Повышение эффективности инструментов из быстрорежущих сталей и твердых сплавов

ПОВЫШЕНИЕ 

ЭФФЕКТИВНОСТИ 
ИНСТРУМЕНТОВ 

ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ 
СТАЛЕЙ И ТВЕРДЫХ 

СПЛАВОВ

А.М. АДАСКИН

Москва
ИНФРА-М

2022

МОНОГРАФИЯ

УДК 621.9.025(075.4)
ББК 34.63-5 
 
А28

Адаскин А.М.

А28  
Повышение эффективности инструментов из быстрорежущих 

 сталей и твердых сплавов : монография / А.М. Адаскин. — 
Москва : ИНФРА-М, 2022. — 392 с. — (Научная мысль). — 
DOI 10.12737/1248244.

ISBN 978-5-16-016868-5 (print)
ISBN 978-5-16-109437-2 (online)
Монография посвящена повышению эффективности формообразу
ющего  инструмента, изготавливаемого из наиболее применяемых инструменталь ных материалов: быстрорежущих сталей и твердых сплавов. 

Для инструментов из быстрорежущих сталей выполнена сравнитель
ная оценка стандартов промышленно развитых стран и Российской Федерации. Приводится характеристика эксплуатационных и технологических 
свойств. Рекомендованы быстрорежущие стали и технологии, позволяющие повысить эффективность инструмента. Даны рекомендации по видам инструментов.

Проанализированы свойства твердых сплавов и области их рациональ
ного применения. Рассмотрены конструкционные материалы сборного 
и паяного инструмента. Даны рекомендации по выбору твердых сплавов, показаны направления создания новых композиций твердых сплавов 
для повышения эффективности инструмента при обработке труднообрабатываемых жаропрочных сталей и сплавов.

Предназначена для инженерно-технических и научных работников 

металлургической и обрабатывающей отраслей промышленности. Может 
быть использована при подготовке магистров, аспирантов технологических университетов.

УДК 621.9.025(075.4)

ББК 34.63-5

Р е ц е н з е н т ы:

Бутрим В.Н. — доктор технических наук, главный металлург 

АО «Композит»;

Корнилова А.В. — доктор технических наук, профессор, директор 

Департамента машиностроения и приборостроения Инженерной академии Российского университета дружбы народов;

Жуков О.П. — кандидат технических наук, старший научный со
трудник Центрального научно-исследовательского института черной 
металлургии имени И.П. Бардина

ISBN 978-5-16-016868-5 (print)
ISBN 978-5-16-109437-2 (online)
© Адаскин А.М., 2021

Посвящается 

Юлию Александровичу Геллеру — основателю 

школы металловедов-инструментальщиков

и Леониду Стефановичу Кремневу, 

разработавшему основные положения теории

легирования инструментальных сталей

Введение

Применение инструментального материала эффективно, если 

его эксплуатационные или технологические свойства обеспечивают 
лучшую стойкость (надежность) инструмента. Свойства инструмента оказывают значимое влияние на производительность и стоимость обработки. При этом его собственная стоимость, как правило, 
не превосходит 2–3% себестоимости изготовления детали, т.е. стоимость инструментального материала еще меньше. 

Эффективность применения инструмента заключается, прежде 

всего, в повышении производительности обработки и (или) стойкости инструмента, а также стабильности свойств инструментов, 
что особенно важно в условиях автоматизированного производства. 
Поэтому именно эти направления являются основными в разработке и исследовании новых и традиционных инструментальных 
материалов, определяющих свойства инструмента.

Важным направлением повышения эффективности является 

получение материалов с хорошими технологическими свойствами. 
Их применение не только снижает трудоемкость и уменьшает брак 
при изготовлении инструмента, но часто определяет его эксплуатационные свойства.

Естественно, что при прочих равных условиях эффективность 

достигается использованием инструментальных материалов менее 
дорогостоящих, с меньшим содержанием дорогих легирующих 
элементов вольфрама, молибдена, кобальта. 

Обработка резанием является основной технологией формо
образующей обработки, при которой режущий инструмент играет 
важную и особую роль. Операции резания, выполняемые лезвийным инструментом, при обработке заготовок являются наиболее 
распространенными. Именно они определяют размеры и форму 
заготовок или деталей. 

Современный режущий инструмент — это наукоемкое изделие, 

в которое вложены многие достижения отечественной и мировой 
науки и техники: от использования современных компьютерных 

систем при его проектировании до самых новейших технологий 
при его изготовлении. Во всех развитых промышленных странах 
ведутся интенсивные исследования по совершенствованию режущего инструмента, разрабатываются прогрессивные конструкции 
инструмента, повышается точность и жесткость его крепления 
на станке.

Важнейшая роль в совершенствовании режущего инструмента 

принадлежит инструментальным материалам. В процессе резания 
инструмент находится под воздействием очень высоких контактных 
напряжений — до 4000 МПа. Они могут вызвать пластическую деформацию режущей кромки, особенно при нагреве, возникающем 
при резании с высокими скоростями. Сопротивление материала 
пластической деформации зависит от твердости, т.е. высокая твердость — необходимое, обязательное свойство инструментального 
материала. Сохранение твердости при нагреве — теплостойкость —
является важнейшей характеристикой, определяющей возможность обработки с высокими скоростями, т.е. производительность 
обработки. 

Бурное, практически взрывное в историческом масштабе раз
витие инструментальных материалов произошло в короткий период — менее чем за сто лет, в ХХ веке, и обеспечило возможность 
осуществления промышленной революции. 

В начале XX века для изготовления режущего инструмента 

использовались инструментальные углеродистые и легированные 
стали, не обладающие теплостойкостью. Их разупрочнение происходит при нагреве до 200…250°С, поэтому допустимые скорости 
резания составляли не более 5–10 м/мин. При обработке заготовок 
инструментом из этих сталей наибольшие затраты времени приходятся на основное (машинное) время (до 70%). Автоматизация 
технологического процесса в этом случае нецелесообразна, так как 
позволяет сократить только вспомогательное время, доля которого 
невелика.

Основные исследования ХХ века в области инструментальных 

материалов были направлены на повышение производительности, 
т.е. создание новых материалов, позволяющих производить обработку с высокими скоростями резания.

В начале ХХ века была изобретена быстрорежущая сталь (типа 

Р18). Важно, что при этом была разработана технология термической обработки (еще не оптимальная), без которой невозможно 
реализовать высокие свойства стали. Применение инструмента 
из быстрорежущих сталей позволило повысить скорость резания 
и производительность обработки в 3…5 раз. 

Следующий важнейший этап — разработка и внедрение в про
изводство твердых сплавов. После десятилетий исследований в на

чале 30-х годов ХХ века были созданы промышленные твердые 
сплавы. Это позволило до 10 раз повысить скорость резания и производительность обработки по сравнению с инструментом из быстрорежущих сталей (рис. В.1).

Следующий шаг — появление режущей керамики. Первый па
тент на керамику из оксида алюминия (Al2O3) и небольшого количества оксида хрома (Cr2O3) был получен в Германии в 1913 году. 
В 1937 году на Лейпцигской ярмарке были продемонстрированы 
режущие пластинки из керамики на основе оксида алюминия. 
 Однако применение керамики в промышленности задержалось 
на несколько десятилетий. Это связано с низкой прочностью керамики и недостаточной жесткостью металлорежущих станков того 
времени. Устранение этих причин позволило в настоящее время занять керамике определенное место в металлообработке, ее применение повысило скорость резания по сравнению с твердыми сплавами в два-три раза (табл. B.1).

Рис. B.1. Скорость резания при точении стали:

1 — инструментальные стали; 2 — быстрорежущая сталь; 3 — твердые сплавы [1]

В 50-х годах ХХ века был сделан очередной прорыв в создании 

инструментальных материалов — промышленное получение самых твердых веществ — синтетических сверхтвердых материалов 
(СТМ) на основе алмаза и кубического нитрида бора. В 1953 г. 

синтез алмазов был освоен в Швеции (фирма ASEA). В 1954 г. 
американская компания «Дженерал электрик» создала первое специальное предприятие по синтезу алмазов. В 60-е годы был синтезирован кубический нитрид бора. В настоящее время синтез алмаза 
и кубического нитрида бора освоен во многих странах, в том числе 
и в России. 

Работы по усовершенствованию инструментальных материалов 

продолжаются. Разработаны промышленные технологии нанесения на инструмент износостойких покрытий карбидов, нитридов, 
оксидов. Благодаря этому созданы градиентные материалы, сочетающие высокую твердость и удовлетворительные прочностные 
свойства. Начиная с 60-х годов промышленность широко использует инструменты с покрытиями.

Прогресс в области инструментальных материалов позволил 

значительно, на порядки, повысить скорость резания и производительность обработки (см. табл. B.1), но это стало возможным только 
при создании металлорежущих станков нового поколения. 

Таблица B.1

Теплостойкость и допустимая скорость резания (V, м/мин) инструмента 

в зависимости от инструментального материала [2–4]

Инструментальный материал 
Теплостойкость, °С
V, м/мин

Углеродистые и легированные стали
 200…250
5 10

Быстрорежущие стали 
 600…650
40…50

Твердые сплавы
 900…1000
До 250

Режущая керамика и СТМ
 1100…1200
 400…700

Станки должны обладать высокой жесткостью и виброустой
чивостью, так как повышение твердости инструментальных материалов неизбежно сопровождается снижением их сопротивления 
нагрузкам, особенно динамическим. 

Высокие свойства инструмента определили не только целесо
образность, но и необходимость автоматизации технологических 
процессов обработки резанием, так как оператор уже не может 
вручную правильно, безошибочно управлять быстрыми перемещениями инструмента или обрабатываемой заготовки.

Несмотря на высокие значения твердости и теплостойкости 

режущей керамики и СТМ, область их применения ограничена 
низкими прочностными характеристиками (табл. В.2). Прочность 
керамики и СТМ в несколько раз ниже, чем у твердых сплавов 
и быстрорежущих сталей. Это делает невозможным выполнять обработку со значительными подачами и глубинами резания. Низкие 
значения трещиностойкости (K1c) не позволяют эксплуатировать 

инструменты из этих материалов в условиях значительных динамических нагрузок. Их применение возможно при чистовых или, 
в крайнем случае, получистовых режимах резания. Наиболее рациональное применение — обработка труднообрабатываемых материалов. То есть это специальные, а не универсальные инструментальные материалы.

Таблица В.2

Физико-механические свойства инструментальных 

материалов [2–4]

Материал
Твердость, 

HV

Е, 

МПа

σизг, 
МПа

Теплостой
кость,

°С

K1c, 

МПа∙м1/2

Алмаз
10000
9000
200–500
700–800
4–5

Эльбор
9000
7200
 — 
1300–1500
2–5

РК*
2000–2300
400
300–700
 1200
4–8

Т15К6
1600–1700
5200
1200
 1000
16–18

ВК8
1500–1600
5400
1600
 900
18–20

Р18**
940–960 (256)
2200
3000
 600
24–30

* РК — режущая керамика; ** для стали Р18 в скобках указана твердость 
в отожженном состоянии [HB]. 

Наиболее широко используемыми, универсальными инстру
ментальными материалами являются твердые сплавы и быстрорежущие стали. 

Твердые сплавы обладают существенно более высокими проч
ностными характеристиками по сравнению с режущей керамикой и СТМ и высокой теплостойкостью (см. табл. B.2). Твердые 
сплавы — композиционные материалы, состоящие из твердых карбидов и металла связки. Их свойства можно изменять в широких 
пределах за счет применения карбидов разного типа и изменения 
соотношения между количеством карбидов и связки. Это позволяет 
использовать твердые сплавы различного состава для обработки 
разных материалов — и с хорошей обрабатываемостью резанием 
(конструкционные стали, чугуны), и труднообрабатываемых. В металлообрабатывающей промышленности на долю твердосплавного 
инструмента приходится основной объем снимаемой стружки. 

Быстрорежущие стали. Их теплостойкость значительно ниже, 

чем у высокопроизводительных инструментальных материалов 
(см. рис. В.1, табл. В.1, В.2). Это ограничивает производительность обработки при их использовании. Допустимые скорости резания инструмента из быстрорежущих практически не превосходят 

40...50 м/мин, они значительно ниже допустимых для твердых 
сплавов, режущей керамики и СТМ (см. табл. В.1).

Вместе с тем быстрорежущие стали, наряду с твердыми спла
вами, являются самым распространенным инструментальным материалом. Это определяется их важнейшим технологическим отличием от прочих материалов, а именно возможностью изменения 
свойств заготовок стали, получаемых литьем и последующей обработкой давлением за счет термической обработки. После разупрочняющей обработки (отжиг) твердость сталей невелика (см. 
табл. В.2), их можно обрабатывать лезвийным инструментом, это 
позволяет изготавливать инструменты сложной формы — фасонные (червячные фрезы, протяжки и т.п.). 

В отличие от быстрорежущих сталей, изделия из твердых спла
вов, режущей керамики и ряда СТМ получают методами порошковой металлургии. После спекания материал получает окончательные свойства, т.е. высокую твердость. Обработка лезвийным 
инструментом практически невозможна, выполняется только абразивная обработка. Это определяет очень высокую стоимость изготовления изделий сложной формы. 

Работы, выполненные в прошлом веке, определили основные 

составы быстрорежущих сталей и твердых сплавов. Помимо национальных стандартов, действуют международные стандарты 
и на твердые сплавы, и на быстрорежущие стали. Однако в литературе недостаточно освещены и не систематизированы технические 
направления и возможности повышения эффективности использования инструментов из этих материалов, которое может быть достигнуто различными способами.

Весьма важно рациональное использование инструментального 

материала. При обеспечении необходимой стойкости инструмента 
для его изготовления целесообразно применение менее дорогостоящих инструментальных материалов. Это особенно важно для 
крупномасштабного производства с большим расходом инструмента. 

При изготовлении специального инструмента в условиях еди
ничного и мелкосерийного производства следует отдать предпочтение инструментальным материалам с хорошими технологическими свойствами, это сокращает производственные расходы.

Таким образом, эффективность использования инструмен
тальных материалов определяется их эксплуатационными и технологическими свойствами.

Настоящая работа, базирующаяся во многом на исследованиях 

автора, посвящена проблеме повышения эффективности инструментов из быстрорежущих сталей и твердых сплавов. 

Исследования быстрорежущих сталей и твердых сплавов про
должаются и будут продолжаться. При этом становится необхо

димым использование ряда нестандартных методов исследования, 
рассмотренных в приложениях.

Определение концентрации углерода в мартенсите быстроре
жущей стали методом рентгеноструктурного анализа для оценки 
уровня легированности твердого раствора. 

Особенности определения прочности быстрорежущих сталей 

в малых сечениях.

Установление корреляции между микро- и макротвердостью яв
ляется весьма важным. Это позволяет сравнивать микротвердость 
покрытий различного типа, значения которых в разных исследованиях выполнялись с разными нагрузками. Прямо эти значения 
не сопоставимы из-за наличия размерного эффекта (значения микротвердости, в отличие от макротвердости, зависят от величины 
нагрузки). Кроме того, важно сравнение микротвердости с макротвердостью инструментального материала — субстрата (подложки), 
для которого приводятся, как правило, значения макротвердости — 
в единицах HV или HRC для быстрорежущих сталей и HRA для 
твердых сплавов. Только в этом случае возможна объективная 
оценка реального повышения твердости инструмента в результате 
нанесения покрытий.

В работе был использован большой научный опыт кафедры 

«Металловедение» Московского технологического университета 
«СТАНКИН». Кафедру в разное время возглавляли ведущие ученые в области инструментальных сталей: Ю.А. Геллер — основатель школы металловедов-инструментальщиков, Л.С. Кремнев, 
разработавший теорию легирования инструментальных сталей. 
Коллектив кафедры (включая автора) был удостоен первой премии 
Д.К. Чернова за работу «Исследование, промышленное опробование и внед рение новых инструментальных сталей повышенной производительности для резания труднообрабатываемых материалов». 
При написании книги использованы также результаты фундаментальных трудов, выполненных во Всесоюзном научно-исследовательском институте твердых сплавов.

Часть I

БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ

Глава 1

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ. СОВРЕМЕННОЕ 

СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ 

ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНСТРУМЕНТА

1.1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ

Металлорежущие станки — токарные, сверлильные, фрезер
ные — прообразы современного станочного оборудования, изобретенные в XVIII–XIX веках в эпоху промышленной революции, 
облегчили условия труда, но значительного повышения производительности при этом еще не последовало из-за отсутствия инструментальных материалов, позволяющих выполнять резание с высокими скоростями. 

Создание первой композиции стали, позволившей повысить 

скорость резания примерно в два раза по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями, относится к середине XIX века. 
В 1858 году Р. Мюшетт (Муше) разработал сталь, легированную 
вольфрамом (2,15% С, 2% Mn, 1% Si, 5,25% W и 0,4% Cr — аналог 
современной стали ХВ4). Однако теплостойкость стали была невысокая ~300°C. Через три года на заводе С. Осборна в Шеффилде началось производство этой стали. К 1900 г. относят появление стали 
типа Р9 (1,85% С, 9% W, 2,5% Mn), также разработанную Муше [1]. 
 Однако сталь была чрезвычайно хрупкой. Кроме того, не был разработан режим упрочняющей термической обработки, обеспечивающий достижение красностойкости.

Стали, обладающие достаточно высокой красностойкостью, 

т.е. быстрорежущие, были созданы Фредериком Тейлором, более 
известным как автор работ по организации труда. Во-первых, он 
добился повышения прочности сталей Р. Муше снижением содержания вредных примесей, в первую очередь, серы. Во-вторых, и это 
главное, был разработан режим термической обработки, а именно 
закалка от высоких температур и высокотемпературный (тогда 
еще однократный) отпуск, без чего невозможно достичь высокой 
красностойкости быстрорежущей стали. Именно это определило