Свойства литых твердых сплавов и их применение в деревообработке

УДК 621.9.02

Г.И. Сильман, Н.В. Дмитриева, С.С. Грядунов

Сильман Григорий Ильич родился в 1935 г., окончил в 1959 г. Брянский институт транспортного машиностроения, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии конструкционных материалов и ремонта машин Брянской государственной инженерно-технологической академии. Имеет более 400 печатных работ в области материаловедения и металлургии.

Дмитриева Наталья Викторовна родилась в 1969 г., окончила в 1992 г. Брянский технологический институт, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии конструкционных материалов и ремонта машин Брянской государственной инженерно-технологической академии. Имеет 34 печатные работы в области материаловедения.

Грядунов Сергей Семенович родился в 1956 г., окончил в 1980 г. Брянский институт транспортного машиностроения, кандидат технических наук, доцент кафедры механической технологии древесины Брянской государственной инженерно-технологической академии. Имеет 58 печатных работ в области триботехники, материаловедения и деревообработки.

СВОЙСТВА ЛИТЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ДЕРЕВООБРАБОТКЕ

Разработаны литые твердые сплавы на основе комплексно-легированных белых чугунов; показана возможность и целесообразность их использования для изготовления режущих элементов деревообрабатывающего инструмента; установлено, что в условиях фрезерования заготовок из дуба режущие ножи из литого твердого сплава примерно в 2 раза превосходят ножи из стали Р6М5.

Ключевые слова: сплав, белый чугун, легирование, отливка, быстрорежущая сталь, твердость, износостойкость, наплавка, деревообрабатывающий инструмент, фреза, режущий нож.

На основе высокоуглеродистых (заэвтектических) комплексно-легированных белых чугунов разработаны литые твердые сплавы в качестве сравнительно дешевого заменителя дорогостоящих металлокерамических вольфрамосодержащих твердых сплавов и износостойких наплавочных материалов типа стеллитов [1, 4]. В этих сплавах основной легирующий комплекс состоит из хрома, ванадия и марганца. Он обеспечивает возможность формирования композиционной структуры с большим количеством (около

30 %) специальных карбидов (типа МС и М7С3) и самозакаливающейся матрицей. С целью повышения прокаливаемости и механических свойств сплавы дополнительно легированы небольшими количествами меди и молибдена. Для обеспечения измельченной литой структуры жидкие сплавы подвергают микролегированию и модифицированию.

Разработанные сплавы отличаются высокой твердостью (64 ... 70 ИЯС) и абразивной износостойкостью. Эти свойства могут быть обеспечены как непосредственно в литом состоянии (самозакаливающиеся сплавы), так и после термической обработки литых заготовок (термообраба-тываемые сплавы). Изделия из сплавов по обоим вариантам получали точными методами литья (по выплавляемым и газифицируемым моделям, в оболочковые и металлические формы) и подвергали только одному виду механической обработки - шлифованию. Изделия из самозакаливающихся сплавов подвергали отпуску для снятия напряжений, изделия из термообра-батываемых сплавов - «мягкой» закалке (в масле или на воздухе) и низкотемпературному отпуску. При рациональном химическом составе может быть обеспечена очень высокая твердость изделий (67 ... 70 ИЯС), что соответствует твердости сплавов ВК15 - ВК20.

Цель работы - установить возможность и целесообразность использования разработанных литых твердых сплавов для изготовления режущих элементов деревообрабатывающего инструмента.

Испытания на изнашивание проводили трением по абразивной ленте (корундовая шкурка зернистостью 40 по ГОСТ 5009-75) при скорости ее движения 6 м/мин и удельной нагрузке 3 МПа. Экспериментально определяли износ образцов из различных сплавов (стали, металлокерамические твердые сплавы и разрабатываемые литые сплавы), а затем рассчитывали коэффициенты относительной износостойкости, используя в качестве эталона сравнения сталь 45 с твердостью 200 НВ.

Результаты исследования абразивной износостойкости сплавов приведены на рис. 1 экспериментальными точками и полиномиальной зависимостью второй степени, полученной при статистической обработке экспериментальных данных:

КИзн = 85,5 - 3,2Я + 0,031Я2; Я2 = 0,959, где Н - твердость в ед. НЯС,

В2 - корреляционное соотношение.

14

8 12

н

= о

Рис. 1. Зависимость коэффи- ¿5 ю

циента износостойкости от = £

-в- о 8

твердости литых твердых ~ 3

сплавов 6

к

50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 Твердость НЯС

Проведенные исследования показывают, что абразивная износостойкость хорошо коррелирует с твердостью сплавов, хотя имеются и существенные отклонения, характерные для термообработан-ных сталей с высокой твердостью. Видно, что при твердости сплавов 67 ... 70 HRC износостойкость остается примерно на одном наиболее высоком уровне Кизн = 13,5 ... 14,0, что характерно как для литых твердых сплавов, так и для металлокера-мического сплава ВК20. Износостойкость термообработанных сталей существенно ниже, чем у исследуемых сплавов, при одинаковой с ними твердости (для сталей точки расположены значительно ниже графика - обозначены крестиками на рис. 1).

Сопоставление износостойкости различных видов сплавов приведено на рис. 2 в виде гистограммы. Оба рисунка дают представление о сравнительной износостойкости сталей и сплавов. К наиболее износостойким можно отнести металлокерамические и литые сплавы.

Испытания литых твердых сплавов проведены на различных изделиях. Для деревообрабатывающего инструмента (сборные фрезы) отливали режущие элементы (ножи). Заготовки подвергали низкотемпературному отпуску (180 ... 200 °С, 40 мин), шлифовали до размеров 30 х 30 х 4 мм и затачивали режущее лезвие. Твердость ножей составляла 64 ... 66 HRC.

Фрезы с режущими ножами из литого твердого сплава испытывали в лаборатории кафедры механической технологии древесины БГИТА на заготовках из дуба (размер заготовок 1200 х 120 х 30 мм, влажность древесины 10 ... 12 %). Продолжительность испытаний 8 ч при следующих режимах обработки: скорость резания 39,25 м/с, толщина срезаемого слоя 1 мм. В тех же условиях для сопоставления испытывали аналогичные фрезы с ножами из быстрорежущей стали Р6М5 и твердого сплава ВК15. После 8 ч работы износ ножей из литого твердого сплава составил 16 ... 19 мкм; из стали Р6М5 - 35 ... 36 мкм; из твердого сплава ВК15 - 8 ... 9 мкм.

Видно, что по износостойкости литой твердый сплав примерно в 2 раза превосходит сталь Р6М5 (63 ... 64 HRC), но уступает сплаву ВК15. Учитывая, что литой твердый сплав не только намного дешевле сплава ВК15, но и почти в 1,5 раза дешевле быстрорежущей стали, целесообразно его использовать для изготовления режущих элементов деревообрабатывающего инструмента.

Рис. 2. Сопоставление изностой-кости исследуемых и сравниваемых сплавов

Производство режущих элементов мелкими сериями организовано в лабораториях кафедры технологии конструкционных материалов и ремонта машин БГИТА. Их используют на ООО «Инструмент» (г. Брянск) при изготовлении фрез, предназначенных для обработки древесины. Экономическая эффективность применения деревообрабатывающего инструмента с ножами из литого твердого сплава взамен сплава ВК15 определяется резким различием их стоимости. На 1 кг режущих элементов из литого твердого сплава экономия составляет примерно 400 руб.

Кроме этого, литые твердые сплавы могут быть использованы и в качестве износостойкого наплавочного материала [2, 3] в виде литых прутков, гранулированных порошков, а также механических смесей порошкообразных компонентов в виде проволоки и лент. Наплавку можно производить различными способами: газопламенным, плазменным, электрошлаковым. Проведенные исследования показали хорошее сцепление наплавленного слоя с основным металлом и малую его склонность к образованию горячих и холодных трещин. По износостойкости наплавленный металл не уступает литым изделиям при идентичности их химического состава. Это было подтверждено, в частности, при испытаниях режущих элементов в условиях механической обработки металлов (углеродистые и легированные стали) и древесины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сильман, Г.И. Литые твердые сплавы на основе комплексно-легированных белых чугунов [Текст] / Г.И. Сильман, Н.В. Дмитриева; БГИТА. -Брянск, 2000. - 20 с. - Деп. в ВИНИТИ 27.07.00, № 1728-В00.

2. Сильман, Г.И. Перспективы использования литых твердых сплавов [Текст] / Г.И. Сильман, Н.В. Дмитриева // Материаловедение и производство: меж-вуз. сб. науч. тр.; вып. 2; под ред. Г. И. Сильмана. - Брянск: Изд-во БГИТА, 2001. -С. 241-245.

3. Сильман, Г.И. Чугуны-композиты и их поведение в условиях трения и износа [Текст] / Г.И. Сильман, С.С. Грядунов // Теория и практика технологий производства изделий из композиционных металлических сплавов. 21-й век: материалы междунар. конф. - М., 2001. - С. 196-202.

4. Сильман, Г.И. Экспериментальное исследование и применение литых твердых сплавов [Текст] / Г.И. Сильман, Н.В. Дмитриева // Качество машин: сб. тр. 4-й Междунар. научно-техн. конф. Т.1. - Брянск, 2001. - С. 78-80.

G.I. Silman, N.V. Dmitrieva, S.S. Gryadunov Characteristics of Cast Carbide Alloy and their Application in Woodworking

Cast carbide alloys are developed based on complex alloyed cast white iron; possibility and expediency of their use for producing cutting elements of woodworking instrument is shown; the durability of cutters produced from cast carbide alloys is set to exceed two times the durability of steel cutters P6M5 when milling oak half-finished wood pieces.