Машиностроение и инженерное образование №4 2014 (450,00 руб.)

Стр.1

Стр.2

Стр.3

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Í.A. Êîñòèí, Å.Â. Трусова УДК 621.785.532: 628.51 ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ Р6М5 И Р6М3 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ЦИАНИРОВАНИЕМ Í.A. Êîñòèí, Å.Â. Трусова Проведено экспериментальное исследование цианирования быстрорежущих вольфрамомолибденовых сталей Р6М5, Р6М3 и стали Р18 в соляной ванне для цианирования деталей машин и режущего инструмента. Ванна, содержащая карбамид, углекислый натрий, хлористый натрий и едкий натр, обеспечивает экологическую безопасность технологического процесса и повышает эксплуатационную стойкость инструмента. Показано, что цианирование вольфрамомолибденовых сталей повышает их теплостойкость и стойкость до уровня традиционной стали Р18, содержащей в своем составе в три раза больше очень дорогого и чрезвычайно дефицитного вольфрама. Данные исследования открывают возможность получения у вольфрамомолибденовых сталей Р6М5 и Р6М3 свойств, аналогичных свойствам стали Р18, путем низкотемпературного насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом. Ключевые слова: низкотемпературное цианирование, быстрорежущие легированные стали, твердость, стойкость инструмента Введение Быстрорежущие стали являются самыми распространенными материалами для производства металлорежущего инструмента. В инструментальном производстве на долю быстрорежущих сталей приходится около 70% от всего объема выпускаемых инструментов, 20% – на твердые сплавы, 4% – на металлокерамику и 8% – на другие стали. Инструментами из быстрорежущих сталей удаляется ~ 80% металла от общей массы, снимаемой с заготовок при обработке деталей резанием [1]. Наиболее высокие свойства и высокую стойтрадиционная кость имеет быстрорежущая сталь Р18, содержащая 18% вольфрама. Вольфрам в быстрорежущей стали обеспечивает необходимую красностойкость, так как при термообработке способствует образованию в ее структуре стойкого против коагуляции карбида (W,Fe)6 лического соединения (с вольфрамом), стойко2 го при температурах до 580°С. С повышением содержания в стали вольфрама увеличивается количество первичных карбидов в структуре, при этом увеличивается твердость и износостойкость инструмента. Однако, несмотря на названные выше уникальные свойства вольфрама, его использование для производства быстрорежущих сталей в последнее время неуклонно снижается ввиду его острого дефицита. Во всех индустриально развитых странах ведутся работы по снижению содержания вольфрама в сталях и по замене его другими, менее дефицитными элементами. Одним из таких элементов – заменителей C, а также тройного интерметалвольфрама – является молибден. Считается, что один процент молибдена, добавляемого в сталь, равноценен двум процентам вольфрама [2]. Молибденовые и особенно молибденовольфрамовые стали с пониженным содержанием вольфрама широко используются в США, Великобритании и других странах. Машиностроение и инженерное образование, 2014, ¹ 4 © Í.A Êîñòèí, Å. Òðóñîâà, 2014

Стр.1

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Повышение стойкости инструмента из быстрорежущих сталей Р6М5 и Р6М3 низкотемпературным цианированием Однако влияние молибдена на технологические и эксплуатационные свойства быстрорежущих сталей не вполне аналогично влиянию вольфрама. Молибденовые стали имеют меньшую теплостойкость, так как карбиды молибдена легче переходят в твердый раствор при нагревании, чем карбиды вольфрама. Кроме того, стали с молибденом склонны к обезуглероживанию при термообработке и имеют еще ряд недостатков, которые обуславливают заметно меньшую стойкость инструмента по сравнению с чисто вольфрамовыми быстрорежущими сталями. В настоящей работе приведены результаты исследования поверхностного упрочнения инструмента из вольфрамомолибденовых сталей Р6М5 и Р6М3 азотонауглероживанием в нетоксичной ванне на основе карбамида с целью повышения ее теплостойкости. Методы исследования Для цианирования используют твердые, стого натрия NaCl. Цианирование поводили при температуре CO3 жидкие и газообразные среды. В данном исследовании для азотонауглероживания режущего инструмента из быстрорежущей стали использовали нетоксичную и дешевую ванну на основе карбамида [3]. Оптимальный состав этой ванны (по критериям активности и жидкотекучести) следующий (% ìàññ): 40% карбамида (NH2 Na2 ; по 10% едкого натра NaOH и õëîðè)2 560°Ñ (общепринятая температура карбонитрации в цианистых ваннах), длительность цианирования – 60 мин. Относительно большая выдержка образцов в цианирующем расплаве (традиционно она не повышает 30 мин) была принята для того, чтобы полностью сформировалась упрочняющая карбонитридная структура диффузионных ñëîеâ [4]. В качестве образцов использовали готовые инструменты (сверла и метчики) из названных сталей. Для определения эффективности низкоуглеродистой обработки быстрорежущих сталей в ванне карбамида в эксперименте были использованы металлографический и рентгеноструктурный анализы, измерение микротвердости и определение теплостойкости. Микроструктуру цианированных инструментов исследовали с помощью металлографического микроскопа МИМ–8 при различМашиностроение и инженерное образование, 2014, ¹ 4 CO; 40% углеродистого натрия ных увеличениях, при этом микрошлифы для лучшего выявления карбонитридных включений подвергали многократному травлению в 4%-ом растворе азотистой кислоты в этаноле с полировкой. Рентгеноструктурный анализ проводили съемкой дифрактограмм цианированных поверхностей образцов на дифрактомере ДРОН–3 в кобальтовом излучении, расшифровку дифрактограмм – по стандартной методике [5]. Распределение микротвердости по сечедиффузионных нию слоев цианированных сталей исследовали на поперечных шлифах на микрометре МПТ–3 со 100-граммовой нагрузкой на шток нагружаемого механизма. Теплостойкость цианированных слоев быстрорежущих сталей определяли измерением твердости образцов после длительного (8 часов) отпуска при различных температурах (от 500 до 720°С). Отпуск производили в соляных ваннах (силитровых и хлористых) для исключения обезуглероживания, измерение твердости после отпуска проводили на твердомере ТП–2 («Âèêêåðñ») с нагрузкой 10 êãñ. По снижению твердости цианированных образцов после отпуска оценивали их стойкость против нагрева (теплостойкость). Результаты исследования Металлографический анализ цианированных образцов показал, что на всех исследованных сталях образовались диффузионные слои глубиной 40…45 мкм, структура которых представлена мелкими карбонитридами в матрице из азотистого твердого раствора (рис. 1). Рис. 1. Микроструктура цианированного слоя метчика из стали Р6М5 при температуре цианирования 560°С и длительности в 60 мин 3

Стр.2

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Í.A. Êîñòèí, Å.Â. Трусова Карбонитридные включения, присутствующие в структуре диффузионных слоев быстрорежущих сталей, представлены в основном ε-фазой и γ'-фазой, изоморфными с соответствующими нитридами. В металлическую часть этих карбонитридов входят элементы, присутствующие в этих сталях, и железо – основа стали. Надо отметить, что состав карбонитридов практически не зависит от степени легирования сталей. Распределение микротвердости по сечению диффузионных слоев цианированных быстрорежущих сталей при температуре цианирования 560°С и длительности в 60 мин представлено на рис. 2, а уменьшение твердости при тех же параметрах – на ðèñ. 3. Как можно видеть из результатов исследования, цианирование быстрорежущих сталей приводит к сближению их свойств. Так, кривые распределения микротвердости по сечению ñëîеâ сталей Ð18, Ð6Ì5 и Ð6Ì3 практически идентичны. Это свидетельствует о том, что режущая способность инструмента из этих сталей почти одинакова. Что касается теплостойкости, то эта характеристика у цианированных сталей Р6М5 и Р6М3 несколько ниже, чем у цианированной высоковольфрамовой стали Ð18 (600°Ñ). С другой ñòîðîíû, цианирование вольфрамомолибденовых сталей обеспечивает им теплостойкость в 1,3–1,5 раз âûøå, чем для стали Р18 без цианирования. Стойкость цианированных инструментов проверялась в производственных условиях путем испытания метчиков при нарезании резьбы в чугунном блоке из чугуна СЧ 21 на резьбонарезном станке. Метчики использовались для нарезания резьбы М10Ч1,5 при скорости резания 2,31 ì/ìèí и подаче 1,5 ìì/îá без охлаждения. Результаты испытаний представлены на ðèñ. 4. Как видно из рис. 4, цианирование быстроРис. 2. Распределение микротвердости по глубине цианированных слоев быстрорежущих сталей: 1 – Ð18; 2 – Ð6Ì5; 3 – Ð6Ì3; 4 – Ð18 без цианирования (ýòàëîí) режущих сталей в карбонитридной соляной ванне весьма эффективно для повышения их стойкости. При этом разница в стойкости инструментов из стали Р18 и более дешевых сталей Р6М5 и Р6М3 в результате цианирования сводится к минимуму. Рис. 3. Твердость цианированных быстрорежущих сталей: 1 – Ð18; 2 – Ð6Ì5; 3 – Ð6Ì3; 4 – Ð18 без цианирования (ýòàëîí) 4 Машиностроение и инженерное образование, 2014, ¹ 4 Рис. 4. Стойкость метчиков из быстрорежущих сталей: – без цианирования; – после цианирования

Стр.3