К числу первых работ по термомеханической обработке быстрорежущих сталей в отечественной литературе следует отнести работу Штейнберга М.М., Сабун Л.В., Шабашова Т.С. Влияние термомеханической обработки на стойкость и вязкость быстрорежущих сталей. В этой работе авторы исследовали влияние термомеханической обработки на режущую стойкость сталей Р9 и PI8. При этом было отмечено, что деформация переохлаждённого аустенита на 15% при 400°С даёт максимальный эффект повышения режущей способности у исследованных сталей. Термомеханическая обработка при той же степени деформации, но при температурах переохлажденного аустенита (650-700°С) снижает режущую способность исследованных сталей, что, по-видимому, связано с перлитным превращением аустенита. Повышение режущей способности у кобальтсодержащих сталей Р9К5 и P9KI0, подвергнутых термомеханической обработке по тем же режимам, что и стали Р9 и PI8, отмечено в указанной выше работе не было. Однако в этой работе было отмече¬но положительное влияние термомеханической обработки на увеличение стрелы прогиба и разрушающей нагрузки при изгибе образцов и особенно заметно это сказалось на сталях PI8 (43% стрела прогиба, 42% разрушающая нагрузка) и P9KI0 (35% стрела прогиба,46% разрушающая нагрузка).
В работе также проверялось влияние термомеханической обработки на красностойкость стали и на изменения в структуре мартенсита и границ зерен. Было отмечено, что красностойкость исследуемых сталей при повышении режу¬щей способности и прочности не изменилась. Исследования микроструктуры показали, что в зоне деформации у образцов резко измельчалась структура мартенсита, а после отпуска у образцов, прошедших термомеханическую обработку, наблюдался повышенный распад по границам зерен, при этом чётко просматривались границы; у эталонного образца после отпуска границы зерен не протравливались.
Полученные авторами работы результаты свидетельствуют о положительном влиянии термомеханической обработки на режущую способность и прочность исследованных сталей. Как следует из результатов проведённых исследований тонкой структуры стали после термомеханической обработки, причиной повышения режущей способности и. особенно прочности, является резкое измельчение мартенситных игл и значительное ее влияние на протекание зернограничных превращений в стали, что сказалось на увеличении травимости границ зерен.
Полученные результаты способствовали продолжению дальнейших исследований Штейнберга М.М., Сабуна Л.Б., Шабашова СП., Сглирнова М.А. Влияние термомеханической обработки на режущую стойкость и вязкость сталей Р9, Р9Ф5, Р10К5Ф5 в этом же направлении, однако в программу исследований было включено проведение аналогичных работ со сталью Р9Ф5 и Р10Ф5К5, а также исследование влияния термомеханической обработки на режущую стойкость и прочность сталей Р9, Р9Ф5 и Р10К5Ф5.
Полученные в обозначенной работе результаты свидетельствуют о том, что термомеханической обработке указанных сталей не приводит к повышению их режущей способности. Наоборот, увеличение деформаций стали при 900°С до 30% настолько снизили режущую стойкость и твердость исследуемых сталей, что они оказались совершенно непригодны к эксплуатации. В работе было отмечено, что основной причиной снижения режущей способности сталей является подстукивание их с температур аустенитизации до £ =900°С и П00°С, при которых производилась деформация. Причиной снижения режущей способности исследуемых сталей, авторы считают протекание процесса карбидообразования при подстуживании стали до температуры 900-П00°С, при которой затем производилась её пластическая деформация. Здесь же было отмечено, что разрушающая нагрузка и стрела прогиба в стали после её термомеханической обработке при 1100° даёт лучшие результаты, чем при 900°, а это представляет значительный интерес для определения режимов упрочнения быстрорежущих сталей.
Несколько позднее появилась работа Снитковского М.М. с сотрудниками, в которой отмечалось, что образцы стали Р18, подвергнутые всестороннему обжатию в специальных штампах при температуре от 1260 до 1350°С, повысили стойкость резцов в процессе торцевой обточки конструкционной стали с прочностью = 75 кГс/мм в среднем на 40-50$. В этой работе отмечается, что резцы, обжатые с нагрузкой 10 тонн при 1300°С и закалённые от этой температуры, показали наилучшие режущие свойства в сравнении с резцами, прошедшими обычную термическую обработку. В этой же работе отмечается, что обжатые при 1350°С резцы после охлаждения дополнительной термической обработке не подвергались. Сравнение режущих свойств обжатых резцов производилось с резцами, изготовленными из того же прутка, без обжатия, закалёнными от I260-I280°C, а затем отпущенными при 560°С трёхкратно.
Из анализа результатов этой работы следует, что в ней сравнивались несравнимые результаты обработки резцов, так как обжатия производились при I300°C, а закалка эталонных образцов производилась от 1260-1280°С. Положительно сказалось на режущих свойствах то, что при обжатии в штампах при 1300°С резцы не разрушались и, хотя и имели крупное зерно, они обладали повышенной красностойкостью по сравнению с эталонными резцами, что, по-видимому, и явилось основной причиной повышения стойкости резцов. Фотографии микроструктур, приведенные в работе данные свидетельствуют о значительном перегреве стали. Следовательно, схема обработки имеет ограниченное применение и в качестве технологической схемы, и для массового производства инструмента реализована быть не может и требует проведения более тщательных дополнительных исследований. Наиболее интересным в этой работе является то, что во всех случаях использования указанной схемы термомеханического упрочнения резцов авторы наблюдали повышение их стойкости в процессе испытаний резанием.
Значительный интерес для изучения влияния термомеханической обработки на изменение свойств быстрорежущих сталей представляет работа В.С.Томсинского, В.А.Некрасова, С.В.Малыгина, Л.А. Виханского, в которой исследовалась сталь Р18. В этой работе авторы исследовали влияние на прочность и красностойкость различных степеней деформации стали после её аустенитизации и подстуживания до температур 900, 1000, 1100, 1200 и 1275°С. Степени деформации, использованные в работе: <5= 0, 25, 50 и 1%, Нагрев под аустенитизацию и подстуживание проводились в камерной печи, время подстуживания не указано. После подстуживания образцы одним ударом дефор¬мировались на заданную степень и немедленно закаливались в масле. В результате проведённой работы было отмечено, что в процессе деформации на 25% стали Р18 при температурах от 900 до 1275°С происходит её упрочнение с ростом температуры деформации до 1000°С. Выше 1000°С прочность стали снижается так же, как и происходит снижение прочности стали в процессе её термомеханической обработки при температурах ниже 1100°С. Упрочнение стали в данной работе составило около 40%, что для стали PI8 составило в среднем 6,3 = 440кГс/мм. Исследование красностойкости данной работе показало, что она при всех степенях деформации и температурах понизилась. Авторами было показано, что деформация аустенита при высокой температуре ускоряет образование и коагуляцию карбидной фазы, что способствует обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами и, следовательно, понижает красностойкость.
Как следует из полученных результатов, схема термомеханической обработки, использованная в ней, подтвердила лишь возможность упрочнения стали Р18, но не оказала положительного влияния на красностойкость стали, которая, в основном, определяет её режущую способность. Эту работу следует отнести к одной из ранних в отечественной литературе, и она только указала на необходимость дальнейшего проведения исследований по выбору оптимальной схемы в термомеханической обработке для быстрорежущей стали, которая бы позволила реализовать возможности упрочнения инструмента и повышения его режущей способности.
Параллельно с работами по реализации указанных выше схем термомеханической обработки в ряде научных организаций также проводились исследования по использованию термомеханической обработки для изготов¬ления инструментов из быстрорежущей стали. Ученными проведена целая серия исследований по поведению быстрорежущих сталей вольфрамовых (Р9, Р12, Р18), а также вольфрамомолибденовых, вольфрамокобальтовых и вольфрамованадиевых (Р6МЗ, Р6М5, P9KI0, Р14Ф4, Р6М5К5) при проведении различных схем.
Термомеханической обработке подвергались прутки, которые деформировались на радиально-ковочной машине. с числом ударов - 700 в минуту, со степенями деформации до 55. Перед деформацией прутки аустенитизировались от температур закалки, принятых для разных марок стали, затем прутки подстуживались до 1000 - 1100°C и осуществлялась деформация за один проход, после чего прутки закаливались в масло и отпускались. Затем из этих прутков вышлифовывались спиральные сверла диаметром 6-8мм.
Эта схема позволила авторам изготовить опытную партию мелких сверл диаметром 6-8 мм (всего было изготовлено 1000 штук), которые проходили испытания и показали высокие прочностные и режущие свойства.
Результаты этой деятельности показали, что термомеханическая обработка быстрорежущих сталей является весьма эффективным средством для улучшения режущей способности и прочности инструмента.
Результаты высокотемпературного рентгеноструктурного анализа образцов стали, прошедших термомеханическую обработку позволили определить причину снижения её красностойкости при подстуживании с температур аустенитизации до температур, при которых производится пластическая деформация изделий. Изменения параметров решетки аустенита в области температур деформации показали, что деформация и увеличение выдержки при подстуживании с температуры аустенитизации стали приводит к выпадению карбидов из твердого раствора и снижению его легированности. Эти же исследования позволили определить критическую скорость охлаждения 5 сек при подстуживании заготовок от температуры аустенитизации до температуры 1000-1100°С, которая позволяет сохранить нормальную красностойкость изделий в сочетании с высокими прочностными свойствами. Результаты проведенных исследований могут послужить совершенствованию технологии обработки быстрорежущих сталей при производстве режущего инструмента высокого качества.
В монографии Ю.А.Геллера также высказывается положение о том, что для быстрорежущих сталей термомеханическая обработка связана с серьезными затруднениями и мало используется. Автор на основании анализа работ делает вывод о том, что пока для быстрорежущих сталей повышенной теплостойкости не предложено реальной схемы термомеханической обработки, которая бы привела к значительному улучшению свойств инструмента.
В работе Купалова И.К. снова приводит результаты исследований структуры и свойств стали Р6М5 после её термомеханической обработки. В выводах данной работы по приведенным результатам исследований и испытаний сверл отмечается, что в термомеханической обработке инструментов из быстрорежущей стали (сверл, например) повышает их прочностные и стойкостные свойства в 1,7 и 1,5 раза соответственно, по сравнению с обычной термической обработкой аналогичных сверл. Автор отмечает, что при испытаниях сверл из стали Р6М5 диаметром 6 мм не наблюдалось их поломок, тогда как обычно на этой сверлильной операции до 50 сверл ломалось.
Проведённый анализ работ по термомеханической обработке быстрорежущих сталей, в которых рассматриваются не только технологические, но и теоретические предпосылки использования термомеханической обработке, как наиболее перспективного способа улучшения режущей способности и прочности инструментов, даёт основание полагать, что термомеханическая обработка является важным дополнительным резервом значительного качественного улучшения инструментов из быстрорежущих сталей.
Отмеченные предпосылки из анализа литературных источников, а также работы автора с сотрудниками по совершенствованию технологии изготовления и термической обработки инструмента послужили основанием для проведения ряда исследований по указанной теме.
За истекшие более, чем 75 лет применения в инструментальной промышленности быстрорежущей стали Р18, исследованию её физических, технологических, прочностных и режущих свойств посвящены сотни работ. Особенно возрос интерес к стали Р18 после выхода в свет книги Ф. Тэйлора «Искусство резать металлы».
Естественно, что за эти годы резко улучшилось металлургическое качество стали, а также и термическая обработка инструмента из стали Р18 в различных её вариантах достигла значительных результатов. Технология термической обработки инструментов из стали PI8 и других марок осуществляется в настоящее время с нагревом в соляных ваннах и защитных атермомеханической обработке сферах /19/ ; нагревом в вакууме и охлаждением; непрерывным охлаждением ниже точки М^, с изотермической выдержкой выше точки Мц в промежуточной облас¬ти по схемам ступенчатой и бейнитной закалки; охлаждение в ЕНК /20/ и т.д.
Значительное внимание при изучении свойств стали PI8 было уделено нафталинистому излому и причинам, вызывающим его. В этих и многих других работах, посвященных изучению причин, способствующих огрублению структуры стали PI8 при её повторной закалке, большое внимание уделялось влиянию фазового наклепа аустенита при повторной закалке на образование нафталинистого излома, влиянию карбидных включений и свободной поверхностной энергии субзерен, а также влиянию мартенситного превращения при первой закалке на создание в приграничной зоне определенной дислокационной структуры, взаимодействующей с дислокациями границы и оказывающей влияние на рост зерен при повторном нагреве стали под закалку .
Особый интерес для исследования процессов структурообразования при термомеханической обработке в быстрорежущей стали имеют работы, так как при исследовании формирования структуры и свойств быстрорежущих сталей в процессе проведения термомеханической обработке результаты, полученные, авторами, позволяют раскрыть механизм упрочнения стали. Труды перечисленных и многих других авторов, посвященные процессам образования нафталинистого излома в быстрорежущей стали, способствовали совершенствованию технологических процессов изготовления инструмента, связанных с оптимизацией режимов пластической деформации заготовок и термической обработки готового инструмента.
Из краткого анализа приведенной литературы следует, что до настоящего времени сведения по влиянию термомеханической обработке на свойства быстрорежущей стали не отличаются единой точкой зрения, так как у разных авторов получались разные, порой противоречивые результаты. Однако во всех исследованиях по затронутому вопросу просматривается единая точка зрения - термомеханической обработке улучшает прочность и может улучшить стойкостные свойства инструментов, изготовленных из быстрорежущей стали. Как будет показано ниже, причиной отсутствия единого мнения по влиянию термомеханической обработке на свойства быстрорежущей стали явилось то, что большинство исследований базировалось фактически на одной схеме термомеханической обработке, что и привело исследователей к таким противоречивым результатам.
Материал взят из диссертационного исследования: ХАЗАНОВА И.О. Термодинамическая обработка стали и инструментов из нее.
0 комментариев