавов / Под ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.
• Тейлор Ф. У. Искусство резания металлов. — М.: Машгиз, 1951.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.
• ASM Handbook, Volume 16: Machining. — ASM International, 1995.