книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

вибраций. Хрупкость проявляется в меньшей степени при содержа­ нии кобальта до 5%.

Особенно большой износостойкостью обладают комплексные карбиды железо-ванадия — самые твердые составляющие быстро­ режущей стали (HV 1700—2100 против HV 1150—1200 для слож­ ного карбида вольфрама). Поэтому режущие инструменты из вы­ сокованадиевой стали труднее шлифуются, но их можно эффек­ тивно использовать при обработке высокоуглеродистых и высоко­ хромистых сталей, сильно изнашивающих режущие кромки ин­ струмента. Ввиду несколько пониженной прочности (0И = 240ч-

с повышенным содержанием кобальта и ванадия как наиболее теплостойкие и износостойкие, хотя им присущи недостатки ко­ бальтовых и ванадиевых сталей, т. е. несколько пониженная шлифуемость, повышенная чувствительность к обезуглероживанию и несколько меньшая прочность сравнительно с марками Р9 и Р18.

Для обработки жаропрочных аустенитных сплавов и высоко­ прочных сталей при тяжелых режимах резания предпочтительны стали Р18Ф2К5, Р9Ф2К5, Р9Ф2К10, Р10Ф5К5. В этой группе лучшей шлифуемостью обладает сталь Р18Ф2К5, но более произ­ водительны стали Р14Ф4 и Р10Ф5К5, Р18Ф2М. Наилучшие тех­ нологические свойства по термической обработке и шлифуемости имеет сталь Р18Ф2М; она наиболее дешева и потому является сталью универсального, применения, как и сталь Р18, но превос­ ходит ее по производительности.

В последнее время уделяется большое внимание быстрорежу­ щим сталям с повышенным содержанием молибдена и особенно кобальта, что способствует образованию более мелких карбидов, которые более полно переходят в твердый раствор аустенита; температура закалки несколько снижается п, следовательно,

40

закалка облегчается. Уменьшается опасность образования отпу­ щенных поверхностных слоев при шлифовании инструмента. Недостатки — тенденция к обезуглероживанию при термообра­ ботке и сниженный интервал температур аустенизации — преодо­ леваются точным контролем температур.

Рис. 10 наглядно иллюстрирует прочностные свойства различ­ ных марок быстрорежущей стали.

Значительное количество кобальта способствует повышению растворимости карбидов в аустените и тем увеличивает «горячую» твердость, что дает заметный эффект при высоких температурах

Рис. 10. Прочность при изгибе и ударная вязкость различных марок бы­ строрежущей стали:^

/ — п р о ч н о с т ь на и з г и б ; 2 — у д а р н а я в я з к о с т ь

резания. Например, резцы из сталей В18М4К25 и В14М7К25 при точении высокопрочных аустенитных сталей показали повышенную в десятки раз стойкость сравнительно с Р18.

В США для обработки высокопрочных материалов успешно применяют быстрорежущие стали с повышенным содержанием углерода (до 1,25% С вместо 0,8—0,9%), кобальта и молибдена (1,15% С, 4,25% Сг, 2,25% V, 5,25% W, 6,25% Мо, 12% Со). Снижается температура закалки, твердость после закалки HRC 70. Стойкость трехкратная. Но с повышением концентрации карбидов уменьшается вязкость стали.

На основе опыта ВНИИ рекомендует стали нормальной про­ изводительности марок Р6М5, Р6МЗ и повышенной производи­ тельности Р6М5К8 и Р9М4К8.

41

Термическая обработка быстрорежущей стали

Качество режущего инструмента и, в частности, его прочность и стойкость зависят не только от химического состава стали, но и в значительной степени от правильной термической обработки. Последняя заключается в основном в отжиге, закалке и отпуске при определенных температурах.

Отжиг применяется для устранения в инструменте внутренних напряжений, образовавшихся в результате предшествовавшей механической обработки, иначе имеется опасность образования трещин и изменения размеров и формы инструмента при закалке. Отжиг улучшает структуру материала инструмента, делает ее более равномерной и тем улучшает качество дальнейшей термиче­ ской обработки.

Быстрорежущая сталь отжигается путем медленного и равно­ мерного нагрева до 800—860° С с последующей выдержкой при этой температуре в течение времени, достаточного для прогрева сердцевины тела инструмента. Затем сталь равномерно охла­ ждается в печи или в какой-либо другой среде, обеспечивающей медленное остывание.

Закалка происходит при высоких температурах и самый про­ цесс нагревания под закалку выполняется ступенчато. Сначала подвергают инструмент медленному нагреву до 840—860° С. Быстрый нагрев здесь не рекомендуется во избежание образования трещин из-за плохой теплопроводности быстрорежущей стали. Затем, чтобы предотвратить обезуглероживание поверхности ин­ струмента, необходимо продолжать нагрев быстро вплоть до температуры (1280—1300° С), но не выше в зависимости от марки стали. Интервал закалочных температур и отпуска значительно снижается для новых быстрорежущих сталей. Например, реко­ мендуется для сталей Р6М5 и Р6М5К5 1200—1230° С, для сталей Р12 и Р9М4К8 соответственно 1240—1250 и 1215—1235° С при 2—3-кратном отпуске при 550—560° С.

Несмотря на высокую температуру нагрева, правильно зака­ ленная быстрорежущая сталь имеет мелкозернистую структуру, состоящую из легированного мартенсита (—50%), высоколегиро­ ванного аустенита (~30%) и сложных карбидов (-^20%). Необ­ ходимо подчеркнуть, что режущие свойства инструмента зависят не от рода охлаждающей среды, а от температуры закалки.

Отпуск рекомендуется почти для всех инструментов из быстро­ режущей стали, чтобы избавиться от аустенита, обладающего большой мягкостью и очень низкой теплопроводностью. При этом увеличивается стойкость инструмента. Отпуск желателен еще и потому, что он уменьшает опасность появления трещин, особенно у инструментов с острыми кромками и углами. Охлаждение после отпуска необходимо производить в печи или свободно на воздухе, но не в масле. Длительный трехчасовой отпуск необходим для вы­ деления из аустенита мельчайших карбидов. При этом понижается

42

легированность аустенита и обеспечивается возможность превра­ щения его в мартенсит. Стойкость инструмента заметно повышается после многократного отпуска. Переход от однократного отпуска с длительной выдержкой к многократному с короткими выдерж­ ками (30—60 мин) дает возможность получать относительно мень­ шее количество троостита и более полный распад аустенита.

Описанный выше типичный способ термической обработки при­ ходится видоизменять также в зависимости от формы инструмента. Так, при закалке профильных резцов из быстрорежущей стали, когда оплавление кромок нежелательно, инструмент нагревают только до температуры 1100—1200° С, но при этом отпуск произ­ водится при температуре не выше 225—275° С, чтобы, уменьшая внутренние напряжения в инструменте, в то же время сохранить его твердость. Вместе с тем необходимо отметить, что температура закалки, обеспечивающая наиболее высокую красностойкость, не совпадает с температурой, способствующей получению макси­ мальной прочности. Это особенно важно для мелких инструментов, которые обычно выходят из строя вследствие поломки до наступле­ ния нормального износа. Поэтому рекомендуется инструмент ма­

Исследования А. П. Гуляева показали, что остаточный аустенит в структуре быстрорежущей стали можно устранить частично или почти полностью не только нагреванием, но и сильным ох­ лаждением стали до весьма низких температур, например в «сухом льду» — углекислом газе при температуре —(75-н80° С). В этом случае аустенит также превращается в мартенсит, в результате чего повышаются твердость и износоустойчивость инструмента. Необходимо применять обработку холодом сразу же после за­ калки до отпуска, так как выдержка закаленной стали при ком­ натной температуре и особенно ее отпуск делают остаточный аустенит более стойким.

В отечественной промышленности иногда применяются литые режущие инструменты из легированной стали. По своим режущим свойствам они мало уступают кованым инструментам из быстроре­ жущей стали; некоторые из них, например литые резцы из молибденованадиевой стали (0,7% С, 3,9% Сг, 1,28% V, 2,04% W и 8,1% Мо), подвергнутые после отливки отпуску с последующей обработкой при низкой температуре (в жидком воздухе), а также непосредственно в литом состоянии, показали более высокие ре­ жущие свойства по сравнению с коваными резцами из стали Р18. Литые инструменты дешевле кованых, так как при их изготовле­ нии значительно сокращаются потери быстрорежущей стали на отходы, сводится к минимуму механическая обработка и устра­ няются трудоемкие операции (отжиг и закалка). Сообщается

43

ванием (1220° С) порошка, полученного из обычного расплава быстрорежущей стали в среде инертного газа, сжатого воздуха и водяного пара, и прессованием в вакууме смеси мелкозернистых порошков (1 мкм) исходных материалов. В последнем случае легко регулируется состав быстрорежущей стали при равномерном распределении мелких карбидов.

Методы повышения стойкости инструмента

В результате неудачной заточки инструмента вследствие пере­ грева происходит вторичная закалка его поверхности, при кото­ рой тончайший поверхностный слой приобретает мягкую аустенитную структуру. С помощью дробеструйной обработки этому слою можно вновь вернуть мартенситную структуру и тем восста­ новить необходимую поверхностную твердость. Но на практике чаще прибегают к специальной обработке инструмента, имеющей целью или удаление дефектного поверхностного слоя, или упрочне­ ние поверхностного слоя различными средствами. Для удаления испорченного поверхностного слоя прибегают чаще всего к до­ водке инструмента и реже к травлению или электрохромированию.

О доводке, повышающей стойкость инструмента и выравнива­ ющей его режущие кромки, подробнее будет сказано дальше. Доводка фасонного инструмента, имеющего сложный профиль, весьма затруднительна, и в таких случаях можно удалить дефект­ ный слой травлением или электрополированием.

Травление заключается в том, что инструмент, предварительно обезжиренный, погружают на 10—15 мин в ванну с разбавленным раствором серной и азотной кислот и небольшим количеством медного купороса. После травления и последующей промывки инструмент нагревают до 50—160° С для удаления водорода, вы­ зывающего хрупкость режущих кромок. Практикой установлено, что стойкость инструмента заметно повышается лишь при наличии достаточной первоначальной твердости (НВ ^ 250).

Электрополирование осуществляется следующим образом. В ванну с электролитом, содержащим раствор фосфорной и серной кислот, погружается инструмент и присоединяется к аноду источ­ ника постоянного тока. Катодом является свинцовая пластинка. При прохождении тока через инструмент и электролит происходит так называемое электролитическое травление, при котором быстрее растворяются выступы, следовательно, протравленная поверхность не только освобождается от дефектного слоя, но, кроме того, становится чище и ровнее, поэтому электролитическое травление называют электролитическим полированием.

Хромирование заключается в том, что поверхность инструмента покрывается тонким слоем хрома, обладающего высокой твер­ достью, износоустойчивостью, а также большой химической стой­ костью. Для этого предварительно доведенный инструмент погру­ жают в ванну со специальным электролитом, содержащим соли

44

хрома, и присоединяют его к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Анодом служит свинцовая пластинка. Под воздействием тока соли хрома разлагаются, и на поверхности ин­ струмента быстро (через несколько минут) образуется тонкий слой хрома толщиной в 2—10 мкм твердостью до HRC 70.

Производственный опыт показывает, что стойкость хромирован­ ных инструментов, снимающих тонкую стружку (сверл, развер­ ток, протяжек, метчиков и пр.) увеличивается в 2—4 раза, а при резании мягких цветных металлов и сплавов — даже в 5—8 раз. При резании в тяжелых условиях, когда имеют место большие силы резания и высокая температура, не рекомендуется хромиро­ вание, так как с нагревом уменьшается твердость хрома и при температуре —500° С она меньше твердости закаленной быстро­ режущей стали. К тому же при значительных нагрузках проис­ ходит отслаивание хрома. В литературе отмечается эффективность нового метода упрочнения — соединения электролитического хро­ мирования с обычной цементацией, в результате чего в поверхност­ ном слое образуются карбиды хрома, глубоко проникающие в ме­ талл и прочно с ним связанные,.

Более удачным по сравнению с гальваническим хромированием считается диффузионное газовое и твердое термохромирование. В отличие от гальванического хромирования, которое произво­ дится после закалки, заточки и доводки инструмента, диффузион­ ное хромирование предшествует термической обработке инстру­ мента. Оно дает весьма износостойкую поверхность, но процесс очень длителен и кропотлив. Правда, в последнее время рекомен­ дуют ускорение этого процесса с помощью ультразвука.

Электроупрочнение режущего инструмента осуществляется с помощью специальной установки, представляющей собой раз­ рядный контур с двумя электродами, из которых один (анод) является цементирующим веществом, а в качестве второго (катода) служит упрочняемый инструмент. Оно заключается в том, что участки передней и задней поверхностей инструмента,, примыка­

материала инструмента с ионизированным азотом воздуха, про­ исходящей при разрядах. При этом образуется тонкий упрочнен­ ный слой в 20—60 мкм.

В качестве упрочнителей применяются твердые сплавы, гра­ фит, феррохром, отбеленный чугун и др. На графике, построенном по опытным данным автора (рис. 11), показана стойкость резцов, упрочненных различными элементами. Как видим, упрочнение повышает стойкость инструмента в 2—7 раз, причем наиболее устойчивые результаты дал упрочнитель Т15К6.

В литературе [101, 129] отмечаются положительные результаты высокотемпературной механической обработки (ВТМО) быстро­ режущей стали. Сущность ее заключается в том, что в процессе охлаждения в закалочной среде инструмент подвергается дефор-

45

мацни с высокой скоростью 15—60 м/с (взрывом, искровым раз­ рядом, ударом дробью, электромагнитным импульсом). Механиче­ ское воздействие производится в первый момент охлаждения и образования неустойчивого аустенита, который под воздействием ударных нагрузок интенсивно переходит в мартенсит. В резуль-

1ч0

130

по

110

\WO

\9 0

; so

70

Рис. 11. Сравнительная стойкость упрочненных резцов

тате такой обработки красностойкость инструмента не повышается, но его твердость и прочность возрастают до HRC 72—73 и проч­ ность до сги = 350 кгс/ммг .

Подобного результата достигают также путем диффузионного борирования токами высокой частоты на специальной установке при помощи обмазки (50% карбида бора и 50% криолита при связке этилсиликатовой); стойкость инструмента Р18 повышалась в 10—12 раз.

П. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

В1926 г. были изготовлены первые металлокерамические твердые карбидо-вольфрамовые сплавы, полученные методом по­ рошковой металлургии (методом спекания); они представляют собой как бы каркас из кристаллов карбида вольфрама, заполнен­ ный цементирующим материалом — твердым раствором карбидов вольфрама в кобальте с весьма небольшой концентрацией кобальта. Эти сплавы обладают большой твердостью даже при высоком нагреве, что делает их тепло- и износоустойчивыми и дает воз­ можность с их помощью обрабатывать весьма твердые материалы вплоть до закаленных сталей, отбеленных чугунов, камней и др.

Начиная с 1931 г. твердые сплавы качественно улучшаются благодаря изменению их состава и технологии. Появляются дйухкарбидные вольфрамо-титановые и трехкарбидные вольфрамо-ти-

46

тано-танталовые сплавы с кобальтом в качестве связки. В СССР

для обработки резанием применяются три группы сплавов.

1. Вольфрамо-кобальтовые типа ВК (ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8, ВКЮ, ВК12, ВК15). С увеличением содержания кобальта в сплаве

2.Двухкарбидные титано-вольфрамо-кобальтовые типа ТК (Т5КЮ, Т5К12В, Т14К8, Т15К6, Т30К4 и др.).

3.Трехкарбидные тантало-титано-вольфрамо-кобальтовые типа

С увеличением содержания TiC физико-механические свойства твердых сплавов типа ТК заметно изменяются: увеличивается твердость, но уменьшается сопротивление изгибу (сги) и ударная вязкость сплава (а^). Двухкарбидные и трехкарбидные сплавы имеют более высокую теплоустойчивость (~900—1000° С) сравни­ тельно с однокарбидным —800° С и менее подвержены адгезии. Плотность характеризует пористость и тем самым прочность сплава.

Режущие свойства твердосплавного инструмента определяются не только химическим составом, но и его структурой, т. е. размером зерен, пор и их формой. При спекании твердых сплавов не весь газ, поглощенный его частицами, вытесняется в процессе рекри­ сталлизации. Часть этого газа остается внутри выросшего зерна и образует внутрикристаллические поры, которые не могут быть ликвидированы последующим спеканием. Подобные поры дости­ гают размеров от долей микрона до 2 мкм. Острые углы пор яв­ ляются участками концентрации внутренних напряжений, спо­ собствующих возникновению внутренних микротрещин, в значи-

47

тельной степени нарушающих стабильность материала и ускоря­ ющих его разрушение.

С указанными недостатками борются с помощью различных технологических приемов при изготовлении твердых сплавов (вы­ сокотемпературное восстановление вольфрамового ангидрида, ин­ тенсифицированный мокрый размол смесей, карбонизация воль­ фрама при высокой температуре, пластифицирование и пр.).

Как правило, при обработке хрупких металлов (чугун, бронза и др.) используют однокарбидный сплав, наименее теплостойкий. Он используется иногда с успехом и при обработке специальных труднообрабатываемых сталей, поскольку сплав обладает наиболь­ шей прочностью и виброустойчивостью. Так, поданным А. Я. Абал­ кина при определенных условиях резания твердый сплав ВК8 выдерживал амплитуду колебаний в четыре раза большую, чем сплав Т5К8, и в восемь раз большую сравнительно с Т15К6.

При черновой обработке рекомендуются ВК — сплавы с большим содержанием кобальта (ВК8, ВК12). При обдирке стали тоже применяют двухкарбидные и трехкарбидные сплавы, так как они менее склонны к адгезионному схватыванию (Т5КЮ, Т5К12В) и более прочны, хотя и менее износостойки.

Для чистовой обработки применяют сплавы ВКЗ, ВК4 (для чугуна) и Т30К4 (для стали) как содержащие меньше кобальта и обладающие вследствие этого наибольшей износостойкостью при наименьшей прочности. Отметим, что твердость и прочность зави­ сят и от температуры, при которой используется твердый сплав (рис. 12, а). Графики на рис. 12, б показывают, что усталостная прочность различных твердых сплавов с нагревом до 200° С по­ вышается, а затем значительно уменьшается с дальнейшим повы­ шением температуры и по-разному для различных твердых спла­ вов. В процессе резания, и особенно при грубой обработке, имеют место удары, вибрации, и поэтому циклическая прочность яв­ ляется ценной характеристикой режущего инструмента.

Современные исследования и практика показали высокие ре­ жущие свойства твердых сплавов марок ВКЗМ, ВК4, ВК6М при обработке нержавеющих, жаропрочных и титановых сталей и сплавов. Трехкарбидные сплавы титантанталовой группы ТТ7К12, ТТ20К9, сравнительно хорошо сопротивляющиеся перепадам тем­ ператур и трещинообразованиям, ТТ10К8А и ТТ10К8Б дали наилучшие результаты при обработке трудно обрабатываемых жаропрочных аустенитных сталей.

Твердые сплавы в металлообработке все более вытесняют дру­ гие инструментальные материалы. На передовых отечественных предприятиях более 80—90% всех резцов имеют режущие эле­ менты — пластины из твердого сплава. Твердосплавные пластинки

в состав из различных карбидов и кобальта вводят 4-процентный раствор каучука в бензине, смесь прессуют поддавлением

48