CC BY
47
Ш/г.ггг^ гс ггшмлнгя
I 3(52). 2009-
Технология, оборудование, САПР и экология литейного производства
Investigation of influence of heightened carbon contents on structure and characteristics of high-speed steel P6M5 is carried out.
Ф. И. РУДНИЦКИЙ, БИТУ
УДК 669.14.018.252
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК
ЛИТОГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ
С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА
Опыт применения литейных технологий при изготовлении литых заготовок из быстрорежущих сталей позволяет с уверенностью выделить ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами использования проката и поковок:
• возможность использования собственных отходов инструментального производства (стружка, вышедший из строя инструмент, немерные заготовки проката, металлоабразивный шлам);
• экономия металла за счет максимального уменьшения припусков под механическую обработку при использовании точных методов литья (до 90%);
• повышение стойкости инструмента путем оптимизации химического состава, технологических факторов изготовления на всех этапах от плавки металла до заливки и термической обработки заготовок с максимальным учетом конкретных условий эксплуатации [1—3].
По существу используемые в настоящее время в мировой практике быстрорежущие стали стандартного состава являются универсальными по комплексу свойств и назначению, поскольку применяются для изготовления инструмента разного назначения (сверла, метчики, зенкеры, фрезы, развертки и др.). При изготовлении инструмента литьем имеется уникальная возможность, используя в качестве шихтовых материалов отходы стандартных марок сталей, скорректировать в процессе плавки металла его состав, оптимизировать условия кристаллизации. Оптимизация состава и технологических факторов получения литых заготовок позволяет увеличить свойства, имеющие первостепенное значение с точки зрения эксплуатационной стойкости конкретного инструмента и условий его работы (тип инструмента, обрабатываемый материал, режимы резания и др.) [2-4].
В ряде случаев необходимость в обработке давлением при изготовлении стандартных быстрорежущих сталей ограничивает в их составе наличие таких элементов, как бор, углерод и др., существенно повышающих их твердость, теплостойкость, износостойкость и в результате эксплуатационную стойкость [5, 6].
В данной работе проведено исследование влияния повышенного содержания углерода на структуру и свойства литой быстрорежущей стали Р6М5. Необходимость в проведении такого рода работы была вызвана использованием в качестве шихтовых материалов металлоабразивного шлама, образующегося при шлифовании и затачивании заготовок инструмента. Внедрение такой технологии обеспечивает возможность рециклинга трудноперерабатываемых отходов, содержащих дорогостоящие и дефицитные элементы, предотвратить выброс их в отвалы и сохранить окружающую среду.
Поскольку для увеличения выхода годного металла технологией предусмотрено предварительное восстановление шлама путем смешивания с углеродсодержащими материалами (графит, древесный уголь и др.), весьма вероятна возможность значительного увеличения концентрации углерода в выплавленной стали.
Сталь выплавляли в индукционной печи ИСТ-006 с кислой футеровкой и заливали в металлический кокиль. Раскисление осуществляли ферросилицием, ферромарганцем и алюминием. В качестве модификатора использовали нанопорошок поверхностно-активного элемента (ПАЭ) Via подгруппы таблицы Менделеева. Образцы базовой стали Р6М5 подвергали термической обработке по стандартным режимам (изотермический отжиг, закалка с 1220 °С, трехкратный отпуск при
лггттгг, гг готкштгтгк
- 3 (52). 2009
/137
Рис. 1. Микроструктура немодифицированной стали Р6М5 Рис. 2. Микроструктура модифицированной стали Р6М5 с
с повышенным содержанием (2%) углерода. х400
повышенным содержанием (2%) углерода. х400
560 °С). Для образцов стали с повышенным содержанием углерода применяли лишь трехкратный отпуск при 560 °С без отжига и закалки.
Свойства исследуемых сплавов, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что увеличение содержания углерода способствует значительному возрастанию твердости, теплостойкости и износостойкости, но снижению ударной вязкости.
Влияние содержания углерода на основные свойства литой быстрорежущей стали
Сталь Твердость НЯС Теплостойкость, 620 °С, 4 ч, НЯС Ударная вязкость КС, кДж/м2 Износ дмю-7, кг/ч
Р6М5 63,0 58,5 90 780
Р6М5 + 1,2% С 69,0 64,0 20-30 450
Р6М5 + 1,2% С + модификатор НЯС 70 66,0 100-120 420
Кардинальное изменение свойств вызвано увеличением количества карбидной составляю-
щей в структуре (рис. 1, 2). Причем зафиксировано увеличение как первичных изолированных карбидов, так и сетки ледебуритной эвтектики, вызывающей охрупчивание стали. Изменение претерпела и морфология эвтектической составляющей, поскольку увеличилась доля эвтектики скелетного и пластинчатого типов.
Использование модифицирования поверхностно-активным элементом в наноструктурирован-ном виде позволило устранить эффект охрупчива-ния и повысить ударную вязкость в 5 раз по сравнению с немодифицированной сталью.
Металлографический анализ образцов исследуемых сталей показывает, что в результате модифицирующего эффекта происходит значительное измельчение первичного зерна. Существенные изменения наблюдаются и в эвтектике. Она приобретает более тонкое, мелкодисперсное строение, местами разорвана и расположена в виде изолированных колоний (рис. 3). Преобладает доля стержневой и веерообразной эвтектики. Дей-
Рис. 3. Микроструктура модифицированной быстрорежущей стали с повышенным содержанием углерода после закалки и отпуска. х2500
Рис. 4. Характер распределения модификатора в структуре литой быстрорежущей стали. х2500
100 /ШТ*6 ГГ
■ии / 3 (52), 2009-
ствие модификатора объясняется его расположением на растущих кристаллах и твердого раствора и карбидной составляющей структуры (рис. 4). В результате таких изменений в структуре под воздействием поверхностно-активного модификатора ударная вязкость исследуемой стали существенно повышается. Примечательным является тот факт, что модифицирование приводит к увеличению также теплостойкости и износостойкости стали с повышенным содержанием углерода. Это связано с повышением растворимости углерода и легирующих элементов в твердом растворе и, как следствие, усилением эффекта дисперсионного твердения.
Высокие показатели твердости, теплостойкости и износостойкости в сочетании с достаточным уровнем прочностных свойств литой быстрорежущей стали с повышенным содержанием углерода позволяют использовать ее для изготовления литых заготовок инструмента с минимальными припусками под механическую обработку (шоу-процесс, композайт шоу-процесс). В этом случае операция термической обработки в технологическом цикле изготовления инструмента может заключаться лишь в отпуске, исключая отжиг и закалку. Такая сталь может найти эффективное применение в качестве инструментального материала, по стойкости не уступающего твердым сплавам.
Литература
1. ГудремонЭ. Специальные стали. Т. 1, 2. М.: Металлургия, 1966.
2. Р у д н и ц к и й Ф. И. Особенности эксплуатации инструмента из литой быстрорежущей стали // Литье и металлургия. 2006. № 2. Ч. 2. С. 173-177.
3. Чаус А. С., Рудницкий Ф. И. Структура и свойства быстроохлажденной быстрорежущей стали Р6М5 // МиТОМ. 2003. № 5. С. 3-7.
4. Чаус А. С., Рудницкий Ф. И., М у р г а ш М. Структурная наследственность и особенности разрушения быстрорежущих сталей // МиТОМ. 1997. № 2. С. 9-11.
5. С h a u s A. S., R u d n i t s k у F. I. The influence of elements on structure and properties of the tungsten-molibdenum highspeed steels // CO-MAT-TECH'98: Proc. of the Intern, conf. Bratislava: STV, 1998. Vol. 1. P. 23-34.
6. Чаус А. С. Рудницкий Ф. И. Влияние условий эксплуатации литого металлорежущего инструмента на особенности его изнашивания и стойкость. Часть 1. Анализ условий работы инструментов // Трение и износ. 2007. № 5. С. 449-456.
