Способы получения заготовок инструмента из быстрорежущих сталей и композиционных инструментальных твердых сплавов

УДК 621

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ИНСТРУМЕНТА ИЗ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ И КОМПОЗИЦИОННЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

А.А. Калинин

Проанализированы некоторые основные способы получения заготовок металлорежущего инструмента из быстрорежущих сталей различных способов получения.

Ключевые слова: сталь, быстрорежущий инструмент, гидропрессование, порошковая металлургия, литье, сверхпластическаядеформация.

Основным способом изготовления заготовок быстрорежущего инструмента является обработка резанием, характеризующаяся низким коэффициентом использования металла, высокой трудоемкостью и себестоимостью, вследствие чего производство режущего инструмента отстает от возрастающих потребностей металлообрабатывающей промышленности и является одним из узких мест современного машиностроения. Поэтому использование комплекса высокоэффективных металло- и энергосберегающих технологических процессов и переход на изготовление точных заготовок быстрорежущего инструмента прогрессивными методами пластического деформирования является одним из главных направлений развития современного машиностроения.

В настоящее время при изготовлении заготовок отдельных видов инструмента успешно используются методы холодного выдавливания, объемной штамповки, радиального обжатия, полугорячего и горячего выдавливания, холодного гидропрессования, горячего гидродинамического выдавливания, изотермической объемной штамповки. Однако возможности известных в настоящее время технологических способов получения заготовок на основе холодного, полугорячего и горячего деформирования ограничены из-за низкой пластичности инструментальных сталей.

Низкая пластичность и высокое сопротивление деформации быстрорежущих сталей в горячем состоянии значительно ограничивают возможности получения из них широкой номенклатуры точных заготовок инструмента. Кроме того, имея сравнительно узкий интервал ковочных температур и обладая высокой степенью деформационного упрочнения, они очень чувствительны к градиенту температуры между деформирующим инструментом и заготовкой, а также к неравномерности пластической деформации, которая имеет место в обычных технологических процессах горячей обработки металлов давлением. В результате охлаждения поверхности изделий в процессе деформации пластичность быстрорежущих сталей снижается почти в два раза, а сопротивление деформации возрастает более чем на 35%. Высокие коэффициенты контактного трения при различных способах горячей деформации способствуют появлению растягивающих напряжений на поверхности деформируемых заготовок, что приводит к нарушению сплошности (растрескиванию) изделий.

В случаях изготовления точных сложных заготовок инструмента, например, с готовыми зубьями, при наличии окалины и обезуглероженного слоя необходима последующая механическая обработка, что повышает трудоемкость производства. Использование при этом новых смазочных материалов оптимального состава (в том числе на основе стекол) в отдельных случаях позволяет несколько улучшить качество изделий, но не решает всей проблемы в целом. Поэтому наиболее распространена горячая объемная штамповка грубо приближенных по форме заготовок инструмента, требующая последующей значительной механической обработки. Таким образом у нас в стране получают почти 50% заготовок отдельных видов инструмента, например, фрез, долбяков и др.

Гидропрессование фасонных профилей из инструментальных сталей не получило широкого применения из-за сложности осуществления и ряда экономических ограничений [4]. Горячим выдавливанием при 850...1100°С в условиях жидкостного трения на кривошипных прессах [5], обеспечивающим высокую производительность и качество, получают ограниченную номенклатуру заготовок (профильные прутки и фильеры). Изотермическое деформирование - наиболее универсальный способ изготовления точных сложных заготовок инструмента из быстрорежущих сталей [2,6] также пока имеет ограниченное применение из-за необходимости использования в изотермических штампах дорогостоящих жаропрочных сплавов на никелевой основе. Кроме того, для заготовок, полученных холодным и горячим деформированием, перед последующей механической обработкой необходима термическая обработка с целью снижения твердости.

Преодолеть существующие ограничения, при изготовлении заготовок инструмента из быстрорежущей стали пластическим деформированием позволяет использование эффекта сверхпластичности [1].

Выполненные в последние годы исследования на большой группе промышленных сплавов показали, что применение эффекта сверхпластичности позволяет существенно снизить потребные усилия деформирования по сравнению с традиционными способами горячей. обработки металлов давлением и изотермического деформирования, использовать гидропрессовое оборудование малой мощности, улучшить механические и эксплуатационные свойства готовых изделий.

Изготовление заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности позволяет значительно повысить коэффициент использования металла, эксплуатационные характеристики, стойкость и долговечность инструмента, а также снизить энергоемкость и себестоимость технологических процессов его изготовления. Этот процесс весьма перспективен при создании малоотходных технологий в инструментальном производстве [3].

Однако эти методы получения заготовок металлорежущего инструмента, проанализированные автором [7] не позволяют получать быстрорежущий инструмент, обладающий теплостойкостью в интервале температур 800-1000°. Таким материалами являются композиционные инструментальные твердые сплавы [8].

Твердые инструментальные сплавы - материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных металлической связкой (кобальт, реже никель).

Твердые сплавы характеризуются также высоким модулем упругости и пределом прочности на сжатие. Недостатки - сложность изготовления фасонных изделий, высокая хрупкость. В зависимости от состава карбидной основы спеченные твердые сплавы выпускают трех групп (ГОСТ 3882-74).

Группа ВК (вольфрамовые или однокарбидные). Сюда относятся сплавы системы «карбид вольфрама - кобальт» (ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25).

Они маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта. Карбидная фаза состоит из зерен WC. При одинаковом содержании кобальта сплавы этой группы отличаются наибольшей прочностью, но более низкой твердостью. Теплостойкость до 800 °С.

Сплавы ВКЗ - ВК8 применяют для режущего инструмента при обработке материалов, дающих прерывистую стружку (чугуны, цветные металлы, фарфор, керамика и т.п.) Сплавы ВК10 и ВК15, обладающие из-за повышенного содержания кобальта более высокой вязкостью, используют для волочильного и бурового инструмента, стойкость которого в десятки раз превышает стойкость стального инструмента. Сплавы с высоким содержанием кобальта (ВК20 и ВК25) используют для штампового инстру-

мента. Их применяют так же, как конструкционный материал для деталей машин и приборов, от которых требуется высокое сопротивление пластической деформации или износу.

Группа ТК (титановольфрамовые или двухкарбидные). Это сплавы системы Т1С^С-Со (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12).

Они маркируются буквами ТК и цифрами, показывающими содержание карбидов титана и кобальта (остальное карбид вольфрама). При температуре спекания карбид титана до 70% растворяет карбид вольфрама и образуется твердый раствор (Т1, W) С, обладающий более высокой твердостью, чем карбид вольфрама.

Сплавы второй группы характеризуются более высокой теплостойкостью (900 ...1100°С), которая повышается с увеличением содержания карбида титана. Их широко применяют для высокоскоростного резания сталей.

Группа ТТК (титанотанталовольфрамовые или трехкарбидные). Эту группу образуют сплавы системы Т1С-ТаС^С-Со (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ20К9).

Цифра в марке после букв ТТ обозначает суммарное содержание карбидов Т1С + ТаС, а после буквы К - количество кобальта (карбид вольфрама - остальное). Структура карбидной основы представляет собой твердый раствор (Т1, Та, W) С и избыток WC. От сплавов второй группы эти сплавы отличаются большей прочностью и лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются для наиболее тяжелых условий резания (черновая обработка отливок, поковок).

Твердые сплавы обычно изготовляют в виде стандартных пластин различной формы, которые припаивают, приклеивают или крепят механическим способом к телу режущего инструмента. Их также используют для изготовления сердечников бронебойных снарядов (ВК8, ВН6, ВН5).

Пластические и прочностные характеристики механических свойств некоторых широко применяемых труднодеформируемых сложнолегированных металлических систем различных способов производства приведены в приложениях 1-12 в виде цифровых баз данных и упорядоченных совокупностей числовой информации в различных условиях и состояниях.

Проанализированные технологии получения и обработки инструментальных и эксплуатационных материалов триботехнического назначения могут быть использованы при разработке ресурсосберегающих и малоотходных производственных процессов [190-219].

Твердые сплавы изготовляют методом порошковой металлургии. Порошки карбидов (вольфрама, титана, тантала) смешивают в соответствующих пропорциях с порошком кобальта (никеля), который выполняет роль связки, прессуют и спекают при 1500.2000 ° . При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится. В результате получается плотный материал (пористость не более 5%), структура которого на 80.95% состоит из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение количества металлической связки вызывает снижение твердости, но повышение прочности и вязкости. Твердые сплавы применяют для резцов, сверл, фрез, другого инструмента. Такой инструмент сочетает высокую твердость (ИЯС 90 и выше), износостойкость с высокой теплостойкостью (800.1100 °С); по своим режущим свойствам он превосходит быстрорежущие стали и применяется для резания с весьма высокими скоростями.

Необходимо отметить, что с экономической точки зрения весьма перспективным направлением является изготовление инструмента из литых быстрорежущих сталей различных марок и технологий получения [9].

Данные результаты могут быть использованы для разработки ресурсосберегающих технологий обработки конструкционных материалов [ 10-24].

Список литературы

1. Базык А.С., Тихонов А.С. Применение эффекта сверхпластичности в современной металлообработке. М.: НИИМАШ, 1977. 64 с.

2. Головченко Г.Н., Григоренко А.С., Агашков С.Н. Получение заготовок дисковых фрез изотермическим деформированием // Вестник машиностроения. 1978. № 1. С. 69 -70.

3. Малоотходная технология получения точных заготовок из быстрорежущих сталей с использованием эффекта сверхпластичности / А.С. Базык, М.В. Казаков, А.С. Пустовгар, А.Е. Гвоздев // Кузнечно-штамповочное производство. 1983. № 1. С. 12-14.

4. Розанов Б.В. Максимов Л.Ю. Гидропрессование —состояние и перспективы // Кузнечно-штамповочное производство, 1979. № 10. С. 1-3.

5. Северденко В.П., Мурас B.C., Суходрев С.Ш. Горячее гидродинамическое выдавливание режущего инструмента. Минск: Наука и техника, 1974. 256 с.

6. Фиглин С.З., Бойцов В.В.. Калпин Ю.Г. Изотермическое деформирование металлов. М.: Машиностроение, 1978. 239 с.

7. Гвоздев А. Е. Производство заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1992. 176 с.

8. Технология конструкционных, эксплуатационных и инструментальных материалов: учебник. 2 изд. доп / под ред. проф. Н.Н. Сергеева А.Е. / Гвоздев, Н.Е. Стариков, Н.Н. Сергеев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 406 с.

9. Рудницкий Ф.И. Особенности эксплуатации инструмента из литой быстрорежущей стали // Литье и металлургия, 2006. № 2. Ч. 2. С. 173-177.

10. Synthesis and dry sliding behavior of composite coating with (R-OOO)FT poly-imide matrix and tungsten disulfide nanoparticle filler / A.D. Breki, A.L. Didenko, V.V. Kudryavtsev, E.S. Vasilyeva, O.V. Tolochko, A.G. Kolmakov, A.E. Gvozdev, D.A. Provoto-rov, N.E. Starikov, Yu.A. Fadin // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. Т. 8. № 1. С. 32-36.

11. Особенности протекания процессов разупрочнения при горячей деформации алюминия, меди и их сплавов / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.Н. Боголюбова, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, Д.А. Провоторов. Материаловедение, 2014. № 6. С. 48-55.

12. Composite coatings based on A-OOO polyimide and WS2 nanoparticles with enhanced dry sliding characteristics / A.D. Breki, A.L. Didenko, V.V. Kudryavtsev, E.S. Vasilyeva, O.V. Tolochko, A.E. Gvozdev, N.N. Sergeyev, D.A. Provotorov, N.E. Starikov, Yu.A. Fadin, A.G. Kolmakov // Inorganic Materials: Applied Research, 2017. Т. 8. № 1. С. 56-59.

13. Grain size effect of austenite on the kinetics of pearlite transformations in low-and medium-carbon low-alloy steels / A.E. Gvozdev, N.N. Sergeyev, I.V. Minayev, A.G. Kolmakov, I.V. Tikhonova // Inorganic Materials: Applied Research, 2015. Т. 6. № 4. С. 283288.

14. Жидкие и консистентные смазочные композиционные материалы, содержащие дисперсные частицы гидросиликатов магния, для узлов трения управляемых систем: монография / А.Д. Бреки, В.В. Медведева, Н.А. Крылов, С.Е. Александров, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев, Д.В. Малий; под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 166 с.

15. Разработка прогрессивных технологий получения и обработки металлов, сплавов, порошковых и композиционных наноматериалов: монография / М.Х. Шоршо-ров, А.Е. Гвоздев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, А.А. Калинин, А.Д. Бреки, Н.Н. Сергеев, О.В. Кузовлева, Н.Е. Стариков, Д.В. Малий. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 235 с.

16. Ресурсы деформационной способности различных материалов: учеб. Пособие / Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, А.Д. Бреки, А.А. Калинин, С.Е. Александров, Н.Е. Стариков, О.В. Кузовлева, Д.В. Малий, С.Н. Кутепов, Е.В. Цой, Д.С. Клементьев, Е.Б. Соломатникова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 172 с.

17. Современные проблемы науки и образования: учебник / В.М. Заенчик, А.Н. Сергеев, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, П.Н. Медведев, Ю.С. Дорохин. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 202 с.

18. Организация и планирование деятельности предприятий сервиса: учебное пособие / Ю. С. Дорохин, А. Н. Сергеев, К. С. Дорохина, Н. Н. Сергеев, А. Е. Гвоздев, П. Н. Медведев, А. В. Сергеева, Д. В. Малий. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 380 с.

19. Синтез и триботехнические свойства композиционного покрытия с матрицей из полиимида (Р-ООО)ФТ и наполнителем из наночастиц дисульфида вольфрама при сухом трении скольжения / А.Д. Бреки, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, А.Г. Колмаков, А.Е. Гвоздев, Д.А. Провоторов, Н.Е. Стариков, Ю.А. Фадин. Материаловедение, 2016. № 4. С. 44-48.

20. Расчет деформационной повреждаемости в процессах обратного выдавливания металлических изделий / А.Е. Гвоздев, Г.М. Журавлев, А.Г. Колмаков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев // Технология металлов, 2016. № 1. С. 23-32.

21. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов второго рода / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова, А.Г. Колмаков. Материаловедение, 2015. № 1. С. 15-21.

22. Синтез и триботехнические свойства композиционных покрытий с матрицей из полиамида ПМ-ДАДФЭ и наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама при сухом трении скольжения / А.Д. Бреки, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, А.Г. Колмаков, Ю.А. Фадин, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов. Материаловедение, 2015. № 12. С. 36-40.

23. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 12. С. 9-13.

24. Изобретательство, экология, ресурсосбережение: монография / М.М. Калинин, А.М. Калинин, А.А. Калинин, А.Е. Гвоздев. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 494 с.

Калинин Антон Алексеевич, инженер, antony-ak@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

METHODS OF GETTING TOOL PREPARATIONS FROM QUICKLY CUTTING STEELS AND COMPOSITIONAL TOOL HARD ALLOYS

A.A. Kalinin

Analyzed are some of the main ways ofproducing blanks for metal-cutting tools from high-speed steels of various methods of obtaining.

Key words: steel, high-speed tool, hydraulic molding, powder metallurgy, casting, superplastic deformation.

Kalinin Anton Alekseevich, engineer, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University