3.4. Влияние химического состава на технологические свойства сталей

В процессе изготовления одно и то же изделие, например шлицевой вал, может последовательно проходить несколько стадий обработки. Например, из отливки или проката круглого сечения изготавливается поковка вала; на токарном станке ей придают требуемые размеры и нарезают резьбу для крепления шкива; фрезерованием изготавливают шлицы и шпоночные канавки (в местах посадки зубчатых колёс и шкива); термической обработкой прочность, твёрдость и износостойкость металла доводят до необходимого уровня; шлифовкой обеспечивают требуемую чистоту поверхностей в местах соединения с другими деталями. Технологические операции должны выполняться в определённой последовательности: штамповка следует после литья или прокатки, термообработка - после завершения механической обработки, но перед шлифованием и так далее, поэтому в машиностроении существует понятие маршрутной технологии.

Под маршрутной технологиейпонимается [4] совокупность и последовательность различных схем и конкретных способов обработки при изготовлении заданного объекта (изделия). Назначение конкретной маршрутной технологии всегда тесно связано с используемым материалом, конструкцией детали, комплексом свойств готового изделия, необходимых для обеспечения его надёжности, работоспособности и требуемой долговечности в условиях эксплуатации, с технико-экономическими показателями изготовления и эксплуатации изделия.

При назначении технологии изготовления отдельно взятой детали из конкретного материала разработчиков будет интересовать весь комплекс технологических свойств: литейные свойства, способность к пластической деформации (прокатываемость, ковкость, штампуемость), свариваемость, обрабатываемость резанием или физико-химическими способами, возможность формирования свойств методами термической или химико-термической обработки по определённой схеме.

Часть операций маршрутной технологии будет проходить в области жидкофазной металлургии, включающей выплавку стали (сплава) разными способами (в мартенах, конверторах, в электрических печах), разливку (в изложницы или непрерывным способом в электромагнитный кристаллизатор), получение заготовок методами литья (в одноразовые или многоразовые формы, под давлением, по выплавляемым моделям). И хотя формирование потребительских свойств изделия, несомненно, начинается на этих первых этапах обработки, исследование этой части технологических свойств не является целью настоящей работы.

Другая часть операций маршрутной технологии связана с обработкой твёрдого металла. В эту группу операций входят различные виды обработки по формообразованию детали: ковка и штамповка, механическая обработка на токарных, фрезерных, строгальных, расточных и сверлильных станках, а также сварка.

Рассмотрим влияние химического состава стали на технологию механической обработки и сварки подробнее.

3.4.1. Влияние химического состава стали на обрабатываемость резанием

При прочих равных условиях обрабатываемость металлических заготовок лезвийным инструментом существенно зависит от твёрдости обрабатываемого металла и стойкости инструмента. Твёрдость непосредственно связана с химическим составом (содержание углерода и степень легирования), а также с состоянием структуры металла после термической обработки. Стойкость инструмента зависит от скорости резания, которая, в свою очередь, определяет время, точность обработки и чистоту обрабатываемой поверхности. Если показатель твёрдости металла принять в качестве исходного параметра, выбираемого при проектировании металлической конструкции в соответствии с задачами эксплуатации (надёжность, долговечность изделия), то стойкость инструмента является технико-экономической категорией, определяющей, в конечном счёте, эффективность производства изделий на конкретном промышленном предприятии по заданной маршрутной технологии.

Для изготовления инструментов могут применяться разные материалы [8, 9]: углеродистыеинструментальные стали,легированные инструментальные стали,быстрорежущие стали,твёрдые сплавы,минералокерамика,сверхтвёрдые материалы. Назначение, область применения каждого конкретного материала определяются набором механических свойств, показателями теплостойкости (для противодействия теплу, выделяющемуся в процессе резания), сложностью получения и стоимостью. Таким образом, подбирая материал резца для обработки конкретной детали каждый раз необходимо производить технико-экономическую оценку технологии обработки.

Углеродистые инструментальные стали(ГОСТ 1435-99) – 8 марок качественных (от У7 до У13) и 8 марок высококачественных (от У7А до У13А). После термической обработки могут иметь твёрдостьHRC56…64; обладают невысокой теплостойкостью (200-250^оС), поэтому в качестве режущего инструмента могут применяться только при обработке низкопрочных материалов с небольшими скоростями резания (V<10 м/мин). Эти стали преимущественно используются для изготовления мерительного инструмента (штангенциркули, пробки, скобы и др.), а также инструмента для ручных работ (зубила для рубки металла, плашки и метчики для нарезания резьбы, развёртки, ножовочные полотна и др.).

Легированные инструментальные стали(ГОСТ 5950-2000) за счёт введения легирующих элементов (вольфрам, хром, ванадий и др.) имеют теплостойкость до 300^оС, что позволяет проводить обработку при скорости резанияV<15 м/мин. Наиболее распространённые марки сталей этой группы (9ХС, ХВГ, Х6ВФ, В2Ф) так же, как и углеродистые инструментальные, применяются для изготовления плашек, метчиков, ручных развёрток, ножовочных полотен, свёрл малого диаметра и т.п.

Быстрорежущие стали(ГОСТ 19265-73) за счёт легирования вольфрамом (6-18%), кобальтом, молибденом, ванадием и термической обработки имеют более высокую твёрдость (HRC62…69), теплостойкость (620-720^оС) и могут применяться для обработки на больших скоростях резания (V=30-55 м/мин). Являются основным материалом для изготовления режущего инструмента. Вольфрам и кобальт являются дефицитными и дорогими материалами, поэтому их содержание при составлении композиции стараются ограничить, заменить молибденом или другим элементом.

По теплостойкости быстрорежущие стали делят на группы умеренной,повышеннойивысокойтеплостойкости.

Стали умеренной(620-630^оС) теплостойкости (Р9, Р12, Р18, Р6М5, Р6М3, 10Р6М3 и др.) составляют 75-80% общего производства быстрорежущих сталей и предназначены для обработки конструкционных материалов при значениях прочностиσ_В≤ 900-1000 МПа (цифра после букв в маркировке стали означает содержание элемента в %).

Стали повышенной(630-650^оС) теплостойкости за счёт легирования кобальтом и ванадием (Р9К5, Р9К10, Р9М4К8, Р6М5К5, Р12М3Ф2К8 и др.) применяются для обработки труднообрабатываемых титановых сплавов, жаропрочных, нержавеющих и других сталей с пределом прочности σ_В ≥1000 МПа.

Дисперсионно-твердеющие (В11М7К23, В18М7К25, В14М7К25 и др.) стали высокой теплостойкости (700-730^оС) имеют твёрдостьHRC 68-69 и применяются при обработке высокопрочных труднообрабатываемых материалов.

К группе быстрорежущих сталей также относятся материалы нового поколения – карбидостали(Р6М5-КТ20, Р6М5К5-КТ20), изготавливаемые методами порошковой металлургии. Они сочетают твёрдость и износостойкость твёрдых сплавов с прочностью и вязкостью легированных сталей и по свойствам занимают промежуточное положение между быстрорежущими сталями и твёрдыми сплавами. Они характеризуются [9] следующими свойствами: плотность - 7,1 г/см³; твёрдостьHRC70-72 (HRA87-89); прочность на изгиб - 2000-2500 МПа, теплостойкость 650-690^оС; ударная вязкость - 80-120Дж/м².

Режущий инструмент из карбидосталей рекомендуется применять для обработки труднообрабатываемых сплавов типа ЖС6КП, ЭИ 867 и др.

Твёрдые сплавыизготавливаются методами порошковой металлургии; основными компонентами композиций являются карбиды вольфрамаWC, титанаTiCи танталаTaC, в качестве связующего вещества используется кобальт, реже – никель или молибден. Подготовленная смесь спекается при температуре около 1400^оС. Режущие пластинки из твёрдых сплавов обладают высокой твёрдостью (доHRA92), теплостойкостью (до 900^оС) и износостойкостью, что позволяет производить обработку при высоких скоростях резания.

Для оснащения режущего инструмента (резцы, фрезы, свёрла) применяются пластинки, изготовленные из твёрдого сплава: однокарбидного(ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10),двухкарбидного(Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10),трёхкарбидного(ТТ17К12, ТТ20К9) ибезвольфрамовоготвёрдого сплава на основе карбидов и карбонитридов титана (КНТ16, ТН20, ТН30).

В маркировке твёрдых сплавов первой группы цифра после буквы "К" означает содержание кобальта, остальное – карбид вольфрама, в %; в сплавах второй группы цифра после буквы "Т" означает содержание карбида титана, после "К" – содержание кобальта, остальное – карбид вольфрама, в %; в сплавах третьей группы цифра после букв "ТТ" означает суммарное содержание карбидов тантала и титана, после "К" – содержание кобальта, остальное – карбид вольфрама, в %.

Однокарбидные сплавы рекомендуется применять для черновой и чистовой обработки непластичных сплавов: чугуна, цветных металлов и сплавов, стеклопластика и т.п. Двухкарбидные сплавы обладают большей твёрдостью и хрупкостью, находят применение для получистовой и чистовой обработки материалов с высокой твёрдостью. Трёхкарбидные сплавы хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и вибрациям, поэтому их рекомендуется применять для черновой обработки при наличии ударов и вибраций (строгание, фрезерование). Сплавы последней группы предпочтительно применять для получистовой и чистовой обработки конструкционных и малолегированных сталей, чугунов, а также некоторых разновидностей цветных металлов.

Для оснащения лезвийного инструмента режущие элементы из твёрдых сплавов обычно изготавливаются в виде сменных круглых и многогранных пластин (СМП), имеющих от 3 до 5 режущих граней; пластины закрепляются на резцах и фрезах при помощи болтов и гаек. Режущие свойства пластин дополнительно повышаются за счёт нанесения тонкого (5-15 мкм) слоя покрытия, состоящего из карбидов, нитридов, боридов и силицидов тугоплавких металлов (чаще всего – титана). В результате применения пластин с такими покрытиями силы резания (особенно при обработке чугуна) уменьшаются на 15-20%, температура в зоне обработки снижается на 20-25%, скорость резания повышается на 25-30%, стойкость инструмента повышается в 2-3 раза.

Минералокерамикаобладает высокой твёрдостью (HRA92-94), теплостойкостью (до 1200^оС) и износостойкостью. Для изготовления режущих инструментов чаще всего применяется оксидная керамика (содержит более 90%Al₂O₃), оксикарбидная и оксинитридная, а также керамика на основе нитрида кремния. Многогранные пластины минералокерамики закрепляются на инструменте аналогично пластинам твёрдого сплава, применяются для получистовой и чистовой (вместо шлифования) обработки сталей и сплавов высокой твёрдости, в том числе в закалённом состоянии (доHRС 70).

В качестве сверхтвёрдых материаловдля оснащения режущих инструментов применяютсясинтетические алмазыв виде порошков, монокристаллов, поликристаллов (ГОСТ 9206-80) и композиционных материалов. Они являются самыми твёрдыми материалами, обладают высокой износостойкостью, хорошей теплопроводностью, малым коэффициентом трения и малой адгезионной способностью к металлам (за исключением железоуглеродистых сплавов). К недостаткам алмазных инструментов следует отнести сравнительно низкую теплостойкость (800^оС) и высокую хрупкость, что требует применения станков с высокой жесткостью и виброустойчивостью. Алмазные инструменты успешно применяются для обработки титановых сплавов, высококремнистых алюминиевых сплавов, стеклопластиков, минералокерамики, композиционных материалов и так далее и обеспечивают получение высокой точности и чистоты обрабатываемых поверхностей.

Таким образом, выбирая материал (сталь, сплав) для изготовления конкретной детали или конструкции, необходимо исходя из условий высокой надёжности и долговечности в эксплуатации задать значение твёрдости (обеспечиваемой соответствующей термической обработкой) и подобрать режущий инструмент для механической обработки.

Для учёта состояния обрабатываемого металла и параметров обработки в первом приближении [4] можно использовать формулу

(3.1)

где Т– стойкость резца, продолжительность его работы до переточки, мин;

С_V– коэффициент, зависящий от параметров качества инструментального и обрабатываемого материала при закреплённых режимах резания и геометрических параметрах режущей части инструмента;

V– скорость резания, м/мин;

m– показатель, характеризующий интенсивность влияния стойкости инструмента на скорость резания. Для резцов из быстрорежущей сталиmизменяется от 0,1 при обработке серого чугуна до 0,125 при обработки стали и стального литья; для резцов из твёрдых сплавовm=0,2-0,3; для резцов из минералокерамикиm=0,3-0,4. Ввиду малости числовых значенийmнезначительное изменение скорости резанияVприводит к резкому изменению стойкости резцаТв большую или меньшую сторону.

Для сравнения обрабатываемости разных сталей резанием (табл. 3.1) в качестве эталонныхобычно принимают следующие условия:эталонный материал– сталь 45 с характеристиками σ_В = 638 МПа иHB179,скорость резанияпринимаетсяV=1, время обработкиT= 60 мин. Тогда для любого другого материала и другой скорости резания стойкость резца составит

;. (3.2)

Сводная информация по значениям Тпри обработке заготовок из разных марок сталей резцами, оснащёнными пластинками из быстрорежущих сталей и твёрдых сплавов, приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1