20.1. Обрабатываемость сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов. Обрабатываемость конструкционных и инструментальных сталей

Обрабатываемость сталей следует рассматривать с точки зрения их истирающей способности и уровня температур резания. Влияние химического состава, меха­нических свойств, микроструктуры и других факторов обусловлено их влиянием на K_ист. и .

Рассмотрим роль основных химических элементов в обрабатываемости конструкционных и инструменталь­ных сталей.

При обработке материалов с весьма малым содержа­нием углерода (сталь 08, армко-железо) трудно обеспечить высокое качество обработанной поверхности. Оптимальным с точки зрения периода стойкости инстру­мента считают содержание углерода 0,10...0,20 %. При его повышении до 0,20...0,30 % и более наблюдается заметное снижение стойкости, обусловленное появлением в микроструктуре абразивных частиц цементита. Улуч­шить обрабатываемость можно путем изменения микро­структуры.

В легированных сталях влияние углерода более сложное, поскольку связано с образованием карбидов различного состава, их размерами, твердостью и т. д.

Наличие в стали марганца упрочняет феррит, снижает пластичность стали. При сочетаниях С < 0,20 % и Мn < 1,5 % заметно улучшается процесс резания. При высоком содержании марганца (свыше 10 %) сталь при­обретает склонность к наклепу под действием сил реза­ния, вследствие чего резко возрастает прочность, снижается пластичность поверхностного слоя детали, по границам зерен образуются железомарганцовистые кар­биды, а аустенит частично переходит в мартенсит. Обра­батываемость в этом случае чрезвычайно низкая. Повы­сить ее можно при нагреве заготовок до температуры 400...600 °С, когда снимаются вредные последствия наклепа. При наличии в стали некоторого содержания серы в ней образуются сульфиды марганца, играющие роль граничной смазки на поверхностях трения.

Фосфор, сера, свинец используются как присадки, улучшающие обрабатываемость.

Содержание кремния во всех случаях ухудшает обрабатываемость сталей вследствие образования сили­катных абразивных включений.

Наличие молибдена, ванадия, хрома, воль­фрама повышает прочность и вязкость сталей, ухудшая их обрабатываемость. Эти элементы образуют твердые растворы с железом и карбиды различного состава и твердости. Как следствие, возрастает истирающая способность материала. Хром, способствуя коагуляции карбидных частиц при отпуске, значительно снижает теплопроводность материала. Кобальт, наоборот, замед­ляет коагуляцию карбидов, повышая теплопроводность. Он несколько снижает прочность и вязкость стали, образуя твердый раствор с железом. Присутствие никеля в твердом растворе способствует его упрочнению, однако снижает обрабатываемость сталей.

Таким образом, обрабатываемость сталей ухудшается с увеличением содержания углерода и легирующих элементов, поскольку в этом случае увеличиваются K_ист и . В настоящее время принята классификация сталей по обрабатываемости резанием, приведенная в табл. 11.1 (коэффициент К_М характеризует снижение уровня скорос­тей резания V_T).

В производственных условиях важно увязывать обра­батываемость материалов с их прочностью и твердостью. В общем случае существует связь между VT и механи­ческими свойствами металлов. Однако никакое из меха­нических свойств не оказывает самостоятельного влияния на относительный уровень скорости резания, поскольку интенсивность изнашивания режущих инструментов не зависит непосредственно от временного сопротивления, твердости, относительного удлинения и т. д.

Каждому из этих механических свойств присущ вполне определен­ный физический смысл, который не дает оснований связывать их со стойкостью инструмента.

Связь между этими показателями и V_T существует лишь постольку, поскольку они связаны с основными фактора­ми, обусловливающими интенсивность изнашивания режущих инструментов, а именно истирающей способ­ностью обрабатываемого материала и температурой реза­ния, возникающими при снятии стружки. В частности, увеличение прочности и твердости уменьшает скорость V_T, поскольку такому изменению механических свойств сопутствует увеличение истирающей способности и темпе­ратуры резания. Увеличение вязкости и пластичности обрабатываемого материала снижает истирающую спо­собность, что позволяет повысить скорость V_T.

В практике часто пользуются следующими прибли­зительными зависимостями между V_T и механическими свойствами металлов:

где n_v — показатель интенсивности влияния НВ и времен­ного сопротивления σ_в на V_T.

Наряду с химическим составом, на истирающую спо­собность материала влияет его микроструктура. Наименьшей истирающей способностью обладает феррит, небольшой коэффициент K_ист имеет аустенит; истирающая способность перлита зависит от формы цементита; у плас­тинчатого перлита она больше, чем у зернистого, зернис­того — тем меньше, чем меньше зерна цементита; у высо­колегированных сталей истирающая способность значительно увеличивается, если карбиды расположены в виде скоплений или сетки.

Наибольшая V_T достигается при резании феррита, а затем по мере усиления интенсивности затупления инструментов идут зернистый и пластинчатый перлит, сорбит, троостит.

Однако в тех или иных технологических ситуациях используются различные показатели обрабатываемости. Подробная информация о влиянии микроструктуры на эти показатели приведена в табл. 11.2.

При обработке деталей на автоматизированном оборудовании серьезное внимание уделяется благоприят­ному стружкообразованию и обеспечению требуемой шероховатости обработанной поверхности. Решающее влияние на последнюю оказывает микроструктура: если она состоит из зернистого перлита, сорбита и троосто-сорбита — зона максимальных микронеровностей сме­щается в зону меньших скоростей по сравнению с обра­боткой пластинчатого перлита; высота микронеровностей тем больше, чем больше содержание в структуре сталей свободного феррита; повышение содержания углерода и легирующих элементов способствует уменьшению шероховатости, что наблюдается также по мере увеличе­ния размера зерна перлита. Значительная высота микро­неровностей наблюдается при мелком зерне перлита и высоком содержании свободного феррита, а наилуч­шая — при структурах троостосорбита и сорбита с высо­кой твердостью. Оценить влияние структуры на шерохо­ватость с учетом характера обработки и группы сталей можно по табл. 11.3.