Изготовление инструментов из быстрорежущей стали в современном крупносерийном производстве с применением горячих пластических деформаций в процессе их формообразования является наиболее производительным и прогрессивным способом. Так, например, один прокатный стан для производства витых спиральных сверл диаметром 15-20 мм за смену прокатывает, в среднем, 1500-2000 штук. Такая высокая производительность может быть достигнута лишь при одном условии - высокой горячей пластичности стали. Если учесть то, что в настоящее время более 80% всех сверл в стране производится методом прокатки, то становится очевидным, насколько велика роль пластичности быстрорежущей стали в процессе производства только одного вида инструмента - сверл - если один завод им. Воскова выпускает их в месяц миллионы штук. Особенно важную роль играет пластичность для производства сверл методом продольно-винтового проката, где сверло формируется за один оборот прокатных сегментов и при этом относительная степень деформации заготовки составляет около 75%.
При производстве витых сверл крупных размеров диаметром 50 и более мм горячая пластичность стали играет наиболее важную роль в связи с тем, что здесь срабатывает масштабный фактор. Ведь чем крупнее заготовка для крупного сверла, тем больше в ней проявляется металлургическая наследственность быстрорежущей стали, которая выражается в повышенной карбидной неоднородности. Высокий балл карбидной неоднородности в быстрорежущей стали, например, 5 и более, значительно снижает её горячую пластичность, что приводит порой к большому проценту брака при прокатке сверл.
Иногда процент брака достигает более 8-10%, а для крупных инструментов это обходится весьма дорого.
С целью устранения брака при прокатке необходимо знать причины его появления, а так как этой причиной, при условии хорошей наладки оборудования, чаще всего является низкая пластичность стали, то необходимо исследовать её при различных условиях и тепловых режимах горячей деформации стали.
Кроме того, на всех инструментальных заводах, как правило, скапливается ежемесячно большое количество отходов быстрорежущей стали, которые было бы наиболее целесообразно снова использовать для производства высококачественного конкурентоспособного режущего инструмента. На многих инструментальных заводах страны есть литейные цеха, в которых переплавляются отходы инструментальной стали, и для этих заводов наиболее целесообразно создать такую технологию производства инструментов с использованием литых заготовок, которая бы отличалась высокой производительностью и обеспечивала их хорошее качество.
Так, например, завод им. Воскова многие годы отливает крупные сверла ф 55 мм и более из отходов и продает их потребителям. Сверла эти не могут конкурировать с катаными или фрезерованными, но их покупают из-за большого дефицита, хотя они и не обладают хорошей стойкостью и надёжностью в работе.
С целью использования отходов быстрорежущей стали для увеличения выпуска крупных сверл с высокими режущими свойствами, повышения их надёжности и снижения себестоимости нами разработана новая технология изготовления витых сверл из литых заготовок быстрорежущей стали. Для решения указанной проблемы была проведена серия исследований горячей пластичности литой стали разных составов, а также исследовалось влияние малых пластических деформаций на изменение основных эксплуатационных свойств исследованных марок стали. Проведенные исследования по горячей пластичности литых и катаных быстрорежущих сталей, широко используемых для производства режущих инструментов, позволили решить ряд важнейших проблем для производства и улучшения качества инструментов.
Исследование горячей пластичности литых и деформированных быстрорежущих сталей позволило нам подойти к решению вопроса по изучению процессов формирования структурной наследственности горячедеформированной стали и дальнейшему развитию теории термомеханической обработки быстрорежущей стали и инструмента из неё.
Указанные исследования создали предпосылки и послужили основанием для внедрения в производство на заводе им. Воскова технологии изготовления крупных витых сверл из литых заготовок, а так же ряда схем термомеханической обработки при серийном изготовлении витых сверл из быстрорежущей стали.
Результаты работ по технологической пластичности быстрорежущей стали использовались при составлении межотраслевой инструкции по тепловым режимам горячей пластической деформации стали.
Диаграмма пластичности литой и кованой стали P18, построенная Ю.М. Чижиковым, явилась первым информационным материалом по пластичности литой и катаной быстрорежущей стали, на основе которого металловеды и прокатчики могли судить о поведении стали при высокотемпературной пластической деформации вплоть до момента появления в промышленности мало-и средневольфрамовых сталей - заменителей стали P18. Затем появились работы по пластичности быстрорежущих сталей при высоких температурах , которые были посвящены, в основном, исследованию катаных сталей, а позднее влиянию структуры (литой и катаной стали) на её пластические свойства.
Как было показано также и в наших работах, на качество заготовок и готовых изделий, получаемых горячим пластическим деформированием, влияют химический состав и пластичность сталей, которые в пределах одной марки имеют некоторые отклонения. Кроме того, следует отметить роль температуры при нагреве под ковку и прокатку как литых, так и кованых (катаных) сталей, её влияние на формирование механических свойств стали.
В работе Ю.А. Геллера с соавторами по стали P18, а позднее в наших работах для быстрорежущих сталей с двенадцатью, шестью и менее процентами вольфрама, было показано влияние температуры нагрева слитков на величину зерна и механические свойства стали после её ковки и прокатки. В этих работах было отмечено, что температура нагрева заготовок под ковку (прокатку) оказывает существенное влияние на величину аустенитного зерна и на прочностные характеристики стали.
Из результатов этих работ следует, что температура нагрева заготовок под ковку и прокатку оказывает существенное влияние на формирование структуры и свойств быстрорежущих сталей. Как будет показано ниже, температура нагрева под прокатку быстрорежущей стали при изготовлении из неё сверл и других видов режущих инструментов, является решающим фактором (наравне со степенью пластической деформации), определяющим вторичное наследование прочностных и режущих свойств быстрорежущей стали.
Исходя из указанных соображений, проводились исследования высокотемпературной технологической пластичности быстрорежущих сталей в литом и катаном состоянии, с целью оптимизации режимов нагрева их под ковку и прокатку при изготовлении заготовок инструментов методами пластической высокотемпературной деформации из новых марок быстрорежущих сталей.
Для проведения исследований в 150-килограммовом тигле с кислой футеровкой на индукционной установке МГП-Ю2А отливались слитки весом от одного до 70 кг в изложницы, формы-трефы для исследования пластичности литой стали, а также в многоместные формы нашей конструкции.
После отжига и отделения прибыльной части у отливок их подвергали деформациям с различными степенями обжатия. После проведения подготовительных работ были построены диаграммы пластичности для ряда сталей, методом прокатки на клин, методом скручивания и горячей ударной вязкости.
Как показали исследования, максимальная пластичность для сталей достигается при 1000-1100°С. При этих температурах исследуемые стали обладают малым сопротивлением деформации, сочетающимся с высокими пластическими свойствами.
На показана зависимость между степенью относительной, деформации исследуемых сталей и пластичностью при скручивании. Максимальной пластичностью в литом состоянии обладают стали Р6М5К5 и Р4М5К8. После относительной деформации на 50% у всех сталей наблюдался замедленный рост пластичности, хотя склонность к увеличению пластичности с повышением степени относительной деформации сохранялась. Максимальной пластичностью после относительных обжатий более 50% обладают стали Р12, Р4М5К8. Сталь Р6М5 в сравнении со сталью Р6М5К8 обладает несколько меньшим сопротивлением скручиванию.
Диаграммы пластичности, построенные методом прокатки на клин исследованных литых сталей, следует, что большинство из них в литом состоянии, по оценке категорий пластичности, предложенной в работе, можно отнести к сталям, обладающим относительно хорошей пластичностью. Только сталь Р4М4Ф4, имеющая относительный предел пластичности меньше.0,6, может быть отнесена к сталям средней категории пластичности. Сравнительно низкая пластичность этой стали, как следует из её химического состава, табл. I, может быть объяснена высоким содержанием углерода (1,35%) и ванадия (4,0%), которые резко повысили в стали содержание эвтектической составляющей.
Максимальной ударной вязкостью при этих температурах обладают стали Р4М4Ф4, Р12 и Р6МЗ, в которых отсутствует кобальт. Эти стали после относительной деформации 35% становятся более вязкими, чем обычная катаная сталь Р6М5 с третьим баллом карбидной неоднородности. Из сравнения результатов следует, что кобальт практически не оказывает заметного влияния на пластичность сталей ни в литом, ни в деформированном состоянии.
Большинство исследуемых малодеформированных сталей после относительной деформации 50% имеет горячую ударную вязкость, близкую к катаной стали Р6М5.
Зависимость изменения ударной вязкости исследуемых сталей при 20°С от относительной степени их деформации. Стали Р6М5 и Р6М5К8 уже при относительной деформации более 20% имеют ударную вязкость выше, чем стандартная сталь Р6М5. Сталь Р4М5К8 имеет примерно такую же вязкость, как и катаная сталь Р6М5. Ударная вязкость остальных сталей несколько ниже, чем стандартной катаной стали Р6М5. Все исследования проводились на образцах с твердостью НЕС = 63-65. Прочность при изгибе исследуемых сталей с увеличением относительной степени деформации резко возрастает. Уже после относительной деформации 50% все исследуемые стали, за исключением стали Р9М5Ф4К6, имеют 2500; МПа. Максимальной прочностью обладают стали Р6М5К5 и Р4М5К8. В литом состоянии все исследуемые стали имеют относительно низкую прочность. Максимальной прочностью в литом состоянии обладает сталь Р4М4Ф4, которая преувеличении степени деформации имеет меньшую склонность к упрочнению, чем другие стали. В этом отношении наибольший интерес для применения схемы термомеханического упрочнения имеют кобальтовые стали с содержанием в них ванадия не более 1,5 - 2,0%, такие как Р6М5К5, Р6М5К8, Р4М5К8.
Эти данные представляют определенный теоретический и практический интерес для изучения свойств литых и деформированных при разных температурах сталей.
Как следует большинства сталей максимальный рост пластичности наблюдается до температуры 1050-1100°С, когда в структуре стали отсутствуют кристаллизованные безоболочные зерна аустенита. При этих температурах абсолютное значение пластичности сталей, деформированных на 80%, в сравнении с литым состоянием превышает в отдельных случаях более чем в 2 раза. Как правило, у всех сталей спад пластичности наступает после 1100°С.
Также наблюдается аналогичная закономерность в увеличении абсолютного значения горячей ударной вязкости до температуры 1100-1150°С. Здесь, в сравнении с литым состоянием, горячая ударная вязкость катаных сталей отдельных марок (Р12, Р6М5, Р6М5К5, Р6М5К8) превышает в 4 раза ударную вязкость литой стали при испытаниях 1100-1150°С. Интересным также является то, что резкий спад пластичности во всех случаях наступает после 1100-1150 °С, когда в структуре охлажденной после прокатки стали обнаруживаются .первые рекристаллизованные безоболочные зерна аустенита, повторяется и при испытаниях на пластичность стандартных марок катаной стали с разным содержанием в них вольфрама, от 6 до 12 %. У стали с 18% У спад пластичности наблюдается при 1150°С.
Полученные результаты позволили оптимизировать температуры прокатки и ковки литых заготовок для сверл, фрез, резцов и других инструментов из быстрорежущей стали после того, как были ещё получены результаты по свободному уширению литой стали при прокатке образцов на клин.
При расчете параметров ручьев для прокатки сверл из катаных и особенно из литых заготовок требуются сведения о поперечной деформации стали с тем, чтобы в процессе прокатки происходило полное заполнение металлом ручьев и чтобы изделия удовлетворяли заданным размерам.
В нашем, случае эти данные были получены при прокатке образцов на клин. Зависимость показателя уширения от величины относительной деформации при постоянной температуре. Зависимость уширения от температуры для исследованных сталей при постоянном обжатии 50%. Следует, что показатель уширения увеличивается для всех исследуемых сталей при относительных обжатиях до 40-50%. Дальнейшее. увеличение обжатия не сопровождается ростом показателя уширения.
Из результатов, следует так же, что исследуемые быстрорежущие стали имеют максимум показателя уширения в области температур полигонизации и образования субзеренной структуры аустенита, т.е. 1000-1100°С, а это соответствует и температурам максимальной пластичности исследуемых сталей.
Полученные результаты по исследованию пластичности малодеформированной стали свидетельствуют о том, что при изготовлении таких видов инструмента, как витые спиральные сверла, отрезные резцы и др. методом высокотемпературной пластической деформации, точное соблюдение температур прокатки (ковки) будет способствовать полному заполнению ручьев (штампов) горячим металлом и получению бездефектных изделий за счет проведения пластических деформаций металла при температуре его максимальной пластичности, соответствующей максимальному свободному уширению.
Изготовление сверл из литых заготовок в настоящее время производится по режимам, полученным на основании исследования горячей пластичности сталей.
При испытании сверл, изготовленных из сталей плавок 1-3, 5-7, 9 была получена их стабильная стойкость, сочетающаяся с высокой прочностью.
Следует отметить, что температура ковки и прокатки литых заготовок малых размеров и веса (3-50 кг) значительно ниже температуры ковки и прокатки слитков весом 200 кг и более. Это объясняется мелко зернистостью слитков малого веса, более мелким строением эвтектической составляющей и наличием на поверхности отливок корочки из мелкозернистого металла прилегающего к зоне транскристаллизации. При прокатке и ковке таких слитков верхние, плотные слои металла служат как бы «рубашкой», предохраняющей нижележащие слои металла от растрескивания.
В связи с вышеизложенным следует, что режимы нагрева под ковку и прокатку слитков быстрорежущей стали малого объема и веса, имеют некоторое отличие от тепловых режимов при пластическом деформировании крупных слитков сталей аналогичного состава или близких к указанным по составу. Как правило, для крупных слитков эти температуры несколько выше. Однако следует отметить, что решающую роль в формировании структуры и свойств быстрорежущей стали, играет не первый нагрев слитка при прокатке или ковке из него предельной штанги, а, как указывалось ещё в работе, на размер аустенитных зерен влияет температура конца ковки или прокатки, в результате которой либо протекает процесс полигонизации, либо завершается динамическая рекристаллизация с образованием мелкозернистого аустенита.
Это условие особенно важно соблюдать при непосредственном изготовлении режущего инструмента из литых заготовок малого объема и веса методами высокотемпературной пластической деформации в процессе его формообразования.
Как показали результаты определения горячей пластичности литой стали из слитков малого веса, все исследованные марки стали по классификации, можно отнести к сталям высокой пластичности. Повышенная пластичность здесь объясняется большой скоростью кристаллизации жидкой стали, отливаемой в металлические формы, в результате чего в отливках было получено очень мелкое первичное зерно, окруженное тонкой эвтектической составляющей. Максимальная относительная степень деформации 80% у клиновых проб достигается при 1100°С, где образец прокатался практически без надрывов.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при соблюдении тепловых режимов, из исследованных сталей можно изготавливать прокаткой непосредственно из литых заготовок такие виды инструментов, как, например, витые сверла, отрезные резцы и др.
0 комментариев