Скорорежущие стали относятся к разновидностям легированных инструментальных сталей, в которых оцениваются в основном режущая способность, твердость изделия и сохраненная пластичность сердцевины. Они используются для производства режущих инструментов, штамповочных инструментов, ножей для черновой и чистовой обработки, спиральных сверл, а в некоторых случаях для ответственных элементов машин – колец, подшипников, пружинных элементов из быстрорежущих сталей. В результате схожих, но лучших инструментальных свойств их можно определить как быстрорежущие инструментальные стали.

Они характеризуются очень высокой твердостью при высоких рабочих температурах, сохраняя при этом соответствующую пластичность сердцевины, одним из самых высоких показателей стойкости к износу среди остальных инструментальных сталей, а также высокой прочностью и стойкостью к усталости материала. Наиболее ценным свойством быстрорежущих сталей является стойкость к отпусканию, которая достигает температур порядка 600℃.

Химический состав быстрорежущей стали

Из всех инструментальных сталей быстрорежущие стали являются самыми дорогими из-за очень высокого содержания дорогих легирующих примесей, таких как вольфрам (W), кобальт (Co), ванадий (V), не считая молибдена (Mo) и хрома (Cr), которых в составе относительно много по сравнению с другими сталями.

Все перечисленные элементы, за исключением кобальта, образуют в стали карбиды, распределенные в кристаллической решетке, благодаря которым быстрорежущие стали обладают всеми вышеперечисленными свойствами. Исключенный кобальт предотвращает образование роста зерен в стали во время термообработки.

За высокую твердость отвечает, среди прочего, углерод (C), содержание которого в быстрорежущих сталях составляет 0,7-1,15%. Чем больше легирующих примесей, образующих карбиды, содержится в стали, тем больше должно быть содержание углерода, чтобы количество карбидов оставалось на необходимом уровне.

Вольфрам, образующий с углеродом твердые, мелкие и равномерно распределенные карбиды, отвечает за высокую износостойкость и предотвращает снижение твердости стали при работе в условиях высоких температур, так называемого «красного каления».
Кобальт предотвращает перегрев быстрорежущей стали во время закалки, что приводит к увеличению количества карбидов в стали и повышает температуру плавления изделия во время работы.
Ванадий также обеспечивает повышение износостойкости и способствует мелкозернистости структуры изделия. Улучшает стойкость к воздействию высоких температур.
Хром улучшает закаливаемость стали, а молибден, который в некоторой степени может заменить вольфрам, улучшает износостойкость.

Скорорежущие стали можно разделить на скорорежущие кобальтовые стали – скорорежущие кобальтовые стали с добавлением ванадия, молибдена или углерода – и скорорежущие бескобальтовые стали – скорорежущие вольфрамовые стали, вольфрамовые стали с добавлением молибдена или углерода – где все виды определяются как скорорежущие ледебурские стали.

Термическая и механическая обработка быстрорежущих сталей

Термическая обработка быстрорежущей стали представляет собой медленный и тщательный процесс, состоящий из двух- или даже трехэтапного нагрева стали до начальной температуры в зависимости от сечения закаливаемого элемента.

Постоянно быстрорежущие инструменты поставляются в мягком состоянии, характеризуются очень низкой теплопроводностью, поэтому процесс нагрева должен проводиться медленно и тщательно из-за риска возникновения напряжений в материале, приводящих к деформации и растрескиванию во время обработки.

После предварительной механической обработки, вызывающей напряжения, изделие необходимо отпустить при температуре 600-650℃. После медленного охлаждения изделие можно подвергнуть окончательной обработке перед процессом закалки.

При больших сечениях изделие нагревается трижды при все более высокой температуре 500℃-1050℃. Для элементов меньших размеров и менее сложной формы достаточно двукратного нагрева. Предварительный отжиг материалов проводится в камерных печах и соляных печах (в растворах SH430, SH960).

При температурах 1000-1100℃ происходит растворение карбидов M₂₃C₆, M₆C и M₄C₃, которые отвечают за механические свойства изделия после обработки. Процесс закалки быстрорежущих сталей происходит при температурах 1100-1300℃ в зависимости от марки изделия. Чтобы устранить напряжения, сохранить твердость, пластичность и производительность материала, проводится двукратное или даже трехкратное отпускание при температурах в диапазоне 520-600℃.

После обработки быстрорежущая сталь имеет структуру пластинчатого мартенсита. Помимо вышеописанного способа закалки элемента, существуют и другие методы термической обработки – термохимическая обработка, обработка в вакуумных печах, печах с защитной атмосферой. Это лишь некоторые из существующих методов обработки, и с развитием металлургической технологии количество способов термической обработки могло увеличиться.

Нормы

Вышеописанные высоколегированные быстрорежущие инструменты определены стандартом PN-86/H-85022, GOST 19265-73, GOST 9449-84, и стандартом PN-EN ISO 4957, в соответствии с которыми поставляются:

Листы из быстрорежущей стали по PN-H-92130, PN-86/H-92139, GOST 14959-79, GOST 19903-2015, ISO 4957
Поковки и прутки свободно кованные из быстрорежущей стали по PN-94/H-93012, PN-79/H-94500, GOST 3882-74, ISO 4957
Холоднокатаные ленты из быстрорежущей стали по PN-77/H-92330-00, PN-77/H92330-01, PN-84/H-92331, PN-75/H-92335, GOST 2283-79
Прутки из быстрорежущей стали по PN-94/H-93012, PN-75/H-93200, PN-72/H-93201, PN-72/H-93202, GOST 14959-79, GOST 19281-2014, EN 10058, EN 10059, EN 10060
Шлифованные прутки из быстрорежущей стали по PN-86/H-93209, PN-76/H-93006, GOST 103-2006