Влияние различных факторов на обрабатываемость

Обрабатываемость высокопрочных сталей и сплавов

Обрабатываемость материалов как технологическое свойство определяется химическим составом и структурным состоянием материала. От химического состава зависят механические и теплофизические свойства материала, поэтому они тоже оказывают влияние на обрабатываемость. К ним относятся прочность, пластичность, вязкость, твердость, теплопроводность, удельная вязкость и др. Обрабатываемость зависит от изнашивающего действия, которое материал заготовки оказывает на контактные поверхности инструмента. Режим трения на контактных поверхностях зависит от толщины срезаемого слоя, скорости и температуры трения, а сопротивление изнашиванию зависит от свойств инструментального материала.

Поэтому коэффициенты обрабатываемости К₀ для одного и того же материала заготовки будут разными не только при различных видах обработки (точении, сверлении, фрезеровании и т. д.), но и при обработке этого материала инструментом, изготовленным из разных инструментальных материалов (быстрорежущие стали, твердые сплавы и т. д.).

Применяемые в машиностроении стали и сплавы с особыми физико-механическими свойствами подразделяют на следующие группы:

• • коррозионно-стойкие (нержавеющие) хромистые ферритно-мартенситные стали 1X13, 2X13, 3X13, содержащие 0,05—0,45% углерода, 13% хрома, и ферритные стали XI7, Х25. Хорошо сопротивляются электрохимической коррозии при температуре 600 °C и имеют следующие механические свойства: предел прочности при растяжении сг_в = 500—650 МПа; твердость по Бринеллю 150—160 НВ;
• • жаростойкие хромоникелевые стали аустенитного класса 1Х18Н9Т, 1Х18Н9. Имеют хорошую сопротивляемость химическим разрушениям поверхности в газовых средах при Т= 560−1200°С, работают в нагретом и слабо нагретом состоянии, обладают следующими механическими свойствами: ст_в = 500−650 МПа; 140−160 НВ;
• • жаропрочные хромоникелевые аустенитные стали, определенное время работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах, деформируемые (Х18Н9Т, ХН78Т, ХН70Ю и др.) и литые сложнолегированные сплавы на никелевой основе (ЖС6, ВЖЛ1, ВЖЛ1, ВЖЛ1-ВИ и др.);
• • износостойкие маломагнитные высокомарганцовистые аустенитные стали Г13, 45Г17ЮЗ.

Все эти факторы связаны с физико-механическими свойствами обрабатываемых материалов, а следовательно, с их химическим составом и структурой.

Ферритомартенситные коррозионностойкие стали обрабатываются так же успешно, как и обычные низкоуглеродистые стали. Значительно сложнее положение с аустенитными и особенно жаропрочными сложнолегированными сталями и сплавами на никелевой и кобальтовой основе.

Необходимо отметить существенное влияние титана на обрабатываемость стали: даже небольшие присадки его (0,35% Ti) к хромистой стали значительно повышают ее вязкость, в результате чего усиливается склонность стружки к схватыванию с резцом. Если количество титана в 5 раз превышает содержание углерода, образуется соединение титана с никелем, способствующее упрочнению сплава и тем самым ухудшению обрабатываемости. Твердые интерметаллидные включения и карбиды образуются также при некоторых соотношениях легирующих элементов и углерода в сталях и сплавах [6].

Кроме того, термической и термомеханической обработкой, в результате которой повышается плотность дислокаций, уменьшается величина зерна, создается вторая интерметаллидная фаза. Термомеханическая обработка некоторых сплавов (например, Ni—Сг—Мо) вызывает появление концентрационных неоднородностей, повышающих сопротивление деформации, нарушающих стабильность физико-механических свойств и тем самым затрудняющих обрабатываемость.

Сильная склонность к упрочнению (наклепу) имеет очень большое значение для оценки обрабатываемости металла резанием. Механизм упрочнения достаточно сложен и обычно объясняется взаимодействием изъянов, т. е. 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 числом плоскостей скольжения по сравнению с кубической объемноцентрированной решеткой феррита, поэтому упрочнение аустенита в большей степени.

Склонностью к высокому упрочнению отличаются марганцовистые аустенитные стали, железоникелевые титановые, хромоникелемолибденовые стали.

Существенным для оценки обрабатываемости резанием являются такие физические свойства металлов, как теплопроводность и удлинение их в результате нагрева в процессе резания. Аустенитные стали по сравнению с конструкционными обладают втрое меньшей теплопроводностью и почти вдвое большим относительным удлинением. Соответственно жаропрочные сплавы имеют теплопроводность в 4 раза, а титановые — в 10 раз меньшую по сравнению с нелегированными сталями. Низкая теплопроводность обрабатываемого материала приводит к высокой температуре резания, что снижает стойкость и увеличивает деформацию режущего инструмента и обрабатываемой заготовки.

Нестабильность физико-механических свойств обрабатываемых металлов одних и тех же марок наблюдается тем больше, чем сложнее их состав. Это связано с технологией получения заготовок, т. е. процессом их плавления, содержанием обогатительных присадочных элементов, степенью раскисления, режимом тепловой и механической обработки. Особо вредной является структурная неоднородность металла, вызванная ликвацией при остывании слитков.

Обрабатываемость аустенитных сталей может быть улучшена добавками серы, фосфора, селена. Присаженные в небольшом количестве селен вместе с серой образуют с расплавленным металлом тугоплавкие селениды, имеющие невысокую твердость и лишенные абразивных свойств. Они снижают трение в процессе резания и уменьшают склонность стали к задирам.

Ввиду большой склонности к наклепу рекомендуется в процессе обработки жаропрочных сталей не прекращать резания и избегать ручной подачи, применять острозаточенные режущие инструменты. Особое внимание необходимо уделять выбору оптимальной геометрии и материала режущей части инструмента. Для наиболее вязких жаропрочных сталей на основе тантала и ниобия рекомендуется использовать быстрорежущие вольфрамомолибденовые режущие инструменты со скоростью резания 20—15 м/мин, подачей 0,12—0,175 мм/об и передними углами у = 2(Н30°. Для более хрупких материалов на базе молибдена и вольфрама при точении и торцовом фрезеровании желательны твердые сплавы; при этом для сталей на основе молибдена у = 154−20°, для сталей на основе вольфрама у ~ 5°.

Соответственно рекомендуются умеренные скорости резания и малые подачи.

В табл. 8.1 приведены данные об относительной обрабатываемости ряда сталей и сплавов, применяемых в машиностроении [6].

Таблица 8.1

Относительная обрабатываемость сталей и сплавов.

Для удобства оценки обрабатываемости при расчете режимов резания все материалы подразделяют на отдельные группы с приблизительно одинаковыми свойствами, кроме механических характеристик. В пределах каждой группы коэффициент обрабатываемости в основном определяется пределом прочности при растяжении ст_п или твердостью по Бринеллю. В настоящее время для повышения производительности применяются режущие инструменты, которые работают с высокой скоростью и обрабатывают материалы, трудно поддающиеся механической обработке (коррозионнои жаростойкие, жаропрочные стали и сплавы). При обработке таких материалов в зоне резания возникают высокие температуры (1000—1200°С), поэтому необходимо, чтобы режущие инструменты имели достаточную стойкость при работе в условиях таких температур. Стойкость режущего инструмента представляет собой явление, родственное жаропрочности: стойкость также связана с сопротивляемостью диффузионному переносу атомов инструментального материала в стружку и обратно.

Жаропрочными называются материалы, способные работать в напряженном состоянии в газовых средах при высоких температурах без химического разрушения, обладающие высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах. Потеря прочности, приводящая к пластической деформации (так называемая ползучесть), в этом случае связана в основном с явлением самодиффузии металла — перемещением атомов в кристаллической решетке фаз, составляющих данный сплав, т. е. с диффузионными перемещениями атомов сплава. Интенсивность этих перемещений усиливается с повышением температуры и увеличением длительности действия сил. При достижении определенной частоты и интенсивности указанных перемещений на сдвиговой механизм пластичности деформации накладывается диффузионный механизм, что приводит к огрублению структуры и разупрочнению сплавов. В связи с этим наступает ползучесть (способность металла течь, хотя нагрузки значительно ниже тех, при которых начинается течение при кратковременной нагрузке и комнатной температуре).

Повышение жаропрочности материалов сплавов и стати связано с применением компонентов, обладающих меньшей подвижностью атомов при определенных температурах, а это связано с малым коэффициентом самодиффузии. Известно, что коэффициент диффузии уменьшается с увеличением энергии активации (теплоты разрыхления) вещества, что вытекает из зависимости.

где D — коэффициент диффузии, см²/с; D₀ — постоянная; е — основание натурального логарифма; Е — энергия активации, Дж; Г — абсолютная температура, К; R — газовая постоянная;

где Р — давление газа; V — объем газа; Т — температура газа, К;

где t — температура по шкале Цельсия.

Исследования Т. Н. Лоладзе, Н. Ф. Казанова показали, что объемное изнашивание по передней поверхности ржущего инструмента W_o6 зависит от диффузии материала режущей части инструмента и может быть представлено зависимостью

где С — постоянная.

Расчет показывает, что небольшое увеличение энергии активации, например на 10%, приводит к уменьшению объемного изнашивания примерно в 2 раза.

Повышение стойкости режущего инструмента обеспечивается включением химических элементов с большой энергией активации, таких же, как в жаропрочных сплавах. Отсюда следует, что проблема повышения прочности режущего инструмента при обработке современных жаропрочных материалов не может быть решена применением БРС, так как наиболее распространенные марки Р9, Р18 содержат 9—18% вольфрама, а сталь Р24 — 24%. Термическая обработка режущего инструмента из БРС не решает вопрос, так как твердость жаропрочных материалов на никелевой основе достигает более 300 НВ, а твердость режущего инструмента из БРС — 500−000 IIB, и это значение снижается при температуре более 400—500°С, что не позволяет работать с повышенной скоростью.

Легирующие элементы в конструкционно-углеродистых и инструментальных сталях влияют на их обрабатываемость ввиду способности таких элементов растворяться в феррите или образовывать карбиды. Элементы, растворяющиеся в феррите, повышают его вязкость и ухудшают обрабатываемость. Добавка карбидообразных элементов до определенного предела (в конструкционные, углеродистые, инструментальные стали) обрабатываемость стали существенно не меняет.

Холоднокатаная сталь при содержании углерода менее 0,3% обрабатывается лучше, чем горячекатаная, и наоборот при содержании углерода в пределах 0,3—0,4%. Большое влияние па обрабатываемость стали оказывают термообработка и структура после закалки, отпуска, отжига. Наилучшей обрабатываемостью обладает перлит, но его обрабатываемость зависит от формы цементита: зернистый перлит (мелкий жарообразующий цементит) лучше обрабатывается; истирающие способности стали ниже, чем у пластинчатого перлита, но пластинчатый перлит дает меньшую шероховатость поверхности.

Более низкую обрабатываемость имеют сорбитообразующий перлит, сорбит (групповая механическая смесь «феррит + цементит»), тростит, мартенсит. На обрабатываемость оказывает влияние размер зерна: крупнозернистая сталь на ферритной основе обрабатывается лучше, чем мелкозернистая.

Легирующие элементы, затрудняя коагуляцию карбидов и увеличивая твердость феррита, понижают производительность резания.

Ванадий и кобальт растворяются в феррите, делая его вязким. Хром и молибден, растворяясь в феррите, образуют карбиды. Лучшая структура инструментальных сталей — зернистый перлит с равномерно распределенными мелкими карбидами, которые хорошо обрабатываются.

Жаропрочные стали и сплавы склонны в процессе пластической деформации к структурным превращениям, которые заключаются в переходе аустенита в мартенсит с выделением карбидов интерметаллидов. Наличие сложных карбидов и интерметаллидов в таких сталях и сплавах, отличающихся высокой твердостью, вызывает повышенное абразивное изнашивание контакта поверхностей режущего инструмента. Обрабатываемость аустенитной стали может быть улучшена отжигом и отпуском, в результате чего происходят выделение карбидов из твердого раствора и их коагуляция, снижается истинный предел прочности а_в — истинное сопротивление растяжению в момент возникновения шейки растягиваемого образца, характеризующее как сопротивление материала началу пластической деформации, так и модуль упругости.