5.3. Свариваемость инструментальных и быстрорежущих сталей.

Наиболее широко сварку оплавлением и трением (крупносерийное и массовое производство) применяют для изготовления концевого инструмента (сверла, метчики, зенкеры, концевые фрезы) с режущей частью из БРС и хвостовиков из конструкционных сталей (стали 45, 40Х). Использование для режущей части инструментальных сталей экономически нецелесообразно – в этом случае дешевле изготовить цельный инструмент.

Технологическаясвариваемость сталейоценивается склонностью к образованию «горячих» и «холодных» трещин при сварочном нагреве.

«Горячие» трещины могут возникать как в самом шве, так и в зоне, прилегающей к сварному шву.

Эти трещины могут образовываться в твердом состоянии при высоких температурах. Прочность материала при этом пониженная и он может разрушаться вследствие воздействия напряжений, возникающих при усадке шва и уменьшении объема металла при охлаждении.

Основная опасность образования трещин появляется в процессе кристаллизации, т.е. во время существования твердой и жидкой фаз, в сталях с повышенным содержанием серы при наличии в структуре сульфидов – FeS. Трещины в этом случае возникают по той же причине, что и при горячей обработке давлением (явление красноломкости).

В системе «Fe-FeS» присутствует хрупкая, легкоплавкая эвтектика, располагающаяся по границам зерен. При охлаждении от температур сварочного нагрева уменьшается объем металла. При этом на границах твердой и жидкой фазы, существующей до низких температур (температура плавления – кристаллизации эвтектики - 988⁰С), возникают напряжения, т.к. жидкая фаза несжимаема. Это приводит к образованию на границах надрывов и трещин.

«Горячие» трещины не возникают, если содержание серы в стали менее 0,025%. В таких количествах она растворяется в железе, сульфиды, а следовательно и эвтектика, при этом не образуются.

Таким образом, чтобы избежать появления «горячих» трещин при изготовлении сварного инструмента, хвостовик следует изготавливать из конструкционных сталей качественных или повышенного качества. В быстрорежущих сталях в соответствии с ГОСТ 19265-73 содержание серы ограничено: не более 0,02%.

«Холодные» трещины в сварных заготовках возникают после окончательного затвердевания при охлаждении. Причины появления трещин – структурные и термические напряжения, возникающие в зоне теплового воздействия (ЗТВ), т.е. сварном шве и прилегающей к нему области.

Структурные напряжения возникают вследствие того, что при охлаждении от температур сварочного нагрева происходит закалка сталей, обладающих высокой прокаливаемостью, они получают структуру мартенсита. При сварке оплавлением температура сварочного нагрева превышает температуру начала плавления; при сварке трением она ниже, но значительно превышает закалочные температуры. Поэтому в области, прилегающей к сварному шву, образуется крупноигольчатый мартенсит пониженной прочности.

Термические напряжения – следствие быстрого охлаждения от температур сварки.

В целях предотвращения холодных трещин в процессе сварки следует осуществлять подогрев зоны металла, прилегающей к сварному шву, с целью снижения скорости охлаждения. Это снизит термические напряжения. Идеально, скорость охлаждения должна быть меньше критической. Это позволит частично или полностью предотвратить мартенситное превращение и снизить или предотвратить возникновение структурных напряжений.

Таким образом, вероятность образования «холодных» трещин тем выше, чем выше закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость стали определяется содержанием углерода. Увеличение его концентрации приводит к росту закаливаемости стали, а также к большим объемным изменениям при закалке из-за высокого содержания углерода в мартенсите (при этом увеличивается степень тетрагональности мартенсита и его объем). Легирующие компоненты увеличивают прокаливаемость, т.е. определяют прохождение мартенситного превращения в большем объеме металла за счет снижения критической скорости охлаждения.

Суммарное влияние углерода и легирующих компонентов на склонность к образованию трещин оценивается следующей эмпирической формулой:

Сэ = С+Mn/6 +(Cr+Mo+V)/5 +(Ni+Cu)/15.

Стали, у которых Сэ£0,25%, свариваются хорошо, без образования трещин. Стали с Сэ=0,25-0,35% свариваются удовлетворительно, мало склонны к образованию трещин, но в ряде случаев требуется подогрев. При Сэ³0,36% свариваемость сталей ограниченная, они склонны к трещинообразованию, сварку следует производить при определенных режимах, требуется подогрев.

И БРС, и конструкционные стали, используемые для изготовления хвостовиков, относятся к сталям ограниченной свариваемости, поэтому при сварке велика вероятность образования холодных трещин.

Технологическая свариваемость БРС оценивается вероятностью получения заготовок, прочность которых равна или выше установленной нормы. Эта оценка относительная – свариваемость оценивается по отношению к стали Р18:

Кс=Вi/В_Р18, где Кс – коэффициент свариваемости; Вiи В_Р18– вероятность получения качественных заготовок исследуемой БРС и стали Р18,соответственно.

Свариваемость БРС зависит от их состава. Снижение содержания вольфрама в вольфрамовых БРС улучшает это свойство (значения Кс сталей Р18 и Р12 – 1,0 и 1,16, соответственно). Легирование ванадием и кобальтом, напротив, приводит к снижению свариваемости(Кс стали Р12Ф3 = 0,92; его значения для сталей Р9, Р9К5, Р9К10 – 1,01; 0,93 и 0,59, соответственно). Приведенные значения относятся к сварке оплавлением. Для вольфрамовых сталей та же тенденция наблюдается и для свариваемости при сварке трением.

Вольфрамомолибденовые БРС имеют несколько лучшую свариваемость при сварке оплавлением (для стали Р6М5 Кс=1,08). При сварке трением они менее технологичны, чем вольфрамовые (для стали Р6М5 Кс=0,94). Это объясняется более высокой теплопроводностью стали Р6М5 (коэффициенты теплопроводности [(кал/см.с)/град]сталей Р18 и Р6М5 – 0,114 и 0,669). Для получения качественного сварного соединения сталей Р6М5 и конструкционной требуется большее время прогрева (трения). При этом может происходить большее окисление металла шва и снижение его прочности.