21.2. Особенности резания жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов

По своим физико-механическим свойствам жаропроч­ные, жаростойкие и нержавеющие стали и сплавы имеют много общего, что обусловливает их технологические качества. В зависимости от химического состава и с целью обеспечения удовлетворительной обрабатываемости реза­нием труднообрабатываемые стали и сплавы имеют раз­личную структуру: ферритную, мартенситно-ферритную, аустенитную и аустенитно-мартенситную. В связи с этим стали подразделяются на классы (табл. 11.7). Например, жаропрочные и жаростойкие стали чаще всего относятся к аустенитному классу. Структура таких сталей представ­ляет твердый раствор аустенита с гранецентрированной кристаллической решеткой. Кроме того, большая часть деформируемых жаропрочных сплавов относится к типу дисперсионно-твердеющих. Высокая дисперсность струк­туры повышает сопротивление ползучести сплавов и препятствует возникновению и развитию процессов скольжения.

Худшая обрабатываемость жаропрочных и нержавею­щих сталей и сплавов по сравнению со сталью 45 опреде­ляется их физико-механическими характеристиками, хи­мическими свойствами, структурой, теплофизическими показателями. Рассмотрим некоторые свойства жаропрочных и нержавеющих материалов, затрудняющие их механическую обработку.

К таким свойствам относятся следующие.

1. Высокое упрочнение материала в процессе его деформирования резанием. Жаропрочные и нержавеющие стали чаще всего относятся к сталям аустенитного класса, имеющим кристаллиты с гранецентрированной кристаллической решеткой. Поэтому сплавы аустенитного класса характеризуются низким пределом текучести при том же временном сопротивлении, т. е. они весьма пластич­ны. Чем более пластичен материал, и тем большие работу и силы резания надо затратить на снятие одного и того же объема такого материала.

Исследования микротвердости корней стружки пока­зали, что при точении стали Х18Н10Т она примерно в два раза больше, чем у недеформированного металла; относительное упрочнение для сплавов IV и V групп составляет 50...60 %, что значительно ниже этих же значений при обработке конструкционных материалов.

2. Жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы имеют низкую теплопроводность по сравнению с конструк­ционными материалами (табл. 11.8).

При их обработке выделяется значительное количество теплоты, резко возрастает уровень температур в зоне резания. Это способствует активизации адгезионных и диффузионных процессов, интенсифици­рует изнашивание рабочих поверхностей инструментов, снижает уровень V_T. Как следствие, использование твердых сплавов в качестве инструмен­тального материала не всегда возможно, а применение быстрорежущих инструментов оправдано лишь при малых скоростях резания. При увеличении скорости температура резания превышает предел теплостойкости инструмен­тального материала и инструмент быстро выходит из строя. Повышению производительности обработки указан­ных материалов и уровня стойкости инструмента способ­ствует применение соответствующе подобранных СОЖ.

3. Способность рассматриваемых материалов сохра­нять исходную прочность и твердость при повышенных температурах приводит к тому, что в процессе резания инструмент испытывает высокие удельные нагрузки. Весьма слабое разупрочнение жаро­прочных и нержавеющих материалов при нагреве до высоких температур приводит к тому, что на передней поверхности режущего инструмента действуют высокие удельные нагрузки (до 5000...9000 МПа), соответствую­щие нагрузкам, возникающим при обработке закаленных конструкционных сталей с 61...65 HRC3. Этому обсто­ятельству способствуют значительно более высокие по сравнению с конструкционными сталями коэффициенты трения на контактных площадках, обусловленные интен­сивным адгезионным взаимодействием. Высокое химиче­ское сродство обрабатываемого и инструментального материалов вызывает их схватывание и даже разрушение контактных площадок. Наибольшую способность к адге-зии имеют металлы, обладающие повышенной пластич­ностью, с атомными диаметрами, различающимися не более чем на 15...18 % (например, железо—хром, железо—медь).

4. Большая истирающая способность жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов обусловлена наличием в них, кроме фазы твердого раствора, еще и второй фазы, когда образуются интерметаллидные или карбидные включения. Последние, подобно абразиву, истирают инструмент, вызывая ускоренное изнашивание его кромок. В процессе пластической деформации жаропрочных и нержавеющих материалов происходит выделение карби­дов, твердость которых приближается к твердости твердых сплавов групп ВК и ТК. Вследствие этого резко возрастает истирающая способность жаропрочных и особенно литых на никелевой основе сплавов. Им присущи значительная разнозернистость и неравномерность выделения карбидов и интерметаллидной фазы после их ковки, прокатки и особенно литья. Наличие таких зон приводит к резкому возрастанию сил резания и температуры, что в значитель­ной степени сказывается на затуплении и разрушении режущих кромок инструмента.

При обработке сплавов предъявляются особые требо­вания к прочностным характеристикам и износостойкости режущего инструмента. Рабочие поверхности его лезвий должны быть тщательно доведены и подвергнуты спе­циальной химической обработке с целью образования на них прочных пленок, снижающих коэффициент трения.

5. Пониженная виброустойчивость при резании нержа­веющих и жаропрочных материалов обусловлена их высо­кой упрочняемостью при неравномерной пластичной деформации. Возникновение вибраций приводит к микро-и макровыкрашиванию режущих кромок инструментов. Эти явления усиливаются из-за наличия схватывания сходящей стружки с передней поверхностью.

Учитывая рассмотренные особенности, физическую сущность процесса резания нержавеющих и жаропрочных материалов можно свести к следующему: вначале инструмент врезается в неупрочненный металл и под его воздействием происходит пластическая деформация слоя металла, сопровождаемая поглощением прикладываемой извне энергии. Срезаемый слой металла при этом упрочняется и становится хрупким, а затем происходит сдвиг и образование элемента стружки. Ввиду малой теплопроводности обрабатываемого материала теплота резания концентрируется в зоне снятия стружки и спо­собствует активизации процессов адгезии и диффузии, вызывая тем самым разрушение режущих кромок инстру­мента. Указанные явления наряду с повышенными абра­зивными и механическими свойствами нержавеющих и жаропрочных материалов при высокой температуре, а также переменное воздействие этих факторов, обуслов­ленное вибрациями, интенсифицируют процесс изнашива­ния режущих инструментов.

Указанные особенности жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов резко ухудшают их обрабатываемость резанием по сравнению с обычными конструкционными сталями и чугунами. Скорость резания с повышением

жаропрочности труднообрабатываемых сталей и сплавов снижается до 10…20 раз по сравнению с обработкой обычной конструкционной стали 45 (см. табл. 11.7). При этом в 1,5—2,5 раза возрастают силы резания, что является причиной более высоких температур в зоне реза­ния, а также небольших периодов стойкости режущего инструмента.

При повышении уровня легирования рассматриваемых материалов их обрабатываемость резко ухудшается. Если скорость резания при обработке нержавеющей стали 20X13 твердосплавным и быстрорежущим инстру­ментами соответственно не превышает 150 и 30 м/мин, скорость резания при обработке сплава ЖС6К. на никеле­вой основе твердосплавным инструментом не больше 10...20 м/мин, а быстрорежущим 0,5...1 м/мин.

Для повышения обрабатываемости этих сплавов используется предварительная термообработка загото­вок — отжиг или отпуск, в результате чего из твердого раствора выделяются вторичные фазы и уменьшается интенсивность упрочнения материалов.

Весьма эффективно также использование технологи­ческих сред (табл. 11.9, 11.10).

Правильный выбор СОТС может повысить период стойкости инструмента в 1,5—3 ра­за, снижает высоту микронеровностей до 1,5 раза.

Преобладающим видом изнашивания инструментов при обработке сталей и сплавов IV и V групп является адгезионно-усталостное. В этом случае необходимо приме­нять СОТС с повышенной смазывающей способностью. При обработке сплавов VI группы преобладает абразивное изнашивание и, как следствие, часто применяются более дешевые и гигиенические водные СОТС.