Обработка жаропрочных сталей и сплавов

Обновлено: 18.05.2024

Рабочие процессы в современных машинах характеризуются высокими значениями давлений, нагрузок, скоростей и температур. Обычные конструкционные стали в этих условиях недолговечны или вовсе непригодны, поэтому в машиностроении все большее распространение получают стали и сплавы с высокими показателями прочности, жаропрочности, жаростойкости, а также стойкости против коррозии.
Жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы относятся к категории труднообрабатываемых материалов. Они значительно хуже поддаются обработке резанием по сравнению с обычными конструкционными сталями.
Низкая обрабатываемость этих материалов определяется их физико-механическими свойствами. В этих условиях весьма важно раскрыть причины, влияющие на их обрабатываемость, и найти способы и средства увеличения производительности их обработки на металлорежущих станках.
Жаропрочным называется материал, способный работать в напряженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающий при этом достаточной жаростойкостью, т. е. стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при высоких температурах. Другим важным свойством жаропрочных сталей и сплавов является их высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.
Нержавеющим называется материал, обладающий высоким сопротивлением коррозии в агрессивных средах, прежде всего в атмосфере воздуха, паров воды и кислот. Обычно к такого рода материалам предъявляют требования обеспечения коррозионной стойкости при рабочей температуре детали. Большинство жаропрочных сплавов, как правило обладает повышенной коррозионной стойкостью при высоких температурах в различных средах. Поэтому, несмотря на то, что понятия жаропрочного и нержавеющего

проката по определению отличаются друг от друга, они обладают целым рядом общих физико-механических свойств, обуславливающих их общие технологические свойства по обрабатываемости резанием.
Основная структура большинства жаропрочки и нержавейки представляет собой обычно твердый раствор аустенитного класса с гранецентрированной кубической решеткой. При этом большая часть деформируемых жаропрочных сплавов принадлежит к типу дисперсионно твердеющих, т. е. в этих сплавах происходит выделение из твердого раствора структурной составляющей – второй фазы, отличной от его основы и рассеянной по всему объему сплава в тонкодисперсной форме.
Высокая дисперсность структуры препятствует возникновению и развитию процессов скольжения, при этом сопротивление ползучести сплава повышается.

Сравнение значений механических характеристик жаропрочных сталей и сплавов и стали 45 показывает, что значения истинного предела прочности при растяжении Sк, предела прочности в и твердости НВ при обычной температуре и отсутствии деформации (упрочнения), примерно равны. Поэтому худшая обрабатываемость жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов определяется другими физико-механическими и химическими свойствами и, прежде всего, структурой, механическими характеристиками, определяющими их свойства не только в исходном, но и в упрочненном состоянии и при нагреве, а также теплофизическими показателями (температура плавления, энергия активации, теплопроводность), определяющими свойства материала при повышенных температурах.
Основные особенности резания жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, затрудняющие их механическую обработку, следующие.
1. Высокое упрочнение материала в процессе деформации резанием. Повышенная упрочняемость жаропрочного и нержавеющего

проката объясняется специфическими особенностями строения кристаллической решетки этих материалов. Характеристикой, определяющей пластичность или способность материала к упрочнению, является отношение условного предела текучести, соответствующего 0.2-процентной остаточной деформации, к пределу прочности 0.2/в. Чем меньше это отношение, тем более пластичен материал и тем большей работы и сил резания требует он для снятия одного и того же объема металла. Величина этого отношения для жаропрочных сплавов составляет до 0.4…0.45, в то время как для обычных конструкционных сталей эта величина составляет 0.6…0.65 и более.
Вследствие повышенной способности к упрочнению при пластической деформации жаропрочных сплавов значения в могут возрасти в 2 раза (с 60 до 120 кгс/мм), т – в 3…4 раза (с 25-30 до 100 кгс/мм), при этом относительное удлинение уменьшается с 40-65 до 5-10%.
2. Малая теплопроводность обрабатываемого материала, приводящая к повышенной температуре в зоне контакта, а следовательно, к активации явлений адгезии и диффузии, интенсивному схватыванию контактных поверхностей и разрушению режущей части инструмента. Эти явления не позволяют в ряде случаев использовать при обработке жаропрочных материалов недостаточно прочные инструментальные материалы, в первую очередь, твердые сплавы. Вместе с тем при использовании быстрорежущего инструмента по тем же причинам приходится принимать весьма малые скорости резания. Учитывая плохой теплоотвод при обработке жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, основное значение приобретают охлаждающие свойства СОЖ.
3. Способность сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах, что приводит к высоким удельным нагрузкам на контактные поверхности инструмента в процессе резания. Усугубляет действие этого фактора низкая теплопроводность этих материалов, благодаря чему высокая температура на контактных поверхностях не позволяет заметно снизить механические свойства по всему сечению срезаемого слоя.
4. Большая истирающая способность жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, обусловленная наличием в них кроме фазы твердого раствора еще так называемой второй фазы, образующей интерметаллидные или карбидные включения. Эти частицы действуют на рабочие поверхности инструмента подобно абразиву, приводя к увеличенному износу. Большое значение имеют также структурные превращения, происходящие в этих материалах в процессе пластической деформации и сопровождающиеся выпадением карбидов. Все описанные выше твердые включения совместно с высокими температурами на контактных поверхностях приводят к интенсивному абразивному и диффузионному износу режущей части инструмента, к явлениям адгезии (схватывания). Поэтому коэффициенты трения жаропрочных и нержавеющих сталей по твердым сплавам во много раз больше, чем при трении обычной стали 20.
5. Пониженная виброустойчивость движения резания, обусловленная высокой упрочняемостью жаропрочных и нержавеющих материалов при неравномерности протекания процесса их пластического деформирования. Возникновение вибраций приводит к переменным силовым и тепловым нагрузкам на рабочие поверхности инструмента, следовательно, к микро- и макровыкрашиваниям режущих кромок. При наличии вибраций особенно неблагоприятное влияние на износ инструмента оказывают явления схватывания стружки с передней поверхностью инструмента.
Учитывая рассмотренные особенности, процесс резания жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов протекает таким образом: вначале рабочие поверхности инструмента соприкасаются с относительно мягким, неупрочненным металлом и под их воздействием происходит пластическая деформация срезаемого слоя, сопровождаемая значительным поглощением прикладываемой извне (инструментом) энергии. При этом срезаемый слой получает большое упрочнение и приобретает свойства наклепанного металла, т. е. становится хрупким. Запас пластичности при этом в значительной мере исчерпывается и происходит сдвиг – разрушение, образование элемента стружки. Малая теплопроводность этих материалов приводит к резкому снижению отвода тепла в стружку и обрабатываемую заготовку, а следовательно, повышению температуры в зоне контакта режущей части инструмента и заготовки с активизацией процессов адгезии и диффузии. В результате этого значительно увеличиваются износ инструмента и явления налипания (схватывания), вызывающие разрушение режущих кромок. Интенсификации этих процессов способствуют повышенные механические характеристики обрабатываемого материала при высокой температуре, большая истирающая способность материалов, а также переменное воздействие этих факторов, обусловленное вибрациями.
В настоящее время существует много способов облегчения обработки резанием труднообрабатываемых материалов, в том числе жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов. Самыми очевидными из них являются способы, направленные на повышение стойкости применяемых режущих инструментов. Это, прежде всего, правильный выбор марки инструментального материала и геометрии режущей части инструмента, а также обязательное применение охлаждения в зоне резания с использованием различных охлаждающих сред.
При обработке жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов необходимо и целесообразно применение инструментов, изготовленных из инструментальных материалов, обладающих более высокими режущими свойствами: более высокой красностойкостью, хорошей сопротивляемостью абразивному износу и стабильностью режущих свойств. Согласно исследованиям, проведенным в этой области целесообразно предварительную обработку труднообрабатываемых материалов производить твердосплавными резцами, а чистовую – твердосплавными и быстрорежущими. Из быстрорежущих сталей при обработке жаропрочных сплавов наилучшие результаты дают применение кобальтовых и ванадиевых быстрорежущих сталей (Р14Ф4, Р10К5Ф5, Р9Ф5, Р9К9). Их применение приводит к значительному сокращению расхода режущего инструмента, снижению себестоимости выпускаемой продукции и повышению производительности.
Из применяемых твердых сплавов выделяют 3 вида. Первый вид, называемый “износостойким” – Т30К4, Т15К6, ВК3 и др. – сравнительно твердый и обладает высокой сопротивляемостью износу. Второй вид сплавов – Т5К7, Т5К10 и др. – обладает большей вязкостью, но меньшей износостойкостью. Третий вид – ВК6А, ВК8 – имеет наименьшее сопротивление износу, но большую вязкость и нечувствительность к удару. Кроме того при чистовой и отделочной обработке жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов в качестве инструментальных материалов применяют минералокерамику, а также естественные и синтетические сверхтвердые материалы.
Существенное влияние на повышение стойкости инструментов при резании труднообрабатываемых материалов оказывают специальные методы упрочнения их рабочих поверхностей: хромирование, цианирование, электроискровое упрочнение, радиоактивное облучение и др. для быстрорежущих сталей. А на твердосплавные пластины из прочного (вязкого) твердого сплава наносят тонкий слой (~5мкм) другого твердого сплава (TiC), обладающего высокой износоустойчивостью. Для повышения износоустойчивости минералокерамики применяют плакирование – покрытие защитными пленками.
Применение смазывающе-охлаждающих жидкостей при резании металлов увеличивает стойкость режущего инструмента, улучшает качество обработанной поверхности и снижает силу резания. В настоящее время применение технологических сред считают одним из основных способов улучшения процессов резания труднообрабатываемых материалов. Следует отметить, что эффективность применения технологических сред определяется их физико-химическим составом и способом подачи в зону резания.
Эффективными являются такие методы охлаждения режущего инструмента, как высоконапорное охлаждение, подаваемое тонкой струей на заднюю поверхность инструмента, охлаждение распыленной жидкостью и охлаждение углекислотой.
При высоконапорном охлаждении жидкость, вытекая под большим давлением, распыляется и, соприкасаясь с нагретым металлом, быстро испаряется, интенсивно отбирая тепло. Такое охлаждение дает увеличение стойкости инструмента в 3…6 раз по сравнению с сухим резанием. Еще лучших результатов можно достигнуть применением одновременно высоконапорного охлаждения со стороны задней грани резца и подачи жидкости под давлением сверху на стружку. Недостаток высоконапорного охлаждения – разбрызгивание жидкости и образование паров, затрудняющих наблюдение за работой инструмента.
Эти недостатки устраняются при охлаждении зоны резания путем распыления СОЖ сжатым воздухом. При этом уменьшается расход эмульсии. Стойкость инструмента увеличивается в 2…3 раза по сравнению с работой всухую.
Охлаждение углекислотой является наиболее эффективным, однако и более дорогим методом охлаждения. Жидкий углекислый газ, содержащий до 50% твердых частиц углекислоты снегообразной формы, под давлением подается в зону резания. В виде инея эти частицы с температурой -79 °С оседают на поверхность металла и вскипают, поглощая 158 ккал тепла на 1 кг углекислоты.
Методика назначения режимов резания при обработке деталей из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов в основном такая же, как и при резании обычных конструкционных материалов. Необходимо только учитывать специфические особенности их резания.
При конструировании станков, инструментов и приспособлений для обработки деталей из труднообрабатываемых материалов необходимо обеспечивать:
1) повышенную жесткость механизмов для восприятия больших сил резания с минимальными деформациями;
2) высокую виброустойчивость системы станок-приспособление-инструмент-деталь в условиях резания со значительными ударными нагрузками;
3) незначительные зазоры в механизме подачи станка для равномерного резания упрочняющегося обрабатываемого материала;
4) достаточный запас мощности электродвигателя станка, так как при резании жаропрочных сплавов силы резания больше, чем при обработке обычных конструкционных материалов;
5) приспособления для обработки деталей должны быть прочными и жесткими, в них необходимо предусмотреть каналы для отвода стружки;
6) инструменты должны быть короткими и жесткими.
Кроме всего выше перечисленного добиться улучшения обрабатываемости жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов можно за счет:
1) воздействия на структуру и механические показатели материалов с помощью специальной термической обработки;
2) введения в зону резания ультразвуковых колебаний, облегчающих пластические деформации, снижающих коэффициент трения и повышающих температуру;
3) подогрева обрабатываемого материала в печах или с помощью газовых горелок на станках или путем электроиндуктивного или электроконтактного нагрева;
4) введения в зону резания слабых токов, что позволяет управлять механизмами электродиффузионного и окислительного износа режущего инструмента.

Литература:
1. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов. / Под ред. Н. И. Резникова. – М.: Машиностроение, 1972. – 200 с.
2. Подураев В. Н. Резание труднообрабатываемых материалов. – М.: Высшая школа, 1974. – 587 с.
3. Шифрин А. Ш., Резницкий Л. М. Обработка резанием коррозионностойких, жаропрочных и титановых сталей и сплавов. – М.- Л.: Машиностроение, 1964. – 448с.

Доклад Ткач М. А. Всеукраинская научно-техническая студенческая конференция. ДГМА. 19.04.05.

Особенности обработки жаропрочных сталей и титановых сплавов

Вопрос обрабатываемости резанием жаропрочных сталей достаточно успешно разрешен, то жаропрочные сплавы на никелевой основе, сохраняя свои физико-механические свойства при высокой температуре и имея низкую теплопроводность и температуропроводность, не позволяют успешно производить обработку их резанием.

Развивающаяся высокая контактная температура на поверхностях режущего инструмента при большом удельном давлении способствует «слипаемости» (схватыванию) сходящей стружки с передней поверхностью режущего инструмента, что весьма ограничивает применение инструмента, оснащенного твердым сплавом, и совершенно исключает его применение при прерывистом резании.

В этих условиях процесс резания осуществляется только быстрорежущими инструментами из стали Р18 или быстрорежущей стали, легированной кобальтом.

Но так как, быстрорежущая сталь выдерживает температуру только до 600°, то обработку резанием (при прерывистом резании с ударами) ведут с ограниченной скоростью (до 7—10 м/мин). Повысить сколько-нибудь существенно скорость резания (против указанного) на сегодня не представляется возможным, поэтому исследователи этих процессов идут по пути увеличения стойкости, которая может быть осуществлена за счет:

1) геометрических параметров режущего инструмента;

2) применения смазочно-охлаждающих жидкостей;

3) способа их подвода;

4) изыскания метода термической обработки жаропрочных сплавов для получения структуры, наиболее легко поддающейся резанию.

В настоящее время ведутся изыскания новых инструментальных материалов для эффективной обработки жаропрочных сплавов резанием.

Титановые сплавы обладают малой пластичностью, что существенным образом сказывается на их деформации при резании.

Если характеризовать пластическую деформацию срезаемого слоя продольной усадкой стружки, то таковая может быть равна и даже меньше единицы. Это значит, что соприкосновение срезаемого слоя с передней поверхностью инструмента происходит по узкой контактной площадке и, принимая во внимание значительный предел прочности этих сплавов, значительный износ инструмента получается при наличии высокой температуры на контактной площадке.

Вследствие этого становится естественным применение режущего инструмента, оснащенного твердым сплавом. Так как твердые сплавы группы ТК более хрупкие, чем группы ВК, то при обработке титановых сплавов применяют сплавы группы ВК, т.е. так же, как вообще при обработке всех малопластичных материалов. Скорость резания при этом может быть до 100 м/мин и больше.

Существенное влияние на обрабатываемость резанием титановых сплавов оказывают, как упоминалось выше, различные газовые примеси, из которых наиболее активными являются Н2, 02, т.е. с повышением содержания их в титановых сплавах обрабатываемость резанием ухудшается.

Многочисленные исследования над обычными углеродистыми и легированными конструкционными сталями показали, что глубина наклепанного слоя, степень упрочнения, величина и знак (растяжение или сжатие) остаточных напряжений зависят от пластичности обрабатываемого металла, режимов резания, геометрии инструмента, смазочно-охлаждающих жидкостей, степени затупления инструмента и жесткости системы деталь — станок — инструмент.

Исследования показывают, что остаточные напряжения в слое под обработанной поверхностью появляются в результате воздействия тепла, образующегося:

1) от трения задних поверхностей инструмента об обработанную поверхность;

2) пластической деформации этого слоя.

Все эти положения относятся и к жаропрочным сплавам. Исследования, произведенные для установления влияния упрочнения на выносливость деталей, изменение предела усталостной прочности деталей углеродистых и легированных конструкционных сталей, показывают, что во многих случаях упрочнение повышает выносливость деталей, вследствие чего появились и различные упрочняющие методы.

Сказанное в той или иной степени относится к жаропрочным и титановым сплавам, но также следует, что наличие остаточных растягивающих напряжений отрицательно сказывается на прочностных свойствах жаропрочных и титановых сплавов. Если детали тонкостенные, как, например, лопатки турбин, когда наклепанный после обработки слой материала может быть значительным по отношению ко всей толщине детали, то в этих случаях возможно рекомендовать производить обработку резанием так, чтобы наклеп (упрочнение) был бы минимальным.

При механической обработке сплавов на основе титана (например ВТЗ и ВТ5) выделяется меньшее количество тепла. На этом основании можно было бы ожидать, что среднеинтегральная температура в деформированной зоне указанных сталей и никелевых сплавов должна быть выше, чем у сплавов на основе титана. Однако,результаты температурных исследований при резании титановых сплавов, проведенные в широком диапазоне режимов резания, при сравнении с температурными данными для сталей показывают обратное. Например, температура резания титанового сплава достигает 800° С уже при скорости резания v = 40 м/мин, подаче s = 0,ll мм/об и глубине резания V=1,5 мм; при резании же стали 45 аналогичная температура развивается при значительно более высоком режиме: v = 100 м/мин; s = 0,29 мм/об и t = 2 мм.

В зоне резания возникает сложное деформированное и напряженное состояние при наличии пластических деформаций сжатия, сдвига и растяжения, которые распространяются далеко впереди резца и под обработанную поверхность.

Характер изменения деформаций и напряжений по длине и толщине зоны стружкообразования остается одним и тем же как для жаропрочных и титановых сплавов, так и для углеродистых сталей. Имеет место лишь количественное различие.

Наибольшей величины при резании жаропрочных сплавов и углеродистых сталей достигают деформации сжатия, а при резании титановых сплавов—деформации сдвига.

При высоких температурах, возникающих в процессе резания титановых сплавов, проявляется свойство активности титана к кислороду и азоту воздуха. Это приводит к изменению структуры и физико-механческих свойств поверхностного слоя обработанной детали, что по всей вероятности может быть причиной снижения ее усталостной прочности.

Жаропрочные сплавы склонны к образованию налипов на передней поверхности резца, что вызывает необходимость применения смазывающе-охлаждающих жидкостей, обладающих высокой смазывающей способностью.

При обработке жаропрочных сплавов выделяется большое количество тепла, которое повышает температуру детали и вызыва¬т изменение её размеров и формы. Во избежание этого требуется обильный подвод охлаждающей жидкости.

Большая склонность жаропрочных сплавов к наклепу. Так, на многих производствах, жаропрочный сплав после получения наклепа не поддается обработке резанием; рекомендует перед обработкой резанием этот материал предварительно подвергнуть термической обработке.

Большие силы резания, в 3—4 раза превышающие силы при резании обычных конструкционных сталей, и высокий коэффициент трения требуют применения инструментов с высокой чистотой рабочих поверхностей и острой режущей кромкой.

Большинство жаропрочных сплавов вследствие особенностей кристаллографической структуры их фазовых составляющих являются весьма абразивными, поэтому применяемые для их обработки инструментальные материалы должны сопротивляться этому воздействию либо по своей природе, либо в результате соответствующей специальной обработки и созданных условий работы.

Жаропрочные сплавы сохраняют значительную твердость и прочность при кратковременном повышении температуры при резании. При внезапном повышении температуры и последующей быстровозникающей деформации предел прочности сплава оказывается более высоким, а вязкость более низкой.

Сплавы титана обрабатываются несколько хуже нержавеющих сталей, но лучше жаропрочных сплавов. Сравнительно быстрое изнашивание режущих кромок инструмента при обработке титановых сплавов зависит от высокой химической активности титана, легко вступающего в соединения со всеми соприкасающимися с ним металлами. Эта особенность титана при его низкой теплопроводности и небольшой поверхности контакта между резцом. И стружкой приводит к развитию высокой температуры в зоне резания. Титановые сплавы часто содержат включения в виде окислов нитридов и карбидов, которые обладают высокими абразивными свойствами и способствуют ускоренному износу режущего инструмента. Наклеп не оказывает существенного влияния на износ режущего инструмента.

Обработка титановых сплавов

Для охлаждения применяют сульфурированные или хлорированные масла.

Для нарезания резьбы применяют метчики со спиральными канавками; метчики для нарезания резьбы до б мм и шагом менее 1,25 мм делаются двухканавочными; для более крупных резьб трехканавочными. Режущие и калибрующие зубья метчиков рекомендуется затыловать. Резьбу следует нарезать не полную; уменьшение высоты резьбы с 75 до 65% способствует повышению срока службы метчиков в 2—3 раза.

При нарезании резьбы в технически чистом нелегированном титане применяется скорость резания v = 12 м/мин. При нарезании резьбы в сплавах титана v=7,6 м/мин. Для охлаждения метчиков применяются сульфурированные и хлорированные масла.

При протягивании технически чистого нелегированного титана скорость резания, допускаемая протяжками из быстрорежущей стали v = 7,6 м/мин.

При протягивании титановых сплавов v = 4,6 м/мин.

Обработка сплавав с твердостью HRC>37 связана со значительными трудностями ввиду быстрого износа протяжек.

При обработке титановых сплавав следует следить за состоянием протяжки и не допускать налипания титана на зубья.

Охлаждение: обильной струей сульфурированного или хлорированного масла. Зубья протяжек выполняются с передним углом 8°; с задними углами 3° — для черновых протяжек и 2° — для чистовых.

Разрезка титана

Разрезка пруткового материала диаметром 50-90 мм успешно производится ножевками из быстрорежущей стали. Шаг зубьев полотен зависит от твердости разрезаемого материала. При НВ 275—350 шаг зубьев 4,2—6,2 мм; при НВ 350— 6,2 мм; при НВ >350—8,4 мм.

Натяжение полотен должно быть постоянное и достаточное.

Сплавы титана режутся при 45—70 двойных ходах ножовки в минуту с подачей 0,15—0,23 мм на двойной ход. Для охлаждения применяют сульфурированное или хлорированное масло.

Хорошие результаты при разрезке титана дает дисковая пила со вставными зубьями. Передний угол зубьев пилы —5°. Для удаления стружки, прилипшей к зубьям пилы, применяют стружкоулавливатель.

В настоящее время начинают широко использовать резку титана абразивными кругами с применением охлаждающих жидкостей.

Обработка нержавеющих и жаропрочных сталей

Нержавеющим называют сплав, который способен длительное время противостоять воздействию химически активной среды, это могут быть и неблагоприятные атмосферные условия, и кислотная или щелочная среда в химическом производстве. В последнее время во многих узлах, машинах и механизмах углеродистые марки стали применяются все реже, а и их постепенно вытесняют элементы из специальных сталей. Связано это с тем, что обычная сталь имеет определенный порог — предел, выше которого становится невозможным её использование в условиях возрастающих нагрузок, например, при высоких температурах, давлении или же в присутствии агрессивных сред. В этом случае, их с успехом заменяют жаропрочные и стойкие нержавеющие стали и легированные сплавы с эксклюзивными свойствами, которые будут хорошо работать там, где обычная сталь не справится.

Достоинства нержавеющих сталей

Жаропрочность. Жаропрочным называют материал, который может выдержать воздействие высоких температур, не теряя при этом своей механической прочности. Жаропрочные стали еще относят и у группе дисперсионно твердеющих, с выделением легирующего элемента, отличного от основы стали, в мелкодисперсной форме, и его распределение по всему объему металла. Жаростойкость характеризует материал, который не теряет коррозионной стойкости при нагревании. Сочетанием этих качеств обладают легированные коррозионностойкие стали. Высокая прочность и вязкость данным материалов относит их к классу труднообрабатываемых, что особенно проявляется при резании, снятием стружки. Для этого требуется специальный инструмент, режим резания, подбор СОЖ, и решение др. немаловажных деталей.

При сравнении физико-механических качеств легированной стали и обычной было выяснено, что такие показатели, как предел прочности при растяжении, твердость у них примерно равны. Но у легированных и обычных сталей совпадают только механические показатели, тогда как другие качества могут существенно отличаться, особенно это касается микроструктуры, коррозионной стойкости, а также способности упрочняться при механическом воздействии. Вспомним диаграмму растяжения — сжатия, хорошо известную из курса сопромата. Диаграмма начинается с участка упругой деформации, когда материал, после снятия нагрузки возвращается в исходное состояние, не деформируясь. Увеличение нагрузки приводит в зону, так называемой «текучести» когда материал начинает деформироваться без значительного роста приложенной силы. На графике это практически горизонтальная линия. После чего наступает резкое упрочнение — и для дальнейшей деформации приходится значительно увеличивать силу воздействия. Тот же самый процесс происходит и при обработке металлов резанием, только в поверхностном слое металла — это связано с изменениями к кристаллической решетки под действием механической нагрузки. При обработке обычной стали такое тоже характерно, но упрочнение легированных сталей выражено гораздо сильнее. И не стоит забывать различия в таких качествах, как теплопроводность, температура плавления и др., которые также оказывают значительное влияние на процесс обработки.

Обработка резанием

Итак, при обработке резанием, показатели упрочнения легированной стали достаточно высоки, что требует приложения значительных сил. Кроме того, большинство легированных сталей, особенно это касается жаропрочных, весьма пластичны, что также затрудняет обработку резанием. Показатель пластичности определяется отношением условного предела текучести, к пределу прочности. Чем меньше соотношение, тем материал пластичнее, тем он, более упрочняется при механической нагрузке. А нержавеющие стали относятся к высокопластичным. Кроме того, есть еще одна сторона пластичности, так называемая «вязкость» материала. При обработке легированной стали на токарном станке стружка не ломается, как например, при обработке углеродистых сталей той же твердости, а вьётся длинной лентой. Это причиняет массу неудобств и осложняет ее обработку в автоматическом режиме.

Вторая особенность легированной стали при обработке резанием — малая теплопроводность, что приводит к повышению температур в рабочей зоне, и требует оптимального подбора охлаждающей жидкости, которая кроме эффективного удаления тепла, должна облегчать резку и предотвращать наклеп. Наклеп возникает на рабочей кромке режущей пластины, приводит к изменению геометрии резца, и в конечном итоге — к его досрочному выходу из строя. Как правило, при обработке легированных жаропрочных сталей не рекомендуются высокие скорости обработки — это приводит к удорожанию детали. Решить эту проблему можно, используя специальные режущие пластины, предназначенные исключительно для легированных сталей и специальные СОЖ.

Третья особенность — сохранение прочности и твердости под воздействием высоких температур. Это особенно характерно для жаропрочных марок сталей, что, в сочетании с наклёпом приводит к ускоренному износу режущего инструмента и не позволяет использовать высокие обороты.

Четвертое — наличие в составе стали твердого раствора второй фазы с чрезвычайно твердыми интерметаллическими и карбидными соединениями, которые, несмотря на свои микроскопические размеры, действуют на поверхность режущего инструмента, как абразивный материал. Инструмент стачивается и тупится намного быстрее, что приводит к необходимости его частой переточки и правке геометрии режущих кромок. Как показывает практика, коэффициент трения, при обработке легированных сталей на порядок больше, чем при обработке обычных углеродистых сталей.

Пятое. Низкая виброустойчивость возникает по причине неравномерности процессов упрочнения детали по мере резания — поскольку процесс пластической деформации при обработке протекает по-разному, вначале и в середине обработки. Если обрабатывается небольшая по размерам деталь, то в принципе, этим явлением можно и пренебречь. Когда же речь идет об обработке длинной детали — например — вала, то тут уже могут быть сложности.

Все эти явления требуют особого подхода к обработке легированных сталей резанием, особенно, если обработка идет в полностью автоматическом режиме — например, на автоматах продольного точения и станках с ЧПУ с автоматической подачей прутка. Как можно снизить влияние 'негативных факторов — рассмотрим на примере токарной обработки — как наиболее распространенной. Токарная обработка подразумевает снятие слоя припуска в виде стружки с вращающейся вокруг своей оси детали. Движение резца в данном случае происходит по двум координатам в горизонтальной плоскости. Под воздействием сил резания происходит частичное смещение кристаллической решетки — возникает наклеп — поверхностное упрочнение. При этом значительная часть энергии трения инструмента переходит в тепловую. а как мы помним — материал имеет низкую теплопроводность. Поверхность детали неравномерно нагревается, возникает вибрация, вследствие чего негативное действие перечисленных факторов усугубляется.

Чтобы инструмент не так быстро тупился, можно уменьшить слой снимаемого припуска и подачу инструмента, а также повысить обороты шпинделя. В результате поверхность будет получаться с боле высоким классом шероховатости. Неплохо зарекомендовали себя способы обработки легированных сталей с применением кислоты — это позволяет снизить степень возникновения таких явлений, как ускоренный износ инструмента, и наклеп, однако, это чрезвычайно негативно сказывается на токарном оборудовании и самом токаре. Оптимизация обработки легированных сталей — это прежде всего, оптимальный подбор режущего инструмента, повышенной стойкости, выбор оптимальных режимов резания, и правильный выбор СОЖ и ее оптимальная подача.

Твердый сплав Т30К4, Т15К6, ВК3 обладают высокой твердостью и устойчивостью к износу. Износостойкие напайки Т5К7, Т5К110 — более вязки, но менее износостойкие. И, наконец, ВК6А, ВК8 отличаются пониженной износостойкостью, но повышенной вязкостью — они хорошо зарекомендовали себя при ударных нагрузках.

Твердосплавные пластина с покрытием — TiC

Они отличаются высокой износоустойчивостью. Существенное влияние на режущие свойства твердосплавных пластин оказывают различные способы обработки таких материалов — например, азотирование и цианирование. Покрытие кубическим нитридом бора — достаточно дорогое, но обладающее поистине уникальными свойствами — такое покрытие многократно повышает твердость инструмента, его стойкость и износоустойчивость.

Обработка жаропрочных сталей

Применяются такие марки твердых сплавов как р14Ф4, Р10К5Ф5, Р9Ф5, Р9К9. Буква Р — в обозначении указывает на принадлежность данного твердого сплава к быстрорежущим. В такие сплавы добавляют кобальт и ванадий, что существенно повышает механическую стойкость режущего инструмента. Применение быстрорежущий сплавов позволяет существенно ускорить обработку легированных сталей, сократить расход инструмента. Но у таких сплавов есть и слабое место — они боятся перегрева. Если при обработке стали инструментом с такой режущей пластиной произойдет перебой с подачей СОЖ — то инструмент в подавляющем большинстве случаев приходит в негодность и его приходится либо утилизировать, либо напаивать новую пластину.

Это одно из условий обработки легированных сталей. СОЖ необходимы, прежде всего, для предотвращения преждевременного износа инструмента, улучшения характеристик резания, получения более качественной поверхности обрабатываемой детали и повышение точности обработки. Для каждого типа обрабатываемой стали, вида режущей пластины, подбирается своя охлаждающая жидкость, способ ее подачи в область резания.

Наиболее эффективным считается такой метод, который способствует максимальному отводу тепла из зоны резания. Тут хорошо себя зарекомендовали — высоконапорная подача СОЖ преимущественно на заднюю поверхность рабочей пластины режущего инструмента, распыление СОЖ и — достаточно редко встречающееся, в основном на оборонных предприятиях — охлаждение углекислотой.

Выбор способа охлаждения

Зависит от условий обработки и технологических возможностей оборудования. Наиболее распространено высоконапорное охлаждение — оно может применяться при токарной обработке, фрезерной многоинструментальной, при шлифовании, и др. Такой способ характерен для многих производителей оборудования, как отечественных, так и зарубежных. Жидкость подаётся распылением точно в область резания. При соприкосновении с нагретым металлом она быстро испаряется, забирая тепло и эффективно охлаждая рабочую поверхность. К недостатку описанного метода можно отнести высокие потери СОЖ. Применение данного метода позволяет увеличить период стойкости инструмента почти в 6 раз — естественно это отражается на стоимости детали в конечном итоге.

Более эффективным является одновременная подача СОЖ в область резания и в область образования стружки, однако, технически это не всегда бывает возможно — может потребовать доработок технологического оборудования. Данный способ охлаждения подходит для среднесерийного и мелкосерийного производства.

Самый эффективный, сточки зрения отвода тепла из зоны обработки, является конечно же охлаждение углекислотой, при котором температура в области резания составляет порядка минус 79 °C. Однако данный способ наиболее дорогостоящий, применим только в единичном производстве. Используется, как правило, в оборонной промышленности, при изготовлении небольших партий высокоточных и ответственных деталей, которые изготавливаются из легированных сталей со специальными свойствами.

Основные требования к обработке

Для обработки легированных сталей сам станок и система СПИД (станок — приспособление — инструмент — деталь) должны обладать рядом качеств. Это, прежде всего повышенная жесткость всей системы. Ведь легированные стали при обработке способны вызвать вибрацию, которая передается всей системе. При низкой жесткости системы СПИД это может привести к браку и повышенному износу инструмента. Во-вторых, система должна быть рассчитана на значительные механические нагрузки, возникающие в процессе обработки — а они намного выше, чем при обработке черных металлов. Третье — минимальные люфты в узлах и механизмах металлообрабатывающего оборудования.

Электродвигатель должен иметь значительный запас прочности, поскольку обработка легированных сталей предполагает повышенные нагрузки. По этой же причине необходимо перед началом обработки стали проверить состояние клиноременной передачи, состояния ремней и самих шкивов. Приспособления и инструменты должны быть по возможности максимально жесткими и короткими, чтобы уменьшить влияние сил резания на конечный результат.

Оптимизировать обработку легированных сталей, можно за счет использования ультразвуковых колебаний, слабых токов, предварительного подогрева деталей — но эти способы все слишком дороги, требуют специального дополнительного оборудования и редко применяются. Чаще всего на практике используются специальные кислоты. Иногда опытные токари используют самый обычный лук, а вернее его сок, который, как это ни удивительно, заметно улучшает чистоту поверхности детали, облегчает процесс резания и увеличивает срок службы инструмента.

На складе ООО «" в наличии разнообразный ассортимент нержавеющего проката. Мы ценим время своих клиентов, поэтому всегда готовы помочь с оптимальным выбором. К вашим услугам опытные менеджеры-консультанты. Качество продукции гарантируется строгим соблюдением норм производства. Сроки выполнения заказов минимальные. Оптовые покупатели получают льготные скидки.

Термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов

Понятие «жаропрочные сплавы» объединяет большую группу металлических материалов, применяемых для изготовления деталей машин и конструкций, работающих под нагрузкой при повышенных температурах. Интервал таких рабочих температур очень широк (100—1000° С и более). Этим обусловливается большое разнообразие сплавов, используемых в качестве жаропрочных.

При сравнительно невысоких температурах (100—400° С) в качестве жаропрочных могут применяться обычные конструкционные стали (углеродистые и малолегированные), а также сплавы на основе меди, алюминия и титана. При более высоких температурах (500—700° С) применяются легированные стали перлитного, ферритного, (феррито-мартенситного) и аустенитного классов. Для работы при еще более высоких температурах (700— 1000° С) детали изготовляют из высоколегированных сплавов, содержащих железа меньше 50%, а также безжелезных сплавов на основе никеля, кобальта, хрома, молибдена и других металлов.

Для весьма высоких температур (выше 1000—1200° С) используются металлокерамические сплавы.

Разнообразие жаропрочных металлических сплавов, резко отличающихся между собой по химическому составу, способу производства, структуре и свойствам, естественно затрудняет их классифицирование. Наиболее рациональной на наш взгляд является классификация, предложенная П. Б. Михайловым-Михеевым . Она охватывает почти все металлические сплавы (кроме сплавов на основе меди, алюминия и некоторых других) и более полно по сравнению с ранее предложенными классификациями [2]—[5] учитывает признаки, по которым можно сплавы делить на группы.

По способности подвергаться термической обработке жаропрочные сплавы (как и все металлические сплавы вообще) можно разделить на три группы: сплавы, не имеющие вовсе фазовых превращений в твердом состоянии; сплавы, у которых фазовые превращения связаны с перестройкой кристаллической решетки (полиморфные превращения) и сплавы, у которых фазовые превращения обусловлены только изменением предельной растворимости избыточных компонентов при нагревании и охлаждении.

К первой группе относятся главным образом однофазные жаропрочные сплавы-твердые растворы, такие, например, как чисто ферритные и аустенитные стали, а также нихромы (не содержащие избыточных компонентов, образующих фазы выделения), молибдено-вольфрамовые и другие сплавы. Эти сплавы можно подвергать только такой термической обработке, при которой нагрев производится до температур, находящихся ниже линии солидуса.

Вторую группу составляют сплавы, претерпевающие полиморфные превращения. К ним относятся углеродистые стали и жаропрочные чугуны, мало- и среднелегированные стали перлитного и феррито-мартенситного классов, а также титановые, кобальтовые и другие сплавы.

К сплавам третьей группы относятся дисперсионно-твердеющие аустенитные стали, алюминиевые, никелехромовые и другие сплавы.

Сплавы второй и третьей групп можно подвергать всем видам термической обработки.

На фиг. 1 схематически представлена предлагаемая классификация жаропрочных сплавов по способности подвергаться термической обработке. Все сплавы делятся на три группы: сплавы на железной основе, на нежелезной основе и металлокерамические сплавы.

Первые две группы имеют по три подгруппы, в которых сплавы объединены по способности воспринимать термическую обработку. Металлокерамические сплавы в данной книге не рассматриваются.

К сплавам на железной основе отнесены углеродистые и легированные стали и жаропрочные чугуны. Согласно ГОСТ 5632-61 на коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы к легированным жаропрочным сталям условно отнесены сплавы, в которых содержание железа больше 50%. К железохромоникелевым сплавам условно отнесены сплавы, основной структурой которых является твердый раствор хрома и других элементов в железе. При этом суммарное содержание никеля и железа в них должно быть больше 65%. К жаропрочным никелевым сплавам по этому же ГОСТу условно отнесены сплавы, основной структурой которых является твердый раствор хрома (и других легирующих элементов) в никеле, если содержание Ni в сплаве превышает 55%.

Такой же принцип, несмотря на его условность, видимо, следует распространить и на другие сплавы на нежелезной основе — называть кобальтовыми, хромовыми и т. д. при содержании в них соответствующих элементов более 50—55%.

2. ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, ПРИМЕНЯЕМОЙ ДЛЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ И ЕЕ ТЕРМИНОЛОГИЯ

Многочисленные разновидности термической обработки, которой подвергаются черные и цветные металлы и сплавы, А. А. Бочвар разделил на пять видов [6]. В основу классификации положены изменения, происходящие в металлах (сплавах) при термической обработке — изменения фазового состава, структуры и свойств. Эта классификация получила широкое признание [7], [8] и др.

Рассмотрим виды термической обработки, применяемые для изделий из жаропрочных сплавов.

Отжиг 1-го рода. Заключается в нагреве до температуры, лежащей ниже линий диаграммы состояния, выдержки при этих температурах и охлаждения с определенной скоростью. Отжигу 1-го рода подвергаются главным образом однофазные жаропрочные сплавы-твердые растворы (нихромы, молибденовольфрамовые сплавы и др.). Для этих сплавов такой отжиг является единственно возможным видом термической обработки, не считая химико-термическую. Отжиг преследует разные цели. Его применяют для снятия внутренних напряжений и восстановления структуры и свойств (прочности, пластичности, электропроводности и др.)» изменившихся в результате предшествовавшей обработки. Такой отжиг называется рекристаллизационным или возвратом. При этом нагрев производят до сравнительно невысоких температур. Отжигу 1-го рода также подвергают однофазные жаропрочные сплавы для устранения дендритной ликвации. В этом случае сплав нагревают до высоких температур, лежащих вблизи линии солидуса, выдерживают при этих температурах длительное время (десятки часов) для более полного и легкого происхождения процесса диффузии. Эта разновидность отжига 1-го рода является гомогенизацией или диффузионным отжигом.

Отжиг 1-го рода применим также и для термообработки жаропрочных сплавов, имеющих фазовые превращения. Для его осуществления сплавы нагревают до температур, находящихся ниже линии фазовых превращений. Поэтому его иногда называют низким отжигом. Его применяют главным образом для снятия внутренних напряжений и восстановления структуры и свойств металла, после холодной обработки давлением или резанием.

Все процессы, происходящие при отжиге 1-го рода, являются необратимыми.

Отжиг 2-го рода. Отжигу 2-го рода подвергают только такие жаропрочные сплавы, которые имеют фазовые превращения в твердом состоянии. Если фазовые превращения обусловлены лишь изменением предельной растворимости, то происходит перекристаллизация только избыточных фаз — при нагреве выше линии предельной растворимости они полностью исчезают, растворяясь в основной фазе, а при охлаждении выделяются из твердого раствора, т. е. происходит их новая кристаллизация. Если же в сплаве возможны полиморфные превращения, то фазовые изменения при нагревании и охлаждении протекают во всем объеме — происходит перекристаллизация всех фазовых составляющих. Примером служит образование аустенита при переходе через верхнюю критическую точку при нагревании и образование смеси феррит + цементит при охлаждении у перлитных жаропрочных сталей. В обоих случаях отжиг 2-го рода — это процесс фазовой перекристаллизации. Для жаропрочных сплавов отжиг 2-го рода может быть полным, если нагрев производят до температур, превышающих верхнюю критическую точку, и неполным, если температура нагрева находится между линиями диаграммы фазовых превращений (фиг. 2). Фазовая перекристаллизация, проведенная при более быстром охлаждении (на воздухе), называется иногда (например для сталей) нормализацией. При этом образуется менее равновесная структура.

Жаропрочные сплавы с фазовыми превращениями можно подвергать высокотемпературному диффузионному отжигу (гомогенизации) для устранения или уменьшения дендритной ликвации. По существу гомогенизация для таких сплавов является также разновидностью отжига 2-го рода, так как при этом происходит фазовая перекристаллизация.

Обычно диффузионный отжиг применяется для отливок сложной формы из высоколегированных многокомпонентных сплавов.

Закалка. Закалке могут подвергаться жаропрочные сплавы, не имеющие полиморфных превращений, и те, которые имеют их. В первом случае в результате закалки при комнатной температуре может быть зафиксировано состояние, свойственное высоким температурам, лежащим выше линии фазового превращения. Такую закалку А. А. Бочвар назвал «истинной закалкой». Структура сплава после закалки представляет собой пересыщенный твердый раствор. Характерным примером «истинной закалки» является закалка жаропрочыых дисперсионно-твердеющих аустенитных сталей и никелехромовых сплавов. В обоих случаях охлаждение от температур, лежащих в однофазной области с достаточно большой скоростью (превышающей критическую скорость закалки), фиксирует при комнатной температуре однофазное состояние, устойчивое только при высоких температурах (см. фиг. 2). При комнатной температуре это состояние сплава неустойчиво. Операция, в результате которой появилось такое состояние структуры, является типичной закалкой и нет никакой нужды давать ей другое название, как это делается, например, в технической литературе США, где она называется: «Solid Solution treatment» (обработка на твердый раствор). К сожалению, и в нашей технической литературе закалку сплавов, имеющих фазовые превращения, связанные только с изменением предельной растворимости, иногда называют не закалкой, а аустенизацией. Но этим термином давно пользуются для названия процесса образования аустенита при нагревании стали [9], поэтому нецелесообразно применять его вместо термина «закалка» даже для стали аустенитного класса. Тем более не нужно называть аустенизацией процесс закалки нежелезных жаропрочных, например, никелехромоалюминиевых сплавов. В этих сплавах железо содержится в незначительных количествах (до 10%), а часто является в них лишь неизбежной, хотя и нежелательной, примесью и допускается не более 1—3%. В таких сплавах аустенита вообще нет и, следовательно, нельзя называть закалку их аустенизацией. Во всех случаях, когда в результате быстрого охлаждения из однофазной области образуется неравновесное состояние, представляющее собой или зафиксированное высокотемпературное состояние или какое-либо промежуточное, необычное для низких температур, правильнее называть этот процесс закалкой.

При закалке жаропрочных сплавов, имеющих полиморфные превращения, обычно образуется промежуточное состояние.

Однако и в сплавах, не имеющих полиморфных превращений, наблюдаются случаи, когда охлаждение, даже с весьма большой скоростью, не в состоянии полностью сохранить при комнатной температуре структуру, характерную для высокой температуры.

В этих случаях образуется неустойчивая структура из продуктов распада твердого раствора высокой степени дисперсности. Это сопровождается повышением твердости, прочности, а иногда и хрупкости. В частности, это наблюдается в некоторых высоколегированных никелехромовых сплавах.

Отпуск. Отпуск является всегда операцией вторичной, следующей после закалки, поэтому для упорядочения терминологии нецелесообразно операцию отжига 1-го рода (низкого отжига), которая по режиму похожа на отпуск (температура нагрева лежит ниже критических точек), называть высоким отпуском.

Читайте также: