HSS сталь: что такое быстрорежущая сталь, марки, характеристики, аналоги, применения и покрытия

Общие характеристики HSS сталей

Сталь HSS применяют для производства инструмента, предназначенного для высокоскоростной обработки металлических заготовок.  Быстрорежущая сталь HSS обладает отличными эксплуатационными свойствами, которые выделяют материал среди углеродистых аналогов и твёрдых сплавов.  

Высокоскоростные режимы резания

Изготовленный из HSS стали инструмент без повреждения и деформации применяют для высокоскоростной обработки различных материалов, в том числе, при прерывистых режимах резания. Это единственный тип стали, справляющийся с такими нагрузками.

Сопротивление к механическим воздействиям и разрушению

Быстрорежущая сталь в минимальной степени подвержена хрупкому разрушению, которое характерно для материалов высокой твёрдости. Этот показатель определяется при изгибе призматических образцов, а также при медленно нарастающих и быстрых нагрузках. Чем выше значения сопротивляемости, тем большую скорость подачи инструмента и глубину резания можно использовать.

Горячая твёрдость при нагреве

В нормальных условиях твёрдость углеродсодержащей стали выше, чем у быстрорежущей. Однако в процессе обработки металлической заготовки происходит значительная теплоотдача, что запускает процессы отпуска и снижает первоначальную прочность. У углеродистой стали температурный порог теплостойкости составляет 200 градусов. HSS сталь способна сохранять свои свойства при температурах 500-600 градусов.

Красностойкость 4 часа

Основное достоинство быстрорежущих сталей – красностойкость. Этот параметр определяет, в течение какого времени сталь способна сохранять прочность при высокотемпературном воздействии и сколько времени сталь способна выдерживать температурные нагрузки.

Особенности изготовления и термообработки HSS сталей

При изготовлении быстрорежущих сталей применяют несколько технологий, при этом особое внимание уделяется проковке. Именно от прокованности зависит качество материала, а при недостаточной проковке – происходят процессы карбидной ликвации.

Для повышения эксплуатационных свойств и характеристик стали HSS проходят обязательную термическую обработку с использованием трёх базовых методик:

1. Отжиг. Способствует устранению внутренних натяжений материала, улучшает обрабатываемость сплава и последующую закалку.
2. Закалка. Способствует повышению красностойкости стали. Закаливается материал при температуре +1300 градусов, превышение этого режима не допускается, чтобы избежать появления оплавлений и зернистости. Поэтому температура закалки всегда выдерживается с максимальной точностью.
3. Отпуск. Под этим определением понимается цикличное охлаждение до температуры 550-560 градусов. Отпускается сплав с периодичностью в 60 минут.

Методы улучшения технических характеристик

Для повышения износоустойчивости применяют дополнительные способы химико-термической обработки. Суть процесса заключается в добавлении в структуру сплава усиливающих компонентов, которые проникают в молекулярно-кристаллическую решётку.

3 метода улучшения эксплуатационных характеристик:

• Азотирование. Выдержка в газовой среде с целью насыщения материала азотом. Происходит при температуре 500-600 градусов, в течение 10-40 минут. Процесс способствует укреплению поверхностных слоёв.
• Цианирование. Насыщение цинком в жидкой или газовой среде для повышения показателей износоустойчивости. Процесс может быть высокотемпературным или низкотемпературным.
• Сульфидирование. Нагрев в серно-азотистой соли, что способствует насыщению серой, повышает прочность и износостойкость режущих кромок.

Легирование HSS сталей

Легированием называют ряд технологических процедур, которые необходимы для ввода в состав сплава различных примесей, способствующих улучшению химического состава. Легирование позволяет быстрорежущей стали сохранять твердость при высоких температурах. Легирование выполняется карбидообразующими элементами (вольфрам, молибден, ванадий, хром, кобальт, марганец, никель, титан), что существенно повышает красностойкость.

Главными задачами легирования являются:

• Повышение конструкционной прочности;
• Улучшение ударной вязкости;
• Повышение жаропрочности и коррозийной устойчивости;
• Улучшение прокаливаемости.

Компонент, выбранный производителем для легирования, всегда указывают в маркировке. Обычно для этого используется первая буква названия легирующего элемента. Например, для марганца это «М», для вольфрама «В» и так далее.

Маркировка быстрорежущих сталей

Отличия между быстрорежущими инструментальными сталями определяются маркировкой:

• HSS-R (или сталь HSS)  – указывается на изделиях, выпускающихся методом роликового проката и отличающихся наименьшими показателями прочности;
• HSS CO – основным легирующим элементом является кобальт;
• HSS-G – рабочая часть шлифуется кубическим нитридом бора, что повышает механическую прочность, снижая биение при работе;
• HSS-E – используют для обработки сложных заготовок с повышенной вязкостью;
• HSS-G TiN – изделия с нитрид-титановым напылением. Сталь HSS TiN отличается высокими показателями прочности и термоустойчивости.
• HSS-G TiAlN – материал с хорошей механической прочностью за счет покрытия из нитрида титан-алюминия;
• HSS-E VAP – функциональное покрытие для нержавейки, которое снижает скапливание стружки.

Российский аналог стали HSS маркируется иным способом. Быстрорежущий сплав обозначается литерой «Р», что означает rapid steel. После основной марки указывают основной легирующий элемент, который используется для повышения технических характеристик:

• М – молибден;
• Ф – ванадий;
• К – кобальт.

Цифровые обозначения указывают на процентное соотношение химических элементов. Например, сталь HSS Р6М5. В этой марке стали 6% вольфрама и 5% молибдена.

Разновидности быстрорежущих сталей

По основному химическому элементу, который используется для легирования, быстрорежущие инструментальные стали делятся на 3 основные категории: молибденовые, вольфрамовые и высоколегированные. Рассмотрим действующую классификацию более детально.

Молибденовые

Для обозначения этого типа стали используется литера «М». Материал содержит молибден, что делает инструмент пригодным для эксплуатации при низких температурах. Из молибденовой HSS стали изготавливают штампы и накатные плашки. Для увеличения ударной вязкости термообработка закаливанием проводится при низких температурах.

Таблица компонентного состава молибденовой инструментальной стали

Вольфрамовые

Считаются дорогостоящими по причине дефицита вольфрама и его высокой стоимости. Эта инструментальная сталь маркируется литерой «Т». Среди выпускаемых видов сплавов этой группы реже всего используют Т1 и Т15.

Материал относится к сталям нормальной производительности, основная область применения которой – производство резцов, фрез и зенкеров. Компонентный состав стали регулируется требованиями ГОСТ и международными стандартами качества.

Таблица вольфрамовых HSS сталей

Высоколегированные

Многокомпонентные составы, отличающиеся повышенной стойкостью к изгибу и кручению. Из преимуществ можно выделить равномерное перераспределение карбидов, что обеспечивает хорошую теплостойкость и отличную механическую прочность после закалки.

Целевое назначение – производство метчиков, резцов для обработки высокопрочных сплавов с высокой скоростью резания, сверл, фрез. Для маркировки сплава используется литера «М».

Таблица соотношения легирующих компонентов и присадок в высоколегированных HSS сталях

Виды покрытий и напылений HSS стали

Для улучшения структуры стали и повышения эффективности инструмента используется специальное напыление. Покрытия повышают эксплуатационные характеристики и позволяют работать инструментом без использования смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ).

Популярные типы покрытий быстрорежущих сталей:

• TiN, Balinit – однослойное покрытие из нитрида титана. Напыление имеет золотистый цвет, способствует повышению поверхностной прочности и внутренней упругости. В среднем, скорость резания увеличивается на 60%, а фрикционный коэффициент снижается до 0.4.
• TiAlN, FNT – нитрид титана, дополнительно легированный алюминием. Наноструктурированный слой почти чёрного цвета. Наносят для повышения термической устойчивости и механической прочности.
• TiAlN, Balinit Х.TREME – однослойное напыление нитрида алюмо-титана. Наносится для инструмента, работающего в тяжёлых условиях резания. Покрытие повышает прочность до 3 500 HV.
• Black (OX, Black Oxide) – оксидная плёнка, которая используется на метчиках и свёрлах. Покрытие мелкопористое, что хорошо удерживает смазку на поверхности инструмента. Покрытие повышает коррозийную устойчивость и исключает перегрев даже при высоких скоростях резания.
• TiC – карбид-титановое напыление, снижающая склонность инструмента к разрушению.
• TiCN, Balinit B – многослойное покрытие из карбонитрида титана. Напыление снижает фрикционный коэффициент, увеличивая поверхностную твёрдость и показатели термической устойчивости.
• TiALN+WC/C, HL – тёмно-серое напыление, выполненное алюмонитридом титана. Покрытие многослойное, увеличивает эксплуатационные характеристики инструмента.
• CrN – серебристо-серое напыление из нитрида хрома. Напыление отличается оптимальным соотношением твёрдости-пластичности, предотвращает появление трещин даже при цикличных нагрузках. Допускает применение СОЖ с повышенной агрессивной активностью.
• AlCrN – хромонитрид алюминия, который наносится тонким слоем, окрашивая поверхность в серо-синий цвет. Повышает термостойкость до температуры +1100 градусов, а поверхностную твёрдость – до 3 200 HV.

Области применения быстрорежущих сталей

Что делают из быстрорежущих сталей? Материал используют преимущественно для изготовления концевого инструмента, а также сменных твердосплавных насадок для токарных резцов.

Основные сферы применения быстрорежущих сталей на примере российских аналогов:

• Р9 – изделия элементарной формы: зенкеры, резцы, фрезы;
• Р18 – фасонный инструмент для нарезания резьбы и создания метрических зубьев;
• Р9К5 – используются для точения жароустойчивых и высокопрочных сталей;
• Р9Ф5 – походят для производства протяжек, развёрток;
• Р9М4 – используются для производства инструмента, предназначенного для первичной обработки.

Отличия HSS стали от углеродистой инструментальной

Углеродистые легированные и быстрорежущие стали различаются областью применения. Инструментальные легированные стали с высоким содержанием углерода маркируются литерой «У». Из этого материала изготавливается инструмент для деревообработки и резания полимерных материалов. Также сталь этой группы идёт на изготовление слесарного инструмента: спиральных свёрл, шаберов, напильников, ножовок.

Главные отличия инструментальной стали от быстрорежущей HSS заключаются в меньшем пределе прочности и повышенной зернистости, которая повышается даже при незначительном нагреве и закалке. В частности, предел прочности инструментальной стали заканчивается при температурном нагреве в +170/+200 градусов.

Отличия HSS стали от твёрдых сплавов

Твёрдые сплавы представляют собой композитные материалы, которые изготавливаются с использованием технологий порошковой металлургии. Основными компонентами являются карбиды вольфрама, титана, тантала. Жаропрочные стали обладают повышенной твёрдостью, и по этим параметрам они лучше быстрорежущих.

Однако твёрдые сплавы отличаются меньшей механической прочностью, поэтому повреждаются при значительных силовых и вибрационных нагрузках. Твердосплавный инструмент никогда не используют для резания и обработки на высоких скоростях. Более того, технология производства твёрдых сплавов дорогостоящая, что делает инструмент из этого материала нерентабельным.