8.5.Влияние различных факторов на обрабатываемость

Обрабатываемость материалов, как технологическое свойство, определяется химическим составом и структурным состоянием материала. От химического состава зависят механические и теплофизические свойства материала, поэтому они тоже оказывают влияние на обрабатываемость. К ним относятся прочность, пластичность, вязкость, твердость, теплопроводность, удельная вязкость и др. обрабатываемость зависит от изнашивающего действия, который материал детали оказывает на контактные поверхности инструмента. Режим трения на контактных поверхностях зависит от (толщины срезаемого слоя), скорости, и температуры трения, а сопротивление изнашиванию зависит от свойств инструментального материала.

Поэтому коэффициент обрабатываемости - для одного и того же материала детали будут разными не только при различных видах обработки (точении, сверлении, фрезеровании и т.д.), но и при обработке этого материала, инструментом изготовленного из разных инструментальных материалов (быстрорежущие, твердосплавные и т.д.).

8.6.Обрабатываемость высокопрочных сталей и сплавов

Применение в машиностроение сталей и сплавов с особыми физико-механическими свойствами делятся на группы:

а) Коррозионно-стойкие (нержавеющие) хромистые ферритно-мартенситные стали 1Х13, 2Х13, 3Х13… содержат и ферритные стали Х17, Х25. Хорошо сопротивляются электрохимической коррозии при . Механические свойства:

.

б) Жаростойкие хромоникелевые стали аустеннитного класса – хорошая сопротивляемость химическим разрушениям поверхности в газовых средах при , работает в нагретом и слабо нагретом состоянии 1Х18Н9Т, 1Х18Н9 .

в) Жаропрочные хромоникелевые аустеннитные стали, работают в нагруженном состоянии, определяя время при высоких температурах, деформируемых Х18Н9Т, ХН35 ВМТ и литые сложнолегированные на никелевой основе ЖС: и на кобальтовой основе ВЗК.

г) Износостойкие маломагнитные высоко марганцовистые аустенитные стали Г13, 45П17Ю3 и немагнитные хромо-марганцевистые ст. 45Г18Х5…

Все эти факторы связаны с физико-механическими свойствами обрабатываемых материалов, а, следовательно, с их химическим составом и структурой.

Обрабатываемость углеродистых нелегированных сталей, даже закаленных не представляет затруднений для современных инструментов, можно применить высокую скорость сложнее обработать специальными стали и сплавы особенно жаропрочные – эти стали и сплавы достигают прочности . Жаропрочность их колеблется от до (на Ni основе до 1110 C; Со до 1200 С; Мо, Nb (ниобий) до 1500 С; W до 2000 С. С ростом прочности и жаропрочности снижается скорость резания в раз, в сравнении с нелегированной сталью. Стали с не поддаются обработке инструментами из быстрорежущей стали. Причинами низкой обрабатываемости: большие силы резания, высокая температура резания и абразивные свойства, затруднение стружкообразования.

Для удобства оценки обрабатываемости при расчете режимов резания все материалы разделяются на отдельные группы с приблизительно одинаковыми свойствами, кроме механических характеристик. В пределах каждой группы коэффициент обрабатываемости в основном определяется пределом прочности на растяжение или твердости по Бринеллю. В настоящее время режущие инструменты работают с высокой скоростью, для повышения производительности, обрабатывают материалы, трудно поддающиеся механической обработке (нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные стали и сплавы) и в зоне резания возникают высокие температуры . Необходимо, чтобы инструменты имели достаточную стойкость при роботе с такими температурами. Т.е. стойкость режущих инструментов в настоящее время представляет явление, родственное жаропрочности, и связана с сопротивляемостью диффузионному переносу атомов инструментального материала в стружку и обратно.

Жаропрочным является материал, обладающий повышенной механической прочностью при длительных нагрузках и высоких температурах. Потеря прочности в этом случае, приводящая к пластичности деформации (так называемым ползучести), связана в основном с явлением самодиффузии металла, перемещением атомов в кристаллической решетке фаз, составляющих данный сплав, т.е. связана с диффузионными перемещениями атомов сплава. Эти перемещения усиливаются с повышением температуры и увеличением длительности действия сил. При достижении определенной частоты и интенсивности указанных перемещений на сдвиговой механизм пластичности деформации накладывается диффузионный механизм, что приводит к огрублению структуры и разупрочнению сплавов. В связи с этим наступает ползучесть (способность металла течь, хотя нагрузки значительно ниже, чем при котором начинается течение пи кратковременной нагрузке и комнатной температуре). Повышение жаропрочности материалов сплава и стали связано с применением компонентов, обладающих меньшей подвижностью атомов при определенных температурах, а это связано с малым коэффициентом самодиффузии. Известно, что коэффициент диффузии уменьшается с увеличением энергии активации (теплоты разрыхления) вещества, что вытекает из зависимости:

, (8.6)

где коэффициент диффузии, ;

постоянная;

основание натурального логарифма;

энергия активации, ;

абсолютная температура, ;

газовая постоянная.

,

где давление газа;

давление газа;

объем газа.

.

Поэтому для повышения жаропрочности необходимо применять элементы с высокой энергией активации W, Mo, Ta, Nb, Cr, Ni, Ti, снижается моль – грамм – молекула – называемое количеством вещества; масса, которого в. равна его молекулярной массе. Исследования Лоладзе Т.М., Казанова Н.Ф., Т. Геддеч показали, что объемный износ по передней поверхности инструмента зависит от диффузии режущего материала и может быть представлена зависимостью:

. (8.7)

Расчет показывает, что небольшое увеличение энергии активации, например на 10% приводит к уменьшению объемного износа примерно в 2 раза.

Повышение стойкости режущих инструментов обеспечивается включением химических элементов с большой энергией активации, таких же как в жаропрочных сплавах. Отсюда следует, что проблема повышенной прочности режущих инструментов при обработке современных жаропрочных материалов не может быть разрешена применением быстрорежущих инструментов. Наиболее распространенные марки быстрорежущей стали Р9, Р18 – содержащие 9-18% W, даже богат W сталь Р24 – только 24%. Термическая обработка инструментов из быстрорежущей стали не разрешает вопрос, т.к. твердые жаропрочные материалы на Ni основе достигают , а твердые заготовки быстрорежущей стали и значение снижается при температуре это не позволяет работать с повышенной скоростью – при обработке быстрорежущих инструментов – для сплавов на Ni основе.

Главное увеличение прочности – это применение твердосплавных инструментов, повышенных марок, трех карбидных. Аустенитная структура твердого раствора основан на жаростойких, жаропрочных сталей и сплавов – противодействует разрушению этих материалов при повышении температура и затрудняет обработку, т. к. делает материал вязким, крупнозернистым, оказывающим большое сопротивление сдвигу – скольжению, лежащему в основе процесса резания.

Причина низкой обрабатываемости жаропрочного материала большие силы резания, высокая температура резания и абразивные свойства, затрудненное стружкообразование. Поэтому некоторые исследователи рекомендуют оценивать обрабатываемость стали и сплавы условным безразмерным коэффициентом равным произведению удельной силы резания и коэффициент трения обрабатываемой пары: материалу – инструменту требуется большая жесткость технологической системы резания, износостойкость, теплоустойчивость режущего инструмента, стойкость против абразивности, адгезии, диффузии износа. Стали на ферритной основе и ферритно-мартенсистой (нержавеющей стали) обрабатываются хорошо.

Стали и сплавы на аустенитной основе, особенно сложнолегированные жаропрочные сплавы обрабатываются плохо. Но на обрабатываемость влияет не только сама основа, но и способность растворяться легированных элементов в этой основе.

Легирующие элементы в конструкционно-углеродистых и инструментальных сталях влияют на обрабатываемость, по их способности растворяться в феррите или образовывать карбиды. Элементы, растворяющиеся в феррите, повышают его вязкость и ухудшают обрабатываемость. Добавка карбидообразных элементов до определенного предела (в конструкционных, углеродистых, инструментальных сталей) обрабатываемость стали, существенно не меняет.

На обрабатываемость конструкционных сталей оказывает влияние способ выплавки и прокатки. Если низкоуглеродистые стали содержат большее количество серы и фосфора (получают в конверторах) – они лучше обрабатываются, если и мало, то обрабатываются хуже (это мартеновские, электрические стали). Спокойные стали, размер зерна которых, контролируется, обрабатывается лучше, чем полуспокойной и кипящей. Когда в сталеварении используется в качестве раскислителей алюминий и кремний, образующие алюминаты и силикаты, то они хуже обрабатываются.

Холоднокатаная сталь с лучше обрабатывается, чем горячекатаная, и наоборот при . Большое влияние на обрабатываемость стали оказывает термообработка и структура после закалки, отпуска, отжига. Наилучшая обрабатываемость у перлита, но его обрабатываемость зависит от формы цементита – зернистый перлит (мелкий жарообразующий цементит) – лучше обрабатывается – истирающие способности стали ниже, чем у пластинчатого перлита, но пластинчатый перлит дает меньшую шероховатость поверхности.

Более низкую обрабатываемость имеет сорбитообразующий перлит, сорбит (групповая механическая смесь феррита + цементита), троостит (механическая смесь феррит + цементит (высокодисперсный)), мартенсит. На обрабатываемость оказывает влияние размер зерна – крупнозернистая сталь на ферритной основе лучше обрабатывается, чем мелкозернистая, но с увеличением зерен растирается шероховатость.

Инструментальная сталь – содержаниями легирующих элементов – содержит обрабатываются сложные карбиды – ухудшается обрабатываемость.

Ванадий и кобальт растворяются в феррите, делая его вязким. Хром и молибден растворяясь в феррите образуют карбиды. Лучшая структура инструментальных сталей – зернистый перлит с равномерно распределенными мелкими карбидами – хорошо обрабатываются.

Жаропрочные стали и сплавы склонны в процессе пластической деформации к структурным превращениям, которые заключаются в переходе аустенита в мартенсит, с выделением карбидов интерметаллидов. Наличие сложных карбидов и интерметаллидов, в таких сталях и сплавах, отличающихся высокой твердостью, вызывает повышенный абразивный износ контакта поверхностей инструмента. Обрабатываемость аустеннитной стали может быть улучшена отжигом и отпуском – происходит выделение из твердого раствора и коагуляция карбидов, снижается истинный предел прочности, ( истинное сопротивление растяжения в момент возникновения шейки растягиваемого образца, характеризующий как сопротивление материала началу пластической деформации так и модуль упрощения). Закалка и нормализация – ухудшают обрабатываемость с увеличением содержания .