К вопросу о влиянии содержания углерода и способа отливки на свойства литых быстрорежущих сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»



ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 68, в. 1 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1%1 г.

К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА И СПОСОБА ОТЛИВКИ НА СВОЙСТВА ЛИТЫХ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ

Н. Д. ТЮТЕВА и И. Т. ТИХОНОВ

В последнее время в отечественной литературе уделялось большое внимание проблеме литого режущего инструмента. Однако свойства литых быстрорежущих сталей, которые значительно отличаются от свойств кованых, еще недостаточно изучены. Это является серьезным препятствием для широкого распространения литых инструментов,

В данной работе исследовались литые быстрорежущие стали, по составу аналогичные стали ЭИ-262, но с изменяющимся содержанием углерода в предела^ от 0,6 до 1,8°/0. Углерод является важнейшим компонентом быстрорежущей стали. В кованых быстрорежущих сталях содержание углерода ограничивается условием их ковкости. В литых быстрорежущих сталях это ограничение отсутствует, и поэтому изучение свойств литых сталей в зависимости от содержания углерода представляет особый интерес.

Изготовление и состав сталей

Исследуемые стали выплавлялись в индукционной высокочастотной лечи из отходов стали ЭИ-262. Потеря легирующих элементов, вследствие угара, пополнялась присадками соответствующих ферросплавов. Увеличение содержания углерода достигалось введением специально приготовленного высокоуглеродистого „чугуна" на основе стали ЭИ-262. Плавка велась под кислым шлаком, образующимся при расплавлении битого стекла. Перед разливкой стали раскислялись алюминием. Состав плавок приведен в табл. 1.

Таблица 1

Номера плавок

Содержание элементов в

С V Сг | V

1 0,58 9,18 4,72 2,37

2 0,70 8,60 4,22 2,44

3 0,87 8,91 3,94 2,50

4 1,00 9,12 4,07 2,46

5 1,20 9,72 4,22 2,43

6 1,40 10,60 3,82 2,41

7 1,81 10,67 4,19 2,Ь4

Из выплавленных сталей отливались ножи торцевых фрезеров. Разливка каждой плавки производилась в металлические вращающиеся формы и в сухие земляные формы, изготовленные из обычных песчано-гли-нистых материалов.

Структура сталей

Поскольку структура литых быстрорежущих сталей подробно разобрана в опубликованных работах [1], ограничиваемся кратким описанием структур наших сталей в состоянии литья.

Структура литой быстрорежущей стали слагается из первичных дендритных образований и сетки карбидной эвтектики. Структура литых быстрорежущих сталей зависит от содержания в них углерода, а также от способа литья и отличается большим разнообразием. Кроме карбидной эвтектики, структуру литой быстрорежущей стали в ее основе могут со ставлять остаточный аустенит, мартенсит и продукты слабо легированного углеродом аустенита, распадающегося выше температур мартенсит-ного превращения. Эти составляющие вследствие ликвационной неоднородности литых сталей могут одновременно присутствовать в различных частях дендритных образований. Кроме того, при литье в землю структура основы быстрорежущих сталей осложняется еще появлением вторичных карбидов, которые выделяются при охлаждении высоколегированного аустенита с высоких температур.

При литье в кокиль значительную долю первичных дендритных образований в сталях с невысоким содержанием углерода (плавки №1 и 2) составляют продукты распада слаболегированного аустенита. С увелкче нием в сталях содержания углерода в основе начинает преобладать мар-тенситная структура (плавки № 4 и 5), которая при дальнейшем увеличении содержания углерода сменяется структурой остаточного аустенита с отдельными довольно крупными иглами мартенсита (плавка № 6). При еще большем содержании в стали углерода иглы мартенсита исчезают, и в основе остается только один остаточный аустенит (плавка № 7). Присутствия вторичных карбидов в структуре основы быстрорежущей стали при литье в кокиль не наблюдается.

Количество карбидной эвтектики в структуре литой быстрорежущей стали заметно возрастает с увеличением в ней содержания углерода. При малых содержаниях углерода (плавки № 1 и 2) карбидная эвтектика в структуре сталей присутствует в виде тонкой разорванной сетки. При больших содержаниях углерода сетка карбидной эвтектики начинает занимать значительную долю литой структуры. При этом в случае литья в кокиль благодаря высоким скоростям охлаждения карбидная сетка сохраняет характерное эвтектическое строение.

Структур'а быстрорежущих сталей, отлитых в земляные формы, отличается прежде всего более крупными размерами первичных дендритных образований по сравнению с литьем в кокиль. Благодаря слиянию карбидов сетка утрачивает эвтектическое строение, и в ней происходит образование так называемых „скелетообразных" форм. Структура основы стали при литье в землю осложняется, как было указано, выделением мелких вторичных карбидов, которые образуют в высокоуглеродистых плавках своеобразный сорбитоподобный фон. В чередовании преобладающих в основе сталей структур с возрастанием в них содержания углерода можно подметить закономерность, аналогичную указанной выше, только с некоторым сдвигом в сторону больших содержаний углерода по сравнению со сталями, литыми в кокиль.

Магнитные свойства и твердость сталей

Исследование магнитных свойств и твердости производилось, в процессе последовательных часовых отпусков с температурами 100, 200, 300, 400, 500, 550, 575, 600, 625, 650, 675 и 700°С на образцах с размерами 2X20X30 мм, изготовленных при- помощи шлифования с точностью ь:0,02 мм. С целью предохранения от окисления при проведении отпусков образцы упаковывались в гильзы и засыпались стружкой. Для построения графиков использовались средние значения твердости от 2—4 измерений.

Измерен ия магнитных свойств производилось на приборе, принципиальная схема которого приведена на фиг. 1. Сердечник катушки 1, включаемой в сеть переменного тока, имеет Ш-образную форму- В месте разрезов сердечника располагаются две катушки 2 и 3, в которых индуктируется ток встречного направления- При введении образца в одну из катушек выпрямленный купроксом 4 ток вызывает отклонение стрелки гальванометра 5.

Исследование образцов производилось за пределами их магнитного насыщения. Напряжение н* первичной катушке 1 контролировалось вольтметром 6 ю регулировалось на постоянную величину реостатом 7. Измерение магнитных свойств на приборе переменного тока не может претендовать на большую точность, поэтому характеристика магнитных свойств исследуемых ¿талей нами дается в показаниях прибора без указания процентных количеств магнитной и немагнитной составляющих.

Результаты проведенных исследований изменения твердости и магнитных свойств в процессе последовательных отпусков даны на фиг. 2—8. Обобщение этих результатов дается на графиках фиг. 9, где показано изменение свойств исследуемых сталей в зависимости от содержания в них углерода.

Кривые график^ а (фиг. 9) дают изменение исходной твердости сталей в зависимости от содержания в них углерода при литье в кокиль и в землю. Обе кривые имеют явно выраженный максимум. Снижение твердости литых сталей при малых содержаниях углерода связано с присутствием в их структуре участков с сравнительно низкой твердостью. Наличие этих участков отмечалось нами при описании структур. Эти участки представляют собой продукты распада слабо легированного углеродом аустенита, который получается при малых содержаниях в сталях углерода в центральных зонах дендритных образований и распадается выше температур мартенситного превращения. С увеличением содержания углерода легированность аустенита возрастает, и твердость литых сталей повышается. Но, с другой стороны, вместе с увеличением легированности аустенита углеродом в структуре литых сталей возрастает количества остаточного аустенита. Это приводит, в свою очередь, к снижению твердости литых сталей при больших содержаниях в них углерода. Возрастание количества остаточного аустенита с увеличением в сталях содержания углерода показывают также кривые изменения магнитных свойств на графике е (фиг. 9). ю

Фиг. 1

'g¿csoo¿(&g¿¿f ptv "ж/одлсп/ хвянаедуом g

хфшзлодо

'0** *j?0&£j?ûfé/ хвггноеяуои g DfftííOnOffJ 0/ÇHU/rtHWW

8 % $ 8 s £ *

щшэпоео

J*

Плавка 5.

¡o~ — «о

_

в> s i <5 ? s

I §f :

II

Jlum^e Ô JíoAa/tb J?urd¿>e в \земАю

i

! Ц

Li/. l/l

400 200 300 400 $00 600 700

г??емпбр®т*//>я ownycAar, °C

Ц»

Фиг. ß

s

1

Il <i20

rK

Плавка 6.

too 200 300 400 500 600 700 /Яемп^&ту/ха отлусЛа, °С

„ Фиг. 7

График б (фиг. 9) дает зависимость максимальной твердости, достигаемой в интервале температур 500—625°С в процессе последовательных

н

с ^

Ш

ш

4 «8

1

НИ

и 1 ■

ИИ

III5

Ш1

IV ^ к ^

ъ ч о чьц

^ 1

Ч»

> п И

1 5

€ ь

>

<8 <¿3

ъ ^ ъ

г ^

и. II

отпусков, от содержания в сталях углерода. График в дает соответствен но изменение температуры отпуска, дающего максимальную твердость.

ъ

хвпнтвуом д вдшоиодо ащншлиг&м

При отпусках с температурами выше 500°С в литых быстрорел^щих сталях вследствие неоднородности их структуры, обусловливаемой ликвацией, одновременно могут протекать процессы, приводящие как к повышению, так и к снижению ее твердости, В то время ка« в одних участках литой структуры будет происходить превращение остаточного аусте-

14

нита в мартенсит, сопровождающееся возрастанием твердости, в других, менее легированных участках могут протекать процессы распадения уже образовавшегося мартенсита и укрупнения карбидов, приводящие к снижению твердости. Сначала с увеличением в сталях содержания углерода при отпуске возрастает роль процесса превращения остаточного аусте-нита в мартенсит, и значение максимальной твердости повышается. Но, с другой стороны, увеличение степени легированности аустенита, как показывает ход кривых на графике в, требует более высокой температуры от пуска для его превращения в мартенсит. При этом увеличивается скорость распада мартенсита в менее легированных участках, и, после достижения максимума, кривая наивысшей твердости, получаемой при последовательных отпусках, при дальнейшем увеличении в сталях содержания углерода начинает постепенно снижаться.

Одной из важнейших характеристик быстрорежущих сталей, как материала для изготовления режущих инструментов, является красностойкость. В наших опытах красностойкость исследуемых сталей можно характеризовать значением температуры, при которой кривая изменения твердости в конце последовательных отпусков (фиг. 2—8) снижается до значения 60/?<> Изменение красностойкости в зависимости от содержания в сталях углерода иллюстрирует график г (фиг. 9). При увеличении содержания углерода примерно до 1,0—1,1% наблюдается значительное возрастание красностойкости. При дальнейшем увеличении содержания углерода красностойкость продолжает расти, но значительно медленнее. Такой ход кривых изменения красностойкости, повидимому, связан с тем, что при со держаниях углерода более 1,0—1Д°/0 исчерпываются возможности легирующих элементов с большой карбидообразующей способностью и в процессе карбидообразования возрастает роль элементов, образующих менее стойкие карбиды. График г (фиг. 9) позволяет отметить также значительно более высокую красностойкость сталей, отлитых в кокиль, по сравнению со сталями, отлитыми в землю. Более низкая красностойкость сталей, отлитых в землю, может быть объяснена тем, что в условиях замедленного охлаждения отливки происходит выделение из аустенита вторичных карбидов. Это облегчает процесс укрупнения карбидов при отпуске и приводит к более быстрому снижению твердости. Повидимому, этим же можно объяснить меньшее значение максимальной твердости в процессе последовательных отпусков сталей, отлитых в землю, на графике б.

График д (фиг. 9) показывает изменение значения температур начала и конца превращения остаточного аустенита в процессе последовательных отпусков в зависимости от содержания в сталях углерода. График е дает изменение магнитных свойств сталей в литом состоянии и после последнего отпуска с температурой 700°С. Уменьшение магнитных свойств с увеличением в сталях содержания углерода после последнего отпуска, приводящего практически к полному распадению остаточного аустенита во всех сталях, связано с увеличением в них количеств карбидной фазы.

Выводы

1. Исследование структур литых сталей подтверждает значительные преимущества литья в кокиль. Стали, отлитое в кокиль, имеют мелкозернистую структуру, и в строении карбидной эвтектики даже при больших содержаниях углерода не наблюдается образования „скелетообразных" форм. Вместе с этим стали, отлитые в кокиль, обладают более высокой красностойкостью и более высокими твердостями после отпуска. Таким образом, кокильное литье, помимо обычных преимуществ при изготовлении литых режущих инструментов, обладает еще и особыми специфическими преимуществами.

2. При соответствующем подборе содержания углерода в сталях можно получить литой инструмент с достаточно высокой твердостью без дополнительной термической обработки, на что также указывали в своей работе Пенский и Разуваева [2]. Однако, поскольку при этом в структуре литой быстрорежущей стали имеется значительное количество остаточного аустенита (фиг. 5 и 6), отказ от операций отпуска следует признать нецелесообразным.

3. С увеличением в литых быстрорежущих сталях содержания углерода возрастает их красностойкость. При этом значительное возрастание красностойкости наблюдается лишь до определенных пределов содержания углерода. Учитывая, что с увеличением содержания углерода возрастает также хрупкость литых быстрорежущих сталей, целесообразно повышать содержание углерода лишь в этих пределах, дающих значительный прирост красностойкости. Из этих соображений для литых быстрорежущих сталей состава ЭИ-262 можно рекомендовать содержание углерода 1,0—1,1%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Т. А. Лебедев и И. А. Р е в и с.—Структура и свойства литого инструмента из быстрорежущей стали, Машгиз, 1949.

2. А. П. Пенский и 3. Л. Р а з у в а е в а.—Литой инструмент, не требующий термической обработки, Машгиз, 1946.