Быстрорежущие инструментальные стали обладают рядом особых свойств, которые и обуславливают их активное использование для изготовления разнообразных инструментов повышенной прочности, в том числе и ножевых клинков.
Такие стали отличаются высокой твердостью, прочностью и износостойкостью, а в некоторых случаях еще и удовлетворяют ряду дополнительных требований, в частности коррозионной стойкости, сохранению неизменных размеров и формы инструмента в течение длительного периода эксплуатации, способности противостоять значительным динамическим нагрузкам.
Строгое разграничение сталей на конструкционные и инструментальные возможно лишь по области применения, но не по химическому составу. Вследствие высокой износостойкости и прочности инструментальные стали широко используют и для других целей: для изготовления подшипников качения, пружин, деталей топливной аппаратуры, шестерен, ходовых винтов, червяков и других деталей. В то же время для изготовления некоторых режущих инструментов используют конструкционные, шарикоподшипниковые и другие стали.
К числу инструментальных сталей специального назначения относят и быстрорежущую сталь. Ее используют, главным образом, для изготовления металлорежущего инструмента, предназначенного для резания с высокими скоростями. В готовых изделиях быстрорежущая сталь должна обладать высокой твердостью (63-66 единиц по шкале «С» Роквелла, а для резания труднообрабатываемых изделий — до HRC 66-69), высокой прочностью и сопротивлением пластической деформации, теплостойкостью (красностойкостью), а для ряда инструментов — возможно лучшей вязкостью.
История появления
Вплоть до первого десятилетия ХХ в. единственным материалом, пригодным для изготовления металлорежущих инструментов, была углеродистая инструментальная сталь. Из-за низкой температуро— и износостойкости изготовленными из нее инструментами можно было обрабатывать углеродистые стали и чугуны с низкими скоростями резания и невысоким эксплуатационным ресурсом. Обработка металлов была малопроизводительна и неэкономична.
В этой связи большой интерес в истории металлургии вызвало появление одного из наиболее тяжелых, твердых и самого тугоплавкого из металлов — вольфрама и его ферросплавов. В металлическом состоянии он был получен братьями Элюар в Испании в 1783 г. Элюары провели широкие исследования по изучению сплавов вольфрама, которые они получали в тиглях «с угольной набойкой». В тигли помещали оксиды вольфрама и исследуемые металлы, в том числе — чугун.
Впоследствии к изучению сплавов вольфрама присоединился Бертье. Ему удалось получить сплавы с содержанием вольфрама до 37%. Кроме того, Бертье исследовал тройную систему, включавшую железо, марганец и вольфрам. Высокотемпературная обработка в угольном тигле шихты, состоявшей из руд изучаемых металлов, позволила получить сплав, включавший 16% железа, 6% марганца и 78% вольфрама.
Усилия многих исследователей были подытожены британским инженером Окслендом, который в 1857 г. взял патент на получение железо-вольфрамовых сплавов. В тексте патента можно прочитать следующее: «Вольфрам, восстановленный из волчеца (вольфрамовой руды) углеродом, может быть смешан с рудой в доменной печи, или с чугуном в вагранке, в количестве до 30%. Сплав чугуна и вольфрама может быть применен в металлургической технике… Хорошую литую сталь можно получить, прибавляя к ней от 0,5 до 25% вольфрама. Сплавы железа с вольфрамом могут быть очищены и превращены в литую сталь обыкновенным способом цементования». Фактически мы видим описание полного технологического цикла получения и применения ферросплава, используемого для легирования стали.
Запатентованная Окслендом технология получения и применения «ферровольфрама» была реализована в промышленном масштабе в Австрии (ее внедрение приписывается профессору Майеру из Леобена) в 1859 г. Спустя 5 лет вольфрамовую сталь производили несколько предприятий Австрии и Германии. Там ее использовали для изготовления холодного оружия и артиллерийских снарядов. Благодаря высокой плотности, вольфрам является основой тяжелых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и др.
В 1864 г. Зиверт опубликовал состав стали, выплавляемой на сталелитейном заводе в Бохуме. Она содержала от 1 до 3% вольфрама и около 1% углерода.
Однако успех выпал на долю другого исследователя, нашедшего сразу конкретную область применения сплава с вольфрамом: он создал быстрорежущую сталь.
Причиной ее появления в промышленности стала насущная потребность в более износостойких марках стали, чем обыкновенные углеродистые стали. Для обточки деталей из дерева, цветных металлов, мягкой стали резцы из обычной твердой стали были вполне пригодны, но при обработке стальных деталей резец быстро разогревался, скоро изнашивался, и деталь нельзя было обтачивать со скоростью большей 5 м/мин.
Однако в 1858 г. английский металлург Р. Мюшетт получил сталь, содержащую 1,85% углерода, 9% вольфрама и 2,5% марганца. Спустя десять лет Мюшетт изготовил новую сталь, получившую название «самокалки». Она содержала 2,15% углерода, 0,38% марганца, 5,44% вольфрама и 0,4% хрома. Через три года, в 1871 г., на заводе Самуэля Осберна в Шеффилде началось промышленное производство мюшеттовой стали. Главным образом его легированная сталь шла на изготовление резцов для металлообрабатывающих станков, поскольку она не теряла режущей способности при нагревании до 300°С и позволяла в полтора раза увеличить скорость резания металла — до 7,5 м/мин.
Спустя 40 лет на рынке появилась быстрорежущая сталь американских инженеров Тэйлора и Уатта. Резцы из этой стали допускали скорость резания до 18 м/мин. (эта сталь стала прообразом отечественной быстрорежущей стали Р18).
Еще через 5-6 лет появилась, сверхбыстрорежущая сталь, допускающая скорость резания до 35 м/мин. Так, благодаря вольфраму было достигнуто повышение скорости резания за 50 лет в семь раз и, следовательно, во столько же раз повысилась производительность металлорежущих станков.