Модифицирование бромом литой быстрорежущей стали

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 75 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1954 г.

МОДИФИЦИРОВАНИЕ БОРОМ ЛИТОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ

В. Т. СВИЩЕНКО 1. Введение

Литой режущий инструмент находит все более широкое применение в промышленности. На многих заводах литой инструмент применяется в течение ряда лет.

Многими исследованиями (проведенными Лебедевым Т. А., Добровидо-вым А. Н., Розенбергом А. Мм Ревисом И. А., Казеевым С. А., Ермошки-ным Л. П. и другими советскими учеными) выяснен ряд теоретических и практических вопросов применения литого инструмента: экономические преимущества, режущие свойства, технология изготовления, оптимальные химические составы, оптимальная термическая обработка и т. д.

Преимущества применения литого инструмента заключаются, во-первых, в экономии дорогостоящей быстрорежущей стали, во-вторых, в сокращении и удешевлении цикла изготовления инструмента и, в-третьих, в возможности использования для переплавки отходов и изношенного инструмента из быстрорежущей стали.

Следует еще добавить, что литой инструмент имеет повышенную стойкость на многих операциях по сравнению с стойкостью инструмента из кованой стали*

Однако литой инструмент имеет и весьма существенные недостатки по сравнению с кованым инструментом.

К этим недостаткам относится прежде всего повышенная хрупкость литого инструмента, затрудняющая практическое использование его во многих случаях. Вторым существенным недостатком является неравномерность режущих свойств литого инструмента при работе его по разным сталям. Стойкость литого инструмента резко снижается с увеличением вязкости обрабатываемого металла, причем наибольшее снижение стойкости наблюдается при работе с ударной нагрузкой (фрезеровании). Можно считать установленным, что литой инструмент на фрезерных операциях работает лучше кованого по относительно хрупким сталям типа ШХ—15 и намного хуже кованого по относительно вязким сталям типа ст. 45, ст. 30 X X ГСА. Указанные недостатки затрудняют массовое внедрение литого инструмента в производство, поэтому устранение этих недостатков является весьма важной практической задачей. Как уже отмечалось, над проблемой литого инструмента работают многие исследователи. Большая научно-исследовательская работа по литому инструменту в течение ряда лет проводится на кафедре металловедения Томского политехнического института под руководством профессора-доктора А. Н. Добровидова.

Следует отметить, что везде, за исключением Томского политехнического института, инструмент отливается в керамические сухие формы.

В Томском политехническом институте разработан и осуществлен в производственных масштабах способ отливки режущего инструмента в металли-

ческие вращающиеся формы, т. е. под давлением. Преимущества этого способа заключаются, во-первых, в большой производительности процесса, во-вторых, в дальнейшем сокращении цикла изготовления инструмента, так как отлитый в кокиль инструмент из быстрорежущей стали закаливается в процессе остывания отливки, и термообработка инструмента заключается только в 3-кратном отпуске.

Когда закалка происходит в процессе остывания отливки, т. е. с максимально возможной температуры, в твердый раствор (аустенит) переходит большее количество легирующих элементов, чем обычно, в результате чего повышается режущая способность литого инструмента. Это является третьим весьма существенным преимуществом способа отливки инструмента в кокиль.

Настоящее исследование является частью общей работы по литому инструменту, проводимой на кафедре. Исследование предпринято с целью улучшения режущих свойств литой быстрорежущей стали путем воздействия на структуру первичной кристаллизации стали модифицированием. В работе главным образом исследовано влияние малых добавок бора на свойства литой быстрорежущей стали с различным содержанием вольфрама. Изучались следующие вопросы:

1. Влияние бора на измельчение структуры литой стали.

2. Влияние бора на режущие свойства литой стали.

3. Влияние бора на изменение микротвердости отдельных структурных составляющих литой стали (темной составляющей, светлой составляющей и сетки карбидной эвтектики).

4. Влияние бора на изменение количества и состава структурных составляющих литой стали.

Попутно исследоЕалэсь влияние изменения содержания вольфрама на структуру и режущие свойства литой быстрорежущей стали; проведено небольшое исследование влияния изменения геометрии режущей части на стойкость литых ножей к сборным торцевым фрезам.

Предполагалось, что модифицирование бором повысит вязкость и режущие свойства литой быстрорежущей стали и даст возможность успешного применения литого инструмента на фрезерных работах по вязким сталям.

2. Отливка инструмента

Большая часть экспериментальной работы проведена на одном из заводов при организации кафедрой металловедения ТПИ производства литого инструмента на этом заводе. В качестве опытного инструмента отливались ножи к сборным торцевым и 3 - сторонним фрезам двух размеров— 35X24X^,5 и 23X14X6. Сталь плавилась в бессердечниковой индукционной печи. Бор добавлялся (в количестве от 0,0017% до 0,053%) в виде ферробора или в виде комплексного сплава с бором в измельченном состоянии в последний момент плавки перед разливкой металла в формы.

Сталь предварительно раскислялась алюминием из расчета присадки С,09% алюминия. При изготовлении плавок с добавкой бора в виде ферробора переплавлялся изношенный инструмент из стали марок РФ-1 и ЭИ-262.

Плавки с добавкой бора в виде комплексного сплава отливались только из стали марки РФ-1. Отливка производилась на центробежной машине с вертикальной осью вращения и регулируемым числом оборотов в металлические формы. Температура металла в момент заливки выдерживалась в пределах 1450—1500°. Контроль температуры жидкого металла осуществлялся при помощи оптического пирометра. Поверхность металла защищалась шлаком (обычным стеклом). Продолжительность плавки составляла 8—12 минут. Выгорание углерода компенсировалось добавкой „быстрорежущего чугуна"—науглероженной быстрорежущей стали. Ферробор изготовлялся нами в металлографической лаборатории ТПИ алюмино-термическим

методом и содержал 3% бора и 4—5% алюминия. Химический состав комп лексного сплава с бором:

титан

кремний

марганец

алюминий

цирконий

бор

железо

15,44% 8,27% 6,83% 15,68% 2,63% 1,3%

остальное.

В таблицах 1—3 приведен химический состав плавок с добавкой бора в виде ферробора, в таблице 4 показано расчетное содержание бора в плавках с добавкой бора в виде комплексного сплава.

Таблица 1

Химический состав плавок с малым содержанием вольфрама

Условное обозначение плавок Содержание в Уо Содерж. бора в H по анализу Размер ножа

углерод хром вольфрам ванадий

2 0,93 4,48 7,62 1,22 0,015 35X24X8,5

3 1,00 4,48 8,79 1,17 0,015

4 0,98 4,26 7,91 1,66 0,018 И

5 0,^2 4,06 11,72 1,26 0,020

6 0,92 4,06 12,60 1,20 0,030 »»

Таблица 2

Химический состав плавок с средним содержанием вольфрама

Условное обозначенме плавок Содержание в И Содерж. бора в Н по анализу Размер ножа

углерод хром вольфрам ванадип

10 0,90 4,23 13,01 1,56 23ХНХ6

13 0,90 4,74 14,96 1,56 0,010

14 0,97 4,48 14,96 1,51 0,020

15 1,01 4,5§ 14,36 1,56 0,006

16 1,02 4,35 15,85 1,51 0,025

17 0,95 4,39 14,96 1,51 0,030 *

Таблица 3

Химический состав плавок с большим содержанием вольфрама

Содержание в И Содержание бора в % по анализу Размер ножа

обозначение плавок углерод хром вольфрам ванадип

11 0,95 4,31 16,45 1,77 0,003 23X14X6

12 0,95 4,19 17,05 1,66 0,008 „

18 0,90 4,21 16,45 1,40 0,040

19 0,93 4,19 18,25 1,56 0,036

1 0,86 4,11 18,09 1,20 35X24X3,5

7 0,93 4,21 17,35 1,30 0,053 »i

л»

Таблица 4

Расчетное содержание бора в плавках с добавкой бора в виде комплексного сплава

Условное обозначение плавок Содержание бора в % по синтезу Общее количество добавки сплава в ^ Размер ножа

1Г 0,0017 0,125 23ХНХ6

2Г 0,002 0,15 „

зг 0,0065 0,5

4Г 0,0195 1,5

5Г 0,0325 2,5

Так как при отливке в кокиль инструмента из быстрорежущей стали закалка инструмента происходит в процессе остывания отливки, то термообработка литых ножей заключалась только в 3 - кратном отпуске. Для литых ножей, модифицированных бором (и немодифицированных), был подобран следующий режим отпуска:

1-й отпуск при температуре 600°,

2-й „ , 620°, 3-й „ „ 630°.

Выдержка при температуре отпуска равнялась одному часу. Указанный режим отпуска обеспечивает получение нормальной твердости литых ножей в пределах 63—66 единиц по Роквеллу (Ис).

Ножи всех перечисленных в таблицах 1—4 плавок после термообработки испытывались резанием. Кроме перечисленных плавок, было отлито большое количество немодифицированных плавок ножей из быстрорежущей стали с различным содержанием вольфрама и примерно равным содержанием других легирующих элементов. Эти плавки были отлиты специально для изучения микроструктуры литой быстрорежущей стали с различным содержанием вольфрама и не испытывались резанием.

3. Испытания резанием

Испытания резанием ножей всех плавок проводились в лаборатории резания завода. Плавки ножей размером 23 X 14 X 6 с добавкой бора в виде ферробора испытывались также в производственных условиях в инструментальном цехе завода.

Лабораторные испытания проводились на торцевом фрезеровании одно-зубой фрезой по вязкой стали с временным сопротивлением 61 кг1мм2 без охлаждения. Для каждого размера ножей были взяты нормативные режимы резания, принятые на заводе для соответствующего размера ножей из кованой стали.

Режим резания при испытании ножей размером 35X24X8,5: скорость резания—26,2 м/мин, глубина фрезерования 3 мм, подача на 1 зуб 0,26 мм.

Режим резания при испытании ножей размером 23X^4X6: скорость резания—26,7 м/мин, глубина фрезерования 3 мм, подача на один зуб 0,18 мм.

Одновременно с испытанием литых ножей испытывались резанием ножи (размером 35X24X8)5) из кованой стали марки РФ-1.

За критерий притупления принимался износ по задней грани, равный

1,5 мм.

Главная наша задача заключалась в сравнении режущих свойств литой модифицированной бором стали с режущими свойствами литой немодифици-рованной стали при работе в одинаковых условиях. Сравнение стойкости

31. Изв. ТПИ, т. 75

481

литых ножей с стойкостью ножей из кованой стали являлось побочной задачей, поскольку это требовалось условиями внедрения литого инструмента на заводе. Теми же условиями внедрения был задан выбор материала для испытания и геометрия режущей части ножей из кованой стали, которые испытывались с принятой на заводе геометрией, т. е. при существующих на заводе условиях эксплуатации ножей из кованой стали.

Во время проведения испытаний резанием еще не была закончена работа . а ЗСФАН по определению оптимальной геометрии для литого инструмецта и инструмента из кованой стали. Из этой работы нам было только известно, что геометрия режущей части литого инструмента должна быть отличной от геометрии режущей части инструмента из кованой стали и что стойкость литого инструмента повышается с увеличением задних углов резания. С целью получения максимальной стойкости литых ножей, удовлетворяющей условию внедрения литого инструмента на заводе, нами было произведено небольшое исследование влияния на стойкость изменения (увеличения) задних углов резания. При этом установлено, что увеличение задних углов резания до значений, указанных в таблице 5 (геометрия, полученная из опыта), повышает стойкость литых ножей на 85—95%.

Таким образом для литых ножей была подобрана специальная геометрия, после чего ножи всех плавок испытывались с одной и той же (подобранной) геометрией режущей части.

Таблица 5

Геометрия режущей части сборных торцевых фрез с литыми ножами и ножами

из кованой стали

Параметры режущей части в градусах

Геометрия режущей части задний угол по торцу задний угол по цилиндру задний угол по фаске угол в плане угол под нутрен. торца передний угол по торцу передний угол по цилиндру фаска

Заводская для кованых ножей 8 , 12 8 90 2 0 10 2X45°

Полученная из опыта для лит^х ножей 15 25 25 90 2 0 10 2X45°

Ножи размером 35X24X^,5 испытывались как с геометрией, применяемой на заводе, так и с полученной из опыта. Ножи размером 23 X 14X6 испытывались только с специальной геометрией.

Результаты лабораторных испытаний ножей приведены в таблицах 6—8. Значения стойкости, приведенные в таблицах 6—8, получены как средние из нескольких испытаний ножей одной и той же плавки. В таблице 6 показана стойкость литых ножей размером 35X24X8,5 модифицированных плавок с малым содержанием вольфрама (7,62—12,60%), а также плавки № 1 без бора, плавки № 7 и ножей из кованой стали. В нашем распоряжении не оказалось испытанной резанием плавки ножей размером 35 X 24 X 5 без бора с малым содержанием вольфрама, поэтому стойкость ножей модифицированных плавок с малым содержанием вольфрама сравнивается со стойкостью немодифицированной плавки № 1 с содержанием 18,09% вольфрама. Повидимому, при этом допускается небольшая ошибка, так как ножи немодифицированной плавки № 10, химический состав которой очень близок к оптимальному составу литых немодифицированных быстрорежущих сталей для ножей торцевых фрез (1. С содержанием 0,62—0,85°/0 углерода и 10— 13% вольфрама и 2. С содержанием 1% углерода и 15% вольфрама—по

данным ЗСФАН), имеют стойкость, примерно равную стойкости ножей плавки № 1. Уменьшение запаса прочности ножей плавки № 10, имеющих меньший размер (23 X 14 X6), чем ножи плавки № 1 (35X24X8,5), компенсировано уменьшением режима резания для ножей меньшего размера.

Таблица 6

Стойкость ножей размером 35X24X^,5

Обознач. плавок Содерж. в И Стой* Относительн. стойкость литых ножей. За 100% принята

бора по анализу Геометрия кость в стойкость ножей

вольфрама минутах плавки № 1 из кованой стали

Кован. Заводская Заводская 240 100 27.5

1 18,09 Специальн. Заводская 130 100 54 86

2 7,62 0,015 Специальн. Заводская 40 0 308 166 88

3 8,79 0,015 Специальн. Заводская 410 815 170 72

4 7,91 0,018 Специальн. Заводская 345 265 144 69

5 11,72 0,020 Специальн. Заводская 322 248 134 59

6 7 12,60 17,35 0,030 0,053 Специальн. Специальн. 275 120 212 92 114

Таблица 7

Стойкость литых ножей размером 23X14X6 плавок с содержанием 1340~-15,85Н вольфрама, испытанных с специальной геометрией

Обозначение плавок Содержание вольфрама в процентах бора по анализу Стойкость в минутах Относительн. стойкость в Н

10 13,01 120 100

13 14,96 0,010 360 300

14 14,96 0,020 432 377

15 14,36 0,006 228 190

16 15,85 0,025 348 290

17 14,96 0,030 192 160

Данные, приведенные в таблицах 6—8, показывают, что добавка бора в количестве от 0,01% до 0,025% приводит к резкому повышению стойкости литых ножей из быстрорежущей стали с различным содержанием вольфрама. Стойкость снижается при добавке больших (чем указано) количеств бора. Стойкость литых ножей плавок, модифицированных оптимальным количеством бора (в виде ферробора), увеличивается в 3—4 раза по сравнению с стой» костью ножей немодифицированных плавок.

Таблица 8

Стойкость литых ножей размером 23X1^X6 плавок с содержанием 16,45—18,25% вольфрама, испытанных со специальной геометрией

Обозначение плавок Содержание в ^ % Стойкость в минутах Относит, стойк.

вольфрама бора по анализу

11 12 18 19 16,45 17,05 16,45 18,25 0,003 0,008 0,040 0,036 228 264 240 300 190 220 200 250

Литые ножи немодифицированных плавок имеют повышенную хрупкость по сравнению с ножами плавок, модифицированных бором в виде ферро-бора, и поэтому показали сравнительно низкую стойкость. Указанная в таблицах 6 — 7 стойкость ножей немодифицированных плавок № 1 и 10 получена как средняя из наибольшего количества испытаний. Причем значительное число испытаний ножей этих плавок заканчивалось на первых проходах из-за выкрашивания режущей кромки, чего ни разу не наблюдалось при испытании ножей модифицированных плавок. Относительная стойкость литых ножей немодифицированных плавок по сравнению со стойкостью ножей из кованой стали равна примерно 50% при испытании литых ножей со специальной геометрией и 27,5% при испытании литых ножей с геометрией для ножей из кованой стали.

Лучшие плавки с оптимальной (или близкой к тому) добавкой бора при работе по вязкой стали с временным сопротивлением 61 тег/мм2 имеют стойкость, равную примерно 170% от стойкости ножей из кованой стали при испытании литых ножей с специальной геометрией и около 90% от стойкости ножей из кованой стали при испытании литых ножей с геометрией, принятой для кованых ножей. Следует также отметить, что модифицирование бором в виде ферробора резко повышает стойкость литого инструмента из быстрорежущей стали различного химического состава. Это обстоятельство имеет исключительно важное значение при производстве литого инструмента из отходов быстрорежущей стали, в большинстве случаев состоящих из различных марок (как правило, из стали марки РФ-1 и ЭИ-262, трудно отличимых по искре). При переплавке отходов быстрорежущей стали практически очень трудно получить литую сталь определенного (оптимального) химического состава.

Как уже отмечалось, на заводе были проведены производственные испытания резанием литых ножей 23X14X6, модифицированных бором в виде ферробора. Испытания проводились в инструментальном цехе на 3-стороннем фрезеровании по вязким сталям в одинаковых условиях с ножами из кованой стали. Производственные испытания в основном подтвердили результаты лабораторных испытаний.

Из всех испытанных в лаборатории резания завода ножей из плавок с добавкой бора в виде комплексного сплава высокую (но значительно меньшую, чем с добавкой бора в виде ферробора) стойкость имела только плавка № 1Г с добавкой 0,0017% бора. Ножи всех остальных плавок с добавкой бора в виде комплексного сплава оказались хрупкими и показали низкую стойкость. Таким образом, установлено, что применение комплексного сплава с бором для модифицирования литой быстрорежущей стали менее целесообразно, чем применение ферробора.

4. Металлографический анализ плавок

Микроструктура литых ножей из быстрорежущей стали с различным содержанием вольфрама, отлитых в кокиль (модифицированных и немодифицированных), состоит из трех структурных составляющих—светлой составляющей, темной составляющей и сетки карбидной эвтектики. Исследование структуры немодифицированных плавок позволило сделать следующие выводы.

1. Структура немодифицированных плавок характеризуется относительно крупным зерном.

2. Объем, занимаемый сеткой карбидной эвтектики, возрастает с увеличением содержания вольфрама в стали. Сетка карбидной эвтектики тем грубее, чем больше содержание вольфрама в стали (при равном содержании углерода).

3. Количество темной составляющей возрастает с увеличением содержания вольфрама. При содержании вольфрама больше 14% (и углерода около 0,9%) темная составляющая распределяется в виде относительно грубой {черной) сетки в пределах каждого зерна, переходящей в центре зерна в сплошные участки, количество и величина которых увеличивается с дальнейшим увеличением содержания вольфрама. О том, что темная (черная) сетка внутри зерна является темной составляющей, свидетельствует резкое снижение микротвердости в местах скопления черной сетки и то обстоятельство, что сетка непосредственно переходит в сплошные участки темной составляющей в центре зерна.

Исследование структуры модифицированных плавок позволило заметить следующие закономерности.

1. Модифицирование бором в виде ферробора вызывает резкое уменьшение величины зерна литой быстрорежущей стали с различным содержанием вольфрама (примерно от 8% до 19% вольфрама) и способствует получению очень тонкой сетки карбидной эвтектики. Величина зерна уменьшается до определенной (оптимальной) концентрации бора и снова увеличивается при дальнейшем увеличении концентрации бора. Наибольшее измельчение структуры вызывает добавка бора в виде ферробора в количестве 0,015—0,025% бора.

2. В структуре плавок с большим содержанием вольфрама (до 19%), модифицированных бором, отсутствуют сплошные участки темной составляющей. Темная составляющая под влиянием добавки бора распределяется в пределах зерна в виде очень тонкой сетки (черной после травления 10% раствором азотной кислоты в этиловом спирте).

3. Объем, занимаемый сеткой карбидной эвтектики, возрастает под влиянием модифицирования бором, но значительно в меньшей степени, чем под влиянием увеличения содержания вольфрама в немодифицированной стали.

4. Добавка бора в виде комплексного сплава (в количестве 0,0017% бора) так же приводит к измельчению зерна и устраняет возможность образования сплошных участков темной составляющей, однако в этом случае достигается значительно меньший эффект, чем в случае добавки бора в виде ферробора.

5. Добавка больших количеств комплексного сплава с бором (больше 0,0017% бора или больше 0,125% сплава) приводит к образованию большого количества посторонних (неметаллических) включений, располагающихся по границам зерен, что вызывает повышенную хрупкость литого инструмента.

6. Судя по результатам испытаний резанием, наилучшие режущие свойства имеют плавки с мелким зерном, тонкой сеткой карбидной эвтектики и распределением темной составляющей (в пределах зерна) в виде очень тонкой (черной) сетки.

5. Измерение микротвердости

Измерение микротвердости структурных составляющих литой стали производилось на приборе ПМТ- 3. Отпечатки измерялись при увеличении X 487. Нагрузка на алмазную пирамиду составляла во всех случаях 20 грамм. В каждом образце делалось до двадцати измерений отдельной структурной составляющей и затем брались средние значения микротьер-дости. Перед измерением микротвердости образцы подвергались электрополировке. Во всех плавках удалось измерить только микротвердость светлой составляющей. Так как сплошные участки темной составляющей имела только немодифицированная плавка № 1, то микротвердость темной составляющей удалось измерить в одной этой плавке. Среднее значение микротвердости темной составляющей равно 450 кг/мм2. Так как темная составляющая имеет сравнительно низкую твердость (и прочность), то наличие крупных сплошных участков темной составляющей в структуре литой стали может отрицательно влиять на режущие свойства инструмента.

Также не во всех плавках удалось измерить микротвердость сетки карбидной эвтектики, особенно в модифицированных плавках, где было мало крупных скоплений эвтектики. Микротвердость эвтектики измерялась в местах ее скопления, где в микроскоп ясно были заметны как включения карбидов, так и включения аустенита (мартенита) в виде очень мелких чередующихся пластинок. В 'отпечаток алмазной пирамиды вписывалось большое количество и карбидных и аустенитных (мартенситных) включений. Нам удалось установить, что микротвердость эвтектики модифицированных плавок, особенно в литом состоянии (до отпуска) выше таковой немодифи-цированных плавок. После отпуска микротвердость эвтектики повышается значительно у немодифицированных плавок и менее значительно у модифицированных плавок. В то же время после отпуска микротвердость эвтектики модифицированных плавок (1000—1100 кг/мм2) остается более высокой, чем микротвердость эвтектики немодифицированных плавок (800— 1000 кг1мм2). Это свидетельствует о том, что состав эвтектики модифицированных и немодифицированных плавок различен. Повидимому в эвтектике немодифицированных плавок больше аустенита (остаточного в литом состоянии) и меньше карбидов.

В таблицах 9—11 приведены средние значения микротвердости светлой составляющей плавок.

Таблица 9

Микротвердость светлей составляющей плавок с малым содержанием вольфрама

Обозначение плавок 2 3 4 5 6

Содержание бора в % по анализу .... Микротвердость в литом состоянии . . . Микротвердость после 3-кратного отпуска 0,015 686 783 0,015 682 775 0,018 704 798 0,020 718 808 0,030 739 820

Таблица 10

Микротвердость светлой составляющей плавок с средним содержанием вольфрама

Обозначение плавок 10 13 14 15 16 17

Содержание бора в % по анализу .......... 0,010 0,020 0,006 0,025 0,030

Микротвердость в литом состоянии .......... 864 704 739 799 756 7В8

Микротвердость после 3-кратного отпуска .......... 900 783 783 838 800 811

Таблица 11

Микротвердость светлой составляющей плавок с большим содержанием вольфрама

Обозначение плавок 1 12 18 19 7

Содержание бора в % по анализу .... — 0,008 0,040 0,036 0,053

Микротвердость в литом состоянии . . . 800 756 783 756 840

Микротвердость после 3-кратного отпуска 863 811 838 783 866

Как видно из приведенных данных, микротвердость светлой составляющей в плавках, модифицированных бором, уменьшается до определенного (оптимального) содержания бора и снова увеличивается с дальнейшим увеличением содержания бора. Наибольшие значения микротвердости светлой составляющей имеют немодифицированные плавки. Микротвердость светлой составляющей во всех плавках снижается в местах скопления сетки темной составляющей. Наибольшее снижение микротвердости светлой составляющей в местах скопления сетки темной составляющей наблюдается в немодифи-цированных плавках, где сетка темной составляющей грубее (толще). Таким образом, в немодифицированных плавках ножей имеет место большая неоднородность в механических свойствах в пределах зерна. Высокая твердость светлой составляющей немодифицированных плавок вызывает (вместе с крупным зерном и грубой сеткой карбидной эвтектики) повышенную хрупкость ножей этих плавок при работе с ударной нагрузкой (фрезеровании).

В плавках, модифицированных бором (оптимальным или близким к тому количеством бора), нет резкого изменения твердости в пределах зерна {в связи с распределением темной составляющей в виде очень тонкой сетки и отсутствием сплошных участков темной составляющей). Микротвердость светлой составляющей модифицированных бором плавок значительно меньше таковой немодифицированных плавок и приближается к микротвердости мартенсита кованой стали, которая по данным Лебедева [1] равна примерно 680—700 единицам. Микротвердость сетки карбидной эвтектики модифицированных плавок выше таковой немодифицированных плавок, но в модифицированных плавках сетка карбидной эвтектики очень тонка. Все это приводит к тому, что ножи модифицированных бором плавок по * сравнению с ножами немодифицированных плавок обладают повышенной вязкостью, поэтому не выкрашиваются при работе с ударной нагрузкой (при фрезеровании) и имеют высокую стойкость.

В плавках с добавкой бора в виде комплексного сплава, микротвердость структурных составляющих также изменяется (по сравнению с немодифици-рованными плавками), но это изменение выражено значительно менее резко, чем в плавках с добавкой бора в виде ферробора.

Из сравнения микротвердости светлой составляющей немодифицированных плавок № 10 и № 1 (см. табл. 10—11) с разным содержанием вольфрама (13,01% и 18,09%) можно заключить, что под влиянием увеличения в стали содержания вольфрама так же происходит снижение микротвердости светлой составляющей, но намного менее значительное, чем под влиянием модифицирования бором. Снижение микротвердости светлой составляющей объясняется уменьшением концентрации углерода в гамма-твердом растворе, часть которого переходит в состав карбидной фазы, увеличивая количество последней, так как микротвердость светлой составляющей под влиянием модифицирования бором снижается в значительно большей степени, чем под влиянием увеличения содержания вольфрама в литой немодифицированной стали, то отсюда следует, что под влиянием модифицирования, большее количество углерода из гамма-твердого раствора переходит в состав карбид-

ной фазы, чем под влиянием увеличения содержания в стали вольфрама;, следовательно, и количество карбидной фазы должно возрастать в большей степени, о чем свидетельствует также повышение твердости карбидной эвтектики под влиянием модифицирования.

В то же время объем, занимаемый карбидной эвтектикой, как уже отмечалось, под влиянием модифицирования бором увеличивается в значительно меньшей степени, чем под влиянием увеличения содержания вольфрама в немодифицированной стали. Это можно объяснить только тем, что в составе карбидной фазы литой стали, модифицированной бором, находятся преимущественно карбиды хрома (Сг7Сз), объём которых по данным Лебедева [2] в три раза меньше объёма сложного карбида Fe3W3C. В составе же карбидной фазы литой немодифицированной стали находится преимущественно сложный карбид (Fe3W3C), поэтому при меньшем количестве углерода, переходящего в состав карбидной фазы, объем карбидной фазы немодифицированной стали возрастает в большей степени.

Изменение микротвердости структурных составляющих литой стали (и изменение объёма, занимаемого карбидной фазой) позволяет сделать вывод, что под влиянием л/одифицирования бором происходит перераспределение легирующих элементов между фазами литой быстрорежущей стали. Концентрация углерода и хрома в светлой составляющей уменьшается, а концентрация вольфрама увеличивается (за счет меньшего образования сложного карбида). Соответственно в карбидной фазе концентрация хрома и углерода увеличивается, а концентрация вольфрама уменьшается.

6. Выводы

¥

1. Модифицирование бором до определенной (оптимальной) концентрации вызывает резкое уменьшение величины зерна литой быстрорежущей стали и способствует получению очень тонкой сетки карбидной эвтектики. Темная составляющая распределяется в пределах зерна в виде очень тонкой (черной) сетки.

2. Объём, занимаемый карбидной эвтектикой в литой модифицированной бором быстрорежущей стали, увеличивается по сравнению с таковым в немодифицированной быстрорежущей стали одного и того же химического состава. Увеличение содержания вольфрама в литой немодифицированной стали также приводит к увеличению объёма карбидной эвтектики, но зна-чителгУко более резкому, чем в первом случае.

3. Под влиянием модифицирования бором происходит изменение микротвердости структурных составляющих литой быстрорежущей стали в литом и отпущенном состоянии. Микротвердость светлой составляющей уменьшается при увеличении добавки бора (в сталь одного и того же химического состава) до некоторой (оптимальной) концентрации и снова увеличивается с дальнейшим увеличением концентрации бора. Микротвердость светлой составляющей уменьшается также с увеличением содержания в стали вольфрама, но гораздо менее значительно, чем под влиянием модифицирования бором. Микротвердость карбидной эвтектики литой модифицированной быстрорежущей стали выше таковой немодифицированной быстрорежущей стали. »

4. Микротвердость светлой составляющей немодифицированной литой быстрорежущей стали (около 900 кг1мм2) намного выше микротвердости мартенсита кованой стали (около 700 единиц). В то же время в местах скопления грубой сетки темной составляющей, а также в местах сплошных участков темной составляющей, микротвердость резко снижается, так как микротвердость темной составляющей (450 ki¡mm2) немного ниже микротвердости мартенсита кованой стали. Высокая твердость светлой составляющей, а также наличие грубой (толстой) сетки карбидной эвтектики

"вызывает повышенную хрупкость литого немодифицированного инструмента. Наличие грубой сетки темной составляющей (внутри зерна) и сплошных участков мягкой (и не прочной) темной составляющей так же снижает стойкость литого немодифицированного инструмента.

5. Микротвердость светлой составляющей модифицированной бором быстрорежущей стали (750—800 кг/мм2) приближается к микротвердости мартенсита кованой стали. Темная составляющая распределяется (в пределах каждого зерна) в виде очень тонкой сетки, в местах скопления которой микротвердость снижается незначительно. Большая однородность по твердости основной металлической массы, а также наличие очень тонкой сетки карбидной эвтектики обеспечивает повышенную вязкость литой модифицированной бором стали.

6. Данные об изменении микротвердости структурных составляющих и изменение объема, занимаемого карбидной фазой, позволяют сделать вывод, что модифицирование бором вызывает перераспределение легирующих элементов между фазами литой быстрорежущей стали. Концентрация углерода и хрома уменьшается в гамма-твердом растворе и увеличивается в карбидной фазе. Концентрация вольфрама в гамма - твердом растворе увеличивается, а в карбидной фазе уменьшается.

7. При испытании фрезерованием по вязкой стали с временным сопротивлением 61 кг!мм2 литые ножи торцевых фрез немодифицированных плавок имели повышенную хрупкость. Были случаи выкрашивания режущей кромки в процессе работы.

8. Модифицирование бором повышает стойкость литых ножей в 3—4 раза по сравнению с средней стойкостью ножей немодифицированных плавок при работе в одинаковых условиях. В процессе испытания резанием не было ни одного случая выкрашивания режущей кромки ножей модифицированных (ферробором) плавок.

9. Модифицирование бором позволяет получить достаточно высокую стойкость литого инструмента из быстрорежущей стали с значительной разницей в химическом составе (в пределах от химического состава марки ЭИ-262 до химического состава стали марки РФ-1), поэтому модифицирование бором следует особенно рекомендовать при производстве литого инструмента из отходов быстрорежущей стали, когда возможна путаница в составе отходов (РФ-1 или ЭИ-262).

10. Оптимальная добавка бора в виде ферробора в литую быстрорежущую сталь с различным содержанием вольфрама находится в пределах 0,015—0,025% бора при условии раскисления стали алюминием из расчета присадки 0,09% алюминия.

11. Влияние добавки бора в виде комплексного сплава незначительно по сравнению с влиянием добавки бора в виде ферробора. Оптимальная добавка бора в виде комплексного сплава равна 0,0017% бора.

12. Стойкость литых ножей торцевых фрез значительно повышается при увеличении задних углов резания.

13. Модифицирование бором в виде ферробора и применение рациональной геометрии режущей части позволяет с успехом использовать литой инструмент на фрезерных работах по вязким сталям.

1. Лебедев Т. А., Р е в и с И. А. Структура и свойства литого инструмента из быстрорежущей стали. Машгиз, 1949.

ЛИТЕРАТУРА