ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ В СОВРЕМЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

вестнь ми методами упрочнения сталей, включая и простое воздействие магнитного импульса. В качестве обрабатываемых деталей использовались осевой металлорежущий инструмент (спиральные сверла от 3 до 7 мм из стали Р6М5), детали гидрозапорной аппаратуры (золотники, втулки из сталей 95X18 и 40X13), а также детали сельскохозяйственной техники (зуб бороны из стали 45 и нож для измельчения соломы из стали 65Г). На рис. 1 приведены некоторые результаты исследований.

Повышение износостойкости различных изделий

спиральные сверла золотники плоским нож сталь Р6М5 сталь.95X18 сталь 65Г

Рис. 1 Сравнительное повышение износостойкости изделий из различных сталей, обработанных методом комбинированной МИО по сравнению с покупными изделиями.

Но рис. 2 приоедена схема обработки плоского ножа для измельчения соломы в комбайнах с односторонней заточкой. Засчет применения сменных концентраторов магнитного поля процесс приобретает дополнительную гибкость, что позволяет обрабатывать детали различных

форм и конструкций. Также процесс позволяет исключить термическую обработку деталей и тем самым значительно снизить себестоимость последних.

Зона обработки

Рис. 2 - Схема обработки плоских ножей методом комбинированной магнитно-импульсной обработки.

1- индуктор с концентратором магнитного поля;

2 - обрабатываемый нож; 3 - индуктор тока высокой частоты для предварительного нагрева ножа.

Литература

1. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей. М.: Машгиз, 1964. - ЗА8 с.

2. Кацев П.Г. Статистические методы исследования режущего инструмента. - М.: Машиностроение, 1968. - 156 с.

3. Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин. - М.: Машиностроение, 1989. - 112 с.

Перспективы применения порошковых инструментальных сталей в современном машиностроении

Л.П. КОРОТКОВА, доцент, канд. техн. наук, КузГТУ, В. В. КОСОВ, зам. генерального директора, Н.В. ПРАТАСЕНЯ, зам. генерального директора, ОАО "Первый Кемеровский авторемонтный завод", г. Кемерово

Производство режущего инструмента является определяющим фактором развития машиностроения. Потребительские свойства инструмента в значительной степени зависят от качества стали, из которой он изготовлен. Анализ состояния инструментального рынка, в плане дальнейшего совершенствования инструментальных материалов показывает, что к настоящему времени сформировались следующие тенденции:

- узкая специализация материалов по назначению. Разработка новых групп инструментальных сталей и сплавов для высокопроизводительной обработки;

- разработка и внедрение порошковых сталей, существенно отличающихся по химическому составу и свойствам от традиционных сталей;

- использование современных методов нанесения покрытия на готовый инструмент.

На фоне поступательно развивающегося мирового инструментального рынка в отечественном инструментальном производстве остались и продолжают усиливаться

такие отрицательные тенденции, как сокращение номенклатуры марок сталей, снижение их качества, рост стоимости и дефицит сталей с повышенными эксплуатационными свойствами, особенно быстрорежущих, почти полное прекращение производства порошковых инструментальных сталей. Так, за последние 10 лет производство быстрорежущих сталей в России снизилось приблизительно в 7-9 раз. Сейчас практически невозможно найти отечественные марки быстрорежущих сталей повышенной теплостойкости, отличающиеся повышенным содержанием кобальта и вольфрама И1-

Зарубежные фирмы-производители, между тем, предлагают широкий ассортимент своей продукции. Особенно преуспевает в этом деле французская фирма «ERASTEEL» - крупнейший в мире производитель бьстрорежущих сталей (до 30 % от объемов производства мирового рынка). Для отечественного потребителя этой фирмой предлагается до 30 марок быстрорежущих сталей, причем, примерно 20 из них являются аналогами российских марок быстрорежущих сталей [2].

№ 2 (27)2005

15

*

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

Активно работает на отечественном рынке немецкий концерн «Sandvik», вместе с фирмами «Sandvik Coromant» и «Seco Tools». Эти фирмы уже длительное время лидируют в мировом производстве режущих инструментов (годовой оборот составляет около 650 млн. евро) [3].

Одним из направлений деятельности концерна «ERASTEEL» является выпуск порошковых быстрорежущих сталей (см. табл. 1), имеющих маркировк/ ASP2000. Это наименование нового поколения порошковых сталей

Отечественными учеными была также разработана группа порошковых быстрорежущих сталей, отличающихся высокой теплостойкостью и производительностью [4].

При производстве современных порошковых сталей используют два способа изготовления порошков: метод стружкообразования из слитка и метод газоструйного

Порошковые быстрорежущие стали, изготовленные ил стружки, производят в соответствии с ГОСТ 28393-89 (табл. 2). Для производства таких сталей используется шихта, состоящая из порошка или тонко измельченной стружки быстрорежущей стали, которая подвергается холодной формовке и последующему твердофазному спеканию заготовок при 1180 °С в вакууме в течение 3-5 ч, а затем горячей штамповке или прессованию для уменьшения пористости. На заключительной стадии заготовки подвергаются полному отжигу в защитной среде. После

16 № 2 (27) 2005

«ЕРАЭТЕЕЬ), получаемых методом электрошлакового нагрева (ЭШН) при выплавке стали. Поколение сталей А5Р2000 примерно на 20 % прочнее порошковых сталей, которые изготавливаются электропереплавом, т.к. ЭШН снижает содержание оксидных включений в сталях. За счет ЭШН при выплавке удаляется примерно 90 % всех шлаковых частиц. В результате получается чрезвычайно однородная сталь, что снижает риск выкрашивания режущих кромок инструментов, а значит повышает их стойкость.

распыления из жидкого расплава. Разница в технологии производства порошка отражается на структурном и, в особенности, фазовом составе сталей. Как следствие, это сказывается на свойствах, на последующих технологических этапах компактирования и термической обработке.

Таблица 2

механической обработки инструмент, в первую очередь сложной формы и крупногабаритный, целесообразно подвергать отжигу для снятия напряжений (680-720 °С). Последующая закалка и трехкратный отпуск проводят по такой же технологии, как для обычных быстрорежущих сталей

Порошковые быстрорежущие стали, изготовленные из стружки, в отличие от традиционных, характеризуются мелкодисперсной структурой, равнсмерным распределения карбидов и, как результат, - улучшенными основными и технологическими свойствами, особенно шлифуемостью.

Таблица 1

Состав и свойства порошковых быстрорежущих сталей фирмы «ЕРАЭТЕЕЬ»

Обозначение ERASTEEL Марки-аналоги Со, V, С, Сг, Мо, W, Твердость НВ в состоянии поставки, не более

Российские % % % % % % Мягко отоженная Холоднокатаная или тянутая

ASP2005 15РЗМЗФ4-МП - 4 1,5 4 2,5 2,5 260 310

ASP2015 15Р12К5Ф5-МП 5 5 1,55 4 - 12 280 -

ASP2017 РЗМЗК8-МП 8 1 0,8 4 3 3 260 320

ASP2023 Р6М5ФЗ-МП - 3,1 1,28 4,2 5 6,4 260 320

ASP2030 Р6М5ФЗК8-МП 8,5 3,1 1,28 4,2 5 6,4 300 320

ASP2052 16Р11М2К8ФЗ-МП 8 5 1,6 4,8 2 10,5 300 320

ASP2053 25Р4МЗФ8-МП - 7,9 2,45 4,2 3,1 4,2 300 340

ASP2060 Р6М7Ф6К10-МП 10,5 6,5 2,3 4,2 7 6,5 300 -

Состав и основные свойства порошковых быстрорежущих сталей, изготовленных из стружки (ГОСТ 28393-89)

Марка стали Твердость НВ в состоянии поставки, не HRC, не менее Уизг. МПа Теплостойкость, °С (HRC 58)

Р6М5ФЗ-МП 269 65 3500-4400 630

Р6М5Ф5-МП 269 66 3000-3800 630

Р12МФЗ-МП 285 65 3000-4000 635

Р7М2Ф6-МП 269 64 3500-4200 630

Р9М4К8-МП 285 66 3000-3700 635

Р12МЗК5Ф2-МП 269 65 3500-4400 630

«

ТЕХНОЛОГИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Порошковые быстрорежущие стали, изготовленные из распыленного порошка (табл. 3), имеют существенную особенность в технологии производства. Металлические порошки производят распылением жидкой стали заданного химического состава в инертной газовой среде азота или аргона, что обеспечивает скорость охлаждения капель металла на уровне 103— 105 град/с. Струя жидкого металла разбивается газом на капли , который подается через фор-

Порошковые быстрорежущие стали из распыленного порошка имеют ряд особенностей в структуре и свойствах по сравнению со сталями, полученными по традиционной технологии, а также из стружки. Эти особенности формируются на стадии изготовления порошков при распылении за счет сверхвысоких скоростей охлаждения капель. В порошках присутствует неравновесная структура, включающая в себя мартенсит, остаточный аустенит (до 30-6Э %) и карбиды, состав и строение которых отличаются от обычных [5]. Структура порошков характеризуется высокой дисперсностью составляющих и равномерным распределением карбидов, а твердые растворы - высокой пересы-щенностью углеродом и легирующими элементами. На этапе компактирования порошков в плотные заготовки в сталях наследуется дисперсность структурных составляющих и частично неравновесность структуры - пересыщенность твердых растворов, наличие метастабильных карбидов.

Особенности фазового состава порошковых быстрорежущих сталей приводят к изменению режимов термической обработки (рис. 1). Температура закалки на 30-40 °С

сунки под давлением 2-3 МПа. В результате получается порошок с размерами 50-600 мкм. Плотные заготовки изготавливают ме~одом горячего изостатического прессования капсул под давлением 100-200 МПа и температуре 1100-1200 °С с последующей ковкой, либо получают методом горячей экструзии вакуумированных капсул с порошком. После компактирования заготовки обязательно отжигают по обьчному для быстрорежущих сталей режиму.

ниже по сравнению с обычными быстрорежущими сталями аналогичного химического состава и составляет 1160-1180 °С, уменьшается выдержка на 15-30 % при нагреве под закалку. При последующем отпуске порошковых сталей происходят процессы дисперсионного твердения, в результате которых повышается твердость. Остаточный аустенит таких сталей не показывает повышенной устойчивости против отпуска, для них достаточно двукратного отпуска при температурах 550-560 °С [8].

Современная технология производства инструментальных сталей позволяет значительно улучшить не только структуру, но и основные и, особенно технологические свойства. В порошковых инструментальных сталях карбидного класса полностью решена проблема карбидной неоднородности. Их структура характеризуется по сравнению с инструментальными сталями, полученными по традиционной технологии (жидкая сталь - слиток - ковка), мелкозернистым строением с равномерные распределением карбидов при отсутствии макро- и микроликвации, шлако-

№ 2 (27)2005 17

Таблица 3

Основные свойства отечественных порошковых быстрорежущих сталей, изготовленных методом порошковой металлургией из распыленного порошка

Марка стали Твердость НВ в состоянии поставки, не более Свойс те ггва после упрочняющей рмической обработки Условие поставки

HRC, не менее Уизг. МПа Теплостойкость, °С (HRC 58)

Р6М5КЗ-МП 269 67-68 3200-3900 630 ТУ 14-1-3647-83

Р6М5ФЗ-МП 269 66-67 3500-4400 630

Р9М4К8-МП 285 66-67,5 3200-3700 635 ТУ 14-1-3408-82

Р12МЗК5Ф2-МП 285 66-68 3600-3500 635

Р12МЗК8Ф2-МП 285 67-69 2700-3200 640 ТУ 14-1-3647-83

Р12МЗК1 ОФЗ-МП 285 66,5-68 2400-3500 640

Р12МФ5-МП 260 66-67,5 2800-3400 635

Р8М5К8Ф2-МП 260 67-68 2800-3400 635

10Р6М5К5-МП 285 66-67,5 2500-3500 625

10Р6М5-МП 255 64-67 - 635 ТУ 14-127-196-62

Р10М6К8-МП - 67-68 - 635

13Р6М5ФЗ-МП (ТСП-26) 285 67-68 3500-4400 - ТУ А-7845-243-70

15Р10ФЗК8М6-МП (ТСП-24) 285 68-69 4150-4430 - ТУ 14-131-530-82

22Р10Ф6К8МЗ-МП (ТСП-25) 285 68-70 3800-4100 -

М6Ф7 260 66-67 2700-3000 630

*

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

вых включений. Структура порошковых сталей имеет мелкое зерно с размером не ниже 13 балла (ГОСТ 5639-65) и практически идеальное распределение карбидов по 1 баллу (ГОСТ 19265-73) (рис. 2).

Дисперсность структурных составляющих, высокая степень легированности твердого раствора, еще большая доля карбидной фазы в структуре положительно отражаются на вторичной твердости и теплостойкости порошковых инструментальных сталей. Увеличение количества углерода, карбидообразующих элементов за счет увеличения степени легированности не вызывают снижения грочности и вязкости, особенно в крупных сечениях. У порошковых сталей улучшаются технологические свойства, горячая пластичность примерно на 30-50 %, что не вызывает проблем при компактировании высоколегированных сталей. Особенно улучшается шлифуемость, примерно на порядок, что позволяет шлифовать высоколегированные, Еысокована-диевые порошковые стали [7]. Стойкость инструмента из порошковых сталей выие в 0,5-2 раза по сравнению с традиционными. Их применение особенно оправдано при обработке труднообрабатываемых материалов на высоких скоростях резания.

О1500

то а.

то 1200

о.

а> с

£ 900

600

300

Закалка 1160-1180 °С

\

Г

Масло / \ \ г! час\ /1 час!

I \ / \

Время, ч

Рис. 1 Режим термической обработки быстрорежущих порошковых сталей

10 мкм

10 мкм

АуСвНМТ с маотшсигом

Карбиды

Рис. 2 Структура порошковых быстрорежущих сталей: а - после закалки; б - после закалки и отпуска

Использование новых технологий позволило скорректировать химический состав порошковых инструментальных сталей - эти стали отличаются высоким содержанием углерода (до 2,5%), кобальта (до 8 %) и в них может содержаться недопустимо большое для традиционных сталей количество ванадия (до 6 %) (см. табл. 1, 2, 3).

Современная порошковая металлургия нашла в насто-

ящее время применение, главньм образом, при производстве быстрорежущих сталей, в меньшей степени - для штамповых сталей карбидного класса. Имеется опыт производства порошковых инструментальных сталей карбидного класса без вольфрама. Немецкая фирма «ВОН1_ЕЯ», кроме быстрорежущих порошковых сталей, производит также в порошковом исполнении штамповую сталь холодною деформирования К190 150МАТК1К (приблизительный аналог отечественной стали типа Х12Ф4).

Отечественными ученными разработана группа безвольфрамовых порошковых сталей типа М6Ф7 [8], которые по основным и технологическим свойствам находятся на уровне вэльфрамосодержащих сталей умеренной и повэь шенной -еплостойкости. Эти стали могут быть эффективно использованы для режущего и штампового инструментов при обработке труднообрабатываемых материалов в тяжелых условиях резания.

Таким образом, порошковая технология изготовления инструментальных сталей открывает перспективу для внедрения б промышленность высокопроизводительных высоколегированных сталей, в том числе безвольфрамовьх, инструмент из которых по традиционной технологии изготовить практически невозможно, к тому же эта технология безотходная. Из таких сталей можно изготавливать композиционный инструмент повышенной пластичности, состоящий. например, в нарабпчей части из конструкционной стали, а з рабочей - из инструментальной порошковой.

Использование порошковых инструментальных сталей особенно эффективно при резании труднообрабатываемых материалов повышенной твердости (до НРС 40), а также повышенной вязкости. Стойкость инструмента из этих быстрорежущих сталей по сравнению с обычными сталями умеренной теплостойкости возрастает в несколько раз.

Следовательно, порошковые инструментальные стали, по совокупности эксплуатационных свойств, можно охарактеризовать, как перспективный инструментальный материал.

Литература

1. Короткова Л.П., Косов В.В. Специфика использования инструментальных материалов в условиях авторемонтного производства. //Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе: Специальный выпуск по материалам конференции. - Новосибирск, 2004,- с 40.

2. wvAv.rosmark.ru

3. www.prof.ru

4. www.rusmet.ru

5. Коэоткова Л.П., Мухин Г.Г. Особенности формирования структуры в распыленных горошках быстрорежущих сталей.// Получения свойства и применения распыленных металлических порошков. - КиеЕ, 1982.

6. Мухин Г.Г., Борисова В.А. Особенности термической обработки спеченной быстрорзжуицей стали типа М5Ф5. // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 1983. № 3.

7. Короткова Л.П., Улучшение шлифуемости порошковых быстрорежущих сталей.// Инструмент Сибири. - 2001. № 2, с 11

8. Короткова Л.П., Мухин Г.Г Порошковая быстрорежущая сталь без вольфрама. // Инструмент Сибири. - 2000, № 2(5), с 25-26.

18

№ 2 (27) 2005