Быстрорежущая сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к составам быстрорежущих сталей, и может быть использовано при изготовлении металлорежущего инструмента и штампов горячего деформирования. Предложена быстрорежущая сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод - 0,95-1,2; марганец - 0,4-0,5; кремний - 0,3-0,6; сера - 0,0015-0,025; фосфор - 0,025-0,020; хром - 3,8-4,3; никель - 0,3-0,5; вольфрам - 17,0-18,0; ванадий - 1,0-2,0; молибден - 0,8-1,0; цирконий - 1,9-2,0; азот - 2,1-2,2; железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной стойкости путем повышения красностойкости, снижение себестоимости изготовления, исключение из состава стали легирующего элемента - кобальта. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе железа, и может найти применение при изготовлении металлорежущего инструмента, используемого для механической обработки трудно обрабатываемых материалов и штампов горячего деформирования, работающих в тяжелых условиях.

Из патентной литературы известна "Быстрорежущая сталь" по патенту 2025531, МКИ С 23 С 38/14, содержащая углерод (0,01-0,1)%, никель (12-22)%, вольфрам (5-13)%, молибден (0,01-3)%, титан (0,01-3)%, кобальт (0,01-10)%, алюминий (0,01-3)%, азот (0,3-2)% и железо остальное.

Недостаток этой быстрорежущей стали заключается в том, что она содержит большое суммарное количество дорогостоящего вольфрама и кобальта, что, кроме того, повышает хрупкость инструмента, а азот в указанном количестве приводит к образованию пор и раковин, нарушает пластичность, увеличивает трещины.

Прототипом предлагаемой быстрорежущей стали можно считать быстрорежущую сталь Р18К5Ф2 (Химушин Ф.Ф. Материалы в машиностроении. Т. 3. - М.: Машиностроение, 1968, с. 350), содержащую следующие компоненты: Углерод - 0,85-0,95 Хром - 3,8-4,4 Вольфрам - 17,0-18,5 Молибден - Не более 1,0 Ванадий - 1,8-2,4 Кобальт - 5,0-6,0 Кремний - Не более 0,5 Марганец - Не более 0,5 Никель - Не более 0,4
Сера - Не более 0,03
Фосфор - Не более 0,035
Недостаток заключается в низкой красностойкости, хрупкости, инструмент быстро изнашивается, а при обработке трудно обрабатываемых материалов, особенно при черновой обработке, нельзя выдержать требуемые скорости резания и подачи.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, - повышение эксплуатационной стойкости путем повышения красностойкости, снижения себестоимости изготовления и сокращения легирующего элемента - кобальта.

Поставленная задача решается тем, что быстрорежущая сталь, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, кремний, марганец, никель, серу, фосфор и железо, дополнительно содержит цирконий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,95-1,20
Хром - 3,8-4,30
Молибден - 0,8-1,0
Вольфрам - 17,0-18,0
Ванадий - 1,0-2,0
Марганец - 0,4-0,5
Кремний - 0,3-0,6
Сера - 0,0015-0,025
Фосфор - 0,025-0,020
Хром - 3,8-4,3
Никель - 0,3-0,5
Цирконий - 1,9-2,0
Азот - 2,1-2,2
Железо - Остальное
Пример.

Быстрорежущую сталь получают следующим образом.

В шихту быстрорежущей стали, состоящую из феррохрома среднеуглеродистого (ГОСТ 4757-91), ферромолибдена (ГОСТ 4759-91), ферровольфрама (ГОСТ 17293-93), феррованадия (ТУ 14-5-98-78), ферромарганца (ГОСТ 4755-91), феррохром азотистого (ГОСТ 4757-79), плавикового шпата (ГОСТ 4421-73), ферросиликоцирконий (ТУ 14-5-83-77), алюминия, добавляют электрод из стали У7-У8.

Куски ферросплавов размерами более 10-15 мм в поперечнике необходимо раздробить.

Процесс переплава шихты происходит методом электрошлакового кокильного литья.

Перед плавкой расходуемый электрод из стали марки У7, У8 необходимо закрепить в инвентарной головке, провести корректировку его положения относительно рабочей полости плавильной емкости, опустить нерасходуемый электрод до соприкосновения с подовым электродом плавильного тигля и проверить наличие их контакта.

После этого надо засыпать в плавильную емкость рассчитанное количество шихты, добавить флюс - плавиковый шпат, а затем начать процесс переплавки. После выплавки проводят термическую обработку.

После термической обработки при температуре закалки (1290 ± 5)^oС (зерно 10-11) и трехкратного отпуска при (560 ± 10)^oС быстрорежущая сталь приобретает следующие свойства: твердость HRC_э 69-70 при достаточной вязкости, микроструктура - мелкоигольчатый мартенсит, хорошая шлифуемость, красностойкость 640^oС, выдержка 4 ч.

Это объясняется совместным влиянием ферромарганца азотистого ФХН - 600 и циркония. Азот в сплаве присутствует в растворимых в аустените карбидных фазах М₂₃(С, N)₆, M₆(C,N). Нитрид Zr (N, C) и карбонитрид Zr (C, N), имея высокую температуру плавления, в качестве эффективного модификатора измельчают зерно литого сплава, способствуя образованию эвтектики более тонкого строения, задерживают рост зерна при нагреве для закалки. Это позволяет предупредить разнозернистость и на 10-20•С повысить температуру закалки на мелкое зерно N 10-11.

При нагреве для закалки часть азота переходит в раствор, а при отпуске выделяется в карбонитридные фазы. Это способствует усилению дисперсионного твердения, увеличивает устойчивость против обратного разупрочнения, повышает вторичную твердость на 2-3 HRC_э, красностойкость на 10-15^oС и износостойкость, что в свою очередь улучшает режущие свойства.

Растворы азота относятся к растворам внедрения, в предлагаемом быстрорежущем сплаве атомы азота располагаются между узлами кристаллической решетки карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия.

Основной эффект воздействия межузельных атомов на механические свойства состоит в том, что они скапливаются на дислокациях и препятствуют их движению, вызывая упрочнение.

В результате легирования азотом прочность быстрорежущей стали возрастает на (50-60)% по сравнению со сталью Р18К5Ф2.

Полученная таким образом быстрорежущая сталь по своим техническим требованиям соответствует ГОСТ 19265-73.

Сравнительный анализ опытных образцов быстрорежущей стали Р18К5Ф2 и предлагаемой приведен в таблице. Образцы закаливались при 1245-1290^oС с интервалами 15^oС, а выдержка назначалась из расчета 8 с на 1 мм сечения.

Каждая плавка быстрорежущей стали имеет свою температуру закалки, при которой она дает необходимую твердость и другие механические свойства, необходимые при работе режущего инструмента. Отклонения от этих температур приводят к снижению качества режущего инструмента: более высокие температуры приводят к перегреву, а низкие - к недостаточной твердости режущего инструмента.

Быстрорежущий сплав, в который введены такие компоненты, как феррохром азотистый ФХН-600 и ферросиликоцирконий, существенно отличаются от существующих быстрорежущих сплавов повышенной вторичной твердостью, красностойкостью, а также в них уменьшается расход легирующих элементов.

Формула изобретения

Быстрорежущая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и азот при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 0,95 - 1,20
Марганец - 0,4 - 0,5
Кремний - 0,3 - 0,6
Сера - 0,0015 - 0,025
Фосфор - 0,025 - 0,020
Хром - 3,8 - 4,3
Никель - 0,3 - 0,5
Вольфрам - 17,0 - 18,0
Ванадий - 1,0 - 2,0
Молибден - 0,8 - 1,0
Цирконий - 1,9 - 2,0
Азот - 2,1 - 2,2
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1