Для режущих инструментов в основном применяют быстрорежущие стали, а также в небольших количествах заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 0,7–1,3% и суммарным содержанием легирующих элементов (кремния, ванадия, марганца, хрома и вольфрама) от 1,0 до 3,0%.

Ранее других материалов для изготовления режущих инструментов начали применять углеродистые инструментальные стали марок У7, У7А … У13, У13А. Кроме железа и углерода эти стали содержат 0,2–0,4% марганца. Инструменты из углеродистых сталей| имеют достаточную твердость при комнатной температуре, но теплостойкость их невелика, так как при сравнительно невысоких температурах (200–250 °C) твердость этих сталей резко уменьшается.

Легированные инструментальные стали по своему химическому составу отличаются от углеродистых повышенным содержанием кремния, марганца или наличием одного либо нескольких легирующих элементов: хрома, никеля, вольфрама, ванадия, кобальта, молибдена. Для режущих инструментов используются низколегированные стали марок 9ХФ, 11ХФ, 13Х, В2Ф, ХВ4, ХВСГ, ХВГ, 9ХС и др. Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонностью к короблению, но теплостойкость их не превышает 350–400 °C, и поэтому они, как и углеродистые инструментальные стали, используются для изготовления ручных, дереворежущих инструментов (напильников, пил, ножовок) или машинных инструментов, предназначенных для обработки с низкими скоростями резания (мелкие сверла, метчики, плашки, протяжки, развертки).

Следует отметить, что за последние 15–20 лет существенных изменений в этих сталях не произошло, однако наблюдается стойкая тенденция снижения их доли в общем объеме используемых инструментальных материалов.

В настоящее время быстрорежущие стали являются основным инструментальным материалом, несмотря на то, что инструменты из твердого сплава, керамики и СТМ обеспечивают более высокую производительность обработки.

Широкое использование быстрорежущих сталей для изготовления сложнопрофильных инструментов определяется сочетанием высоких значений твердости (до HRC 68) и теплостойкости (550–650 °C) при высоком уровне хрупкой прочности и вязкости, значительно превышающих соответствующие значения для твердых сплавов. Эти стали получили наиболее широкое распространение при изготовлении сложнопрофильных режущих инструментов и в тех случаях, когда применение твердосплавного инструмента ограничивается его малой прочностью. Кроме того, быстрорежущие стали обладают достаточно высокой технологичностью, так как хорошо обрабатываются давлением и резанием в отожженном состоянии.

В обозначении быстрорежущей стали буква Р означает, что сталь быстрорежущая, а следующая за буквой цифра – содержание средней массовой доли вольфрама в процентах. Следующие буквы и цифры характеризуют процентное содержимое других легирующих элементов. Современные быстрорежущие стали можно разделить на три группы: нормальной, повышенной и высокой теплостойкости.

К сталям нормальной теплостойкости относятся вольфрамовая Р18 и ее заменитель с меньшим содержимым дефицитного вольфрама – сталь Р6М5 (табл. 2.2).

Эти стали имеют твердость в закаленном состоянии HRC 63–64, предел прочности на изгиб 2900–3400 МПа, ударную вязкость 2,7–4,8 Дж/м² и теплостойкость 600–620 °C.

Объем производства стали Р6М5 достигает 80% от всего объема выпуска быстрорежущих сталей. Она используется при обработке конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс.

Стали повышенной теплостойкости характеризуются повышенным содержанием углерода, ванадия, молибдена и кобальта.

Среди ванадиевых сталей наибольшее применение получила марка Р6М5Ф3. Однако, наряду с высокой износостойкостью ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия (VC), так как твердость последних не уступает твердости зерен электрокорундового шлифовального круга (Al₂O₃). Обрабатываемость при шлифовании – «шлифуемость» – это важнейшее технологическое свойство, которое определяет не только условия изготовления инструментов, но и их эксплуатацию (переточки). По шлифуемости быстрорежущие стали можно разделить на 4 группы.

Группа 1. Содержание ванадия до 1,4% и относительная шлифуемость 0,9–1,0 (за единицу принята «обрабатываемость при шлифовании» стали Р18, обладающая наилучшей шлифуемостью).

Группа 2. Содержание ванадия 1,7–2,2%, относительная шлифуемость 0,5–0,95, в эту группу, в частности, входят стали Р6М5, Р6М5К5, Р2АМ9К5 и др.

Группа 3. Содержание ванадия 2,3–3,3%, относительная шлифуемость 0,3–0,5 (11Р3АМ3Ф2, Р6М5Ф3, Р12Ф3, Р9М4К8 и др.)

Группа 4. Содержание ванадия более 4%, относительная шлифуемость 0,2–0,3 (Р12Ф4К5 и др.).

Быстрорежущие стали, полученные методом порошковой металлургии, независимо от содержания ванадия относятся к 1-й и 2-й группам, т.е. обладают хорошей шлифуемостью.

Стали с пониженной шлифуемостью склонны к прижогам (изменению структуры приповерхностных слоев стали после шлифования или заточки), появлению вторичной закалки или зон вторичного отпуска с пониженной твердостью. Следствием прижогов может быть значительное снижение стойкости инструмента.

Однако, проблема «шлифуемости» высокованадиевых быстрорежущих сталей успешно решается, если при заточке и доводке режущих инструментов применяются абразивные круги с зернами из СТМ на основе сверхтвердого нитрида бора.

Ванадиевые быстрорежущие стали находят применение для инструментов несложных форм при чистовых и получистовых условиях резания для обработки материалов, обладающих повышенными абразивными свойствами.

Среди кобальтовых сталей наибольшее применение нашли марки Р6М5К5, Р9М4К8, Р18К5Ф2, Р9К5, Р2АМ9К5 и др. Введение кобальта в состав быстрорежущей стали наиболее значительно повышает ее твердость (до HRC 66–68) и теплостойкость (до 640–650 °C). Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, порождающим такой эффект. Это дает возможность использовать данные стали для обработки труднообрабатываемых жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности. Период стойкости инструментов из таких сталей в 3–5 раз выше, чем из сталей Р18, Р6М5.

Стали высокой теплостойкости характеризуются пониженным содержанием углерода, но весьма большим количеством легирующих элементов – вольфрама, кобальта и молибдена. Основные марки В11М7К23, В14М7К25, 3В20К20Х4Ф имеют твердость HRC 69…70 и теплостойкость 700…720 °C. Наиболее рациональная область их использования – обработка труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов. В последнем случае период стойкости инструментов в 60 раз выше, чем из стали Р18, и в 8–15 раз выше, чем из твердого сплава.

Значительными недостатками этих сталей является их низкая прочность на изгиб (не выше 2400 МПа) и низкая обрабатываемость резанием в отожженном состоянии при изготовлении инструмента из-за большой твердости (HRC 38–40).

В связи со все более возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение находят экономно-легированные стали. Среди них наибольшее применение получила сталь 11Р3АМ3Ф2, которая используется при производстве инструмента, так как обладает достаточно высокими показателями по твердости (HRC 63–64), прочности на изгиб (R_bm=3400 МПа) и теплостойкости (до 620 °C). Сталь 11Р3АМ3Ф2 технологична в металлургическом производстве, однако, из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

Порошковые быстрорежущие стали. Наиболее эффективные возможности повышения качества быстрорежущих сталей, их эксплуатационных свойств и создания новых режущих материалов появились при использовании порошковой металлургии.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

Технологическая схема получения порошковых быстрорежущих сталей следующая: газовое распыление в порошок жидкой струи быстрорежущей стали, засыпка порошка в цилиндрический контейнер и дегазация, нагрев и ковка (или прокатка) контейнеров в прутки, окончательная обдирка резцом остатков контейнера с поверхности прутков. Основным преимуществом порошковой технологии является резкое снижение размеров карбидов, образующихся при кристаллизации слитка в изложнице. Это объясняется тем, что порошинка стали размером несколько микрометров, полученная газовым распылением, является микрослитком, в котором карбиды не могут быть крупнее ее самой.

Основные направления разработки новых составов порошковой быстрорежущей стали сводятся к введению в ее состав до 7% ванадия и значительного, в связи с этим, повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости, и к введению углерода с «пересыщением» до 1,7%, позволяющему получить значительное количество карбидов ванадия и высокую вторичную твердость после закалки с отпуском. В обозначении марки стали, полученной методом порошковой металлургии, добавляют букву П или МП. В Украине выпускают ряд марок таких сталей: Р7М2Ф6-МП, Р6М5Ф3-МП, Р9М2Ф6К5-МП, Р12МФ5-МП и др. (ГОСТ 28369-89).

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидостали, которая по своим свойствам может быть классифицирована как промежуточная между быстрорежущей сталью и твердыми сплавами.

Карбидосталь отличается от обычной быстрорежущей стали высоким содержанием карбидной фазы (в основном карбидов титана), что достигается смешиванием порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание TiC в карбидостали составляет до 20%. Пластическим деформированием спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет HRC 40–44, а после закалки и отпуска HRC 68–70.

При использовании для режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5–2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении деформирующих инструментов (деформирующие протяжки).