Швидкорізальні сталі використовують для наплавлення різального інструменту. Труднощі наплавлення пов'язані із схильністю наплавленого металу до утворення тріщин. Щоб уникнути тріщин застосовують попередній та супровідний підігрів до 500-600°С і повільне охолодження після наплавлення в печі. До наплавленого металу не ставлять вимоги щодо пластичності і не піддають куванню. Для підвищення стійкості проти спрацювання і червоноламкості метал додатково легують.
Такі стали є одним з основних інструментальних матеріалів. З них виготовляють до 60% ріжучого інструменту. Це практично вся номенклатура фасонного (складної форми) ріжучого інструменту - фрези, долбяки, шевери і т.п.
Принципова відмінність швидкорізальних сталей від вуглецевих і легованих інструментальних - теплостійкість. Швидкорізальної сталі зберігають високу твердість при нагріванні до температур понад 600 ° С. Висока теплостійкість сталей досягається за рахунок усунення причин, що викликають разупрочнение вуглецевих і легованих інструментальних сталей при нагріванні, - розпаду мартенситу і коагуляції карбідів (див. 9.2.1). Перша умова може бути забезпечено високим рівнем легування твердого розчину, в якому утруднена дифузія вуглецю, тобто розпад мартенситу відбуватиметься при більш високих температурах. Крім того, в структурі повинна бути карбидная фаза, що володіє високою стійкістю проти коагуляції при нагріванні (тобто не цементит). Ці умови виконуються при високому рівні легування. Як легуючі компонентів використовуються сильні карбидообразующие компоненти, що утворюють власні карбіди. Висока легування твердого розчину забезпечується термічною обробкою, при якій відбувається розчинення спеціальних карбідів в твердому розчині. Основні легуючі компоненти швидкорізальних сталей - це вольфрам і (або) молібден, що є хімічними аналогами; до складу сталей також обов'язково входять хром для підвищення прокаливаемости і ванадій для збереження дрібного зерна аустеніту при загартуванню. Залежно від наявності W і Мо стали поділяються на вольфрамові, Вольфрамомолібденовие і молібденові.
Маркування швидкорізальних сталей дещо відрізняється від конструкційних. Вони позначаються російською буквою "Р", цифра після якої вказує на вміст вольфраму в стали. Зміст хрому у всіх швидкорізальних сталях становить близько 4% і в марці не вказується. Чи не вказуються також ванадій при його вмісті до 2% і вуглець при утриманні 0,7 ... 0,9%. Позначення цих елементів входять в марку швидкорізальних сталей тільки при їх більшому вмісті. Покажемо маркування на прикладі найбільш поширених швидкорізальних сталей. Сталь Р18 містить 18% W, сталь Р6М5 - 6% W і 5% Мо, вміст вуглецю, хрому і ванадію в цих сталях знахо -диться в зазначених межах.
(Разовий склад швидкорізальних сталей в відпаленого стані - ферит, в якому розчинена частина хрому, наявного в стали, і карбіди легуючих компонентів; структура - дрібнозернистий (сорбітообразного) перліт. Основним є карбід на основі вольфраму і молібдену: М6С (1200 HV), в структурі сталей Р18 і Р6М5 він присутній в кількості близько 18%. Крім того, в структурі є карбіди хрому - М23С6 (твердість 1000 HV, кількість близько 9%) і ванадію - МС (2500 HV, кількість 1,5 ... 2% ).
Карбіди мають складний склад. Крім атомів основного карбидообразующих компонента (основа карбіду) в них присутні в певних кількостях атоми заліза та інших легуючих компонентів. Так, до складу карбіду Ме6С можуть входити атоми хрому, ванадію, заліза.
За своєю природою карбіди підрозділяються на евтектичних і вторинні. Нагадаємо, що положення точок S і Е на діаграмі "Fe - Fe3C" при наявності легуючих компонентів зміщується в бік менших значень вуглецю. Тому навіть при вмісті вуглецю порядку 0,7% (мінімальний вміст для швидкорізальних сталей) структура литої швидкорізальної сталі внаслідок високого вмісту легуючих компонентів містить евтектики - ледебурит. Таким чином, швидкорізальні стали - це стали ледебуритного класу.
Вторинні карбіди виділяються з твердої фази - аустеніту внаслідок зменшення розчинності в ньому вуглецю при зниженні температури (аналогічно виділенню цементиту з аустеніту по лінії SE на діаграмі "Fe - Fe3C"), а також в результаті перлітного перетворення. Наявність в структурі евтектики знижує механічні властивості, тому злитки швидкорізальних сталей піддають гарячої пластичної деформації (кування, прокат) з метою поліпшення структури за рахунок роздроблення евтектики. Після такої обробки, виконуваної на металургійних заводах, стали піддають відпалу. Відпал також проводять на машинобудівних заводах після зварювання, кування для поліпшення структури і забезпечення задовільною оброблюваності різанням. Після цих операцій стали можуть мати велике зерно і підвищену твердість.
Відпал є разупрочняется термічною обробкою, що включає нагрів вище температури α → γ перетворення (840 ... 860 ° С для вольфрамових і 800 ... 830 ° С для Вольфрамомолібденовие сталей), тривалу витримку при цій температурі (не менше 3 ч) і подальше вельми повільне охолодження зі швидкістю не більше 25 ... 30 ° С / год. Відпал повинен забезпечити структуру зернистого перліту і мінімальну твердість (не більше 255 НВ ) для задовільною оброблюваності різанням. Після пластичної деформації і відпалу швидкоріжуча сталь набуває структуру П + Кевт (великі евтектичних карбіди) + К "(дрібні вторинні). У отожженном стані виконуються формотворчих операції, після яких здійснюється упрочняющая термічна обробка.
Упрочняющая термічна обробка швидкорізальних сталей, що включає загартування і відпустку, проводиться з метою отримання високих значень твердості і теплостійкості. При термічній обробці реалізується складний механізм зміцнення сталей цього класу - мартенситних перетворення з наступним дисперсійним твердением. При цьому забезпечується висока легування мартенситу, що отримується при загартуванню, і інтенсивне дисперсійне твердіння в процесі відпустки.
Загартування . Нагрівання під загартування швидкорізальних сталей здійснюється для отримання високої легування твердого розчину. Це може бути досягнуто шляхом розчинення в аустените великої кількості карбідів. Карбід на основі хрому Ме23С6 повністю розчиняється в аустеніт при 1100 ° С; основний карбід швидкорізальних сталей Ме6С інтенсивно розчиняється при температурі понад 1200 ° С; МеС на основі ванадію розчиняється при більш високих температурах.
Таким чином, для забезпечення високої легування твердого розчину температура гарту швидкорізальних сталей повинна бути вище 1200 ° С, тобто перевищувати температуру розчинення основного карбіду. Карбід Ме6С на основі вольфраму розчиняється в аустеніт при температурах вищих, ніж карбід на основі молібдену, тому температура гарту вольфрамових сталей також вище, ніж у сталей з молібденом (1270 ... 1290 ° С для Р18 і 1210 ... 1230 ° С для Р6М5).
Після гарту в структурі залишається частина нерастворившихся - надлишкових - карбідів. В основному це карбіди евтектичного походження, розчинення яких можливо тільки в рідкій фазі (оплавлення інструменту неприпустимо), і частина вторинних карбідів. Роль надлишкових карбідів - стримування зростання зерна (при великому зерні знижуються міцність і в'язкість) при нагріванні під загартування, яка вимушено виконується при високих температурах для розчинення в аустените карбіду Ме6С.
Висока концентрація вуглецю і легуючих компонентів в аустените призводить до зниження температур початку (Мн) і кінця (Мк) мартенситного перетворення. Температура Мк лежить в області негативних температур, тому в структурі загартованих швидкорізальних сталей зберігається досить велика кількість (до 30%) залишкового аустеніту.
Таким чином, структура після гарту - мартенсит гарту (Μ3), карбіду (К) і залишковий аустеніт (Аоста).
Джерело Адаскін А.М. Матеріалознавство в машинобудуванні
Гуменюк 2006, ст. 349