Сфероидизация струуктуры литой быстрорежущей стали

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 68, вып. 1 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1951 г.

СФЕРОИДИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ЛИТОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ

СТАЛИ

А. Н. ДОБРОВИДОВ и Н. Д. ТЮТЁВА

Цель постановки опытов

Ледебуритные инструментальные стали, к которым относится быстрорежущая сталь, характеризуются наличием сложного карбида, входящего в состав эвтектики.

Выделяющиеся из расплава быстрорежущей стали карбиды структурно связаны с кристаллами аустенита и кристаллизуются в своеобразной форме похожих на скелеты дендритов.

Если структуру вторичного карбида возможно изменить путём термической обработки, то структуру ледебуритного карбида приходится изменять во время ковки или прокатки слитка» При прокатке отдельные разветвлённые кристаллы хрупкого карбида раздробляются, превращаются в более или менее мелкие обломки с острыми углами.

Последующий отжиг имеет целью сфероидизировать такие обломки, придать им форму правильных округлых зёрен.

Этот же отжиг должен вызвать фазовую перекристаллизацию вторичного карбида и снизить твёрдость для возможности в дальнейшем обработки резанием на станках инструмента, изготовляемого из этой стали. Сталь, поступающая в инструментальный цех, имеет структуру, характеризующуюся зернистым эвтектоидом, в который вкраплены зёрна вторичного и первичного карбида.

Иногда быстрорежущую сталь в инструментальном цехе приходится ковать. Правильная ковка не должна менять структуры первичного карбида, но после ковки обязателен смягчающий отжиг.

Общепринятые режимы смягчающего отжига обычных быстрорежущих сталей даны в табл. 1.

I Таблица!

Марка стали

РФ-1

ЭИ-262

ЭИ-Ш

Температур; нагрева

Температура изотермической выдержки

Твердость по Бринелю после отжига

830—850 830—850 880—920

720—750 720—750 730—750

217—255 228—255 228-255

В зависимости от продолжительности выдержек при высокой и низкой температурах получается твёрдость в пределах, указанных в табл. 1. Отожжённая сталь с такой твёрдостью достаточно хорошо обрабатывается снятием стружки на станках.

Твёрдость литого режущего инструмента из быстрорежущей стали ш> еле отжига по приведённым режимам получается значительно более высокой, чем в случае прокатанных или кованых заготовок, и обработка его резанием делается затруднительной.

Большая твёрдость отожжённого литого инструмента объясняете л своеобразными особеностями его структуры.

Изотермический отжиг влияет лишь на основную металлическую массу и структуру вторичного карбида и практически совсем не действует на структуру первичного ледебуритного карбида. Скелетообразные разветвлённые кристаллы этого карбида пронизывают всю структуру стали и повышают твёрдость стали, независимо от твёрдости остальной структуры. Как бы мы ни смягчали основную структуру стали, её твёрдость в значительной степени будет обусловлена характером структуры первичного карбида. Влияние первичного карбида на твёрдость возрастёт при повышении содержания углерода в стали.

П|>и отливке инструмента из быстрорежущей стали в металлическую форму размеры инструмента часто получаются настолько точными, что не требуется никакой дальнейшей обработки отливки путём снятия стружки. Необходимо бывает только заточить такой инструмент на наждачном круге. Мы изготовляем таким образом рифленые ножи для сборных торцевых и цилиндрических фрез. Такие ножи не отжигаются и не закаливаются. Закалку они принимают во время остывания в металлической ферме и им дается лишь обычный трёхкратный отпуск. Заливка металли ческих форм производится на центробежной машине. Некоторым маркам литой стали не нужен, как показал наш опыт, и отпуск.

Но при отливке в земляную форму, а часто при отливке в кокиль сложного инструмента приходится обрабатывать отливку резанием. В этом случае, безусловно, необходим смягчающий отжиг. Но, как уже было упомянуто, обычный смягчающий изотермический отжиг достаточно хороших результатов не даёт. Не помогает и изменение режима отжига как з смысле изменения температур, так и значительного увеличения времени: выдержки (десятки часов при высокой и изотермической остановках)..

Исследуя различные составы сталей для литого инструмента, мы убедились, что повышенное содержание углерода в сталях всегда обусловливало и увеличение стойкости инструмента. Особенно резко это проявлялось в случае проходных обдирочных токарных резцов.

В табл. 2 приведены составы некоторых быстрорежущих сталей, т которых отливались рифленые ножи для торцевых фрез на центробежной литейной машине в металлические формы. Эги* стали послужили для оды тов по сфероидизации.

Таблица 1

Химический состав плавок в процентах

С Cr W V j Ni. Co

1 0,76 3,2 18,0 1,0 15,0

2 1,25 4,0 18,0 2,0 I 2,1

Л 0,78 3,6 16,0 1,2 j 3,0 j

4 0,76 3,5 16,0 1,1 i [ 10,0

.S 0.77 3,7 16,8 1,1 |

<> 0,-0 4,0 18,8 М i 10,0

7 0,80 4,0 •20,7 3,1 10,0

8 1 ,20 4,0 18,0 1,0 ! 10,0

\) 0,80 4,0 18,0 1,0 j 4 ! 4,5

После отливки твердость ножей была в пределах = 58—62. Наиболее высокой твёрдостью обладали кобальтовые стали. Нож из стали 9 имел твёрдость ™ 50—55.

Для испытания на производительность при фрезеровании ножи, как уже было сказано, не закаливались, а только отпускались три раза при 570—600° с выдержкой по одному часу. Кобальтовые стали отпускались при повышенных температурах. После третьего отпуска твёрдость была — 64—66. Сталь с содержанием никеля получала достаточную твёрдость только после шестикратного отпуска.

После отпуска ножи вставлялись в корпус торцевой фрезы и собранная фреза затачивалась на заточном станке.

Изотермический отжиг литых ножей из приведённых сталей при различных температурах и различной продолжительности не дал хороших результатов. Твёрдость литых ножей оставалась в пределах 320—350 единиц по Бринелю. Вследствие большой устойчивости метастабильных структур никелевой стали её твёрдость после отжига оставалась весьма высокой = 55).

Сфероидизирующий отжиг

На основании изложенного было решено подвергнуть ножи сфероиди-зирующему отжигу и получить структуру, близкую к кованой. Сфероиди-аирующий отжиг больших слитков быстрорежущей стали не даёт хороших результатов вследствие грубой структуры ледебуритных дендритов. При отливке в небольшие металлические кокили структура первичных карбидов делается всё мельче по мере уменьшения веса отливки. Но характер их строения меняется при этом мало; они всё-таки сохраняют своеобразную форму скелетов. Рёбра скелетов становятся всё тоньше, и отношение полной поверхности кристалла к его объёму непрерывно возрастает. Увеличение поверхности ведёт к увеличению поверхностной энергии кристалла по сравнению с его общей энергией, и создаются предпосылки для образования при повышении температуры компактных зёрен.

Гудцов и Казеев [2] показали, что длительной выдержкой литой быстрорежущей стали при температурах, близких к температуре закалки, можно очень сильно изменить её структуру, приблизив к структуре кованой стали. К сожалению, в своей работе они не остановились на режущих свойствах стали, на её работоспособности после десятичасовой выдержки при высоких температурах. Однако есть указания, что при очень длительном отжиге карбиды меняют состав, что приводит к изменению свойств быстрорежущей стали [1].

Это побудило нас провести серии опытов по сфероидизации структуры ножей, отлитых из указанных марок стали, с последующими испытаниями их на производительность на фрезерном станке.

Ножи укладывались в стальной ящик, засыпались стружкой из быстрорежущей стали и герметически закупоривались. Нагрев производился в печи с автоматической регулировкой температуры. Как показали контрольные опыты, обезуглероживания совершенно не наблюдалось.

При подборе режима отжига мы стремились дать для всех сталей (преимущественно кобальтовых) более или менее универсальный режим отжига, после которого сталь можно было бы легко обрабатывать резанием на ¿танках.

Следует отметить, что этот общий режим удалось подобрать, но в некоторых случаях он может быть и иным, что видно из такого примера.

Сталь плавок 5 и 8 отжигалась так: выдержка при 1200° около 1,5 часов; выдержка при 950°—1,5 часа и при 740° тоже 1,5 часа. Твёрдость после отжига ножей из стали 5 равнялась /?с = 24, а из стали 8— /£с = 41.

Как видно, сталь с большим содержанием карбида дала неудовлетворительную, слишком высокую твёрдость. В то же время литая сталь с обычным содержанием углерода дала очень небольшую твёрдость.

Стали плавок 9 и 7 подвергались обычному отжигу по такому режиму пятичасовая выдержка при 900° и двенадцатичасовая—при 750°. Их твёр дости соответственно были 55 и 39. Никелевая сталь совершенно не снизила твёрдости, которую она имела после отливки.

После ряда опытов был найден достаточно универсальный режим отжига для всех сталей, кроме никелевой. Он заключался в предварительном сфероидизирующем отжиге и обычном изотермическом отжиге. Сфе-роидизирующий отжиг проводился при 1150—1200° в течение 4 часов, затем следовала выдержка при 870° продолжительностью в б часов и выдержка при 740° тоже в 6 часов.

Твёрдость литых ножей после указанного отжига дана в табл. 3.

Таблица 3

Плавка 1 2 J 3 4 1 5 6 ! 7 j j * 1

Твердость {Яс) 29 21 22 22 1 "25 | 1 31 1 31 1 ' j 1

Какой-либо ясно выраженной зависимости между составом и твердостью после отжига при рассмотрении таблицы подметить нельзя.

Плавки почти одинакового состава по всем элементам, кроме кобальта (плавки 4 и 5), дали различную твёрдость. Сталь с меньшим содержанием кобальта (плавка 5) показала даже несколько повышенную твёрдость.

С другой стороны, плавки 3 и 4 имеют одинаковую твёрдость, независимо от содержания кобальта.

Плавки 6 и 7 обнаружили одинаковую наибольшую твёрдость из всех плавок, хотя они значительно отличаются одна от другой по содержании» карбидообразующих элементов.

Поэтому можно сделать вывод, что твёрдость быстрорежущей стали после отжига зависит в основном от характера структуры первичного карбида и лишь частично от твёрдости образующегося при отжиге эвтек-тоида и структуры вторичного карбида.

Микроструктура стали после отжига

Все шлифы исследуемых сталей были протравлены горячим раствором пикрата натрия и сфотографированы при увеличении в пятьсот раз. На фиг. 1 дина микроструктура плавки 8 после отжига в теченье одного часа при 1200°; полутора часов—при 940° и шести часов—при 740°. Твёрдость стали после отжига = 36. На фотографии хорошо заметна разорванная сетка ледебуритного карбида, что говорит о начавшейся только сферой-дизации. Твёрдость велика именно вследствие сохранившейся сетки ледебуритного карбида.

На фиг. 2 и 3 даны соответственно структуры плавок 5 и 1 после отжига в течение двух часов при 930е и затем в течение восьми часов при 740°. На фотографиях заметна сетка ледебуритного карбида, слегка разорванная, и мелкодисперсная масса вторичного карбида. Твёрдость этих сталей — 31 и 37.

Те же плавки (5 и 1) были отожжены по режиму, включавшему одночасовую выдержку при 1040°. Зятем следовал отжиг обычного типа: выдержка при 940° два часа и при 750°—шесть часов. Твёрдость соответственно

Л,. = 32 и 38. На микрофотографиях заметна частичная сфероидизация (фиг. 4 и 5).

И, наконец, на фиг. 6, 7, 8, 9 и 10 даны микроструктуры сталей после найденного оптимального отжига-сфероидизации.

Фиг.

Фиг. 2

На микрофотографиях фиг. 6, 7, 8 и~9 даны структуры плавок !, 2, 3 т 4, а на фиг. 10—структура плавки 8.

Как видно при отжиге по данному режиму, мы имеем полную картину сфероидизации первичного карбида.

Микроструктура литой быстрорежущей стали, отожжённой по выработанному способу, почти аналогична микроструктуре кованой стали после обычного заводского отжига. Наблюдается лишь некоторая разница в ве-

Фяг. 5

Фиг. 6

дичине зерна первичных карбидов; более крупное зерно образуется при отжиге литой стали«

х о  *

а к Л \ *; Я* V

о (^С л • V

Ф\.т. 7

Фиг. 8

На фиг. 11 при том же увеличении и травлении показана структура стали РФ. 1 после заводского отжига (вв состоянии поставки"). Эта структура вполне сравнима со структурой фиг. 9. На фиг. 7 показана зна-

чительно более крупная структура первичного карбида. Это структура плавки 2, содержание углерода в которой равно 1,25э/0. Такое значитель-

Фиг. 9 Фиг. 10

ное содержание углерода заметно сказалось на структуре. После отжига эта плавка дала наименьшую твёрдость —21).

Фиг. 11

Испытание торцевых фрез с литыми ножами

После отжига сфероидизации ножи из приведённых сталей закаливались, отпускались, вставлялись в корпус сборной торцевой фрезы и затачивались. Ножи нагревались для закалки в соляной ванне при 1260° в течение трёх минут, закаливались в селитряной ванне и отпускались два*

раза при 560 и 570° по одному часу. Твёрдость ножей после отпуска была /?с — 64—65.

Для сравнительных испытаний были взяты такие же ножи из кованой стали РФ-1. После закалки и отпуска их твёрдость была = 64—65. Испытание ножей велось по методу профессора А. М. Розенберга. Для резания была взята отожжённая сталь марки ШХ-15 с твёрдостью по Бринелю около 187. Испытание проводилось на горизонтально фрезерном станке при глубине резания 3 мм и подаче 0,298 мм на оборот шпинделя. Скорость резания на основании ряда опытов была выбрана 26,7 м в минуту.

За стойкость фрезы принималось число проходов до затупления. Затупление ножа определялось по износу задней грани. Когда износ доходил до 1,5 мм, кож считался окончательно затупленным.

Стойкость фрезы с коваными ножами принималась за 100%.

Результаты испытаний даны в табл. 4.

Таблица 4

Марки плавок 1 j 2 1 3 4 5 8 кованый

Стойкость в % 175 i 75 175 220 175 i 130 I 100

Как видно, все испытанные ножи дали повышенную стойкость по сравнению с ножами из стали РФ-1. Особенного внимания заслуживают ножи из стали 2 и 4. Первая сталь—с повышенным содержанием углерода и добавкой молибдена. Структура её после отжига весьма груба. Вторая сталь—обычная РФ-1 с добавкой 3% кобальта. Повышение содержания кобальта до 15°/0 особо хороших результатов не дало (плавка 1).

Полученные результаты заставляют несколько по-иному оценивать роль крупнозернистости первичного карбида в быстрорежущей стали.

Выводы

1. Положительные результаты в смысле снижения твёрдости литых быстрорежущих сталей и сфероидизации первичного карбида дал отжиг по режиму: выдержка при 1150—1200° в течение четырёх часов; выдержка при 870° шесть часов и при 740° тоже шесть часов.

Есть все основания утверждать, что смягчающий сфероидизирующий отжиг литой быстрорежущей стали вполне возможен, независимо от содержания в стали углерода (до 1,25%). Это позволяет изготовлять литой инструмент, требук щий после отливки также обработки резанием.

2. Возможно, что указанные режимы могут быть изменены и сокращены.

3. Ножи торцевых фрез, термически обработанные по приведённому режиму, показали хорошие режущие свойства.

4. Показательно, что стали очень разнообразного состава дали при испытании резанием весьма близкие результаты.

^ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев А. П.—Свойства и термическая обработка быстрорежущей стали, стр. 31, Машгиз, 1939.

2. Гудцов Н. Т., Казеев С. А.—К вопросу о природе быстрорежущей стали, изд. „Металлург", 1930.