Не секрет, что стойкость любого инструмента в большей степени зависит от механических свойств применяемого материала таких как прочность, твердость и вязкость. По статистике около 70% небольшого лезвийного инструмента из быстрорежущих сплавов выходят из строя не по причине равномерного износа, а из-за сколов, поломок выкрашивания режущих кромок.

Таким видам износа как сколы и выкрашивание способствует неоднородность структуры режущего материала, а именно неравномерное распределение карбидов, которые выступают концентраторами напряжения. Чем выше карбидная неоднородность режущего материала, тем ниже его вязкость и прочность.

Карбиды – химическое соединение железа (иногда неметаллов) обладающие высокой твёрдостью. Они крупнее других частиц и поэтому плохо распределяются между ними.

При производстве высоколегированных сплавов, в том числе быстрорежущих сталей традиционными способами, т.е. литьем и последующей горячей деформацией, во время затвердевания (кристаллизации) в слитках последовательно выделяются карбиды при разных температурах охлаждения, возникают зоны с дефектами структуры, которые препятствуют достижению высоких механических свойств.

Повысить однородность структуры сталей призвана последующая обработка давлением горячим способом. При воздействии давлением на сталь карбидная сетка разрушается, карбидные вкрапления дробятся и растягиваются по направлению деформации. В результате улучшаются механические свойства стали и, как следствие, технологическая стойкость инструмента.

Стремясь полностью исключить карбидную неоднородность, инструментальная промышленность при изготовлении быстрорежущих сталей применяет технологии порошковой металлургии.

Порошковая быстрорежущая сталь имеет много преимуществ:

• обладает мелкозернистой однородной структурой с равномерным распределением карбидов. Размер карбидов меньше, чем у аналогичной стали, произведенной традиционными методами;
• меньше деформируется при термической обработке;
• хорошо поддается шлифовке;
• более высокие механические и технологические свойства.

Наиболее распространенная технологическая схема получения порошковой быстрорежущей стали, следующая:

1. Распыление расплавленного металла струей инертного газа (например аргона) для получения порошка;
2. Формование давлением, спекание;
3. Окончательная обработка изделий.

В процессе распыления Раздробленный на мельчайшие капли (частицы) металл мгновенно остывает и твердеет, Скорость охлаждения и кристаллизации таких частиц достигает 103–105 С/с. Каждая капля-частица по сути представляет собой слиток размером около 100 мкм со своей внутренней структурой как и в слитках больших размеров получаемых традиционными методами металлургии. В результате меняется характер кристаллизации стали: предотвращается развитие карбидной неоднородности и резко измельчаются структурные составляющие образующихся порошковых частиц.

Одним из первых начал свои исследования в области производства порошковых сталей американский концерн Crucible Industries в 1960-х годах.

Для исследований была выбрана инструментальная сталь Т15. Химический состав исследуемой стали в % по массе: углерод 1,5%; хром 4,0%; вольфрам 12,0%; ванадий 5,0%; кобальт 5,0%. Такой выбор был сделан потому, что сталь Т15 имеет высокие показатели по износостойкости и теплостойкости, но ее промышленное применение ограничивается низкой технологичностью слитков, плохой шлифуемостью. Эти недостатки вызваны высоким содержанием ванадия, из-за чего в слитках развивается значительная карбидная ликвация.

На рис. 3 и 4 сравниваются микроструктуры стандартной и полученной порошковым методом быстрорежущие стали Т15. Образцы шлифов вырезаны из прутков ∅ 50 мм. Размер карбидов у порошковой стали 1–3 мкм при среднем значении 1,4 мкм, тогда как у стандартной стали средний размер карбидов 9,2 мкм, а максимальный размер карбидных частиц 34 мкм.

Сравнение механических свойств сталей Т15 полученных традиционным методом и методом порошковой металлургии

Повышение механических свойств порошковой стали Т15 повлекло за собой значительное увеличение технологической стойкости инструментов. Например, при токарной обработке деталей из армко-железа, представляющего собой очень вязкий материал, стойкость резцов из порошковой стали Т15 составила 180 мин, тогда как такие же резцы из стандартной стали работали только 30 мин.

Основные преимущества изготовления быстрорежущих сталей порошковым способом

• значительное уменьшение размеров карбидов, равномерное распределение карбидов в структуре металла.
• дополнительные возможности легирования для улучшения характеристик, определяющих технологическую стойкость инструмента. Например, можно вводить дополнительный углерод до 1,7%, что позволяет получить большее количество карбидов ванадия и, как следствие, высокую твердость после закалки и отпуском.