быстрорежущая сталь

Формула изобретения

Быстрорежущая сталь, содержащая углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, кремний, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит цирконий и азот при следующем соотношении компонентов мас.%:

Углерод 0,80 - 0,95

Хром 3,8 - 4,30

Молибден 0,8 -1,0

Вольфрам 17,0-18,0

Ванадий 1,0-2,5

Марганец 0,4-0,5

Цирконий 1,9 - 2,0

Азот 0,95-1,0

Кремний 0,3-0,6

Сера 0,0015-0,025

Фосфор 0,025-0,035

Железо Остальное

Описание изобретения к патенту

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 (10,01-0,1)%, 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.

Инструмент, выполненный из вышеназванной стали, обладает повышенной хрупкостью, т.к. наличие в ней азота в указанном количестве приводит к образованию пор и раковин, нарушает пластичность. Кроме того, наличие в шихте большого количества вольфрама и кобальта делает эту сталь дорогостоящей.

Прототипом предлагаемой стали можно считать “Быстрорежущую сталь” по авторскому свидетельству №405967, МКИ С 23 С 38/14, содержащую углерод (1,2-1,4)%, вольфрам (11-13,5)%, молибден (2-3,5)%, ванадий (3-3,8)%, хром (3,5-4)%, титан (0,075-0,1)%, цирконий (0,01-0,05)%, церий (0,1-0,5)%, кальций (0,001-0,025)%, кобальт (9-10,5)% и железо остальное.

Недостаток прототипа заключается том, что он содержит большое количество дорогостоящего вольфрама и кобальта. Кроме того, этот факт снижает прочность и вязкость стали, повышает хрупкость инструмента, выполненного из нее, нарушает пластичность, увеличивает износ и способствует нафталинестому излому.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение - повышение эксплуатационной стойкости, путем повышения красностойкости, снижения себестоимости изготовления, путем уменьшения расхода легирующих элементов.

Поставленная задача решается за счет того, что быстрорежущая сталь содержит углерод, хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, цирконий, азот, кремний, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,80-0,95

Хром 3,8-4,30

Молибден 0,8-1,0

Вольфрам 17,0-18,0

Ванадий 1,0-2,5

Марганец 0,4-0,5

Цирконий 1,9-2,0

Азот 0,95-1,0

Кремний 0,3-0,6

Сера 0,0015-0,025

Фосфор 0,025-0,035

Железо Остальное

Быстрорежущая сталь с таким химическим составом получается следующим образом.

В шихту быстрорежущей стали, состоящую из феррохрома металлического (ГОСТ 5905-67), ферромолибдена (ГОСТ 4759-79), феррованадия (ТУ 14-5-98-78), ферромарганца углеродистого, силикокальция (ГОСТ 4762-710), добавляют феррохром азотистый (ГОСТ 4757-59), ферросиликоцирконий (ТУ 14-5-83-77), ферросилиций (ГОСТ 1415-93), кремний, никель и электрод из стали У7-У8.

После поплавочной термической обработки по режиму: температура закалки 1280+5°C (зерно №10-11) и трехкратного отпуска при температуре 550+10°С сталь приобретает следующие свойства: твердость HRC_э 69-70 при достаточной вязкости, микроструктура - мелкоигольчатый мартенсит, хорошая шлифуемость, красностойкость 640°С выдержка - 4 часа. Это объясняется совместным влиянием азота, циркония и ферросилиция.

Цирконий и ферросилиций, связывая углерод и азот в карбиды, нитриды и карбонитриды, препятствуют образованию и выделению по границам зерен карбидов и карбонитридов хрома, что препятствует скручиванию стали, повышает стойкость.

Азот в сплаве присутствует в растворимых в аустените карбидных фазах М₂₃(С, N)6, M₆ (C,N) и в меньшем количестве в нерастворимых карбидных и нитридных фазах M(C,N), М (N,C). Нитрид Z_r(N,C) и карбонитрид Z_r (C,N) имеют высокую температуру плавления и 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 №10-11.

При нагреве для закалки часть азота переходит в раствор, а при отпуске он выделяется в карбонитридные фазы. Это способствует усилению дисперсионного твердения, увеличивает устойчивость против обратного разупрочнения, повышает вторичную твердость на 2-3 НRС_э, красностойкость на (10-15)°С 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 быстрорежущего сплава возрастает на (50-60)% по сравнению со сталью Р18, азот, кроме того, предупреждает нафталинестый излом.

Наличие в стали ванадия в указанном количестве способствует сохранению мелкого зерна и повышению износостойкости, никеля - способствует возрастанию прочности, вязкости и устойчивости против перегрева, марганца - повышению теплостойкости и сокращению распада аустенита, силиций делает металл более мягким, способствует азоту, марганец сохраняет закаливаемость.

Качественный и количественный состав элементов, входящих в предлагаемую сталь, формирует ее структуру и, находясь в сложной взаимосвязи, обеспечивает высокий уровень механических свойств этой стали.

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

Сравнительный анализ опытных образцов быстрорежущей стали Р12М3К10Ф3 и предлагаемой приведен в табл.№1. Образцы закаливались при температурах (1260-1290)°С с интервалами 10°С, 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.

Предлагаемая быстрорежущая сталь позволит заменить существующие кобальтовые быстрорежущие стали, например Р10К5Ф5, Р9К10 и др., за счет введенного в ее состав азота и ферросилиция, которые позволяют повысить производительность в 4 и более раз, понизить себестоимость изготовления режущего инструмента в 2 и более раз, что в свою очередь даст большой экономический эффект.