Долговечность и надежность инструмента зависит от материала и его конструкционной прочности. Повышение эксплуатационных качеств инструмента достигается правильным выбором марки стали.
Материал для инструмента выбирается с обязательным учетом:
1) Условий эксплуатации, а именно:
— характера приложения нагрузки (статическая, динамическая, знакопостоянная, знакопеременная, контактная и т. д.) и ее максимальной величины;
— характера напряжений;
— температурных условий работы;
— наличия агрессивной среды;
— типа трения.
2) Механических свойств и в первую очередь сочетания высоких пределов усталости и циклической вязкости, обеспечивающих надежную и длительную работу данного изделия.
3) Технологических и структурных особенностей:
— закаливаемости и прокаливаемости в рабочих сечениях;
— устойчивость аустенита в процессах теплового воздействия и характера превращений;
— склонность к обезуглероживанию, окислению и росту зерна при длительном нагреве;
— обрабатываемости на различных стадиях формообразования.
4) Особенностей конструкции обеспечивающих коробление и противодействие к образованию трещин.
5) Экономические соображения:
— стоимости;
— минимального содержания легирующих элементов;
— необходимости селектирования отдельных элементов;
— условий поставки в соответствии с ГОСТами или отраслевыми нормативами.
Для изготовления дисковых фрез или металлорежущего инструмента используются инструментальные, легированные, теплостойкие быстрорежущие стали: Р6М5, Р12, Р18, Р8М3, Р12Ф3 и др.). Для сравнения возьмем три марки стали: Р12, Р18 и Р6М5.Химический состав сталей указан в таблице 1.1:
Таблица 1.1 — Химический состав сталей, %.
|
Марка стали
|
C | Cr | W | V | Mo
(не более) |
Mn (не более) | Si (не более) | Ni (не более) | S (не более) | P (не более) | Co (не более) |
| Р6М5 | 0,8-0,88 | 3,8-4,4 | 5,5-6,5 | 1,7-2,1 | 5-5,5 | 0,4 | 0,5 | 0,4 | 0,03 | 0,03 | — |
| Р18 | 0,7-0,8 | 3,8-4,4 | 17-18,5 | 1-1,4 | 1 | 0,5 | 0,5 | 0,4 | 0,03 | 0,03 | 0,5 |
| Р12 | 0,8-0,9 | 2,8-3,6 | 12-13 | 1,5-1,9 | 1 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,03 | 0,03 | 0,5 |
В таблице 1.2 приведены механические свойства сталей, в таблице 1.3 — значения теплостойкости:
Таблица 1.2 — Механические свойства сталей.
| Марка
стали
|
Режим термической обработки | Предел прочности
МПа
|
HRC | |
| tзак , °С | tотп , °C | |||
| Р6М5 | 1220 | 560 | 3300-3400 | 63-65 |
| Р12 | 1250 | 560 | 3000-3200 | 64 |
| Р18 | 1280 | 550 | 2900-3100 | 64 |
Примечание. Закалка на зерно балла 10; трехкратный отпуск при 560 о С. Таблица 1.3 — Теплостойкость сталей
| Марка стали
|
Температура, 0 С | Предел прочности МПа
|
Время, ч | HRC |
| Р6М5 | 620 | 3300-3400 | 4 | 63 |
| Р12 | 580 | 3000-3200 | 4 | 63-64 |
| Р18 | 620 | 2900-3100 | 4 | 63-64 |
Быстрорежущие стали, в отличие от легированных и углеродистых сталей, имеют высокую теплостойкость, сохраняя мартенситную структуру и твердость более 60 HRC при нагреве до 600-650° С, более высокую прочность и повышенное сопротивление пластической деформации.
Проанализируем химические составы сталей Р6М5, Р18 и Р12.
Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающих высокую красностойкость, являются вольфрам, молибден, ванадий и кобальт. Кроме них все стали легируют хромом. Важным компонентом является углерод.
Содержание углерода в стали должно быть достаточным, чтобы обеспечить образование карбидов легирующих элементов. Так при содержании углерода меньше 0,7 % не получается высокой твердости в закаленном и в отпущенном состоянии. Влияние повышенного содержания углерода в сталях с молибденом более благоприятно, чем в вольфрамовых.
Карбидообразующие элементы образуют в стали специальные карбиды: Me6 С на основе вольфрама и молибдена, MeС на основе ванадия и Me23 С6 на основе хрома. Часть атомов Me составляет железо и другие элементы.
Вольфрам и молибден являются основными легирующими элементами, обеспечивающими красностойкость. Они образуют в стали карбид Me6 С, который при аустенитизации часто переходит в твердый раствор, обеспечивая получение после закалки легированного вольфрамом (молибденом) мартенсита. Вольфрам и молибден затрудняют распад мартенсита при нагреве, обеспечивая необходимую красностойкость. Нерастворенная часть карбида Me6 С приводит к повышению износостойкости стали. Молибден по влиянию на теплостойкость замещает вольфрам по соотношению Mo : W = 1 : 1,5.
Ванадий образует в стали наиболее твердый карбид VC (MeС). Максимальный эффект от введения в сталь ванадия достигается при условии, что содержание углерода в стали будет достаточным для образования большого количества карбидов и для насыщения твердого раствора. Карбид MeС, частично растворяясь в аустените, увеличивает красностойкость и повышает твердость после отпуска благодаря эффекту дисперсионного твердения. Нерастворенная часть карбида MeС увеличивает износостойкость стали.
Хром во всех быстрорежущих сталях содержится в количестве около 4%. Он является основой карбида Me23 С6 . При нагреве под закалку этот карбид полностью растворяется в аустените при температурах, значительно более низких, чем температуры растворения карбидов Me6 С и MeС. Вследствие этого основная роль хрома в быстрорежущих сталях состоит в придании стали высокой прокаливаемости. Он оказывает влияние и на процессы карбидообразования при отпуске.
Кобальт применяют для дополнительного легирования быстрорежущей стали с целью повышения ее красностойкости. Кобальт в основном находится в твердом растворе и частично входит в состав карбида Me6 С. К недостаткам влияния кобальта следует отнести ухудшение прочности и вязкости стали, увеличение обезуглероживания.
Марганец в небольших количествах может переводить серу в более благоприятное соединение.
Сера является вредной примесью, способствующая красноломкости. В ледебуритных сталях отрицательная роль образующихся сульфидов меньше из-за присутствия в структуре значительно большего числа избыточных карбидов, которые могут также ухудшать эти свойства. Кроме того, сульфиды при низких температурах начала затвердевания этих сталей часто служат центрами кристаллизации и присутствуют внутри крупных эвтектических карбидов. Их количество уменьшается на границе зерен. Для уменьшения количества серы (до 0,015 %) используют электрошлаковый переплав.
Фосфор также является вредной примесью. При содержании фосфора более чем 0,02-0,03 % заметно снижается вязкость и прочность, усиливаются искажения в решетке мартенсита.
Ранее наиболее широко применялась сталь P18. Она содержит больше вольфрама, чем другие стали, и поэтому имеет повышенное количество карбидов (22-25 % после отпуска). Основной карбид М6 С; доля карбида МС не более 2-3 % от общего количества карбидной фазы. Преимущества стали Р18: 1) малая чувствительность к перегреву (из-за влияния повышенного количества карбидов), и, в связи с этим, хорошая стабильность свойств сталей разных плавок; 2) хорошая шлифуемость; содержание ванадия в сталях с 18 % W меньше, чем в других сталях.
Сталь имеет немного лучшие режущие свойства при обработке сталей с избыточными карбидами (в частности, шарикоподшипниковых) и в инструментах относительно простой формы; это связано с более высоким сопротивлением пластической деформации из-за большего количества карбидов.
Резкое сокращение производства стали Р18 объясняется как дефицитностью вольфрама и созданием теперь сталей с более высокими свойствами, так и тем, что сталь Р18 имеет следующие недостатки: а) более крупные размеры избыточных карбидов: до 30 мкм, что снижает стойкость инструментов с тонкой рабочей кромкой и небольшого сечения; б) недостаточно высокие прочность и вязкость, сильно зависящие от профиля проката; они удовлетворительные лишь в небольшом сечении; прочность составляет 3000-3300 и 2000-2300 MПa в прутках диаметром 30 и 60-80 мм соответственно; в) пониженная горячая пластичность, особенно в крупном профиле. Это затрудняет также изготовление инструментов горячей пластической деформацией.
Сталь Р12, разработанная позже, заменяет сталь Р18. Основной карбид М6 С; количество карбида МС несколько больше (8 %), чем у стали Р18.
В твердом растворе стали Р12 больше ванадия, что позволяет устанавливать его содержание в стали более высоким; 1,5-1,9 % без заметного ухудшения шлифуемости. В этом случае теплостойкость стали Р12 немного выше, чем стали Р18.
При почти одинаковой карбидной неоднородности (в прокате равного профиля) размеры карбидных частиц и количество карбидов в стали Р12 меньше, чем у стали Р18.
Вследствие этого, а также и более низкого содержания хрома, горячая пластичность стали Р12 на 10-15 % выше, чем у стали Р18. По этой же причине прочность и вязкость стали Р12 в одинаковом профиле на 5-8 % выше, чем стали Р18.
Режущие свойства сталей Р18 и Р12 близки; они несколько выше у стали Р12 в инструментах с тонкой рабочей кромкой и немного ниже, чем у стали Р18 в инструментах простой формы, обрабатывающих более твердые материалы.
Сталь Р6М5 широко применяется для тех же назначений, как и сталь Р12. Теплостойкость этой стали лишь немного ниже, чем сталей Р12 и Р18.
Размеры карбидных частиц меньше, чем в стали Р18. Поэтому прочность стали Р6М5 после одинаковой деформации на 10-15 % больше, а вязкость на 50-60 % выше, чем у стали Р18. Это преимущественно наблюдается и в крупных сечениях.
С повышением температуры до 500-600 °С прочность стали Р6М5 снижается сильнее, а вязкость возрастает больше, чем у сталей Р18 и Р12. Пластичность стали Р6М5 при температурах деформирования выше, чем у стали Р18. Твердость после отжига ниже, что обеспечивает несколько лучшую обрабатываемость резанием. Ее шлифуемость хорошая и не ниже, чем у стали Р18.
У стали Р6М5 с 5 % Мо сохраняются (но в меньшей степени) недостатки, вносимые молибденом. Она чувствительна к обезуглероживанию и к разнозернистости. Для повышения стабильности свойств необходимо устанавливать содержание углерода в более узких пределах.
При увеличении содержания кремния до 0,8-0,9 % немного улучшаются вязкость и твердость стали[3,8].
Таким образом, проанализировав стали Р18, Р12 и Р6М5, можно сделать вывод, что, например, для дисковой фрезы наиболее целесообразно выбрать сталь Р6М5, учитывая выше перечисленные характеристики, и ее меньшую стоимость.
Источник: дипломный проект
на тему: «Проект участка термической обработки дисковых фрез»
Надточия Тимофея Сергеевича
Руководитель проекта:
доц. Протасенко Т.А.
Министерство образования и науки Украины
Национальный политехнический университет
«Харьковский политехнический институт»
Кафедра «Металловедение и термическая обработка металлов»
