Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

Барчуков Д.А.

Тверской государственный технический университет, Россия

Преимущества применения молибденовольфрамовых быстрорежущих сталей при реализации способа упрочнения наплавленной быстрорежущей стали

Известен способ упрочнения наплавленных быстрорежущих сталей [1], заключающийся в поверхностном пластическом деформировании (далее - ППД) закаливающегося с температур кристаллизации наплавленного металла во время его охлаждения после наплавки в температурном интервале от (Мн+80) ^оС до 60^оС, где Мн – температура начала мартенситного превращения наплавленной быстрорежущей стали, и выполнении последующего однократного отпуска, который выполняют при температуре нагрева 520-540°С и выдержке в течение 20-40 мин.

Техническим результатом изобретения является повышение твердости наплавленной быстрорежущей стали и эксплуатационной стойкости инструмента и дополнительного упрочнения мартенсита высокодисперсными карбидами. В результате ППД быстрорежущая сталь имеет двухфазную структуру – мартенсит и карбиды, и основной целью отпуска, выполняемого после ППД быстрорежущей стали, которая уже не содержит остаточного аустенита, является сохранение высоколегированного мартенсита, полученного в результате закалки с температур кристаллизации, и выделение мелкодисперсных равномерно распределенных в структуре стали вторичных карбидов.

Таким образом, качественное повышение эксплуатационных свойств быстрорежущей стали при отпуске помимо технологии закалки и полученной структуры закаленной стали определяется соответствующим составом стали, при котором становится возможным получение в структуре закаленной стали максимальной концентрации легирующих элементов в твердом растворе. При этом количественное соотношение между этими легирующими элементами должно обеспечивать образование при отпуске высокодисперсных карбидов, обладающих максимальной устойчивостью к коагуляции, т.е. сохранением высокой теплостойкости. При этом количество эвтектических карбидов должно быть сведено к минимуму, и они должны быть дисперсными и равномерно распределенными по объему стали.

Согласно теории легирования теплостойких инструментальных сталей, разработанной школой металловедов-инструментальщиков, организованной профессором Ю.А. Геллером [2], твердость и теплостойкость быстрорежущих сталей тем выше, чем больше количество упрочняющих частиц и выше их свойства, в частности, устойчивость против коагуляции, в процессе которой частицы укрупняются и, как следствие, уменьшается их количество, а также понижается твердость изготовленного из этих сталей инструмента, в том числе и при нагреве.

Упрочняющими фазами быстрорежущих сталей являются карбиды на основе вольфрама и молибдена (М₂С), ванадия (МС), железа и хрома (М₂₃С₆). Количество упрочняющих карбидов увеличивается по мере повышения растворимости углерода и легирующих элементов в аустените и, следовательно, в мартенсите теплостойких сталей в результате закалки. Наибольшая растворимость в аустените характерна для хрома, далее – по мере уменьшения – молибдена, вольфрама и ванадия.

Свойства карбидов зависят от их химического состава и определяются соотношением концентрации легирующих элементов и углерода в мартенсите, из которого они выделяются в процессе отпуска. Чем больше вольфрама, молибдена, ванадия и углерода растворено в мартенсите, тем выше свойства упрочненной стали.

Карбиды МС на основе ванадия сравнительно мало упрочняют теплостойкие стали, так как растворимость ванадия в аустените этих сталей весьма ограничена и не превышает 1…1,5 %.

Количество растворимых и нерастворимых карбидов в быстрорежущих сталях примерно одинаковое и, чем больше углерода и легирующих элементов будет в растворе, тем больше дисперсных карбидов выделится при отпуске и, следовательно, будет выше твердость и теплостойкость стали.

Образующиеся при отпуске дисперсные карбиды должны быть устойчивы к коагуляции. Чем выше устойчивость карбидов к коагуляции, тем выше твердость и теплостойкость. Наиболее устойчивым к коагуляции считается карбид М₂С. При образовании карбида М₂₃С₆ устойчивость к коагуляции карбидной фазы снижается.

При кристаллизации высокоуглеродистых молибденовых быстрорежущих сталей в их структуре формируется эвтектика на основе карбида М₂С с высокой концентрацией молибдена (около 30 %) и ванадия (около 20%) [3]. Считают, что карбиды М₂С имеют характерную для них вытянутую стержнеобразную форму и направленность и распадаются на более округлые и мелкие карбиды М₆С (2…5 мкм) и на многочисленные еще более мелкие карбиды МС (0,5…1 мкм).

Применение быстрорежущих сталей с низким содержанием вольфрама, например Р2М8, и замена вольфрама молибденом в соотношении 1:1,5 позволяет уменьшить себестоимость быстрорежущей стали ввиду высокой стоимости вольфрама при сохранении достаточной теплостойкости. Также, снижение содержания вольфрама обеспечивает возможность снижения карбидной неоднородности.

Литература:

1. Пат. 2483120 Российская Федерация, МПК С21D. Способ упрочнения наплавленных быстрорежущих сталей / Барчуков Д.А., Зубков Н.С., Лаврентьев А.Ю., Водопьянова В.П. Опубл. 27.05.13, Бюл №15. 6с.

2. Геллер Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер. М.: Металлургия, 1983. 527 с.

3. Кремнев Л.С. Теория легирования и создание на ее основе теплостойких инструментальных сталей и сплавов оптимального состава // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. №11. С.18-28.