Совершенствование технологии и качества изделий металлургического производства

Доронин И.В.(ред.).

Электросталь, ЭПИМИСиС, 2005 г.

ВЛИЯНИЕ МАРТЕСИТА ДЕФОРМАЦИИ НА ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ РЕЗАНИЕМ CR-NI-MN СТАЛЕЙ ТИПА 20-4-9

Аустенитные хромо-никель марганцовистые стали типа 20-4-9 с карбонитридным упрочнением, применяемые для изготовления выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания [1, 2], характеризуются высокой твердостью (HRc = 30 - 40) и вязкостью, что крайне затрудняет обработку резанием [2]. Кроме того, отрицательное влияние на обрабатываемость резанием должен оказывать процесс образования мартенсита деформации, обнаруженного в типичном представителе материалов этой группы [2, 3] стали 55Х20Г9АН4 [3].

В настоящей работе проводили оценку обрабатываемости резанием стали 55Х20Г9АН4 и ее модификации 55Х20Г9Н4МЗКЗАБ. Последняя по сравнению с базовым составом [1,2] дополнительно легирована молибденом, кобальтом и ниобием. В качестве материала для проведения исследования были отобраны горячекатаные прутки 0 25 мм очередных промышленных плавок стали 55Х20Г9АН4 (0,56 % С; 0,23 % Si; 8,93 % Мn; 0,009 % S; 0,020 % Р; 21,18 % Сr; 3,79 %М; 0,37 % N₂) и стали 55Х20Г9Н4МЗКЗАБ ( 0,53 % С; 0,06 % Si; 8,89 % Мn; 0,014 % S; 0,014 % Р; 21,25 % Сr; 3,69 % Ni; 2,6 % Mo; 3,35 % Со; 0,49 % Nb; 0,28 % N2). Точение заготовок с исходным диаметром 22,75 мм и длиной 250 мм проводили на токарном станке 1К62 резцами из твердого сплава ВК8 со следующей геометрией: передний угол у = 0°, главный задний угол а = 8°, главный угол в плане ф = 30°. Окружные скорости резания для стали 55Х20Г9АН4 изменялись в пределах от 11,5 до 110 м/мин, а для 55Х20Г9Н4МЗКЗАБ - от 11,5 до 62,8 м/мин. Длина пути резания в каждом эксперименте составляла 42,8 м при подаче S = 1,0 мм/об и глубине резания t = 0,4 мм. Обрабатываемость оценивали по степени износа резцов. В качестве критерия был выбран износ по задней стенке, который измеряли на микроскопе МБС-2 при увеличении х50.

После закалки и старения по стандартному режиму (1180°- вода + 780° - 15 часов) [2, 3] максимальная температура образования мартенсита деформации (МД определенная по методикам, описанным в работах [4,5], составляет для стали 55Х20Г9АН4 +110 °С, а для 55Х20Г9Н4МЗКЗАБ - менее + 20 °С; твердость HRc = 30 -31 и HRc = 36 - 38 - соответственно.

В процессе резания в стали 55Х20Г9Н4МЗКЗАБ, характеризующейся по сравнению с 55Х20Г9АН4 более легированным, а следовательно, более устойчивым аустени-том, мартенсит деформации не образуется при всех указанных выше скоростях резания, о чем свидетельствует немагнитная стружка. Аналогичный эксперимент с менее легированной сталью 55Х20Г9АН4 показал, что мартенсит деформации (магнитная стружка) образуется в ней вплоть до скорости резания 62,8 м/мин.

Образование мартенсита деформации приводит к заметному дополнительному упрочнению обрабатываемого материала в очаге резания [5, 6]. Так, деформация растяжением прутков 05 мм стали 55Х20Г9АН4 при 20° на - 20%, сопровождающаяся А -> М превращением приводит к увеличению твердости с HRc = 30-31 до HRc = 39 - 41 (прирост твердости A HRc = 9 - 10 ). В таких же условиях у стали 55Х20Г9Н4МЗКЗАБ при отсутствии мартенсита деформации твердость возрастает с HRc = 36 - 38 до HRc = 42 -43 (AHRc = 5-6).

В виду того, что образование мартенсита происходит в процессе интенсивной деформации режущей кромкой инструмента материала заготовки, вязкость обрабатываемой стали относительно велика, т.к. соответствует исходной аустенитной структуре, а твердость в процессе дальнейшего скольжения стружки по поверхности резца существенно возрастает, как благодаря образованию высокопрочной структурной составляющей - мартенсита [5], так и вследствие механического наклепа аустенита [6], Естественно, что в таких условиях износ инструмента должен возрастать. Рассмотрение кривых износа, приведенных на рис. 1, показывает, что в интервале скоростей 11,5-60 м/мин износ резца при точении стали 55Х20Г9АН4 больше, чем стали 55Х20Г9Н4МЗКЗАБ, несмотря на более высокую исходную твердость последней. При дальнейшем увеличении скорости резания до 60 м/мин износ резца при обработке стали 55Х20Г9Н4МЗКЗАБ возрастает более интенсивно (рис. 1).

Больший износ режущего инструмента при точении стали 55Х20Г9АН4 в интервале скоростей 11-60 м/мин, видимо, можно объяснить образованием в зоне сдвиговых деформаций более твердой структурной составляющей -мартенсита деформации.

С увеличением скорости резания > 60 м/мин, соответственно, возрастает температура металла в зоне резания, что приводит к снижению образующегося количества мартенсита деформации [4]. В таких условиях преобладающее влияние на износ резца оказывает твердость исходной аустенитной структуры, которая выше у стали 55Х20Г9Н4МЗКЗАБ (см. рис. 1).