Обрабатываемость сталей и сплавов

09.06.2018
Обрабатываемость — это совокупность свойств обрабатываемого материала, определяющая максимальную стойкость инструмента. Обычно обрабатываемость какого-то материала рассматривают в сравнении с обрабатываемостью эталонного материала, имеющего достаточно широкое распространение.

Под обрабатываемостью материала при резании в металлургии принимают интенсивность съема стружки в единицу времени при оптимальном инструментальном материале, режиме, геометрии инструмента и качестве обработанной поверхности.

Группы обрабатываемости сложнолегированных сталей и сплавов приведены в табл. 13. В теоретическом плане обрабатываемость зависит от химического состава сталей и сплавов. Поэтому нижерассматриваемая классификация сталей и сплавов имеет ограниченное применение, тем более, что пополнение групп новыми марками в заводских условиях осуществляется по ближайшей аналогии химического состава.

Показанная на рис. 32 зависимость обрабатываемости специальных сталей и сплавов от процентного содержания легирующих элементов носит общий закономерный характер при значительном числе труднообъяснимых отклонений. Создание более совершенной классификации материалов по обрабатываемости, помимо практического опыта и химического состава сталей и сплавов, должно учитывать структуру, механические, теплофизические свойства металла, а также особенности поверхности, связанные с дефектным слоем и геометрией и др. Можно указать, например, на разницу в обрабатываемости между донной и прибыльной частями слитка из стали одной и той же марки.

Принято считать, что материал обладает удовлетворительной обрабатываемостью, если в процессе его обработки наблюдается минимальный износ инструмента, а стойкость инструмента и качество обработанной поверхности достаточно высоки. Задаваясь определенной стойкостью инструмента, обрабатываемость можно определять по максимально допустимой скорости резания, которая находится из выражения

где Cv — постоянная, определяемая из условий опыта;

xk — величина, отражающая совокупное влияние Глубины резания и подачи на скорость резания.

Величину Xk определяют по формуле

где a, b — длина активного участка соответственно главной и вспомогательной режущих кромок;

е1, е2 — углы, определяемые из системы уравнений:

где е — угол в плане при вершине.

К наиболее труднообрабатываемым материалам можно отнести: стали с интерметаллидным упрочнением аустенитного класса, никелевые окалиностойкие сплавы, никелевые жаропрочные стали с интерметаллидным упрочнением, кобальтовые жаропрочные сплавы, литейные жаропрочные стали и сплавы.

Жаропрочные стали аустенитного класса с интерметаллидным упрочнением (Х10Н20Т2, Х12Н20ТЗР, ОХ14Н28В3ТЮР, ХН35ВТЮ, ХН35ВМТ, Х15Н30ВМТ и др.) применяются для изготовления деталей газотурбинных двигателей. Эти стали изготавливаются на железной основе. Предел прочности достигает ов = 135 кгс/мм2, ударная вязкость ak = 12 кгс*м/см2, рабочая температура ~750°С. Основной упрочняющей фазой в хромоникелевых сталях является ин-терметаллидная фаза y'.

К жаропрочным сплавам на никелевой основе относятся: Х77ТЮ, ХН70ВМТЮ, ХН80ТБЮ, содержащие Ti+Al и упрочняющиеся за счет образования интерметаллидной у' фазы [Ni3(TiAl)], и сплавы типа ХН75ВМФЮ, ХН62ВМКЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТЮ и др., содержащие только Al и упрочняющиеся за счет образования фаз Ni3Al. Кроме того, известны зарубежные сплавы аналогичного класса: нимоник 80, инконель X, инко 500, удимет 500, рене 41 и т. д. Эти сплавы имеют предел прочности до 130 кгс/мм2, ударную вязкость до 15 кгс*м/см2 и рабочую температуру до 950°С; применяются для изготовления рабочих лопаток и других деталей газовых турбин.

Аналогичное применение имеют литейные жаропрочные стали и сплавы на никелевой основе типа ЖС6К, ВЖЛ8, Л114 и др., сохраняющие свои прочностные характеристики при нагреве до 1100°С, ударная вязкость этих материалов до 7 кгс*м/см2. В зависимости от легирования и термообработки в литейных сплавах образуются боридные и карбидные фазы, например (MoW)nCrmBr или МеnМе''mС, где Me'n — Ni, Co, Fe, Si, а Меm'' — W, Mo, Nb, Cr.

Практически все вышеприведенные жаропрочные стали и сплавы имеют высокую дисперсность структуры, что препятствует развитию процессов скольжения и обусловливает увеличение энергетических затрат на их деформацию. Низкая теплопроводность способствует концентрации тепла близ контактных поверхностей, препятствует отводу тепла в обрабатываемую деталь, а также при больших толщинах среза распространению образующегося тепла вдоль всей зоны стружкообразования, что вызывает увеличение сил резания, ухудшает обрабатываемость и, как следствие, повышает затраты на обработку и увеличивает расход резцов (рис. 33).

При точении этих сталей и сплавов резцами из быстрорежущих сталей скорость резания с погрешностью до 25% (при стойкости T = 20 мин) можно определять по формуле

где X — коэффициент теплопроводности;

sВ — действительный предел прочности.

Значения коэффициента теплопроводности Л[Вт/(м°С)] для различных материалов при температуре испытаний 20° С (800° С);

Скорость резания при точении жаропрочных сталей и сплавов твердостью HB 130—300 кгс/мм2 на ферритной и аустенитной основе резцом из сплава ВК8 с погрешностью до 35% можно рассчитать по формуле

где с — постоянная (для сталей и сплавов с интерметаллидным упрочнением ее величина на 30% меньше).

При точении титановых сплавов скорость можно определить по формулам

Для конструкционных сталей эта зависимость имеет вид

Скорости резания могут быть приближенно определены и по химическому составу:

- для сталей па ферритной основе с содержанием, %: до 1,2 С; 1Si; 0,8Mn; 12Cr; 3Ni; 4W; 0,6V и 0,7Мо

где e...ek — процентное содержание легирующих элементов, кроме углерода. Для углерода берется расчетный процент Cр (при С<0,5% Cр = C, при С>0,5% Cр=0,5); je...jeK — интенсивность влияния легирующих элементов на скорость резания: icp = 3; jS = 0,4; jCr = 0,1; jW = 0,1; jV = 0,1; jMo = 0; jNi = 0; для сталей и сплавов, имеющих аустенитную и хромоникелевую основы, при содержании, %: 13—25 Cr; 7—80Ni; до 0,5С; 2Si; 9Мn; 5W; 2V; 7Мо; 2Nb; 2,5Ti; 2А1; 20Со

где Э...Эк — процентное содержание легирующих элементов, кроме титана, вместо которого берется содержание свободного не связанного с углеродом титана, Tiсв = Ti—5C;

iэ...iк — интенсивность влияния соответствующих легирующих элементов на скорость резания: iC = 1,5; iAl = 1,2; iTiсв = 0,6; iSi = 0,2; iMo = 0,06; iСo = 0,035; iMn = 0,03; iCr = 0,02; iW = 0,015; iNi = iNb = iV = 0.

При фрезеровании торцовыми быстрорежущими фрезами сталей и сплавов на ферритной, аустенитной и хромоникелевой основах скорость резания с погрешностью до 30% можно определять по зависимости

где с — постоянная величина;

Л — коэффициент теплопроводности;

sb — действительный предел прочности.

Для улучшения обрабатываемости металлов за счет снижения действительного предела прочности при предварительном точении и фрезеровании применяется разупрочняющая термическая обработка. Низкоуглеродистые стали (до 0,3% С) рекомендуется подвергать нормализации. Для получения удовлетворительной обрабатываемости сталей со средним содержанием углерода (0,35—0,55%) применяется отжиг, что позволяет получить структуру зернистого перлита. Высокоуглеродистые стали, предназначенные для черновой обработки, должны подвергаться сфероидизирующему отжигу и иметь структуру зернистого перлита.

Для инструментальных сталей целесообразно применять графитизирующий отжиг, при этом обрабатываемость улучшается не только за счет снижения твердости, но и за счет смазывающего действия графита.

Положительную роль в улучшении обрабатываемости играет применение смазочно-охлаждающих средств.

Кроме того, известно, что введение в сталь таких элементов, как сера, селен, теллур, свинец и др., позволяет повысить скорость резания на 15—25%, снизить усилия резания на 15—25%, улучшить качество поверхности и получить легко ломающуюся стружку.

Одним из наиболее перспективных методов улучшения обрабатываемости является предварительный подогрев металла перед обработкой резанием.

Улучшение обрабатываемости при резании с нагревом объясняется изменением физико-механических свойств обрабатываемого материала с увеличением температуры (рис. 34). В этих условиях наибольшее значение приобретает отношение контактных твердостей инструментального H1 и обрабатываемого H2 материалов. При постоянной стойкости уравнение обрабатываемости можно записать в виде
Обрабатываемость сталей и сплавов

На рис. 35 приведена зависимость отношения твердостей H1/H2 от температуры для различных материалов.

Однако при равных остальных условиях отношение H1/H2 определяется в основном свойствами инструментального и обрабатываемого материалов, контактной температурой и скоростью деформации. Изменение сопротивления деформированию описывается дифференциальным уравнением

где а — сопротивление деформированию;

T — температура;

е — степень деформации

е' — скорость деформаций.

С увеличением скорости деформации временная прочность материалов возрастает (см. рис. 34).

Температура в контакте зависит от условий обработки: переднего угла у (рис. 36), скорости резания v (рис. 37) и других факторов. Так как определение параметров e и e' производится в условиях, значительно отличающихся от реально существующих в процессе резания, то в этом случае целесообразно пользоваться модифицированной температурой Tм, которая определяется по формуле

где Tк — температура в контакте;

К и е'0 — постоянные.

Постоянная е0 определяется при скорости деформации 10в-3 с-1. В практических условиях для определения расчетных значений сопротивления деформации о (кгс/мм2) можно рекомендовать следующее выражение:

где оо.д — предел текучести при статической деформации;

Kt, Kv, Ke — соответственно температурный, скоростной и степенной коэффициенты. Значения коэффициентов Kt, Кv и Ke для стали 12Х18Н10Т приведены на рис. 38.


Температура предварительного подогрева, соответствующая оптимальному снижению прочности обрабатываемого материала, изменяется от 850 до 1200° С. В этих условиях существенно изменяется характер износа инструмента. Кривая 4 (рис. 39), характеризующая суммарный износ инструмента, показывает резкое увеличение износа с увеличением температуры. Это объясняется превалирующим влиянием диффузионного и химического износов. Температурные зоны адгезионного, диффузионного и химического износов приведены на рис. 40. Сказанное выше справедливо при непрерывном контакте инструмента и заготовки, так как в этом случае как заготовка, так и инструмент в зоне контакта нагреты до температур, при которых интенсифицируются диффузионные и химические процессы. Таким образом Для эффективного использования предварительного нагрева можно наметить два пути. Первый — это прерывистое резание на высоких скоростях и при малых толщинах среза, например термофрезерование, когда время контакта зуба фрезы с нагретым металлом небольшое по сравнению с «отдыхом», что достигается применением фрез большого диаметра (до 2000 мм) при ширине фрезерования до 400 мм.

Второй путь — это использование предварительного нагрева.

Обработка поверхности пневмомолотками имеет место при выборочной зачистке проката на адъюстажах металлургических предприятий.

Для обработки мягких сталей (сталь 10, 40Х, 20ХН и др.) рекомендуется ширина зубила до 20 мм, угол заточки зубила 45—55°; для сталей типа 40ХН, 30ХГСА, 30ХСТ, ШХ15, 38X2MЮA и др. ширина зубила до 25 мм, угол заточки 55—65°.

Вырубка дефектов ведется после врезания под углом 50—70° при наклоне зубила на 25—45°

Из технологических требований при вырубке дефектов необходимо обеспечивать ширину вырубки не менее шестикратной ее глубины, при этом обработанная поверхность не должна иметь острых гребней, углублений и резких переходов.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: