Резание нержавеющих и жаропрочных сталей

Опубликовано admin Июн 29, 2012 в Резка металлов

Жаропрочным называется материал, способный работать в напряженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающий при этом достаточной жаростойкостью, т. е. стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при высоких температурах. Другим важным свойством жаропрочных сталей и сплавов является их высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.

Нержавеющим называется материал, обладающий высоким сопротивлением коррозии в агрессивных средах, прежде всего в атмосфере воздуха, паров воды и кислот. Обычно к такого рода материалам предъявляют требования обеспечения коррозионной стойкости при рабочей температуре детали. Большинство жаропрочных сплавов, как правило, обладает повышенной коррозионной стойкостью при высоких температурах в различных средах. Поэтому, несмотря на то, что понятия жаропрочных и нержавеющих материалов по определению отличаются друг от друга, они обладают целым рядом общих физико-механических свойств, обусловливающих их общие технологические свойства по обрабатываемости резанием.

Основная структура большинства нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов представляет собой обычно твердый раствор аустенитного класса с гранецентрированной кубической решеткой. При этом большая часть деформируемых жаропрочных сплавов принадлежит к типу дисперсионно твердеющих, т. е. в этих сплавах происходит выделение из твердого раствора структурной составляющей — второй фазы, отличной от его основы и рассеянной по всему объему сплава в тонкодисперсной форме.

Высокая дисперсность структуры препятствует возникновению и развитию процессов скольжения, при этом сопротивление ползучести сплава повышается.

Жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы в зависимости от своего химического состава разделяются по обрабатываемости резанием на восемь групп. Классификация этих материалов по химическому составу позволяет определить режимы обработки не только известных марок сталей и сплавов, представленных в таблице, но и создаваемых вновь.

Сравнение значений механических характеристик жаропрочных сталей и» сплавов и стали 45 показывает, что, включая титановый сплаву значения истинного предела прочности, предела прочности и твердости при обычной температуре и отсутствии деформации (упрочнения), примерно равны. Поэтому худшая обрабатываемость жаропрочных и нержавеющих материалов определяется другими физико-механическими и химическими свойствами и прежде всего структурой, механическими характеристиками, определяющими их свойства не только в исходном, но и в упрочненном состоянии и при нагреве, а также теплофизическими показателями (температура плавления, энергия активации, теплопроводность), определяющими свойства материала при повышенных температурах.

Основные особенности резания жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, затрудняющие их механическую обработку, следующие. Высокое упрочнение материала в процессе деформации резанием. Повышенная упрочняемость жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов объясняется специфическими особенностями строения кристаллической решетки этих материалов. Известно, что пластичность материалов определяется числом возможных направлений скольжений. Кристаллы сталей ферритоперлитной группы имеют решетку пространственно центрированного куба с восемью возможными направлениями скольжения.

Характеристикой, определяющей пластичность или способность материала к упрочнению, является отношение условного предела текучести, соответствующего 0,2-процентной остаточной деформации, к пределу прочности. Чем меньше это отношение, тем более пластичен материал и тем большей работы и сил резания требует он для снятия одного и того же объема металла. Величина этого отношения для жаропрочных сплавов составляет до 0,40-0,45, в то время как для обычных конструкционных сталей эта величина составляет 0,60-0,65 и более.

Высокая пластичность жаропрочных сталей аустенитного класса выражается также и в больших величинах относительного удлинения и поперечного сужения. Это специфическое свойство наглядно видно из сравнения влияния пластического сжатия на твердость образцов из стали 45 и стали Г12.

Малая теплопроводность обрабатываемого материала, приводящая к повышенной температуре в зоне контакта, а следовательно, к активизации явлений адгезии и диффузии, интенсивному схватыванию контактных поверхностей и разрушению режущей части инструмента. Эти явления не позволяют в ряде случаев использовать при обработке жаропрочных материалов недостаточно прочные инструментальные материалы, в первую очередь, твердые сплавы. Вместе с тем при использовании быстрорежущего инструмента по тем же причинам приходится принимать весьма малые скорости резания. Учитывая плохой теплоотвод при обработке жаропрочных и нержавеющих, сталей и сплавов, основное значение приобретают охлаждающие свойства СОЖ.

Способность сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах, что приводит к высоким удельным нагрузкам на контактные поверхности инструмента в процессе резания. Большая истирающая способность жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, обусловленная наличием в них кроме фазы твердого раствора еще так называемой второй фазы, образующей интерметаллидные или карбидные включения. Эти частицы действуют на рабочие поверхности инструмента подобно абразиву, приводя к увеличенному износу. Большое значение имеют также структурные превращения, происходящие в этих материалах в процессе пластической деформации и сопровождающиеся выпадением карбидов.

Повышенная истирающая способность жаропрочных материалов вызывает необходимость применять инструментальные материалы, имеющие наряду с большой прочностью также и высокую износостойкость. Большое значение при этом имеет шероховатость рабочих поверхностей инструмента. Поэтому в некоторых случаях инструмент подвергают специальной химической обработке в целях создания на контактных поверхностях прочных пленок; высокоэффективно также использование в качестве СОЖ металлических расплавов.

Пониженная виброустойчивость движения резания, обусловленная высокой упрочняемостью нержавеющих и жаропрочных материалов при неравномерности протекания процесса их пластического деформирования. Возникновение вибраций приводит к переменным силовым и тепловым нагрузкам на рабочие поверхности инструмента, следовательно, к микро- и макровыкрашиваниям режущих кромок. При наличии вибраций особенно неблагоприятное влияние на износ инструмента оказывают явления схватывания стружки с передней поверхностью инструмента.

Учитывая рассмотренные особенности, процесс резания нержавеющих жаропрочных сталей и сплавов протекает таким образом: вначале рабочие поверхности инструмента соприкасаются с относительно мягким, не упрочненным металлом и под их воздействием происходит пластическая деформация срезаемого слоя, сопровождаемая значительным поглощением прикладываемой извне (инструментом) энергий. При этом срезаемый слой получает большое упрочнение и приобретает свойства наклепанного металла, т. е. становится хрупким. Запас пластичности при этом значительной мере исчерпывается и происходит сдвиг — разрушение, образование элемента стружки... Малая теплопроводность этих материалов приводит к резкому снижению отвода тепла в стружку и обрабатываемую заготовку, а следовательно, повышению температуры в зоне контакта режущей части инструмента и заготовки с активизацией процессов адгезии и диффузии. В результате этого значительно увеличиваются износ инструмента и явления налипания (схватывания), вызывающие разрушение режущих кромок. Интенсификации этих процессов способствуют повышенные механические характеристики обрабатываемого материала при высокой температуре, большая истирающая способность материалов, а также переменное воздействие этих факторов, обусловленное вибрациями.

Одной из особенностей строения жаропрочных сталей и сплавов является их значительная разнозернистость и неравномерность выделения карбидной и интерметаллидной фаз. При составлении технических условий на заготовки из жаропрочных материадев, поступающих на механическую обработку, следует уделять особое внимание равномерности их строения, поскольку в этих сплавах часто встречаются плохо деформированные зоны после прокатки, штамповки или ковки. Наличие этих зон приводит к резкому возрастанию действующих и инструмент сил резания и температур и, как следствие, к мгновенному затуплению или разрушению режущей части инструмента. Особенно много включений имеют литейные жаропрочные сплавы.

Термическая обработка оказывает наибольшее влияние на обрабатываемость резанием аустенитно-карбидных сталей с высоким содержанием углерода и интерметаллидных, содержащих титан и алюминий; для низкоуглеродистых сталей влияние термической обработки намного меньше. Наилучшую обрабатываемость аустенитных и аустенитно-карбидных сталей достигают термической обработкой путем отжига или отпуска благодаря выделению из твердого раствора вторичных фаз и, в результате этого менее интенсивного их упрочнения. Термическая обработка закалкой этих сплавов ухудшает их обрабатываемость, при этом степень ухудшения обрабатываемости прямо пропорциональна содержанию углерода и повышению температуры нагрева под закалку. Причиной этого является растворение карбидов в аустените. В процессе пластической деформации аустенит закаленного сплава распадается и образует мелкодисперсные фазы, упрочняющие сплав. Обрабатываемость интерметаллидных сплавов, напротив, после отжига ухудшается, а после закалки улучшается.