Tool Steels: Properties and Performance

Когда я вижу окончательное оформление этой книги, то испытываю приятное чувство выполненной работы и одновременно благодарность: во-первых, потому что она появилась после более чем пятнадцати лет моей профессиональной деятельности, в значительной мере посвящённой инструментальным сталям, а во-вторых, потому что в следующих главах я вижу многие понятия, которым научился у своих университетских преподавателей, у других исследователей в различных областях, со многими из которых мне довелось встретиться лично, а также у коллег и друзей, работающих с применением инструментальных сталей. Эта книга вызывает у меня и ностальгию, поскольку инструментальные стали — тема, с которой я начал свою карьеру, и даже сегодня меня поражает богатство металлургического содержания этого удивительного класса материалов. Ещё одна трудность связана с ответственностью написать книгу, достойную продолжить ряд многих превосходных справочных работ по инструментальным сталям, а это совсем не просто: например, знаменитую Tool Steels, многочисленные издания которой с 1944 года выпускали Дж. Робертс и соавторы, а последнее издание 1998 года — Робертс, Краусс и Кеннеди. Особо примечательно для меня участие в этом последнем издании Джорджа Краусса, одного из важнейших авторитетов по физической металлургии стали; я встречался с ним, и мы несколько раз обменивались мнениями о термообработке и других общих металлургических понятиях применительно к сталям. Настоящая книга также возлагает на меня ответственность передать знания, полученные от многочисленных учителей, с особой благодарностью моему научному руководителю профессору Х.-Й. Кестенбаху, который первым научил меня «мыслить о металлургии стали» на основе микроструктуры. Наконец, большая ответственность состоит и в том, чтобы объяснить промышленную сторону технологий и применения инструментальных сталей, используя опубликованные результаты производителей инструментальной стали, являющихся отраслевыми ориентирами, прежде всего компаний группы Voestalpine Edelstahl: Villares Metals, Uddeholm Tooling, Böhler Edelstahl и Buderus Edelstahl — компаний, с которыми я работал и которые представляют эталон прикладных знаний об инструментальных сталях в промышленности. После рассмотрения всех этих сторон инструментальных сталей и своей профессиональной жизни начать книгу оказалось непросто. С одной стороны, возникало множество идей, большинство из которых рождалось из моей увлечённости этой темой. С другой стороны, упорядочить их и выбрать, что следует включить в книгу, а что оставить за её пределами, тоже было непростой задачей, если книгу требовалось закончить в разумном объёме и в надлежащий срок. Тогда я последовал совету прекрасного автора книг и моего близкого друга доктора Джорджа Тоттена, который однажды сказал мне: «Подумайте о графиках, таблицах, изображениях и другой информации, которую вам постоянно приходится проверять или к которой приходится обращаться в профессиональной работе. Именно эти темы важны для вашей книги». Поэтому книга содержит большую часть того, чем я пользовался в своей карьере как в академической среде, так и в промышленности. Фактически предложение написать книгу поступило, когда после долгого периода в промышленности я работал в академической среде, а закончена она была, когда я вернулся в промышленность. Таким образом, текст сочетает понятия, опирающиеся на прочную основу физической металлургии, с наблюдениями и замечаниями о типичных промышленных применениях, и может использоваться в обеих сферах. Книга начинается в главе 1 введением в инструментальные стали и их определения, а также кратким обсуждением обозначений различных типов инструментальных сталей в стандартах разных стран. После этого введения глава 2 представляет современное состояние технологий сталеплавильного производства, применяемых для надлежащего изготовления инструментальной стали с контролируемым химическим составом и с учётом всех аспектов чистоты в части наличия неметаллических включений. В главе также рассматриваются аспекты формообразования и их взаимодействие с развитием микроструктуры, которая, в свою очередь, определяет свойства. Авторы Кубин Михаэль и Райнхольд Шнайдер, обладающие многолетним опытом промышленного производства инструментальных сталей, любезно внесли свой вклад в книгу и написали эту главу. Затем глава 3 подробно объясняет связь между микроструктурой и свойствами. Она содержит понятия физической металлургии и термообработки инструментальных сталей. Читатели, вероятно, могут пропустить её и перейти непосредственно к тому, что кажется главным: к производству в главе 2 или к применению конкретных типов инструментальных сталей в главах 4–7. Однако глава 3 чрезвычайно важна, и я настоятельно рекомендую обратное: использовать её как основу для всех остальных понятий. Инструментальные стали представляют собой сложный класс материалов, а глава 3 разбирает эту сложность, разделяя их микроструктуру на две основные области: микроструктурную матрицу, включая изменения, вызванные термообработкой, и частицы, с описанием значения типа, размера и распределения карбидов. Затем для всех типов инструментальных сталей предлагается общая основа — «микроструктурный подход», применимый к самым разным классам инструментальных сталей, от сталей для пресс-форм до быстрорежущих. На основе, заложенной в главах 1–3, можно понять следующие главы. В главе 4 показаны требования к свойствам и основные аспекты металлургии сталей для горячей обработки, причём часто приводятся основные области применения: экструзия, литьё под давлением и ковка. В центре главы находятся два главных свойства этих сталей: горячая прочность и вязкость. Показана связь отпуска с горячей прочностью, а также развитие производства и термообработки для обеспечения высокой вязкости. Азотирование широко применяется к сталям для горячей обработки, поэтому дано краткое обсуждение этой поверхностной обработки. Как и в других главах, примеры отказов используются для иллюстрации важности изложенных понятий. Глава 5 посвящена инструментальным сталям для холодной обработки: рассматриваются основные требования к износостойкости и свойства, связанные с механизмами абразивного и адгезионного изнашивания. Главными темами главы 5 являются твёрдость, вязкость и распределение карбидов, а также влияние взаимодействия производственного процесса и термообработки на конечную микроструктуру и свойства. Из-за обычно большой доли остаточного аустенита в микроструктуре сталей для холодной обработки он подробно рассматривается в этой главе, которая вместе с главой 3 может служить основой для понимания влияния этой фазы и в других типах инструментальных сталей. В главе 6 представлены стали для пластмассовых пресс-форм. По микроструктуре они обладают характеристиками, сходными со сталями для горячей обработки, но к ним предъявляются иные требования, например достижение высокого качества поверхности для полирования или текстурирования, а также хорошей сквозной прокаливаемости при минимальных затратах. Оба аспекта напрямую зависят от производственных характеристик сталей для пресс-форм, таких как механическая обработка, полирование, травление текстуры и закалка. Поэтому двойной подход, объединяющий условия производства и конечные свойства, постоянно используется в этой главе, а микроструктура всегда служит связующим звеном между ними. Наконец, в главе 7 рассматриваются быстрорежущие стали. Это очень сложная группа инструментальных сталей, о которой в литературе, возможно, имеется больше всего сведений. Однако в режущих инструментах, которые сегодня являются основной областью применения быстрорежущих сталей, используются и другие группы материалов, например твёрдые сплавы и, в меньшей степени, соединения на керамической основе. Поэтому сначала дано общее сравнение материалов для режущих инструментов, после чего быстрорежущие стали, применяемые в режущих инструментах, обсуждаются с точки зрения твёрдости, термообработки, типа карбидов и распределения карбидов в литом состоянии. Возможное применение быстрорежущих сталей в инструментах для горячего или холодного формообразования упоминается в ряде мест, но также объясняется в соответствующих главах 4 и 5. В заключение отмечу, что в конце каждой специализированной главы, то есть глав 4–7, дано полуколичественное сравнение свойств различных марок. Оно может быть полезно для быстрых решений и прежде всего для понимания общих характеристик наиболее распространённых марок на одном изображении. После этого сравнения также дано краткое обсуждение основных значимых марок с особым вниманием к эталонным маркам каждого класса: H13, D2, модифицированной P20 (DIN 1.2738) и M2. Я хотел бы выразить признательность инженеру и магистру Паулу Т. Р. Хаддаду, который благодаря своему обширному опыту и знаниям об инструментальных сталях отредактировал все главы и дал прекрасные рекомендации по улучшению окончательного текста книги. Я лично убеждён, что эта книга вносит существенный вклад в обновление и обобщение важных аспектов свойств и эксплуатационных характеристик инструментальных сталей. Приятного чтения! Доктор Рафаэл А. Мескита, Анн-Арбор, Мичиган.