Быстрорез Р18

Быстрорежущая сталь Р18 — одна из наиболее распространённых марок инструментальных быстрорежущих сталей нормальной теплостойкости. Материал регламентирован ГОСТ 19265-73 и предназначен для режущего инструмента, работающего при нагреве до 600 °С. Высокое содержание вольфрама (17–18,5 %) обеспечивает стали Р18 сочетание твёрдости, износостойкости и красностойкости, благодаря которому скорость резания возрастает в 2–4 раза по сравнению с углеродистыми и легированными инструментальными сталями.

Расшифровка марки и классификация стали Р18

В обозначении стали Р18 буква «Р» указывает на принадлежность к группе быстрорежущих сталей (от слова «рапид» — скорость), а число 18 — среднее содержание вольфрама в процентах. Хром в маркировке быстрорежущих сталей не указывают при любом содержании, молибден — при содержании до 1 % включительно, ванадий — в сталях марок Р18, Р6М5 и ряде других (ГОСТ 19265-73, п. 1.1).

Сталь Р18 относится к быстрорежущим сталям нормальной теплостойкости (производительности). В отличие от сталей повышенной теплостойкости (с кобальтом или повышенным содержанием ванадия), марка Р18 обладает хорошей шлифуемостью и пониженной склонностью к перегреву при закалке, что делает её удобной в работе для широкого круга инструментов.

Химический состав стали Р18 по ГОСТ 19265-73

Ниже приведён нормированный химический состав стали Р18 согласно ГОСТ 19265-73. Основной легирующий элемент — вольфрам — формирует карбидную фазу, ответственную за теплостойкость. Хром и ванадий участвуют в образовании дисперсных карбидов, повышающих износостойкость. Молибден дополнительно упрочняет твёрдый раствор.

Допустимые примеси: никель — до 0,6 %, кобальт — до 0,5 %, медь — до 0,25 %, сера и фосфор — не более 0,03 % каждого. Основу сплава составляет железо.

Роль легирующих элементов

Вольфрам — ключевой компонент, формирующий карбид M₆C (Fe₃W₃C), который при закалке частично растворяется в аустените. Насыщенный вольфрамом мартенсит сохраняет твёрдость при нагреве, обеспечивая красностойкость. Хром (3,8–4,4 %) участвует в образовании карбидов M₂₃C₆ и повышает прокаливаемость. Ванадий (1,0–1,4 %) образует стойкий карбид MC (VC), увеличивающий износостойкость режущей кромки. Углерод (0,73–0,83 %) необходим для формирования карбидной фазы и получения мартенситной структуры при закалке.

Физические свойства быстрорежущей стали Р18

Высокое содержание вольфрама определяет повышенную плотность стали Р18 по сравнению с конструкционными марками. Ниже приведены основные физические характеристики при температуре 20 °С.

С ростом температуры модуль упругости снижается (при 600 °С — около 181 ГПа), а удельное электросопротивление возрастает (при 600 °С — около 922 нОм·м). Коэффициент теплопроводности в интервале 100–600 °С изменяется незначительно — в пределах 26–29 Вт/(м·К).

Механические свойства и твёрдость стали Р18

Механические свойства стали Р18 существенно различаются в зависимости от состояния — отожжённое или после термической обработки (закалка + отпуск).

Твёрдость в разных состояниях

Повышение твёрдости после отпуска объясняется дисперсионным твердением: при температуре 550–570 °С из мартенсита выделяются мелкодисперсные карбиды, а остаточный аустенит (25–30 % после закалки) превращается в мартенсит. После трёхкратного отпуска содержание остаточного аустенита снижается до 2–3 %.

Красностойкость (теплостойкость)

Красностойкость — способность сохранять твёрдость при длительном нагреве — важнейшая характеристика быстрорежущих сталей. Для стали Р18 при температуре 620 °С и выдержке 4 часа твёрдость сохраняется на уровне 59 HRC. Это позволяет инструменту работать при значительном тепловыделении в зоне резания без потери режущих свойств.

Термическая обработка стали Р18

Термообработка быстрорежущих сталей принципиально отличается от обработки конструкционных марок высокими температурами закалки и обязательным многократным отпуском. Правильный режим термообработки определяет все эксплуатационные свойства инструмента.

Ковка

Из-за низкой теплопроводности быстрорежущей стали Р18 нагрев под ковку должен быть замедленным — для заготовок диаметром свыше 50–60 мм предварительный нагрев ведут при 400–600 °С из расчёта 7–8 минут на каждые 10 мм толщины. Температура начала ковки — 1200 °С, окончания — 900 °С. Охлаждение после ковки — замедленное, в колодцах при 750–800 °С.

Отжиг

Сталь Р18 поставляется в отожжённом состоянии со структурой мелкозернистого (сорбитообразного) перлита с избыточными карбидами. Твёрдость после отжига не должна превышать 255 HB (ГОСТ 19265-73). В таком состоянии материал пригоден для механической обработки — точения, фрезерования, сверления заготовок инструмента.

Закалка стали Р18

Температура закалки стали Р18 составляет 1270–1290 °С. Столь высокий нагрев необходим для растворения карбидов в аустените и насыщения его легирующими элементами. Нагрев производится ступенчато, чтобы избежать трещин из-за низкой теплопроводности: сначала до 800–850 °С, затем до температуры закалки. Выдержка при закалочной температуре минимальна — ориентировочно 8–9 с на 1 мм наименьшей толщины при нагреве в соляных ваннах. Охлаждение — в масле.

Для инструментов простой формы (резцы) температуру назначают ближе к верхнему пределу, для фасонного инструмента — ближе к нижнему. При незначительном перегреве образуется избыточное количество остаточного аустенита, и твёрдость снижается.

Отпуск стали Р18

После закалки обязательны 2–3 цикла отпуска при 550–570 °С с выдержкой по 45–60 мин каждый. Отпуск вызывает выделение дисперсных вторичных карбидов из мартенсита и превращение остаточного аустенита во вторичный мартенсит, что повышает твёрдость с 61–63 HRC до 63–65 HRC. Крупные инструменты (диаметром свыше 80 мм) и инструменты после неполной изотермической закалки подвергают 3–4-кратному отпуску.

Альтернативой многократному отпуску является обработка холодом: охлаждение закалённой стали до −75…−120 °С с последующим однократным отпуском. При этом остаточный аустенит также переходит в мартенсит.

Дополнительные обработки поверхности

Для повышения износостойкости и стойкости режущей кромки инструмент из стали Р18 после термообработки, заточки и шлифовки может подвергаться дополнительным процессам: цианированию (повышает твёрдость поверхностного слоя), азотированию (увеличивает износостойкость), сульфидированию (снижает коэффициент трения). Эти операции проводятся на готовом заточенном инструменте.

Область применения быстрорежущей стали Р18

Сталь Р18 предназначена для всех видов режущего инструмента, обрабатывающего конструкционные стали с прочностью до 1000 МПа при рабочей температуре до 600 °С. Большое количество избыточной карбидной фазы делает сталь Р18 мелкозернистой и менее чувствительной к перегреву при закалке, что позволяет применять её для сложнопрофильного инструмента.

Типовая номенклатура инструмента из стали Р18

Из стали Р18 изготавливают резцы (токарные, строгальные, долбёжные), свёрла, зенкеры, развёртки, метчики, фрезы (в том числе резьбовые), долбяки, шеверы, протяжки и другой режущий инструмент. Сталь хорошо шлифуется, что важно для производства точного инструмента с малыми допусками.

Сравнение с маркой Р6М5

В 1970-х годах в условиях дефицита вольфрама сталь Р18 начали заменять маркой Р6М5, в которой часть вольфрама замещена молибденом. Обе стали относятся к быстрорезам нормальной теплостойкости, однако Р18 отличается лучшей шлифуемостью, более однородным распределением карбидной фазы и меньшей склонностью к перегреву при закалке. Сталь Р6М5 экономичнее по содержанию вольфрама, но требует более строгого контроля режимов термообработки. Допустимый заменитель стали Р18 — сталь Р12.

Зарубежные аналоги стали Р18

Сталь Р18 соответствует зарубежным маркам вольфрамовых быстрорежущих сталей с содержанием вольфрама около 18 %.

При подборе аналогов следует сверять конкретный химический состав, так как допуски по отдельным элементам в разных стандартах могут различаться.

Формы поставки быстрореза Р18

Металлопродукция из стали Р18 выпускается в разнообразных формах проката, регламентированных соответствующими стандартами. Ниже перечислены основные виды поставки.

Металлопродукция подразделяется по макроструктуре и карбидной неоднородности на две группы: I группа (диаметр или толщина от 80 до 200 мм) и II группа (диаметр или толщина до 150 мм). По способу дальнейшей обработки — на подгруппы «а» (для горячей обработки давлением) и «б» (для холодной механической обработки).

Калиброванный пруток и пруток со специальной отделкой поверхности хранятся на складе в отожжённом состоянии и подходят для непосредственной механической обработки. Поверхность калиброванной стали соответствует ГОСТ 1051-73, стали со специальной отделкой — группам В, Г, Д ГОСТ 14955-77.

Карбидная неоднородность стали Р18

Быстрорежущая сталь Р18 содержит значительное количество избыточных карбидов (преимущественно карбид M₆C типа Fe₃W₃C), неравномерно распределённых в металлической матрице. Этот параметр — карбидная неоднородность — оценивается баллами по ГОСТ 19265-73 и влияет на стойкость инструмента.

Большое количество избыточной карбидной фазы делает сталь Р18 более мелкозернистой и менее чувствительной к перегреву при закалке. Однако при увеличении карбидной неоднородности (скопления крупных карбидов, полосчатость) прочность стали снижается — при работе наблюдается выкрашивание режущих кромок и снижение стойкости инструмента. Поэтому для крупного инструмента важно контролировать карбидную неоднородность и использовать металлопродукцию соответствующей группы.

Свариваемость стали Р18

Сталь Р18 обладает хорошей свариваемостью при контактной стыковой сварке. Этот метод используется при изготовлении составного инструмента — быстрорежущая рабочая часть приваривается к хвостовику из конструкционной стали (например, 45 или 40Х). Такая конструкция позволяет экономить дорогостоящую быстрорежущую сталь, сохраняя необходимые режущие свойства рабочей части. Термическую обработку сварного инструмента проводят с расчётом на плавное снижение твёрдости от рабочей части к хвостовику — до HRC 50–55 в зоне сварного соединения.

Особенности структуры и механизм упрочнения

В отожжённом состоянии структура стали Р18 представляет собой α-твёрдый раствор (феррит) с избыточными карбидами. Основными карбидами являются M₆C, MC и M₂₃C₆. В стали Р18 преобладает карбид M₆C (Fe₃W₃C), карбид MC (на основе ванадия) присутствует в незначительном количестве.

При нагреве под закалку до 1270–1290 °С карбиды частично растворяются в аустените, насыщая его вольфрамом, хромом, ванадием и углеродом. При охлаждении в масле образуется мартенсит, содержащий до 25–30 % остаточного аустенита. Последующий отпуск при 550–570 °С вызывает дисперсионное твердение — выделение мелких вторичных карбидов — и распад остаточного аустенита. Именно этот механизм обеспечивает высокую теплостойкость: вторичные карбиды растворяются лишь при температурах выше 600 °С, что и определяет предельную рабочую температуру инструмента.

Условия хранения и транспортировки

Металлопродукция из стали Р18 поставляется в отожжённом состоянии и хранится на складе в крытых помещениях, защищённых от влаги. Калиброванные прутки и прутки со специальной отделкой поверхности требуют аккуратного обращения — повреждение поверхности снижает качество изготавливаемого инструмента. Маркировка металлопродукции, упаковка и транспортировка осуществляются в соответствии с требованиями ГОСТ 19265-73.

Практические рекомендации по выбору и заказу

При заказе быстрорежущей стали Р18 рекомендуется указывать форму поставки (круг, полоса, калиброванный пруток), размер сечения, группу по карбидной неоднородности (при необходимости), подгруппу по способу дальнейшей обработки и способ выплавки (обычный или электрошлаковый переплав — ЭШП, обозначается индексом «Ш» в маркировке: Р18-Ш). Электрошлаковый переплав повышает чистоту стали по неметаллическим включениям и улучшает карбидную однородность, что критично для ответственного инструмента.

Поставки стали Р18 осуществляются в различных формах проката. Форму, сечение и количество уточняйте при заказе. Также в ассортименте представлена сталь Р6М5 — вольфрамомолибденовый аналог нормальной теплостойкости.