CC BY
41
РАЗДЕЛ I
ТРАНСПОРТ.
ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
УДК 621.941.001
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ
В. В. Акимов, П. В. Петунин, А. М. Селищев, Я. В. Алтухов
Аннотация. Производство инструмента из проката является дорогостоящим процессом, поэтому предложен более эффективный способ - заготовки готовить на основе литейной технологии. Затем осуществлять прокатку в трёх ручьях, отжиг, сварку и механическую обработку.
Ключевые слова: инструмент, прокат, отжиг, завивка свёрл.
Введение
Задачи инструментального производства -повышение качества, снижение себестоимости, увеличение выпуска режущего инструмента можно решить рядом мероприятий, в том числе применением прогрессивной технологии. Одним из таких направлений является метод получения инструмента пластической деформации металла без снятия стружки, в котором в полной мере использованы возможности термомеханической обработки с целью повышения режущих и прочностных свойств.
Возрастающий дефицит таких легирующих элементов быстрорежущей стали как вольфрам, кобальт и молибден заставляют изыскивать с одной стороны новые составы быстрорежущих сталей, а с другой стороны разрабатывать новые технологии.
Сверла крупных размеров являются весьма металлоемкими и трудоемкими в изготовлении. На их производство ежегодно расходуются тысячи тонн дорогой, и дефицитной быстрорежущей стали и используется значительный парк специального сложного оборудования. Поэтому новые методы и пути усовершенствования технологии изготовления сверл, направленные на уменьшение расхода стали и снижение трудоемкости их изготовления, имеют первостепенное значения.
Изготовление сверл крупных размеров методом отливки в оболочковые формы дает возможность использовать отходы быстрорежущей стали, но такой инструмент не конкурентоспособен, он имеет существенный недостаток - повышенную хрупкость из-за наличия в структуре ледебуритной эвтектики. Как показала практика, качественно улучшить структуру литой быстрорежущей стали можно путем использования кокилей при отливке заготовок небольшого объ-
ема и в большей степени применением пластической деформации. С учетом этих факторов, основываясь на современных технологических процессах изготовления сверл, был предложен способ производства свёрл, включающий в себя литьё заготовок в кокиль с последующей их прокаткой на стане и завивкой. Такой метод позволит использовать отходы инструментального производства, сократить производственный цикл изготовления свёрл и уменьшить стоимость сверла, снизит расход металла.
Всё это позволит улучшить стойкость свёрл по следующей причине: отливка заготовок в кокиль даст возможность получить мелкозернистую структуру и лецебуритную эвтектику боле тонкого строения; 2-литая структура быстрорежущей стали значительно улучшается в результате горячей обработки давлением при прокатке сверл; 3 - такая технология исключает многократный высокотемпературный нагрев стали, который обычно снижает ее теплостойкость; 4 -остатки литой структуры в готовом сверле не ухудшает его стойкость, а наоборот, повышает ее за счет наибольшей устойчивости литой структуры против истирания.
Современное машиностроение предъявляет жесткие требования к режущему инструменту. Удовлетворить эти требования можно только разрабатывая и внедряя новые марки сталей, совершенствуя технологию литья, режимы пластической деформации, термической и термохимической обработки.
В задачу исследований по данной теме входили такие вопросы:
1. Разработка технологи отливки заготовок для сверл;
2. Определение оптимальных режимов деформации литой быстрорежущей стали и калибровка ручьев прокатного стана;
3. Исследование свойства литой и деформированной быстрорежущей стали и ее термическая обработка;
4. Изготовление опытной партии сверл и составление маршрутной технологии производства сверл из литых заготовок.
Разработанный технологический процесс осуществлён на примере изготовления свёрл секторного проката (диаметром 50 мм и выше) из литых заготовок, который включает в себя следующие основные операции:
1. Отливка цилиндрической штанги-заготовки в металлическую форму;
2. Отжиг отливок по режимам для быстрорежущей стали или высокий отпуск с целью уменьшения внутренних напряжений;
3. Отрезка прибыльной части и разрезка на мерные заготовки;
4. Сварка (контактная) литой мерной заготовки с хвостовой частью из стали 45 (40Х);
5. Отжиг сварной заготовки по режимам, принятым для обычных свёрл (из катанной стали) с целью получения твердости 255-207 НВ для последующей механической обработки;
6. Механическая обработка заготовки для сверла секторного проката (токарная обработка поверхности, центровка, шлифовка быстрорежущей части);
7. Прокатка заготовки:
а) нагрев в соляной ванне до температуры максимальной пластичности (устанавливается по результатам исследования пластичности данной стали);
б) прокатка в трёх вспомогательных ручьях;
в) нагрев и прокатка в четырёх основных ручьях;
г) догрев рабочей части сверла до температуры 1050-1080 °С;
д) подстуживание на воздухе до температуры 750-850 °С;
е)завивка сверла.
8. Дальнейшая обработка сверл осуществляется по операциям как для обычных сверл секторного проката.
Выбор быстрорежущей стали для изготовления сверл из литых заготовок.
Идеальный режущий материал должен обладать определенными комплексом свойств, в том числе повышенной стойкостью при резании, достаточной теплостойкостью, высоким сопротивлением деформированию, износостойкостью, стабильно высокими режущими свойствами и др. К быстрорежущей стали предъявляется и ряд технологических свойств - хорошая закаливаемость, устойчивость против обезуглероживания и, пожалуй, самая важная технологическая характеристика в свете рассматривае-
мой технологии по теме - деформируемость в литом состоянии.
Содержащиеся в быстрорежущих сталях карбиды и другие включения по своей природе
очень тверды (HV 1700-2500 кг/мм ) [I]. Но относительно вязкая основа стали обеспечивает в сочетании с карбидами благоприятные физико-механические свойства режущего материала в процессе обработки материалов резанием. Весьма важны при этом для быстрорежущих сталей является равномерное распределение карбидов, которое зависти не сколько от способа и температуры закалки, как от процесса затвердевания отливки после плавки и дальнейшей горячей пластической деформацию.
До настоящего времени теория легирования быстрорежущей стали не может точно указывать оптимальные соотношения легирующих элементов, обеспечивающих наилучшее сочетание режущих и технологических свойств по видам и технологических свойств по видам инструментов и их назначению. При разработке новых составов быстрорежущих сталей используется лишь общие положения теории легирования, а основы критерий оценки качества инструмента остается эмпирический метод. В связи с этим целесообразно рассмотреть влияние основных легирующих элементов на свойства быстрорежущей стали(2).
Углерод в быстрорежущих сталях должен содержаться в определенном, оптимальном соотношении к содержанию карбидообразующих элементов. При меньшем содержании углерода сохраняется, в первую очередь в более устойчивых карбидах, не растворимых при закалке, а это приводит к уменьшению его концентрации в мартенсите и снижение твердости в закаленном и отпущенном состоянии. Повышенное содержание углерода увеличивают количество карбидов и карбидную неоднородность, что значительно ухудшает механические и технологические свойства быстрорежущей стали, в том числе пластичность. В случае повышенного содержания углерода наряду с карбидами легирующих элементов образуется карбиды цементитного типа. Повышается количество и устойчивость остаточного аустенита. Поэтому в среднелегированных быстрорежущих сталях, которые являются наиболее пластичными, целесообразно устанавливать содержание углерода согласуется с введением в сталь других легирующих элементов, особенно
вольфрама, молибдена, ванадия, хрома для обеспечения нормальной теплостойкости стали умеренной теплостойкости его содержится 0,7 -
0,85, то большее содержание устанавливают в
сталях с повышенным содержанием ванадия: это необходимо для образования карбида
М 6 С без излишнего обеднения им аустенита
(мартенсита) и ухудшения теплостойкости.
Вольфрам является основным легирующим элементом в быстрорежущей стали, влияющим на теплостойкость. Существенное влияние оказывает вольфрам на величину зерна и количество карбидной фазы.
Весовое количество карбидной фазы в отожженной стали увеличивается пропорционально содержанию в ней углерода и вольфрама. Избыточные карбиды задерживают рост зерна при нагреве, что дает возможность нагревать сталь до более высоких температур закалки и получать аустенит с большой концентрации углерода и легирующих элементов.
Оптимальное содержания вольфрама в быстрорежущей стали определяется, с одной стороны, необходимым количества легированности твердого раствора и высокой теплостойкости и с другой стороны стойкостью против перегрева, связанной о избыточном карбидами, препятствующим росту зерна.
Для снижения карбидной неоднородности, увеличения пластичности быстрорежущей стали в литом состоянии и в связи с дефицитностью вольфрама для изготовления инструмента все шире применяют стали с 3 - 5 % вольфрама (3).
Снижение содержание вольфрама для улучшения пластичности, снижение карбидной неоднородности, повышения прочности, вязкости должно компенсироваться введением молибдена. Присадка небольшого количества молибдена (0,8 % - I %) в вольфрамовые быстрорежущие стали улучшает технологические и режущие свойства. В настоящее время во все шире находят применение такие быстрорежущие стали, у которых часть вольфрама заменена молибдена. Это в равной степени относится как к сталям нормальной, так и повышенной производительности [19]. Возможность применение в быстрорежущих сталях молибдена может быть реализована в следующих случаях: в обычной высоковольфрамовой стали в виде небольших добавок - от 0,6 % - 1%, а иногда до 2 % - для улучшения режущих свойств, для замены части вольфрама (например, стали с 6% А &; 5 % Мо; 2,5 % V) и наконец в сталях с малым содержанием вольфрама, в которых молибден вместо с ванадием заменяет большую часть вольфрама, в которых (например стали с 9 % Мо; 2 % А; 1 % V; или 2.5 % А; 2,5 % V) [20]. Обращает на себя внимание последний состав стали (2,5 % Мо; 2,5 % А; 2,5 % V;) , который является наиболее экономнолегированным и оптимально с точки зрения его для изготовле-
ния сверл крупных размеров по разрабатываемой технологии.
В литературе часто приводится указание на то, что молибден может заменить вольфрам в соотношении 1:2. Однако это соотношение не может рассматриваться как универсально действующее правило [2] . В работе Ю. А. Геллера указывается, что при содержании в быстрорежущей стали молибдена до 2 % соотношение вольфрама и молибдена следует применять 1: 1,5 (1% А = 1,5 % Мо)
Ванадий в быстрорежущей стали является необходимым элементом, повышающим вторичную твердость стали и теплостойкость. Избыточные карбиды ванадия задерживают рост зерна аустенита при нагреве под закалку, обладает чрезвычайно высокой твердостью повышает износостойкость, но ухудшает шлифуе-мость стали.
Одним из основных вопросов легирования быстрорежущий стали является рациональный V
выбор соотношения — ,при котором быстрорежущие стали приобретает высокую твердость и теплостойкость, лежит в пределах 2 -2,27. Увеличение соотношения до 2,8 - 3,7 ухудшает условия растворения карбидов в твердом растворе, снижает твердость, теплостойкость и режущие свойства инструмента. В свою очередь уменьшение этого соотношения до 1,4 называет сильный рост зерна, увеличивает количество и устойчивость остаточного аустенита и резко снижает прочность стали.
Хром является единственным элементом, содержание второго в быстрорежущей стали установлено в одинаковых пределах(4 - 4,5 %) как в отечественных, так и в заграничных стандартах для всех марок.
Хром улучшает закаливаемость и прокали-ваемость стали. Их всех карбидообразующих элементов хром обладает наибольшей способностью образовывать сложные карбиды. Наличие некоторого количества карбида Сг23 С6,
который растворяется при относительной низкой температуре нагрева приводит к насыщению аустенита углеродом.
Выводы
1. Отливка заготовок, предназначенных для изготовления свёрл методом прокатки, должна производится в металлическую форму. В качестве противопригарной обмазки кокилей рекомендуется окись хрома с растительным маслом.
2. Пластическая деформация существенно изменяется свойства литой стали 11Р3М3Ф2
Интенсивное увеличение механических свойств наблюдается с ростом деформации до 40-50 %.
3. Различные метода исследования позволили выявить температурный интервал наилучшей пластичности для исследуемой стали, который лежит между 1000 - 1120С. Целесообразно определять показатели пластичности быстрорежущих сталей наиболее близким к производственным условиям методом прокатки на кпин, а в лабораторных условиях методом горячего скручивания.
4. Анализ калибровки прокатного стана для сверл позволит установить, что принятая на заводе калибровка в четырех ручьях является неприемлемой для прокатки сверл из литых заготовок. Большие обжатия приходятся на первый ручей. Опробована опытная калибровка стана со вспомогательными ручьями при прокатке сверл из литых заготовок.
5. Литая структура быстрорежущих сталей после прокатки значительно изменяется. При прокатке сверл в перемычке наблюдается максимальная степень деформации, по структуре соответствующая - 80 %. Здесь ледебуритная сетка полностью раздроблена и структура приобретает характерное для катаной стали строчечное расположение карбидов. Следы литой структуры сохраняются во всех остальных участках сечения сверла, а также на ленточках.
6. Анализ величины зерна аустенита и твердости закаленной стали 11Р3М3Ф2 позволит установить интервал температуры аустени-зации, который равен 1190-1210С.
7. Прочность при статическом изгибе у стали 11Р3М3Ф2 значительно возрастает по мере увеличения степени деформации. Так в литом состоянии аизг = 50-70 кг/мм2.
8. Горячая пластическая деформация литой быстрорежущей стали вызывает повышение её плотности до деформации 30-40 %. Это связано с завариванием микропор, рыхлостей и других дефектов литой структуры. Лучшей теплопроводностью (электропроводностью) обладает сталь 11Р3М3Ф2 после относительной деформации более 25-30 %.
9. Построенная диаграмма рекристаллиза-ии аустенита позволила оптимизировать режимы термодинамической обработки и определить температурные и деформационные области формирования исходнойелкозернистой структуры и высоких прочностных свойств стали 11Р3М3Ф2.
10. Изготовлена опытная партия сверл по разработанной технологии. Анализ брака из
этой партии показал, что основным видом брака при прокатке являются дефекты литья.
Библиографический список
1. Васин, С. А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: учеб.для техн. вузов / С. А. Васин, А. С. Верещака, В. С. Кушнер. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.-448С.
2. Иванов, И. А. О восстановлении профиля поверхности обода колес повышенной твердости / И. А. Иванов, А. А. Воробьев, В. С. Кушнер, А. С. Безнин // Развитие транспортного машиностроения в России: Матер. междунар. конф. «Желдормашиностроение 2004». С. 150-152
3. Иванов, И. А. Тепловое состояние инструмента при обработки железнодорожных колес / И. А. Иванов, И. Г. Киселев, В. И. Крылов // Технологические процессы в машиностроении (технология конструкционных материалов): Усиление связей фундаментальной и технологической подготовки в техническом университете: Мастер. межрегион. науч. - метод. Семинара. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. С.111-116.
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR
CUTTING TOOL MADE OF HIGH SPEED STEEL CASTINGS
V. V. Akimov, P. V. Petunin,
A. M. Selichev, Y. V. Altuhov
Production of tool steel is expensive, and there fore proposed a more efficient way of blank prepared based on foundry technology.Then implement rolling in three streams, annealing, welding and machining.
Акимов Валерий Викторович - д.т.н., профессор; зав. кафедрой КМиСТ Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Основное направление научной деятельности: Порошковые материалы.
Петунин Павел Владимирович - соискатель Сибирской государственной автомобильной дорожной академии (СибАДИ). Основное направления научной деятельности: Инструментальные стали.
Селищев Алексей Михайлович - соискатель Сибирской государственной автомобильной дорожной академии (СибАДИ). Основное направление деятельности: Износ стали.
Алтухов Яков Вячеславович - соискатель Сибирской государственной автомобильной дорожной академии (СибАДИ). Основное направление деятельности: Двигатели внутреннего сгорания.
