Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 4. Быстрорежущие сталиБыстрорежущие стали предназначены для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущая сталь должна обладать высокой горячей твердостью (твердостью в горячем состоянии) и красностойкостью (насколько эта твердость сохраняется во времени), обратимой и необратимой твердостью. Эти свойства необходимы, так как в процессе работы тепло, в основном (на 80 %), концентрируется в инструменте, нагревая его. Очевидно, чем больший нагрев (по температуре и продолжительности) без размягчения может выдержать материал, тем при большей скорости резания он может работать. На рис. 308 приведены кривые, показывающие твердость трех различных сплавов при разных температурах. Твердость углеродистой стали после нагрева до 200 °С начинает быстро падать. Следовательно, для этой стали недопустим режим резания, при котором инструмент нагревался бы выше 200 °С. У быстрорежущей стали высокая твердость сохраняется при нагреве до 500-600 °С. Таким образом, инструмент из быстрорежущей стали более производителен, чем инструмент из углеродистой стали. Более производительным является инструмент из твердого сплава, так как нагрев до 800 °С мало влияет на его твердость. Следует отметить, что твердость в холодном состоянии не определяет режущей способности стали. Как видно из рис. 308, твердость углеродистой стали при нормальной температуре даже выше, чем быстрорежущей, но ее режущие свойства намного ниже. Высокая твердость инструментальной стали необходима во всех случаях, но для быстрорежущего инструмента требуется высокая твердость не только в холодном состоянии, но и при повышенных температурах, по крайней мере, до 600 °С.
Рис. 308. Твердость инструментальных материалов в нагретом состояния: 1 — твердый сплав; 2 — быстрорежущая сталь; 3 — углеродистая сталь
Рис. 309. Прочность и красностойкость инструментальных материалов: 1 — быстрорежущая сталь; 2 — твердый сплав; 3 — минералокерамика Красностойкость определяет, сколь долго такая твердость сохраняется, поскольку при этих рабочих температурах происходят процессы коагуляции карбидов снижающих твердость. Кроме «горячих» свойств от материала для режущего инструмента требуются и высокие механические свойства; под этим подразумевается сопротивление хрупкому разрушению, так как при высокой твердости механизму. Дело в том, что чем выше прочность, тем большее усилие может выдержать рабочая часть инструмента, тем большую подачу и глубину резания можно применить и это увеличивает производительность процесса резания. Оказывается, по прочности разные классы инструментальных сталей располагаются в обратном порядке, чем их расположение по красностойкости (рис. 309) и в отдельных случаях может случиться и так, что инструмент из быстрорежущей стали будет работать производительнее, из-за большего сечения снимаемой стружки, чем инструмент из твердого сплава. Как указывалось, горячая твердость и красностойкость определяются разупрочнением закаленной стали при нагреве необратимым изменением твердости. Высокая твердость мартенсита объясняется растворением углерода в Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы процесс коагуляции карбидов. Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то красностойкость скачкообразно возрастает. Дело в том, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого требуется не только диффузия углерода, но и диффузия легирующих элементов. Практически заметная коагуляция специальных карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия происходит при температурах выше Таким образом, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды и эти карбиды переходят в раствор при закалке. Быстрорежущая сталь и В табл. 48 приведены составы быстрорежущих сталей, вошедших в ГОСТ 19265-73 или технические условия. Таблица 48. (см. скан) Состав основных марок быстрорежущих сталей, % Все быстрорежущие стали обозначаются первой буквой Р (рапид — скорость), следующая цифра содержание вольфрама (буква В — пропускается), затем указывается после букв М, Ф и К содержание молибдена, ванадия и кобальта. В отожженном виде структура сталей (всех марок) состоит из Таблица 49. Состав карбидов в быстрорежущих сталях, %
В зависимости от состава стали, в первую очередь соотношение Сами карбиды делятся по условиям образования на три вида: 1) «эвтектоидные», самые мелкие составляющие основной сорбитный фон; 2) вторичные карбиды, выделившиеся из аустенита после окончания кристаллизации; 3) первичные карбиды, самые крупные, выделившиеся в результате эвтектического превращения Быстрорежущая сталь обычно изготавливается традиционными металлургическими приемами — разливкой в слитки и последующей ковкой и прокаткой, при этом скелетообразная эвтектика Чтобы получить высокую красностойкость необходимо полнее растворить, насытить
Рис. 310. Структура литой быстрорежущей стали, изготовленной по обычной технологии Из рис. 312 видно, что чем выше температура закалки, тем больше в раствор переходит этих элементов и тем выше красностойкость. Отсюда рекомендация нагревать при закалке как можно выше, вплоть до начала оплавления. Теперь от этой рекомендации отказались, так как при таком излишне высоком нагреве происходит рост зерна и ухудшаются механические свойства. В настоящее время рекомендуется нагревать при закалке как можно выше, но не выше начала роста зерна (последнее должно быть не более № 11). В таблице 50 приведены оптимальная температура нагрева под закалку некоторых наиболее распространенных быстрорежущих сталей, состав твердого раствора, красностойкость и количество остаточного аустенита после закалки. Из табл. 50 следует, что несмотря на сильное различие в общем химическом составе, состав твердого раствора очень близок во всех сталях, сумма
Рис. 311. Структуры кованой я отожженной быстрорежущей стали, наготовленной по обычной технологии (в) и методом порошковой металлургии (б) Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали (он повышает красностойкость), но кобальт очень дорогой элемент. Разные марки быстрорежущей стали различаются главным образом по технологическим свойствам, например, плохо шлифуются, если высокий процент ванадия, образуются высокотвердые карбиды Остаточный аустенит — нежелательная структурная составляющая в инструментальных сталях. Он снижает твердость, уменьшает теплопроводность (поэтому при прочих равных условиях режущая кромка инструмента нагревается до более высокой температуры).
Рис. 312. Влияние температуры закалки на состав твердого раствора (сталь Выдержка при температуре закалки, способствуя переводу карбидов в раствор, действует аналогично повышению температуры закалки. Охлаждение при закалке быстрорежущей стали следует производить в масле. В результате медленного охлаждения с высоких температур (например, на воздухе) могут выделиться карбиды, что ухудшает режущие свойства.
Рис. 313. Обычный режим термической обработки Весьма хорошие результаты (в смысле уменьшения закалочной деформации) дает ступенчатое охлаждение. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит производят обработку холодом или отпуск. При обработке холодом продолжается мартенситная реакция и после охлаждения до Таблица 50. (см. скан) Температура закалки, состав у-твердого раствора и красностойкость некоторых быстрорежущих сталей 10 %. Для уменьшения напряжения и отпуска мартенсита и после обработки холодом дается отпуск при 560 °С. Без обработки холодом остаточный аустенит может быть превращен в мартенсит отпуском. Для этого закаленную сталь нагревают до 560 °С, при этом из аустенита выделяются карбиды типа Графики термообработки быстрорежущей стали с обработкой холодом или многократным отпуском приведены на рис. 313 и 314. Исследование структуры хорошо иллюстрирует сказанное изменение в строении. На рис. 315 показана структура стали
Рис. 314. Режим термической обработки инструментов из быстрорежущей стали с обработкой холодом
Рис. 315. Структура На рис. 316 показана структура отпущенной стали. Низкий отпуск против оптимального нагрева не вызвал способности превращения аустенита в мартенсит. На рис. 316, а белые поля — остаточный аустенит; после многократного отпуска остаточного аустенита нет (рис. 316, б). Температурные режимы термической обработки быстрорежущей стали разных марок представлены в табл. 51. Для инструментов некоторых видов применяют низкотемпературное цианирование, которое улучшает их режущие свойства. В этом случае термически обработанный (закаленный и отпущенный) инструмент дополнительно обрабатывают в жидких цианистых солях при 520-580 °С в течение непродолжительного времени.
Рис. 316. Структура В результате такого низкотемпературного цианирования на поверхности инструмента образуется слой, насыщенный азотом и углеродом. Несмотря на небольшую толщину этого слоя (всего несколько микрон), он значительно повышает износоустойчивость инструмента. Часто для той же цели на специальных установках («Булат») инструмент покрывают тонкой золотистой пленкой нитрида титана. Перед термической обработкой быстрорежущая сталь должна быть хорошо отожжена. Обычно проводят изотермический отжиг, так как это ускоряет процесс. В этом случае сталь нагревают до Таблида 51. (см. скан) Температурные режимы термической обработки инструментов из быстрорежущих сталей выдержки охлаждают до 700-750 °С. В этом интервале температур сталь выдерживают до окончания превращения аустенита, которое заканчивается за 1,5-2 ч. Твердость после такой обработки должна составлять 207— 255 НВ. Структура состоит из сорбита с включениями первичных и вторичных карбидов (см. рис. 311). В плохо отожженной быстрорежущей стали после закалки наблюдается особый вид брака: при нормальной твердости и нормальном количестве остаточного аустенита сталь оказывается очень хрупкой, а ее излом — грубозернистый, чешуйчатый, напоминает нафталин (рис. 317). Этот вид брака быстрорежущей стали обычно называется нафталиновым изломом. Качество быстрорежущей стали в значительной степени определяется также степенью ее прокованности. При недостаточной проковке наблюдается так называемая карбидная ликвация (рис. 318), представляющая собой остатки участков ледебурит ной эвтектики, не разбитых ковкой.
Рис. 317. Нафталиновый излом в быстрорежущей стали
Рис. 318. Карбидная ликвации быстрорежущей стали, полученной по обычной технологии (а) и методом порошковой металлургии (б) Чем резче выражена карбидная ликвация, тем ниже качество быстрорежущей стали (понижается стойкость инструмента в работе, увеличивается его хрупкость И т. д.). Разумеется в быстрорежущей стали, изготовленной методами порошковой металлургии, карбидная ликвация отсутствует.
|
1 |
Оглавление
|