книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

не в пример другим легирующим элементам (вольфрам, молибден) упрочняет хромистый феррит при комнатной температуре более значительно, но в отличие от последних не уменьшает интенсив­ ности температурного разупрочнения в процессе резания («отдыха») и, следовательно, твердый раствор в железе не вызывает затруд­ нений при резании с большими скоростями. Кроме того, при на­ личии некоторого количества серы, образующей сульфид марганца, снижается трение, что дает возможность успешно производить обработку твердосплавными резцами с большими скоростями даже при наличии большой фаски износа по задней поверхности ин­ струмента. На поверхностях скольжения сульфид марганца обра­ зует защитный слой, играющий роль граничной смазки на по­ верхности твердосплавного инструмента.

Ф о с ф о р , как и марганец, снижает пластичность металла; фосфор и марганец входят в твердый раствор и охрупчивают фер­ рит, тем самым облегчая обрабатываемость обычных сталей при содержании фосфора до 0,15%.

С е р а при отсутствии марганца образует сульфид железа, обладающий склонностью выделяться в виде оболочек по грани­ цам зерен и облегчающий тем самым процесс резания. Но тогда значительно затрудняется прокатка или ковка стали. В связи с этим в автоматную сталь обычно вводят кроме серы марганец, образующий с серой сульфид марганца в виде множества суб­ микроскопических включений, которые нарушают сплошность

0,20%), сохраняя ее основные механические свойства, значи­ тельно улучшает обрабатываемость благодаря «смазывающему» действию мельчайших дисперсно распределенных частиц свинца. При этом одновременно нарушается непрерывность зернистой структуры металла, что способствует образованию хрупкой ко­ роткой стружки, облегчающей работу резца.

К р е м н и й ни при каких условиях не улучшает, а, наоборот, ухудшает обрабатываемость сталей вследствие образования си­ ликатных абразивных включений.

М о л и б д е н , в а н а д и й , х р о м , повышая прочность и вязкость сталей, ухудшают их обрабатываемость. Для облегчения процесса резания необходима специальная термическая обработка. Легирующие элементы (ванадий, вольфрам, молибден и др.) склонны образовывать карбиды и входят в твердые растворы. Дру­ гие легирующие элементы (никель, кобальт) входят только в твер­ дые растворы. Некоторые элементы (хром, марганец) могут пере­ ходить в твердый раствор в феррите или образовывать комплекс­ ные карбиды. Полагают, что карбидообразующие элементы не вызывают затруднений при отжиге, необходимом для улучшения обрабатываемости легированных сталей. Иначе обстоит с леги­ рующими элементами, образующими твердые растворы, которые придают ферриту большую прочность, в результате чего затруд-

200

няется обрабатываемость. Термическая обработкатаких леги­ рованных сталей в малой степени улучшает их обрабатываемость; последняя может быть улучшена наклепом, снижающим пла­ стичность феррита, и другими приемами.

ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Применяемые в машиностроении стали и сплавы с особыми физико-механическими свойствами можно разделить на следующие группы.

1. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) хромистые ферритомартенситные стали (1X13, 2X13, 3X13 и др.), содержащие соот­ ветственно 0,05—0,45% С и около 13% Сг и ферритные (Х17, Х25). Они хорошо сопротивляются электрохимической коррозии

вусловиях работы с температурой до 600° С.

2.Жаростойкие хромоникелевые стали аустенитного класса, хорошо сопротивляющиеся химическому разрушению поверх­ ности в газовых средах при температурах 560—1200° С, рабо­ тающие в нагруженном или слабо нагруженном состоянии (1Х18Н9, 1Х18Н9Т, Х23Н18 и др.).

3.Жаропрочные хромо-никелевые аустенитные стали, опре­ деленное время работающие в нагруженном состоянии при вы­

соких температурах, деформируемые (Х18Н9Т, ХН35ВМТ и др.) и литые сложнолегированные сплавы на никелевой основе (ЖС6,

нитные стали ( П З , 45Г17ЮЗ) и немагнитные хромо-марганцови­ стые (45Г18Х5 и др.).

5. Титановые жаропрочные коррозионно-стойкие сплавы с дли­ тельной прочностью при 550—600° С.

В табл. 14 приведены прочностные характеристики различных сталей и сплавов, здесь же даны скорости резания v, полученные экспериментально при точении указанных материалов твердосплав­ ными резцами. В зависимости от структуры стали, содержащей аустенит (А), феррит (Ф), карбиды (К), интерметаллидные включе­ ния (И), скорости резания могут значительно колебаться относи­ тельно их средних значений.

По данным табл. 14 не обнаруживается определенная законо­ мерная связь обрабатываемости с физико-механическими свой­ ствами сталей и сплавов. Однако наблюдается резкое снижение -скорости резания при содержании в них упрочняющей интерметаллидной фазы.

Ферритомартенситные нержавеющие стали обрабатываются также успешно, как и обычные малоуглеродистые стали. Значи­ тельно сложнее положение с аустенитными и особенно жаро­ прочными сложнолегированными сталями и сплавами на никеле­ вой и кобальтовой основе.

201

П р и м е ч а н и е . Д л я с р а в н е н и я п р и в е д е н ы п р о ч н о с т н ы е д а н н ы е стали 45.

Необходимо отметить существенное влияние титана на обра­ батываемость стали; даже небольшие присадки его (0,35% Ti) к хромистой стали значительно повышают ее вязкость, в резуль­ тате чего усиливается склонность стружки к схватыванию с рез­ цом. Если количество титана превышает в пять раз содержание углерода, образуется интерметаллическое соединение титана с ни­ келем, способствующее упрочнению сплава и тем самым ухудшению обрабатываемости. Твердые интерметаллические включения и карбиды образуются также при некоторых соотношениях легирующих элементов и уг­ лерода в сталях и сплавах.

обрабатываемости металла резанием. Механизм упрочнения доста­ точно сложен и обычно объясняется взаимодействием изъянов — свободных мест в кристаллической решетке и смещением атомов вблизи границ зерна с последующим блокированием сдвигов (дислокационная теория деформации). Кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка аустенита обладает меньшим количеством плоскостей скольжения сравнительно с кубической объемно-центрированной решеткой феррита и потому упрочнение аустенита происходит сравнительно в большей степени.

Склонностью к высокому упрочнению отличаются марганцо­ вистые аустенитные стали, железо-никелевые титановые, никель- хромо-молибденовые стали (рис. ПО). По горизонтальной оси отложено уменьшение площадей поперечного сечения испытуемых образцов при растяжении F относительно первоначальной пло-

203

щади F0, [k-p-j и л и уменьшение сечения (в % ) , а по вертикаль­

ной оси — истинное напряжение.

Существенным для оценки обрабатываемости резанием яв­ ляются такие физические свойства металлов, как теплопровод­ ность и удлинение их в результате нагрева в процессе резания. Аустенитные стали сравнительно с конструкционными обладают втрое меньшей теплопроводностью (0,03—0,04 и 0,12 кал/см с • град)

ипочти вдвое большим относительным удлинением (10.10- 6 и

18.10- 6 ). Соответственно жаропрочные сплавы имеют теплопро­

водность в четыре раза, а титановые в 10 раз меньшую по сравне­ нию с нелегированными сталями. Низкая теплопроводность обра­ батываемого материала приводит к высокой температуре резания, что снижает стойкость и увеличивает деформацию режущего ин­ струмента и обрабатываемой детали.

Нестабильность физико-механических свойств обрабатываемых металлов одних и тех же марок наблюдается тем больше, чем сложнее их состав. Это связано с технологией получения загото­ вок, т. е. процессом их плавления, содержанием обогатительных присадочных элементов, степенью раскисления, режимом тепло­ вой и механической обработки. Особенно вредным является струк­ турная неоднородность металла, вызванная ликвацией при осты­ вании слитков.

Отмечается, что обрабатываемость резанием, выражаемая коли­ чеством обработанных деталей до затупления инструмента, коле­ балась для хороших плавок до 20%; средний разброс стойкости инструмента при обработке деталей хороших и плохих плавок стали выражался отношением 4 : 1 и предельные значения износа инструмента при постоянных параметрах резания колебались в отношении 50 : 1. Это иллюстрируется графиками износа резца

обрабатываемости легированной стали в результате термической обработки. Сталь Н18К8М5 (дополнительно до 0,5% Ti, до 0,15% А1) со структурой никель-мартенсита отличается от струк­ туры обычного мартенсита отсутствием углерода и получена после аустенизации при 820° С с последующим охлаждением в воздухе. Сравнительно мягкая (HRC 28—33), она хорошо обрабатывалась резанием (v = 70-^120 м/мин, s = 0,38 мм/об) при точении твер­ досплавным резцом.

В таком мягкозакаленном состоянии металл содержит кобальт, титан и молибден в пересыщенном твердом растворе. При нагреве до 450—480° С и трехчасовой выдержке из пересыщенного рас­ твора выделяется интерметаллидная титано-никелевая и молиб- дено-никелевая фаза, характер и структура которых пока хорошо не изучены. Теперь твердость металла значительно повысилась

204

большом количестве селен вместе с серой образуют с расплавлен­ ным металлом весьма тугоплавкие селениды, имеющие невысокую

Рис. 111. Влияние нестабильности обрабатываемого материала на износ режущего инструмента:

• — старые поставки; О — новые поставки; а, Ь, с, d, е — р а з л и ч ­ ные с т р у к т у р ы

Ввиду большой склонности к наклепу рекомендуется в процессе обработки жаропрочных сталей не прекращать резания и избегать ручной подачи, применять режущие инструменты с острыми, тщательно заточенными и доведенными режущими кромками. Особое внимание необходимо уделять выбору оптимальной гео­ метрии и материала инструмента. Для наиболее вязких жаропроч­ ных сталей на основе тантала и ниобия не рекомендуются твердо­ сплавные инструменты; вольфрамо-молибденовые, быстрорежужущие инструменты должны иметь передние углы у = 20-ьЗО°. Для более хрупких материалов на базе молибдена и вольфрама при точении и торцевом фрезеровании желательны твердые сплавы марок ВК6М и ВК8, обычно применяемые при обработке чугуна; при этом для сталей на основе молибдена передний угол у = 15—=— -4-20°, на основе вольфрама у ^ 5°.

Соответственно рекомендуются умеренные скорости резания и малые подачи. Например, при обработке твердосплавными рез­

205

резания и подача должны быть такими, чтобы не работать по

В табл. 15 в основном представлены жаропрочные сплавы на никелевой основе. Их можно разделить на две группы. Первая группа — легированные алюминием и титаном. Упрочнение про­ исходит за счет выделения фазы типа N i 3 (Ti, А1). К этой группе относятся сплавы: ЭИ437, ЭИ617, ЭИ826, ЭИ929. Вторая группа — легированные алюминием (ЭИ661, ЭИ827, ЭИ867), упрочнгемые фазой N i 3 A l . Сплав ЭИ787 — на железной основе. Все они обла­ дают высокой прочностью, твердостью и низкой теплопровод­ ностью. Характеристики пластичности б %, "чр %, а к у жаропроч-

206

ных сталей изменяются в широком диапазоне аналогично кон­ струкционным сталям и примерно на подобном уровне.

Указанные жаропрочные сплавы относятся к классу диспер- сионно-твердеющих металлов и прочность их повышается терми­ ческой обработкой — закалкой и старением. В зависимости от температуры и времени выдержки получаются та или иная вели­ чина зерна, количество упрочняющих фаз и их дисперсность.

Обрабатываемость улучшается после специальной термиче­ ской обработки, когда помимо измельчения зерен имеют место коагуляция частиц избыточной фазы и разупрочнение твердого раствора. Однако при этом прибегают к дополнительной терми­ ческой обработке для восстановления жаропрочности.

Необходимо отметить условность коэффициентов относитель­ ной обрабатываемости, представленных в табл. 15. Они могут существенно измениться в зависимости от марки инструменталь­ ного материала, жесткости системы СПИД, диапазона режимов резания и других условий.

Обрабатываемость чугунов

Чугун обрабатывается труднее, чем нелегированная сталь. Это объясняется его плохой теплопроводностью и наличием твердых вкраплений цементита, карбидов и песка, обладающих сильными абразивными свойствами; лучшими по обрабатываемости счита­ ются ковкие чугуны со структурой, состоящей из ферритной основы и мелких вкраплений графита, действующего как смазка. Содер­ жание графита в чугуне улучшает его обрабатываемость, но при крупных включениях графита обработанная поверхность полу­ чается грубой. В этом случае, чтобы улучшить чистоту поверхно­ сти необходимо работать с меньшими глубиной резания и пода­ чей. Твердость микросоставляющих чугуна определяет его абра­ зивные свойства и оказывает значительное влияние на стойкость

инструмента, если содержание его не превышает 5%, как это бы­

статочном количестве хрома, никеля, молибдена. Чугуны с иголь-

207

чатой структурой отличаются твердостью, прочностью и труднообрабатываемостью.

Кремний в количестве до 2,75% улучшает обрабатываемость благодаря графитизирующему действию. При содержании крем­ ния свыше 3% чугун обрабатывается труднее вследствие упроч­ нения феррита.

При небольшом содержании марганца в чугуне, как это обычно бывает, стойкость инструмента мало изменяется, но она умень­ шается при увеличении марганца свыше 1,5%.

Содержание в чугуне серы (до 0,14%) мало влияет на стойкость режущего инструмента. При наличии сульфидов марганца в чу­ гуне обрабатываемость его улучшается.

Обрабатываемость серого чугуна обратно пропорциональна количеству цементита. Она ухудщается при наличии массивного цементита. Никель в количестве —2%, часто находящийся в чу­ гуне, влияет благоприятно. Его необходимо применять для изго­ товления тонких отливок, так как он способствует их графитизации. Медь подобно никелю действует положительно, но менее сильно.

Хром упрочняет чугун, но на обрабатываемость влияет мало, пока не появятся карбиды хрома, что зависит от металлической

до 0,5% мало влияет на обрабатываемость, которая ухудшается при увеличении количества молибдена из-за упрочняющего эффекта.

Ванадий действует подобно хрому ,и заметно способствует образованию карбидов.

Цирконий и титан активно раскисляют металл и при добавке

лений. Особенно затруднена обработка отбеленного чугуна быстрорежущим инструментом; в этом случае применяют абра­ зивный и твердосплавный инструмент.

Обрабатываемость медных сплавов

В зависимости от состава медные сплавы значительно отли­ чаются своими свойствами, а следовательно, и обрабатываемо­

208

скоростями резания не было обнаружено нароста на резце, и лишь при весьма малых скоростях резания некоторых бронз возникал нарост, но очень неразвитой формы. Усадка стружки колебалась в пределах £ = 1ч-7. Столь же различны были и силы резания; при этом замечено значительное влияние некоторых элементов сплавов. Так, присадка олова к сплаву снижала силы резания в три раза, а присадка к меди 30% свинца уменьшала силы реза­ ния в семь раз. Свинцовистые бронзы обрабатываются относительно легко, они же дают наименьшую температуру резания. Однако последняя не является во всех случаях критерием обрабатыва­ емости из-за большого абразивного воздействия некоторых бронз на режущий инструмент, особенно при наличии в бронзе микро­ трещин и шлаковых включений в виде тонких межкристалличе­ ских пленок.

Стойкость режущего инструмента колеблется в широких пре­ делах. Показатель относительной стойкости для быстрорежущих

209