Сталь HSS: характеристики и применение

Содержание:

• HSS — какая это сталь
  • Химический состав и легирующие элементы
  • Маркировка стали HSS
• Российские и импортные стали HSS с кобальтом: сравнительная таблица
  • Преимущества и недостатки
  • Покрытия для инструмента из материала HSS
• Как выбрать подходящую сталь

Стали HSS — основа для производства сверл, фрез, метчиков и других инструментов, а ее модификации с кобальтом позволяют эффективно обрабатывать нержавеющую сталь, титан, жаропрочные сплавы. В этой статье мы расскажем про характеристики сталей HSS, сравним их между собой, разберем преимущества и недостатки.

HSS — какая это сталь

Быстрорежущая сталь или HSS (от англ. High-Speed Steel) — это группа инструментальных высоколегированных сталей, которые сохраняют твердость, а также режущие свойства при нагреве до 600-650 °C. Такое свойство называют красностойкостью, и именно оно сделало возможной обработку металлов на значительно более высоких скоростях, чем раньше.

До появления HSS в начале прошлого века основным материалом для режущего инструмента служили углеродистые стали. Их главный недостаток — потеря твердости уже при 200-250 °C. Быстрорежущие стали полностью изменили картину: инструмент стал работать быстрее, дольше, надежнее.

Сегодня, благодаря своим характеристикам, стали HSS востребованы в самых разных сферах металлообработки, машиностроения. Из них делают универсальный инструмент для работы с конструкционными сталями, цветными металлами или пластиками. А для сложных задач, например при обработке нержавейки или титана, используют специальные модификации с кобальтом. Они выдерживают более высокие температуры, нагрузки. Рассмотрим основные легирующие элементы.

Химический состав и легирующие элементы

Кроме углерода, в составе стали HSS обязательно присутствуют элементы, которые повышают твердость, износостойкость, теплостойкость.

Вольфрам, W. Главный элемент, отвечающий за красностойкость. Образует твердые карбиды, которые позволяют сохранять режущие свойства при высоких температурах.

Молибден, Mo. Частично заменяет вольфрам, снижая себестоимость. При этом улучшает износостойкость, предотвращает хрупкость.

Ванадий, V. Увеличивает износостойкость, способствует образованию мелкозернистой структуры.

Хром, Cr. Улучшает прокаливаемость, одновременно повышая коррозионную стойкость.

Примеры российских марок — Р6М5, Р6М5К5, а зарубежных — HSSE, HSSCo5 или HSSCo8. Как же читать маркировку стали HSS?

Маркировка стали HSS

В России, а также странах СНГ для обозначения быстрорежущих сталей используют буквенно-цифровую систему.

Буква «Р» в начале отечественных марок указывает, что перед нами быстрорежущая сталь. Цифра после буквы показывает содержание вольфрама в процентах.

Дополнительные буквы означают другие элементы: М — молибден, К — кобальт. Цифра после этих букв отражает процентное содержание соответствующего элемента.

Таким образом, маркировка Р6М5 означает, что сталь содержит около 6% вольфрама и 5% молибдена, Р6М5К5 — та же основа, но дополнительно легирована 5% кобальта, а Р6М5К8 — содержит 6% вольфрама, 5% молибдена, 8% кобальта.

В международной практике приняты такие обозначения:

• Сталь HSS — аналог российской без добавления кобальта,
• HSSE — стали с добавкой кобальта от 5 до 8%,
• HSSCo5 и HSSCo8 — стали с фиксированным содержанием кобальта 5% и 8% соответственно.

Рассмотрим модификации быстрорежущих сталей с кобальтом и приведем российские аналоги для зарубежных марок.

Российские и импортные стали HSS с кобальтом: сравнительная таблица

Для улучшения свойств быстрорежущих сталей, особенно их тепло-, износостойкости, в состав добавляют кобальт (Co). Он повышает способность стали сохранять твердость при высоких температурах, и это обязательное условие при обработке твердых материалов или на высоких скоростях.

Сравним свойства материалов с разным процентным содержанием этой легирующей добавки и приведем отечественные аналоги в таблице.

Преимущества и недостатки

Добавление кобальта в состав быстрорежущих сталей заметно улучшает их характеристики. В первую очередь это отражается на теплостойкости: инструмент дольше сохраняет твердость при нагреве, выдерживает более высокие скорости резания. Еще одно важное свойство — повышенная износостойкость, благодаря чему увеличивается срок службы инструмента.

Однако инструментальные стали HSS имеют и ограничения. Главное из них — более высокая стоимость по сравнению с классическими марками без кобальта. Кроме того, при росте содержания кобальта снижается ударная вязкость: инструмент становится более хрупким, хуже переносит ударные нагрузки или прерывистое резание. Также они требуют точного соблюдения режимов резания и охлаждения.

Покрытия для инструмента из материала HSS

Чтобы повысить стойкость, расширить область применения инструмента из быстрорежущих сталей, на его поверхность наносят специальные покрытия. Они снижают трение, повышают износостойкость, защищают от коррозии.

TiN — нитрид титана. Одно из самых распространенных покрытий золотистого цвета. Оно уменьшает трение, повышает износостойкость, позволяет увеличить скорость резания без потери качества обработки.

TiAlN — нитрид титана-алюминия. Покрытие с повышенной термостойкостью и устойчивостью к окислению. Благодаря ему инструмент дольше сохраняет твердость при высоких температурах, поэтому его используют при обработке нержавеющей стали, титана или жаропрочных сплавов.

Black Oxide — черный оксид. Формирует тонкую пленку на поверхности инструмента. Она улучшает удержание смазки, снижает трение, дает дополнительную защиту от коррозии. Чаще всего такое покрытие применяют для сверл или метчиков.

Как выбрать подходящую сталь

Выбор марки зависит от обрабатываемого материала, а также условий эксплуатации будущего инструмента.

При выборе учитывают несколько факторов:

• Материал заготовки. Для углеродистых или легированных сталей средней твердости подойдет марка HSS. Если предстоит обработка нержавеющей стали, титана или жаропрочных сплавов, стоит выбирать марки с кобальтом.
• Режимы резания. При умеренных скоростях и с охлаждением можно использовать универсальные стали. Для высоких скоростей резания, работы «всухую» лучше подходят HSSE или HSSCo8, которые дольше сохраняют твердость.
• Нагрузки. Если предполагаются ударные нагрузки или прерывистое резание, важна ударная вязкость. При постоянной обработке твердых сплавов или закаленных сталей — более твердые, но хрупкие стали с высоким содержанием кобальта.
• Экономические соображения. Инструмент из HSS дешевле, оправдан в массовых операциях с обычными сталями. Стали с кобальтом стоят больше, и их выбирают там, где без высокой теплостойкости, износостойкости не обойтись.

Быстрорежущие стали остаются основой инструментального производства, хотя за последние десятилетия они серьезно эволюционировали. Появились модификации с легирующими добавками, различные покрытия, улучшенные технологии обработки — все это расширило диапазон применения сталей HSS, повысило эффективность инструмента.