Обработка специальных материалов в машиностроении. Справочник

Раздел ГРНТИ: Резание материалов
В.И. Баранчиков, А.С. Тарапанов, ГА. Харламов
Машиностроение, 2002 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Обработка специальных материалов в машиностроении. Справочник

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, СОСТАВ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ РЕЗАНИЕМ

 
1.1. Жаропрочные, высокопрочные и антикоррозионные стали и сплавы
 
 
В зависимости от обрабатываемости (обрабатываемость рас­сматриваемого материала характеризуется скоростью резания, соответствующей определенной стойкости инструмента при ра­боте с определенным сечением срезаемого слоя с оптимальной конструкцией инструмента для обработки данной стали или сплава) резанием все материалы раздела подразделяются на во­семь групп (см. табл. 1.1).
 
Стали, отнесенные к I группе, характеризуются содержанием хрома до 6 %, никеля до 3 %, молибдена до 0,6 %, ванадия до 0,8 %. Они являются теплостойкими материалами, применяются для изготовления впускных и выпускных клапанов двигателей, лопаток и дисков турбин, а также деталей котельных установок, работающих при температурах до 500...600 °С. Обрабатываемость сталей 1 группы вполне удовлетворительная, почти не отличаем­ся от обратываемости углеродистых и низколегированных кон­струкционных сталей соответствующей прочности.
 
Стали II группы характеризуются высоким содержанием хрома (более 12 %) и небольшим содержанием (до 4 %) других легирующих элементов. Они применяются в основном для изго­товления арматуры, турбинных лопаток и дисков, работающих при температурах до 500...550 °С (12X13, 15Х12ВМФ, ЭИ961 и др.), хирургического инструмента, шарикоподшипников (30X13, 40X13) и других деталей с высокой коррозионной стой­костью. В эту же группу объединены высокохромистые стали, которые после закалки и соответствующего отпуска имеют пре­дел прочности более 1600 МПа. Обрабатываемость этих сталей в указанном состоянии соответствует обрабатываемости высоко­прочных сталей VIII группы. Однако поскольку при обработке деталей из этих сталей основной припуск срезается в отожжен­ном состоянии детали, когда обрабатываемость их аналогична обрабатываемости высокохромистых сталей с   σв =850... 1000
МПа, они отнесены ко II группе.
Механическая обработка деталей из сталей II группы про­изводится как после отжига (12X13, 20X13, 14Х17Н2, 15X12ВМФ и др.), так и после термической обработки до σB = 1000...1500 МПа (30X13, 40X13). 
В отожженном состоянии детали из этих сталей имеют удовлетворительную обрабатывае­мость: скорость резания примерно в 1,5...2 раза ниже скоростей резания, применяемых при обработке деталей из стали 45. С повышением прочностных характеристик сталей в результате их термической обработки обрабатываемость высокохромистых сталей резко снижается. Детали из сталей этой группы, терми­чески обработанные до ав > 1200 МПа, по возможности должны
обрабатываться инструментом из твердых сплавов.
При обработке деталей из сталей II группы в отожженном состоянии получить поверхности высокого класса шероховато­сти затруднительно, особенно при нарезании резьбы, протяги­вании, цилиндрическом фрезеровании и других операциях, ко­гда обработанная поверхность формируется лезвиями инстру­ментов значительной протяженности.
 
Стали, отнесенные к III группе, содержат большое количест­во хрома (более 15 %), никеля (более 5 %) и в небольшом коли­честве другие легирующие элементы (титан, кремний и др.). К этой группе отнесены также стали аустенитно-ферритного и аустенитно-мартенситного классов. Стали аустенитно-феррит­ного класса по технологическим характеристикам близки к аустенитным, а по прочностным — к мартенситным сталям. После отжига обрабатываемость этих сталей близка к обрабатываемо­сти стали 12Х18Н10Т, а после закалки и отпуска — к сталям II группы соответствующей прочности.
Стали IIIгруппы получили широкое распространение как кислотостойкие, нержавеющие и жаропрочные материалы. Они применяются почти во всех отраслях промышленности для изго­товления деталей запорной аппаратуры, лопаток компрессорных машин, паровых труб и других деталей, работающих в условиях высоких температур, — до 800 °С. Скорости резания, применяе­мые при обработке деталей из сталей III группы, примерно в 2 раза ниже скоростей резания, применяемых при обработке деталей из стали 45.
 
К IV группе относятся жаропрочные, жаростойкие и кислото­стойкие стали аустенитного класса, содержащие в большом коли­честве хром (12...25 %), никель более 5 % и в несколько мень­шем количестве марганец, молибден, титан, вольфрам, ванадий и другие легирующие элементы. В ряде деталей содержание ни­келя снижено за счет увеличения содержания более дешевого и менее дефицитного марганца. Из сталей этой группы изготов­ляют диски и лопатки газовых турбин, детали газопроводных систем и крепежные детали, работающие при температурах до 650...750 °С, а при умеренных напряжениях — до 800...900 °С. Обрабатываемость резанием деталей из сталей IV группы в 3...4 раза ниже обрабатываемости деталей из стали 45.
 
К V группе относятся жаропрочные деформируемые сплавы на никелевой и железоникелевой основах, легированные большим количеством хрома (10...20 %) и несколько меньшим количест­вом титана, алюминия, вольфрама, молибдена и другими эле­ментами. Они применяются для изготовления деталей машин, работающих при больших нагрузках и высоких температурах — от 750 до 900...960 °С (дисков, рабочих и направляющих лопаток и других деталей газовых турбин). Обрабатываемость резанием деталей из сплавов V группы в 6... 12 раз ниже обрабатываемости деталей из стали 45.
 
Литейные жаропрочные сплавы VI группы широко применя­ются для изготовления сопловых лопаток, цельнолитых роторов и других деталей газовых турбин. Они более легированы и вследствие этого более жаропрочны, чем деформируемые жаро­прочные сплавы. Из-за неоднородной литой структуры механи­ческие свойства их различаются значительно. По обрабатывае­мости резанием они отличаются от сплавов V группы. Различ­ная обрабатываемость литейных и деформируемых жаропрочных сплавов объясняется тем, что литейные сплавы менее вязки, си­лы резания при их обработке значительно ниже, чем при обра ботке деформируемых сплавов.
В литейных жаропрочных сплавах имеется большое количе­ство включений, которые сильно изнашивают инструменты из быстрорежущей стали. Почти на всех операциях механической обработки деталей из литейных жаропрочных сплавов следует применять инструмент, оснащенный твердым сплавом, в то время как при обработке деталей из деформируемых сплавов инструмент из твердого сплава применяют в основном при не­прерывном резании. Во многих случаях прерывистого резания (торцовое и концевое фрезерование) при обработке деталей из деформируемых жаропрочных сплавов применять инструмент из быстрорежущей стали более целесообразно, чем из твердого сплава. Одной из причин быстрого износа инструмента из твер­дого сплава при прерывистом резании деталей из деформируе­мых жаропрочных сплавов являются переменные нагрузки (удар), что приводит к выкрашиванию твердого сплава. При об­работке деталей из литейных сплавов это явление сказывается в значительно меньшей мере. Скорости резания при обработке деталей из литейных жаропрочных сплавов в 12...20 раз ниже, чем при обработке деталей из стали 45.
 
Сплавы на титановой основе VII группы широко применяют в различных отраслях техники. В ряде конструкций они вытес­няют алюминиевые сплавы и нержавеющие стали. В настоящее время применяется большая гамма титановых сплавов (более 30 марок) с широким диапазоном обрабатываемости резанием, ко­торая зависит от пределов прочности сплава. Детали из титано­вых сплавов с σв < 900... 1000 МПа при отсутствии окалины и корки легко обрабатываются инструментом из быстрорежущей стали и твердого сплава.
Обработка деталей из титановых спла­вов с σв > 1000 МПа инструментом из быстрорежущей стали затруднительна. При работе по окалине следует применять только твердосплавный инструмент.
Точение, фрезерование и сверление деталей из титановых сплавов не вызывает затруднений. Однако вследствие большой упругости титановых сплавов нарезание резьбы метчиками, раз­вертывание и протягивание (особенно шлицевых отверстий) де­талей из этих сплавов затруднительно из-за защемления инст­румента по задним и вспомогательным поверхностям. В связи с этим задние и вспомогательные углы инструмента для обработ­ки деталей из титановых сплавов следует выполнять на 3...50 больше, чем у инструмента для обработки деталей из конструк­ционных сталей. Исполнительные размеры мерного инструмен­та должны выполняться на верхних пределах допусков.
Титановые сплавы активно взаимодействуют с газами при повышенных температурах, начиная с 600 °С. Наиболее актив­ным элементом при газонасыщении является кислород. Твер­дость слоя, насыщенного газами, значительно возрастает. Мик­ротвердость насыщенных слоев превышает микротвердость ни­жележащих слоев металла в 3...5 раз. Микротвердость соедине­ний титана с кислородом достигает 13 ООО МПа, титана с азотом и титана с углеродом 20 ООО МПа при микротвердости нижеле­жащих слоев металла 310...350 МПа. Толщина окалины зависит от температуры и длительности ее воздействия. Поэтому на об­рабатываемость деталей из титановых сплавов по корке влияет способ получения заготовки. Толщина дефектного слоя у отли­вок может достичь нескольких миллиметров, у поковок — 1 мм, у проката — 0,5 мм. Обрабатываемость кованых прутков ниже, чем катаных. Скорости резания, применяемые при обработке деталей из титановых сплавов, в зависимости от их предела прочности в 1,5...4 раза ниже скоростей резания, применяемых при обработке деталей из стали 45. При обработке детали по корке скорости резания снижаются соответственно в 2 раза.
 
К VIII группе относятся высокопрочные стали. В состоянии отжига их обрабатываемость идентична обрабатываемости обычных конструкционных сталей. После закалки и отпуска, в зависимости от предела прочности, их обрабатываемость снижа­ется в 5...8 раз. В связи с этим технологический процесс обра­ботки деталей из высокопрочных сталей должен строиться та­ким образом, чтобы под закалку и отпуск оставался минималь­ный припуск, необходимый для устранения возможных дефор­маций.
Детали из высокопрочных сталей следует обрабатывать твердосплавным инструментом. В случае необходимости инст­рументом из быстрорежущей стали можно обрабатывать детали из высокопрочных сталей с σв < 2000 МПа, применяя при этом
низкие скорости резания.
Исходя из химического состава и механических свойств, можно полагать, что обрабатываемость дисперсионно-твер-деющих высокопрочных сталей в отожженном состоянии в 3...4 раза, а после закалки и старения в 10... 12 раз ниже обрабаты­ваемости стали 45.
Классификация материалов раздела по обрабатываемости резанием проиллюстрирована в виде таблицы. 1.1.