CC BY
9
ВЛИЯНИЕ СУЛЬФИДОВ НА ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ ПОРОШКОВЫХ И
КОМПАКТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1 2 3
Кулиев А.А., Эльдарзаде Э.Г. , Мамедалиев Р.М.
12 3
' К.т.н., доцент, ассисент, кафедра машиностроения и материаловедения Азербайджанского государственного университета нефти и промышленности
Аннотация
Статья посвящена рассмотрению вопросов влиянию сульфидов на обрабатываемость порошковых и компактных сталей. Исследовано, что при введении серы и других элементов улучшающих обрабатываемость порошковых и компактных сталей следует, прежде всего учитывать, что при этом сталь удовлетворяло всем требованиям по структурным, механическим и физико-химическим свойствам.
Ключевые слова: компакт и порошковые материалы, сульфиды, спекание механические свойства, структура, обрабатываемость, включения
Keywords: compact and crumb materials, sulfide, baked, mechanical properties, structure, process, included
Черные металлы в настоящее время являются наиболее широко используемым конструкционными материалами. В машиностроении их доля составляет -75%, вместе с литыми деталями 97%, поэтому совершенно очевидна необходимость коренного улучшения качественных характеристик стали и чугуна. Известно что, их качество, технологические, эксплуатационные свойства определяются химическим составом и технологией производства .
Усложнение формы и повышение точности размеров порошковых деталей в ряде случаев вызывает необходимость их дополнительной механической обработки резанием [1, 475] . Наиболее широко применяются токарная обработка , сверление, нарезание резьбы, шлифование, расточка и развертывание. Механическая обработка порошковых материалов имеет ряд особенностей по сравнению с механической обработкой компактных материалов.
При обработке резанием железографитовых материалов лучше поддаются обработке материалы с ферритной структурой. Затем в порядке ухудшения обрабатываемости располагается материалы со структурой ферритно-перлитной и перлитной с выключениями цементита. Влияния различных структур пористого материала на скорость резания аналогично влиянию структуру компактного материала [2, 154].
При обработке железографитовых порошковых композиций силы резания также уменьшаются. В данном случае графит и сульфиды, имея сложную атомно -кристаллическую структуру, выступает в качестве сухой смазки (см. табл. 1.)
Таблица 1.
Коэффициенты, учитывающие влияния свойства и микроструктуры материалов на _скорость (Ку) и силу (Кр) резания._
Обрабатываемый материал Микроструктура НВ, МРа Кр
Ж Феррит 500 3,7 0,7
ЖГр1,5Б2,5К Феррит + сульфиды + 700 1,6 0,85
(сульфидированный) пластинчатый перлит
ЖГр1^2,5К (сульфидированнный) Феррит + сульфиды + зернистый перлит 700 2,4 0,75
Наиболее значительное влияние на рассмотренные особенности механической обработки порошковых материалов оказывает на величину скорости резания (табл.2.)
Таблица 2.
Скорость резания различных материалов_
Инструментальный материал Стойкость, мин.
Сталь40Х Чугун СЧ20 ЖГр1^2,5К
ВК3М 25 220 180 52
При обработке пористых материалов на основе железа, бронзы и некоторых других наиболее радиальное применение твердых сплавов групп ВК, которые в порядке возрастания выстраиваются в ряд: ВК8, ВК3М, ВК6М.
При исследовании влияния серы на обрабатываемость компактных материалов из стали и чугунов особое внимание уделяется влиянию серы на основные параметры (скорость резания, стойкость инструмента) и вспомогательные (шероховатость обрабатываемой поверхности, сила резания, форма стружки и др.). Хотя в последнее время предлагается много легкообрабатываемых сталей добавками Pb, Se, Te, Ca [3], интерес к сталям с повышенным содержанием серы не уменьшается, так как сера является недорогим легкодоступным и нетоксичным элементом для легирования и в тоже время эффективно улучшает обрабатываемость сталей, в том числе и автоматной [4].
При увеличении содержания серы с целью повышения обрабатываемости стали следует, конечно, учитывать и требования к свойствам стали, поскольку на ряд свойства сера влияет неблагоприятно. В связи с этим нередко рекомендации по содержанию серы сопровождаются определенными требованиями по составу и морфологии образующихся сульфидных выключений (рис. 1. и 2).
В сталях с повышенной обрабатываемостью содержание серы изменяется в пределах от 0,03- до 0,15%, в автоматной стали от 0,15- до 0,35%, а по стандартам ФРГ и Англии допускается 0,4 и 0,6 %.
Рис.1.Различные виды оксисульфидных включений стали: а, х1000; б, х 500; в, х 600; г, х 800
Рис.2. Частичный (а) и почти полный (б) захват сульфидов в чугунах с 3,6 - 3,8 % С; а, х. 250; б, х. 800
Производственный опыт показывает, что уже небольшое повышение содержания серы существенно повышает обрабатываемость конструкционной стали, определяемой по стойкости инструмента и по уменьшению силы трения при резании. Однако, при этом необходимо учитывать и влияние серы на механические свойства стали, особенно в прокатанных сталях с сильно вытянутыми сульфидами марганца (рис.3.). Как видно из рис. 4. рост количества вытянутых сульфидов способствует развитию разрушения поперечных образцов при ориентациях надреза, причем отрицательное влияние серы сильно проявляется на образцах с надрезом, перпендикулярном к поверхности листа.
Рис.3. Сульфиды МиБ II типа (а) и (б) в сталях, деформированных при комнатной температуре на 85%. х 500
Рис.4.
Влияние содержания серы на пластичность и вязкость нормализованной стали St 52-3[5];
1-продольные, 2-поперечные, 3 - вертикальные образцы
Таким образом, этими исследованиями установлено, что относительное уменьшение ударной вязкости поперечных образцов с увеличением содержания серы более существенно чем продольных образцов. Пластичность 5 и у углеродистых сталей в нормализованном состоянии практически не зависит от содержания серы (рис.4). Влияние содержания серы на у сильно зависит от направления вырезки образцов: у прод заметно уменьшается с увеличением содержания серы, у попер снижается от 85% до 30% при 0,003 % при 0,11% S. Относительное увеличение 5 продольных и поперечных образцов до содержания серы 0,11% почти одинакова.
Для случая автоматных сталей очень важно влияние сульфидов на характер образующейся стружки.
При обточке и сверлении проката из качественной среднеуглеродистой стали твердосплавным инструментом его износ уменьшается с увеличением содержания серы до 0,1% . При этом улучшается качество обрабатываемой поверхности. Повышением содержания серы улучшают обрабатываемость и инструментальных сталей, в том числе и быстрорежущих.
Ряд исследователей связывают благоприятное влияния сульфидов на обрабатываемость стали с тем, что они обеспечивают образование на поверхности инструмента тонкого смазывающего слоя и тем самым уменьшают его износ.
Известно, что коррозионностойкие стали типа 18-8 с обычным небольшим содержанием серы являются труднообрабатываемыми резанием, что объясняется их высоким коэффициентом трения, низкой теплопроводностью и склонностью к наклепу. Повышение содержания серы до 0,1% обеспечивает повышение стойкости инструмента более чем 10 раз. Однако при повышенном содержании серы ухудшается коррозионная стойкость и свариваемость этих сталей (рис 5).
Во многих работах последних десятилетий получено, что эффективность воздействия серы на обрабатываемость стали зависит не только от ее содержания, но и от природы, формы и распределения сульфидных включений. Сульфиды марганца I типа облегчают обрабатываемость тем, что способствуют дроблению стружки.
2000
ь 1750 %
ъ то
1250
Рис.5. Длительная коррозионная прочность стали в зависимости от содержания серы: 1 -
0,001, 2 - 0,038 %
В ряде работ установлено, что в сталях с малым количеством оксидных включений при не очень крупных компактных включениях сульфидов обрабатываемость стали лучше, чем в случае мелких или очень крупных сульфидов. Кроме размеров, значительное влияние оказывают морфология и распределения сульфидов.
Наиболее эффективно влияют равномерно распределенные, глобулярные, слабо деформирующиеся сульфидные включения размером более 3 мкм. Менее благоприятно влияют сульфиды эвтектические (II типа). Связывается это с тем, что эвтектические сульфиды имеют меньшие размеры. Теперь с этим трудно согласиться, учитывая, что наблюдаемые на шлифах мелкие сульфиды II типа - это только разрезы крупных непрерывно разветвленных образований. Именно этим, очевидно , объясняется менее эффективное влияние сульфидов II типа на обрабатываемость стали.
Отмечаемое в литературе влияние на обрабатываемость величин отношений [% О] : [% Мп] и [% Мп] : [% S] объясняется влиянием этих величин на природу и морфологию сульфидов, что рассмотрено в литературе. Так при повышенном содержании марганца в хорошо раскисленной стали образуются крупные ограненные сульфиды MnS, при прокатке они вытягиваются в длинные прутки или пластинки, что и ухудшает обрабатываемость. При повышенном отношении [% О] : [% Мп] образуются глобулярные слабо деформирующиеся сульфиды, а поэтому обрабатываемость чугуна и стали улучшается (рис. 6, 7).
г. ситки
Рис. 6. Расположение сульфидов МпБ в чунах с 2,0 - 2,3 % С. Х400
Рис. 7. Структура оксисульфидного включения
В последнее время для повышения обрабатываемости стали предлагают не только повышать содержание серы, но и изменить природу сульфидов, например, путем ввода в сталь титана или циркония. Как показано выше при вводе в сталь титана или циркония вместо сульфидов марганца образуются сульфиды ( карбосульфиды) титана или циркония. Образуются они при эвтектической кристаллизации. Эти фазы хрупкие и при высокой температуре, при прокатке они пластически не деформируются, а дробятся на
мелкие частицы, строчечно располагающиеся в прокате. Очевидно, именно наличием хрупких включений Т (С, Б) коррозионностойкий сталь 18-8 обеспечивается улучшение ее обрабатываемости. К рекомендуемому вводу в сталь РЬ, Бе, Те, Са раздельно или в комплексе с серой с целью улучшения ее обрабатываемости следует походить очень осторожно, так как некоторые из них, прежде всего свинец, экологически не безопасны, а поэтому распространение по машиностроительным и металлургическим заводам свинец содержащих сталей безусловно нежелательно (рис. 8, 9).
Рис. 8. Марганцевая и титановая сульфидные эвтектики: а - не травлено; б - травлено
пикратом натрия. Х 400
Рис. 9. Неметаллические включения и сплаве Бе - 2г - Б с 0,21% 2г и 0,056 % Б: глобулярные оксисульфиды и пленки БеБ. Х500
При вводе серы и других элементов, улучшающих обрабатываемость стали, следует прежде всего учитывать, что при этом сталь удовлетворяла всем требованиям по механическим и физико-химическим свойствам.
Выводы
1. Исследованием установлено что, механическая обработка порошковых материалов имеет ряд особенностей по сравнению с механической обработкой компактных материалов.
2. Определено что, при влиянии серы на обрабатываемость стали особое внимание уделяется влиянию серы на основные и вспомогательные параметры.
3. Установлено что, содержание серы сопровождаются определенными требованиям по составу и морфологии образующихся сульфидных включений.
4. В компактных сталях с повышенной обрабатываемостью содержание серы изменяется в пределах 0,008 - 0,35%, а спеченных порошковых железографитовых материалах 0.4-1.0%
5. Влияние серы на механические свойства стали, особенно прокатных сталях с сильно вытянутыми сульфидами марганца.
6. Повышением содержания серы улучшается обрабатываемость инструментальных и быстрорежущих сталей.
7. Показано, что при вводе в сталь титана или циркония вместо сульфидов марганца образуются сульфиды титана или циркония и образуются они при эвтектической кристаллизации.
Литература
1. 5 - ci uluslararasi toz metallurjisi konfransi: Konfransin bildirilar kitabi, 08-12 Ekim 2008. Gazi Universiteti - Ankara - Turkiye, 2008. 475 - 481 s.
2. Э.Г.Эльдарзаде, А. А. Кулиев // Особенности шлифования деталей из порошковых материалов. Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. - 2016. - №12. -С.154 - 158.
3. Гольдштейн Я.Е. Заславский А.Я., Конструкционные стали повышенной обрабатываемости. М: Металлургия, 1997. 248 с.
4. Лунов В.В. Сера и фосфор в стали. М: Металлургия, 1988. 266 с.
5. Heybet Eldarov, A.Muttalip §ahinfslan, Malzeme Bilgisi. Malatya, Turkiye: Ozsehrat Kirtasiye Yayincilik, 2003. 184 s.
