Влияние дополнительного легирования оловом на характер процесса резания конструкционных сталей

Анализ вопроса повышения производительности процесса резания за счет совершенствования применяемых конструкционных материалов приводит к выводу о потребности в наличии сталей с высокими и стабильными показателями механической обрабатываемости. В этом отношении важнейшую роль играют так называемые автоматные стали, в которых улучшение данных характеристик достигается путем ввода регламентированного количества специальных добавок: серы, фосфора, свинца и ряда других элементов. Они являются основой организации обработки металла на токарных станках-автоматах, станках с программным числовым управлением и обеспечивают возможность комплексной автоматизации производства [1].

Вместе с тем широко известные недостатки современных автоматных сталей [2], обусловленные, в первую очередь, физико-химическими свойствами самих добавок, повышающих механическую обрабатываемость, определяют непрекра-щающийся поиск новых способов улучшения условий процесса резания металлических материалов, в том числе и за счет применения нетрадиционных легирующих элементов. В качестве такой альтернативы с точки зрения технологичности стали в процессе выплавки может рассматриваться олово [3].

В настоящее время на машиностроительных предприятиях зачастую используются ускоренные методы определения обрабатываемости резанием. В частности, металлографическое исследование корня стружки позволяет судить о характере процессов, происходивших на контактных площадках, и оценить степень деформации в поверхностных слоях детали, что, в свою очередь, может рассматриваться в качестве косвенного показателя сопротивления материала резанию. В связи с этим в данной работе была проведена предварительная оценка механической обрабатываемости металла с повышенным содержанием олова в условиях ОАО «АвтоВАЗ» по методике, изложенной в технологической инструкции И 12031.37.101.269–2007 «Проведение лабораторных исследований обрабатываемости резанием конструкционных сталей».

В качестве объекта для исследования была выбрана сталь 30ХМ с базовым составом по ГОСТ 4543–71. Выплавка производилась в лабораторной индукционной печи. Для легирования использовали металлическое олово квалификации ЧДА согласно ТУ 6-09-2704-88. Перед выпуском металла из печи отбиралась проба для определения химического состава методом атомно-адсорбционного анализа, результаты которого представлены в таблице.

Химический состав сталей

Никитин М.С., Рябов А.В.

Влияние дополнительного легирования оловом на характер процесса резания конструкционных сталей

Слитки подвергались горячей пластической деформации методом свободной ковки на молотах с рабочей массой 500 кг не менее чем в два прохода до получения прутков квадратного профиля диаметром около 40 мм, которые впоследствии перетачивались на круг диаметром 30 мм. Из каждого прутка были изготовлены четыре образца, которые в дальнейшем подвергались механической обработке на токарно-винторезном станке типа 16К20 с ЧПУ инструментами из быстрорежущей стали марки Р6М5 по соответствующему режиму. Внешний вид заготовок до и после проведения испытаний представлен на рис. 1.

В ходе металлографического изучения условий процесса резания производили вырезку корня стружки, после чего тщательно полировали его боковую сторону, а затем подвергали травлению. Подготовленные шлифы просматривали под мик-

Рис. 1. Внешний вид образцов до (а) и после (б) механической обработки

Рис. 2. Корень стружки образцов стали 30ХМ (×100): а – без добавок олова; б – содержание олова 0,08 %; в – содержание олова 0,15 % роскопом при увеличении в 100 раз. Фотографии корня стружки представлены на рис. 2.

На рис. 2, а, б отчетливо виден нарост, сформировавшийся на передней поверхности режущей кромки инструмента в процессе лезвийной обработки образцов стали 30ХМ без добавок олова и при его содержании в металле на уровне 0,08 %. В то же время прослеживается тенденция к ослаблению явлений адгезии и наростообразования с увеличением концентрации данного легирующего элемента (рис. 2, в).

Являясь продолжением резца, нарост определяет интенсивность его износа за счет изменения первоначальных геометрических размеров и оказывает влияние на качество обработанной поверхности, которые, в свою очередь, являются двумя важнейшими критериями оценки уровня обрабатываемости стали резанием. В случае обработки материалов, склонных к образованию нароста, в том числе конструкционных легированных сталей, его высота снижается с увеличением твердости и уменьшением пластичности детали [4].

Улучшение условий резания и облегчение деформации и разрушения поверхностных слоев металла, дополнительно легированного оловом, в значительной степени обусловлены эффектом Ребиндера – явлением адсорбционного понижения его прочности и пластичности. При этом, с одной стороны, в данном случае имеет место внешний адсорбционный эффект, определяющий снижение предела текучести и коэффициента упрочнения срезаемого слоя.

С другой стороны, вследствие адсорбции олова в междендритных пространствах и на границах зерен проявляется внутренний эффект [5], обусловливая уменьшение работы образования новых поверхностей и облегчение распространения микротрещин, возникающих и развивающихся по дефектам структуры или в результате скоплений дислокаций [6], формированию которых в том числе способствует и наличие в кристаллической решетке железа атомов олова. В результате это приводит к хрупкому интеркристаллитному разрушению и резкой потере прочности обрабатываемого материала.

Выводы

• 1.    Дополнительное легирование металла оловом приводит к заметному улучшению условий процесса его механической обработки резанием инструментом из быстрорежущей стали.

• 2.    Ослабление адгезионных связей между инструментальным и обрабатываемым материалом и снижение сил трения на контактных площадках, выражающееся в уменьшении величины нароста, в достаточной степени объясняется эффектом Ребиндера.