Изобретение быстрорежущей стали в начале ХХ века стало прорывом в развитии машиностроения. Новый материал повлиял на изобретение быстроходных станков и автоматов большой мощности, а также поспособствовал резкому скачку производительности в работе механических цехов. Несмотря на то, что HSS-сталь имеет довольно сложный состав, ее активно используют для производства инструмента повышенной прочности.

HSS стали

Что такое сталь HSS

Аббревиатура HSS образована от английского High Speed Steel — «быстрорежущая сталь». Ее применяют при производстве различного инструмента для работы с металлическими изделиями. Для изготовления применяют классический метод разливки в слитки с последующей прокаткой и проковкой. Также используют порошковой метод — распыление азотом струи жидкой стали.

HSS-сплавы принадлежат группе с высоким содержанием углерода, некоторые марки которой содержат вольфрам в определенном количестве. Твердость изготовленных инструментов из данного материала соответствует 62-64 единицам по шкале HRC.

Изделия из быстрорежущей стали обладают повышенной прочностью и находятся в доступном ценовом сегменте.

Область применения быстрорежущих сталей

Состав материала определяет область применения и рабочие характеристики. Инструменты, изготовленные из данного металла, способны выдержать длительную эксплуатацию.

HSS-сталь применяют:

  • для изготовления сверл со сложной формой и конструкцией, получаемой с помощью литья;
  • при производстве режущей кромки резцов для повышения износостойкости;
  • для формирования напаек режущего инструмента;
  • для изготовления фрез, зенкеров, метчиков, плашек, ножей или пильных полотен.

быстрорежущая сталь

Виды HSS-сталей

HSS-стали бывают трех категорий:

  • вольфрамовые (Т1-Т15);
  • молибденовые (М1-М36);
  • высоколегированные (М41-М62).

Стали, относящиеся к вольфрамовой группе, в наше время не популярны в связи с завышенной стоимостью вольфрама.

Чаще всего применяют марку Т1 и сплав с добавлением кобальта и ванадия Т15. Сталь Т15 используют для производства инструмента, который нужен для работы при высоких температурах и повышенном износе.

Вольфрамовые

Вольфрамовая группа известна четырьмя типами стали:

  1. Т1 (аналог — Р18). Обладает высокой прочностью, стойкостью к износу и шлифуемостью. Применяют для сверл и другого инструмента, который чаще всего используют для обработки легированных и углеродистых сталей.
  2. Т2 (аналог — Р18Ф2). В данном сплаве содержание ванадия достигает 2%. Из него делают получистовые и чистовые сверла для работы по обработке среднелегированных сталей.
  3. Т3 (аналог — Р18К5Ф2). В сплаве находится: вольфрам – 18%, кобальт – 5%, ванадий – 2%. Инструменты из данного сплава выделяются повышенной износостойкостью и твердостью, однако обладают низкой шлифуемостью. Сверла чаще всего используют для работы с заготовками из коррозионностойких, высокопрочных и жаропрочных сплавов.
  4. Т15 (аналог — Р12Ф5К5). Содержит: вольфрам – 12%, кобальт – 5%, ванадий – 5%. Инструменты имеют высокую прочность, износостойкость и вязкость. Их в основном используют для сверления труднообрабатываемых материалов.

Содержание вольфрама наделяет изготовленный инструмент красностойкостью, что позволяет сохранить твердость и остроту режущей кромки при повышенных температурах.

hss сталь

Молибденовые

Молибденовая группа имеет более широкое распространение. В сплавах также содержатся кобальт и вольфрам.

Стали с содержанием таких компонентов, как углерод и ванадий, проявляют стойкость к изнашиванию при шлифовании.

Изделия, сохраняющие повышенную твердость во время работы при высоких температурах, изготавливают из молибденовых сталей марки М41 и выше. Инструменты, обладающие высокой ударной вязкостью в условиях низких температур, производят из молибденовых сплавов с последующей термической обработкой.

  • М1. Содержание молибдена — 8%. Используется для инструментов общего назначения. Сверла обладают гибкостью и стойкостью к нагрузкам, однако красностойкость значительно ниже, чем у других марок.
  • М2 (аналог — Р6М5). Состав сплава: вольфрам – 6%, молибден – 5%. Наделен достаточной прочностью, твердостью и теплостойкостью. При работе режущие кромки инструмента дольше сохраняются.
  • М3 (аналог — Р6М5Ф3). Содержит 3% ванадий. Инструмент из данной стали наделен низкой изнашиваемостью при шлифовке.
  • М7. Компоненты в составе: вольфрам – 1,75%, ванадий – 2%, молибден – 8,75%. Сплав применяют для изготовления сверл, которые нужны для работы с толстолистовыми и твердыми металлами.
  • М35 (аналог — Р6М5К5). В составе присутствует 5% кобальта, молибден, вольфрам, а также в незначительных количествах кремний, никель и марганец. Преимущество сплава заключается в его вязкости, хорошей шлифуемости, теплостойкости и сопротивляемости износу. Сверла используют при обработке изделий из нержавеющих и улучшенных легированных сталей при условии высокого разогрева режущей кромки.

hss сплавы

Высоколегированные

Высоколегированные сплавы относятся к молибденовой группе. Стали, которые прошли специальную термическую обработку, используются для производства инструментов с повышенной ударной вязкостью и возможностью эксплуатации при холодных условиях.

  • М74 (аналог — Р2АМ9К5). В состав входит: молибден – 9%, кобальт – 4,7-5,2%. Отличается повышенной склонностью к потере углерода, перегреву в процессе закалки и пониженной шлифуемости. Инструмент из данного сплава применяют для заготовок из нержавеющих и улучшенных легированных сталей.
  • М42. Содержание сплава: кобальт – 8%, молибден – 9,5%. Сверла отличаются устойчивостью к истиранию. Инструменты применяют для обработки сложных и вязких металлов.

Характеристики быстрорежущих сталей

Перечисляя характеристики, необходимо учитывать, что созданный материал необходим для эксплуатации режущих приспособлений при высоких показателях трения, возникающих в процессе резания. Быстрорежущие стали обладают повышенной твердостью и могут использоваться в работе, требующей высоких скоростей.

Горячая твердость

При использовании режущих приспособлений в процессе работы происходит постоянное выделение тепла, при этом около 80% тратится на разогрев инструмента. Температура режущей кромки повышается и происходит отпуск материала, что влечет за собой понижение его твердости. Тем не менее быстрорежущая сталь сохраняет свои показатели даже при нагреве до 500-600оС.

Красностойкость

Показатель, учитывающий временной промежуток, в период которого сталь сможет выдержать повышенную температуру, не меняя своих эксплуатационных характеристик. Завышенный показатель трения приводит к разогреву металла, от чего происходят изменения в кристаллической решетке. В результате некоторые свойства быстрорежущей стали существенно меняются.

инструмент из hss стали

Сопротивление разрушению

Материал, который применяют для изготовления режущего инструмента, должен обладать высокими механическими свойствами — сопротивлением хрупкому разрушению. Высокая прочность сплава обеспечивает режущему приспособлению стойкость к большому усилию, подаче и глубине резания, что в свою очередь приводит к повышению производительности процесса.

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.

Для защиты от обезуглероживания отжиг производят в закрытых ящиках с нейтральной средой.

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.

ступенчатое сверло

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.

быстрорежущий инструмент

Улучшение характеристики изделий из HSS-сталей

Для придания твердости материала, стойкости к износу и устойчивости к коррозии поверхность инструментов подвергают дополнительной обработке. К таким методам относятся:

  1. Азотирование. Насыщение азотом слоя поверхности проводится в газовой среде, которая состоит из 80% азота и 20% аммиака или на 100% из аммиака. Технологический процесс длится от 10 до 40 минут при температуре 500-600оС и приводит к укреплению поверхностной оболочки.
  2. Цианирование. Насыщение осуществляется в жидкой или газовой среде, состоящей из химического элемента — цинка. Процесс высокотемпературного цианирования длится от 5 до 45 минут при температуре 800-900оС. Низкотемпературный процесс происходит при 500-600оС и обеспечивает износостойкость и высокую твердость инструменту.
  3. Сульфидирование. Насыщение поверхностей стальных изделий серой осуществляется при 550-600оС путем нагревания в серноазотистых солях в течение 2-3 часов. В результате процесса повышается износоустойчивость стальных изделий.

Суть химико-термической обработки заключается в проникновении различных химических элементов в атомную кристаллическую решетку железа при нагревании деталей из стали в среде, насыщенной необходимыми элементами.

Быстрорежущие легированные стали предназначены для производства металлорежущего инструмента, который используют при работе на высоких скоростях. HSS-сплавы отличаются способностью сохранения износостойкости и сопротивляемости к разрушению при повышенных температурах. Добавление в состав стали молибдена, вольфрама, кобальта и ванадия обеспечивает красностойкость и горячую твердость.