Быстрорежущие стали: зачем они нужны в производстве ножей

Данный вид стали подходит для изготовления инструментов, обладающих режущими свойствами, а также для обработки материалов, на которые воздействуют ударные нагрузки. Температурный диапазон закалки для этой стали меньше, чем для марки Р18. Следует также отметить, что вероятность обезуглероживания у этого материала достаточно высокая, что следует учитывать в процессе его использования.

Быстрорежущая сталь – характеристика, маркировка, области применения

На современном рынке представлено огромное разнообразие металлов, каждый из которых обладает уникальными характеристиками и свойствами. Быстрорежущая сталь принадлежит к инструментальным материалам, так как её основное применение направлено на изготовление режущего инструмента. Она позволяет производить резку металла на очень высоких скоростях, достигающим значительным значениям при воздействии повышенной температуры.

Спецификации и уникальные свойства быстрорезов обеспечивают их применение в создании инструментов повышенной прочности, используемых в различных областях. Более подробно другие особенности этого сплава будут рассмотрены ниже.

История создания быстрореза

Происхождение быстрорежущей стали связано с историческими предпосылками. Прежде чем стали популярны быстрорежущие инструменты, мастера использовали обычные стальные резцы. Эти резцы не всегда хорошо подходили для обработки древесины и изделий из цветных металлов. Одна из главных проблем, с которой сталкивались пользователи, заключалась в низкой скорости обработки и быстрой изнашиваемости режущих элементов, которые также нагревались до высоких температур.

Быстрорежущая сталь стала значительным прорывом для технических специалистов. Она была впервые получена в 1858 году, когда был разработан сплав на основе вольфрама и марганца. Эти химические элементы отлично подходили для легирования стали. На протяжении XX века исследователи продолжали искать новые составы с улучшенными характеристиками, и существенные успехи были достигнуты в увеличении прочности этих материалов.

Благодаря этому, скорость обработки деталей возросла многократно, что также значительно увеличило производительность металлорежущих станков.

В XX веке вольфрамовые компоненты были успешно заменены самозакаливающимися сплавами, и на сегодняшний день самым эффективным считается безвольфрамовый состав.

Рекомендуемые области применения основных марок быстрорежущих сталей

Обрабатываемый материал	Виды инструментов
	Резцы	Сверла	Развертки, зенкеры	Метчики, плашки	Протяжки, прошивки	Фрезы		Зуборезный инструмент	Ножовочные полотна, пилы
						Концевые, дисковые	Насадные, торцевые
Углеродистые и низколегированные стали	Р6М5Ф3

Примечание. В таблице выделены предпочтительные марки сталей.

*1 Применимо при использовании повышенных скоростей резания.

*2 Рекомендуется для инструментов простой геометрической формы.

Сталь Р6М5

Быстрорежущая инструментальная сталь марки Р6М5 широко используется для изготовления основных резьбонарезных и режущих инструментов. Эта сталь идеально подходит для эффективной обработки конструкционных легированных углеродистых сталей. Широкое распространение марки Р6М5 объясняется её выдающимися характеристиками, включая высокую теплостойкость и сравнительно невысокую себестоимость.

Инструментальная быстро режущая молибденово-кобальтовая сталь обладает важнейшими свойствами: она высокоустойчива к износу, обладает хорошей вязкостью и легко поддается шлифовке. Данная сталь используется для производства инструментов, предназначенных для обработки жаропрочных и нержавеющих сталей. Это делает такие инструменты незаменимыми в условиях, когда наблюдается повышенный нагрев режущей кромки.

Популярные быстрорежущие стали

Перед тем как перейти к обсуждению современных быстрорежущих сталей, используемых в производстве ножей, стоит упомянуть о культовой быстрорежущей стали марки P18. Эта сталь считалась эталоном в своей области применения и была широко распространена. Маркировка P указывает на то, что данный материал относится к быстрорежущим стали, а число за буквой обозначает массовую долю вольфрама в сплаве. Многие иностранные производители обозначают свои быстрорезы как HSS (High Speed Steel) или HSSE (включающая кобальт).

HAP72 — быстрорежущая сталь японского производства (компания Hitachi Metals Ltd), используется преимущественно для изготовления клинков ножей, особенно кухонных. Однако, иногда она также применяется для создания охотничьих и туристических фиксированных ножей, а также для высококачественных складных ножей. Сталь HAP72 отличается высокой износостойкостью и прочностью, а также хорошо шлифуется. При качественной термообработке она может быть закалена до 66-67 единиц по шкале Роквелла. Такие клинки можно увидеть в кухонных ножах от OXYS Knives и Дмитрия Кострова, а также в охотничьих ножах, разработанных BiKnife.

Работы Дмитрия Кострова являются яркими примерами применения этой стали. Его ножи оснащены клинком из быстрорежущей стали HAP72 (66-67 HRC) в обкладках из дамаска и с рукояткой, выполненной из кастомного карбона на титановом каркасе. Особенностью лезвий является их линзовидные спуски, которые сведены к нулю. При толщине обуха 2.5 мм и высокой твердости эти ножи обладают великолепными резальными свойствами.

Эксклюзивный шеф-нож Мастерская Дмитрия Кострова

Методы производства и обработки быстрорежущей стали

Для получения деталей высокого качества применяются две основные технологии:

• классическая технология, включающая отлив жидкого сплава в формы и его последующую проковку;
• метод порошковой металлургии, при котором расплавленная сталь распыляется с помощью струи азота.

Высокое качество и отличные параметры деталей из твердых металлов можно получить только если применять классическую технологию в процессе производства инструментов.

Этот способ позволяет свести к минимуму количество карбидных ликваций в процессе отлива, а также провести предварительный отжиг и последующую закалку заготовок. При производстве деталей классическим методом исключается образование нафталинового излома, что делает готовый инструмент из быстрорежущей стали менее хрупким и устойчивым к разлому.

С целью улучшения прочности сплава и обеспечения более равномерного растворения легирующих элементов быстрорежущих сталей, а также для увеличения зернистой структуры готового продукта проводится процедура закалки. Данная процедура позволяет увеличить содержание аустенита на 30% в быстрорежущих сталях, что, в свою очередь, снижаёт теплопроводность материала и её твердость.

Для уменьшения процентного содержания аустенита в металле до минимально возможного уровня используются следующие два метода:

1. многократное нагревание детали с воздействием определённых температур и её охлаждение;
2. снижение температуры детали до 80° перед отпуском.

Улучшение характеристик изделий из быстрорежущей стали

Для повышения характеристик изделий из быстрорежущей стали, среди которых можно выделить твердость, износоустойчивость и коррозионную стойкость, выполняют дополнительную обработку материалов.

Для этого применяются следующие способы:

• Азотирование — процесс, в ходе которого верхушка металла насыщается азотом. Для его исполнения используется газовая среда, состоящая на 80% из азота и на 20% из аммиака, либо только аммиак. Перед началом процедуры изделие должно быть выдержано в течение 10-40 минут при температуре около 550-660 градусов. Азотирование в газовой среде существенно увеличивает твердость быстрорежущей стали.
• Цианирование — операция, при которой в верхние слои сплава добавляются углерод и азот. Этот процесс осуществляется с помощью цианида натрия и других солей с аналогичным анионом. В зависимости от температуры, которую применяют при проведении цианирования, оно разделяется на высоко-, средне- и низкотемпературное. Толщина поверхностного слоя увеличивается с продлением времени воздействия.
• Сульфидирование — осуществляется в жидком сульфиде при добавлении соединений серы. Для проведения этой операции необходимо от 45 до 180 минут, а температура плавления может варьироваться от 450 до 560 градусов.

Для обработки инструментов из стали также используют пар, что позволяет улучшить поверхностные качества заготовки. Перед выполнением описанных технологий режущая часть инструмента должна проходить процесс заточки, шлифовки и, при необходимости, закалки на высокой температуре.

Обработка

Дополнительные этапы обработки осуществляются при помощи высоких температур. Это приводит к изменению внутренней структуры материала. Основная цель данного процесса заключается в изменении характеристик металла, а также его физико-механических свойств.

Отжиг

Быстрорежущая сталь, пройдя этапы прокатки и ковки, подвергается образованию внутреннего напряжения и становится значительно более жесткой. Таким образом, металл нуждается в отжиге. Этот процесс направлен на снятие внутреннего напряжения, делает материал более податливым для обработки и подготавливает его к закаливанию.

Отжиг осуществляется при температурах от 850 до 900 градусов Цельсия. При более высоких температурах, а также неправильной выдержке, металл может становиться ещё более жёстким. Сплав быстрорежущих сталей имеет невысокую теплопроводность, поэтому нагрев производится медленно и равномерно.

На машиностроительных заводах заготовки проходят изотермический отжиг. В этом случае их быстро нагревают до 900 градусов, после чего помещают в печь на 2-3 часа, где поддерживают температуру 720-730 градусов Цельсия для достижения окончательного состояния. Внутренние напряжения, возникшие после термической обработки, снимаются охлаждением в печах с температурой 400-450 градусов, после чего заготовки оставляют для охлаждения на открытом воздухе.

Отжиг, проводимый вручную в печи, начинается с температур 200-300 градусов, которые затем постепенно повышаются на 150-200 градусов каждый час. Процесс завершается охлаждением, сначала в печи при 650 градусах, а затем – при комнатной температуре. Единственным значительным минусом данного метода является время, он занимает гораздо больше времени, чем автоматизированные способы.

Следует также учитывать, что в дальнейшем изделия подлежат дополнительной механической обработке, закалке и отпуску.

Закалка

Закалка происходит при температурах выше 1300 градусов Цельсия. Для успешного завершения этого процесса металл многократно подвергается отпуску при 550-560 градусах.

По завершении охлаждения получается высоколегированный мартенсит, содержащий значительно больше вольфрама, ванадия и хрома, чем в изначальном сплаве. Такая структура, называемая мартенситом, делает стали способными выдерживать очень высокие температуры (около 600 градусов).

Эти показатели высокой красностойкости возможны только при закалке с использованием значительных температур. Важно внимательно следить за тем, чтобы весь процесс проводился корректно. В противном случае, при чрезмерном увеличении температур сталь может начать плавиться.

Отпуск

После закалки всегда следует этап отпуска. В зависимости от поставленных целей, процесс характеризуется различными временными промежутками, а также темпом снижения температуры. На основании этих показателей выделяют такие типы отпуска, как низкий, средний и высокий.

Чем ниже температура отпуска, тем меньшей будет температура охлажденного металла. Сталь, прошедшая правильный высокий отпуск, считается улучшенной.

Необходимые температуры для высокоотпущенной стали составляют 550-560 градусов, что практически в три раза превышает показатели низкого отпуска; этот процесс включает этапы, проводимые по 1 часу. В ходе этого процесса в материале происходят два основных процесса.

1. Нагревание и отпуск способствуют выделению карбида в измельченном виде. Структура быстро доходит до мартенсита.
2. Охлаждение способствует снятию внутреннего напряжения.

Современные производства зачастую вынуждены заменить традиционные методы на ускоренные способы отпуска, происходящие при более высоких температурах.

Улучшение

Все описанные выше методы по укреплению сплава не всегда бывают достаточными, чтобы обеспечить высокую пригодность стали для использования. Под улучшением понимается внешняя обработка подготовленной детали. Необходимо, чтобы деталь была предварительно отшлифована, заточена и, при необходимости, закалена.

Существует несколько методов улучшения, некоторые из которых представлены ниже.

1. Азотирование. Этот процесс подразумевает помещение детали в газообразную среду, которая состоит большую часть из азота (80%) и аммиака (20%) или на основе чистого аммиака. Время воздействия колеблется от 10 до 40 минут при температурах 550-660 градусов Цельсия. Этот метод направлен на укрепление верхних слоев стали.
2. Цианирование. В этом случае происходит насыщение верхних слоев углеродом и азотом. Части погружаются в расплав (цианид натрия). Толщина такого слоя варьируется в зависимости от времени воздействия и температуры проведения процедуры.
3. Сульфидирование. Этот процесс аналогичен предыдущим, когда детали помещают в жидкий расплав сульфида и серы. Время воздействия составляет от 45 минут до 3 часов при температуре от 450 до 560 градусов Цельсия.