Обработка специальных материалов в машиностроении. Справочник

Обработка специальных материалов в машиностроении. Справочник

В.И. Баранчиков, А.С. Тарапанов, ГА. Харламов

Машиностроение, 2002 г.

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.