X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Цель работы: в данной работе определены оптимальные режимы термообработки быстрорежущей стали использующейся при изготовлении резцов.

Требования к резцам по металлу:

высокая твердость HRC 59-65 (если твердость резца будет меньше твердости обрабатываемого металла, то резец в процессе резания будет сминаться);

высокая износостойкость (резец должен выдерживать большое трение и износ);

высокая теплостойкость (при работе резец может разогреваться до 600-650°С);

высокая механическая прочность (резец при обработке металлов воспринимает значительные силы резания).

Объект исследования: резец из быстрорежущей стали Р6М5.

Для резания металлических, синтетических и других материалов используют резцы по металлу. В данной работе будет исследован именно такой резец.

Исследуемый в данной работе резец состоит из головки и державки (круглого или прямоугольного стержня). Головка имеет несколько поверхностей: переднюю, заднюю, режущие кромки и вершину (рис. 1).

Рис. 1. Составляющие исследуемого резца

Во время точения детали по передней плоскости сходит стружка. Задняя плоскость делится на 2 поверхности: основную и вспомогательную, а пересечения этих поверхностей дает 2 режущие кромки: главную и вспомогательную.

Резцы по металлу изготавливают из быстрорежущих сталей. Быстрорежущую сталь применяют для изготовления резцов, так как они работают при высоких скоростях резания. Основное преимущество быстрорежущей стали заключается в том, что она обладает красностойкостью – способностью сохранять свою твердость при высоких скоростях резания (кромка резца в данном случае может разогреваться до 600°С). На заводах наиболее часто применяют стали, в которых из-за высокой стоимости вольфрам заменен на молибден, кобальт или другие элементы. К таким сталям относятся Р9Ф5, Р9К5, Р6М5 и др.

При изготовлении анализируемого в данной работе резца использовалась сталь Р6М5. Р6М5 – инструментальная быстрорежущая сталь, состав которой указан в таблице 1.

Элемент	Доля , %
C	0,82 - 0,9
Si	до 0,5
Mn	до 0,5
Ni	до 0,4
	до 0,025
	до 0,03
Cr	3,8 - 4,4
Mo	4,8 - 5,3
W	5,5 - 6,5
V	1,7 - 2,1
Co	до 0,5
Fe	~80

Таблица 1. Химический состав стали Р6М5

В связи с высокой стоимостью быстрорежущей стали исследуемый резец с размером более 10 мм в сечении экономически более выгодно изготовлять сварным: режущую часть — из быстрорежущей стали Р6М5, а хвостовую (державку) — из углеродистой стали 40—45 или низколегированной 40Х. Между собой части соединяются с помощью стыковой сварки.

Исследования по микроструктуре и выявлению оптимального режима термической обработки резца из стали Р6М5 проводились на кафедре материаловедения и товарной экспертизы самарского государственного технического университета.

В литом состоянии микроструктура исследуемой быстрорежущей стали Р6М5 имеет эвтектическую структурную составляющую. Это проявляется в наличии такой структурной неоднородности, как карбидная ликвация (рис. 2). Для получения оптимальных свойств инструментов из стали Р6М5 необходимо устранить указанную неоднородность. Именно для этого слитки из быстрорежущей стали подвергаются интенсивной пластической деформации (ковке). В процессе ковки карбиды эвтектики измельчаются и наиболее равномерно распределяются по сечению заготовки.

Рис. 2. Карбидная неоднородность быстрорежущей стали Р6М5 (500):

а – прокат из слитка; б – «порошковый» металл

Так как сталь Р6М5 относится к высоколегированным сталям, при прокатке или ковке и охлаждении на воздухе ее твердость значительно повышается. Это приводит к затруднению обработки резанием резцов, изготовленных из данной стали. Для снижения твердости до НВ250-300 и подготовки структуры к закалке проводят отжиг. Хорошие результаты дает изотермический отжиг, который по сравнению с обычным требует меньше времени и в то же время позволяет получить более однородную структуру.

Режим отжига, применяемый для исследуемого резца: нагрев до температуры 840-860^oС, охлаждение до 720-750^oС со скоростью 30-40^oС/ч, выдержка (не менее 4 часов) охлаждение до 600^oС со скоростью 40-50^oС и дальнейшее охлаждение на воздухе.

Далее для получения необходимой красностойкости, износостойкости твердости и прочности исследуемого резца его подвергают закалке. Так как быстрорежущая сталь Р6М5 имеет низкое значение теплопроводности, для избежания образования трещин инструменты небольших размеров (как исследуемый резец) изначально подогревают в одной печи до 800 °С. После этого резец переносят в другую печь, в которой и происходит окончательный нагрев до закалочной температуры. Закалка резца из быстрорежущей стали Р6М5 в основном проводится с аустенизацией в соляной ванне BaCl₂, что улучшает равномерность прогрева и снижает возможность обезуглероживания поверхности. Для снижения термических фазовых напряжений нагрев осуществляют ступенчато: замедляют нагрев при температурах 600…650^oС и при 800…850^oС (рис. 3.). Оптимальная температура аустенизации зависит от вида инструмента. В данной работе исследуется резец из стали Р6М5, его оптимальная температура закалки близка к верхней границе рекомендуемого интервала (1290°С).

Рис. 3. Схема термической обработки резца из быстрорежущей стали Р6М5

Для получения оптимальной структуры охлаждение происходит в масле. После закалки структура стали включает в себя тонкодисперсный мартенсит, большое количество остаточного аустенита (30-40 %) и карбидов вольфрама (рис. 4, а). Твердость такой стали равна 60-62 HRC. Большое количество остаточного аустенита значительно ухудшает режущие свойства исследуемой стали Р6М5.

Для максимального удаления остаточного аустенита проводят трехкратный отпуск при температуре 560^oС. В процессе отпуска происходит нагрев выше 400^oС, и наблюдается увеличение твердости. Твердость повышается потому, что из остаточного аустенита в процессе нагрева выделяются мелкодисперсные карбиды легирующих элементов. Также твердость стали возрастает потому, что во время завершения процесса отпуска происходит охлаждение аустенита и его превращение в мартенсит отпуска. При проведении исследования было установлено, что максимальная твердость достигается при температуре отпуска 560^oС.

После однократного отпуска количество аустенита остаточного снижается до 10%. Таким образом, чтобы снизить его количество до требуемого минимума резец должен подвергаться отпуску трижды.

После завершения трехкратного отпуска твердость исследуемой стали Р6М5 будет составлять 64-65 HRC. Структура стали после термообработки состоит из мартенсита отпуска и карбидов (рис. 4, б).

Рис. 4. Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 (х500):

а – после закалки; б – после отпуска

В результате проведенного исследования термической обработки резца из быстрорежущей стали Р6М5 было установлено, что для получения оптимальных свойств исследуемой быстрорежущей стали необходимо производить изотермический отжиг, полную закалку и трекратный отпуск. В случае проведения указанной термической обработки резец из стали Р6М5 будет иметь высокую твердость (65-65 HRC), в его составе будет находиться минимальное допускаемое количество остаточного аустенита и карбидных неоднородностей.

Код для цитирования: Скопировать