Высокоэффективный инструмент из порошковых быстрорежущих сталей с дисперсной структурой

НОВОЕ В МЕТАЛЛУРГИИ

УДК 669.14

Высокоэффективный инструмент из порошковых быстрорежущих сталей с дисперсной структурой

В. Л. Гиршов, М. Т. Коротких, И. В. Крупнова, Н. В. Коробейников

В современном машиностроительном производстве обработка резанием по-прежнему играет ведущую роль. Поскольку основной путь повышения эффективности обработки резанием — работа с максимальной производительностью, наблюдается тенденция дальнейшего повышения скоростей резания, что, в свою очередь, требует повышения эффективности режущего инструмента. Производительность и стойкость инструмента в значительной степени зависят от свойств инструментального материала. Основными инструментальными материалами для режущих инструментов являются твердые сплавы (ТС) и быстрорежущие стали (БС). Так как режущая кромка инструмента испытывает значительные удельные давления (до 4000 МПа) и сильно разогревается при резании, инструментальный материал должен обладать высокой твердостью, прочностью и вязкостью не только при комнатной, но и при повышенной температуре, то есть быть теплостойким. У ТС теплостойкость (800-1000 °С) значительно выше, чем у БС (600-650 °С), поэтому инструмент из ТС способен работать при более высоких скоростях резания. По возможности, машиностроители стремятся применять инструмент из ТС для повышения производительности металлообработки. Однако прочность и особенно вязкость ТС значительно ниже, чем у БС, поэтому в условиях повышенной вибрации и при ударных нагрузках приходится применять инструмент из БС. Кроме того, следует учитывать исключительную дефицитность вольфрама, карбид которого является основой большинства ТС. Это ограничивает возможность дальнейшего наращивания производства инструментов из ТС.

В 1970-х годах за рубежом, в США и Швеции, было создано производство порошковых быстрорежущих сталей (ПБС). Порошки этих сталей производят способом распыления металлического расплава при сверхвысокой скорости охлаждения (104-105 °С/с). Для сравнения отметим, что скорость охлажде-

ния затвердевающих слитков не превышает 1 °С/с. Сверхвысокие скорости охлаждения обеспечивают резкое измельчение структуры металла, устранение химической макронеоднородности и возможность значительного повышения степени легирования стали. ПБС обладают дисперсной структурой и более высокими физико-механическими и функциональными свойствами по сравнению со стандартными БС. В литературе имеются сведения об исключительно высокой стойкости режущих инструментов из ПБС с повышенным уровнем легирования. В отдельных случаях инструмент из таких ПБС даже превосходит по стойкости аналогичный инструмент из ТС [1].

В начале 1980-х годов в СССР было создано производство ПБС на заводе «Днепроспец-сталь» (г. Запорожье, Украина) с использованием шведского оборудования и технологии, а именно процесса газового распыления жидкой стали и горячего изостатического прессования крупных порошковых заготовок в капсулах. После прессования порошковые заготовки перековывают на прутки требуемого размера [2]. Специалисты института «УкрНИИ-спецсталь» разработали отечественные марки ПБС и ГОСТ 28393-89 на прутки и полосы из быстрорежущей стали, полученной методами порошковой металлургии. Основные виды продукции: прутки круглого сечения диаметром от 2 до 150 мм; квадратного сечения со стороной квадрата от 12 до 150 мм и полосы толщиной от 6 до 10 мм и шириной от 25 до 250 мм. Химический состав отечественных марок ПБС приведен в табл. 1.

Анализ химических составов отечественных марок ПБС показывает, что они не отличаются от состава стандартных БС. Исключение — марка Р7М2Ф6-МП с повышенным содержанием ванадия, у которой нет стандартного аналога. Важно отметить, что по уровню легирования отечественные ПБС уступают высоколегированным зарубежным сталям. Например, максимальное содержание легирующих

Таблица 1

Химический состав ПБС по ГОСТ 28393-89, % масс.

Марка стали С Сг Мо V Со Сумма легирующих элементов

Р6М5Ф3-МП 1,25-1,35 3,8-4,3 5,7-6,7 5,5-6,0 3,1-3,7 - 19,35-22,05

Р6М5К5-МП 1,02-1,09 3,8-4,3 6,0-7,0 4,8-5,3 1,7-2,2 4,8-5,3 22,12-25,19

Р7М2Ф6-МП 1,65-1,75 3,8-4,3 6,5-7,5 1,8-2,3 5,5-6,2 0,5 19,75-22,55

Р9М4К8-МП 1,10-1,20 3,0-3,6 8,5-9,5 3,8-4,3 2,3-2,7 7,5-8,5 26,20-27,80

Р12МФ5-МП 1,45-1,55 3,8-4,3 11,5-12,5 1,0-1,5 4,0-4,6 0,5 22,25-24,95

Р12М3К5Ф2-МП 1,05-1,15 3,8-4,3 11,5-12,5 2,5-3,0 1,8-2,3 5,0-5,5 25,65-28,75

элементов в стали Р12М3К5Ф2-МП — 28,75 %, тогда как ПБС марки Уапа^Б 60 (Швеция) содержит 37 % легирующих элементов. При этом в стали Р12М3К5Ф2-МП содержится 1,15 % углерода и 2,00 % ванадия, а в стали Уапа^в 60 — 2,30 % углерода и 6,50 % ванадия. Известно, что карбидная фаза с участием ванадия придает особо высокую износостойкость инструментальным сталям.

Опыт работы с инструментом из отечественных ПБС на многих российских предприятиях показал, что стойкость инструмента из порошковой стали в 1,5-2,0 раза выше, чем у стандартного, при одинаковом химическом составе стандартной и порошковой стали. Из-за сравнительно небольшого повышения стойкости инструмента и значительного увеличения цены ПБС (в 2-3 раза по сравнению со стандартными БС) нет необходимого экономического стимула для широкого внедрения инструмента из порошковой стали в нашей стране.

Известно, что до 70% мелких режущих инструментов выходят из строя не по причине равномерного износа, а из-за поломок и вы-крошивания режущей кромки [3]. Очевидно, что для повышения стойкости мелкого инструмента надо прежде всего повысить прочность инструментального материала. В Центральном научно-исследовательском институте материалов (ЦНИИМ) в 1980-е годы решали задачу повышения стойкости мелких сверл, концевых фрез и метчиков. Совместно с НПО «Тулачермет» и металлургическим заводом «Электросталь» была разработана эффективная отечественная технология горячей экструзии порошков в герметичных капсулах с титановым геттером. Применение геттера позволило восстановить оксидные пленки, располагающиеся на поверхности порошковых частиц, и значительно повысить прочность ПБС марки 10Р6М5-МП. Последующая прокатка и волочение обеспечили получение прутков 03-10 мм с чрезвычайно дисперсной структурой. Размер аустенитного зерна составил ме-

нее 10 мкм, размер карбидов — менее 3 мкм, размер остаточных пор и неметаллических включений — менее 5 мкм. Удалось получить термообработанные образцы 03-8 мм с пределом прочности при изгибе 6000-7000 МПа при твердости ИИС 65 и более.

На протяжении нескольких лет в заводских условиях проводили сравнительные испытания режущих свойств сверл, метчиков и фрез диаметром до 10 мм, изготовленных из сталей 10Р6М5-МП и Р6М5. Обрабатывали конструкционные, высокопрочные, нержавеющие стали, сплавы на основе алюминия и титана. Коэффициент повышения стойкости инструмента из порошковой стали по отношению к стандартному составил: 2,0-6,0 для сверл; 1,2-2,0 для фрез и 3,3-6,0 для метчиков. Привлекает внимание сравнительно большой разброс коэффициента стойкости. Это связано с зависимостью стойкости инструмента от многих факторов, которые могут существенно меняться в производственных условиях. Помимо свойств инструментального материала на стойкость инструмента значительное влияние оказывают качество изготовления инструмента, режимы резания, жесткость металлообрабатывающих станков, свойства обрабатываемых материалов и др.

Таким образом, проведенные исследования показали, что особенно эффективно применение ПБС для изготовления малоразмерного режущего инструмента [4]. У инструмента из стандартных БС на режущей кромке довольно часто располагаются сравнительно крупные (более 10 мкм) карбиды, которые легко выкро-шиваются, создавая концентраторы напряжений. Это приводит к лавинообразному износу режущей кромки или поломке малоразмерного инструмента. В структуре ПБС нет крупных карбидов, благодаря чему обеспечивается значительное повышение стойкости и надежности малоразмерного инструмента.

После распада СССР промышленное производство ПБС по ГОСТ 28393-89 оказалось

ЕТАПЛООБРАБОТК.

за границей. По разным причинам прекратилось опытно-промышленное производство стали 10Р6М5-МП по отечественной технологии. В итоге на сегодняшний день в России не производятся прутки и инструмент из ПБС. Многие российские машиностроительные и металлообрабатывающие предприятия приобретают инструмент из БС у зарубежных фирм. Эти закупки проводятся нецентрализованно, часто без должного технического анализа и профессиональных знаний, а значит, далеко не всегда обеспечено достижение ожидаемого технико-экономического эффекта. Очевидно, что наша страна, как крупная индустриальная держава, не может и не должна зависеть от импорта инструмента.

Отечественные специалисты неоднократно предпринимали попытки организовать производство прутков из ПБС по имеющейся отечественной технологии хотя бы на опытно-промышленном уровне, однако эти действия не увенчались успехом. Тому есть несколько причин: продолжающийся застой в отечественном машиностроении, недоверие потребителей к качеству отечественной продукции, неопределенность спроса и др. Практически невозможно с достаточной точностью определить текущую и перспективную потребность рынка в высококачественном инструменте из ПБС. Без этого нельзя разработать технико-экономическое обоснование проекта по созданию производства ПБС. Приближенные расчеты показывают, что производство заготовок из ПБС будет рентабельным, если выпускать не менее 1000 т/год. Если ограничиться созданием небольшого по объему производства порошков и заготовок (50-100 т/год), то высокая себестоимость продукции не обеспечит ее конкурентоспособность по отношению к зарубежным аналогам. Надо учитывать и то, что при неопределенности спроса крайне трудно найти инвестора для финансирования дорогостоящего проекта по созданию производства ПБС.

С учетом изложенного предложено организовать производство концевого режущего инструмента в нашей стране из импортных заготовок ПБС. Изготовление инструмента из импортной порошковой стали позволит сразу же приступить к обеспечению предприятий высококачественным инструментом и импор-тозамещению. В стоимости мелкоразмерного инструмента доля стоимости материала обычно не превышает 30 %. Если вместо закупки инструмента закупать инструментальный материал, а сам инструмент изготавливать на отечественных заводах, то это позволит сократить затраты на импорт на 70 %.

Таблица 2

Химический состав импортных ПБС, % масс.

Химический элемент Vanadis 23 Vanadis 60

С 1,3 2,3

Сг 4,2 4,2

Ш 6,4 6,5

Мо 5,0 7,0

V 3,1 6,5

Со - 10,5

Для практической реализации изложенного предложения были закуплены прутки 03,3-6,3 мм (ВоЫег-"Ц^еЬо1ш) из сталей марок Уапа^Б 23 и Уапа^Б 60. Химический состав этих сталей представлен в табл. 2.

Первые образцы концевых фрез диаметром 6 мм, с четырьмя зубьями, из стали Уапа^Б 23 были изготовлены ЗАО «СИЗ Пром» (Се-строрецк, Россия). На этом же предприятии были изготовлены аналогичные фрезы из стали Р18. Сравнительные испытания в испытательном центре ЗАО «СИЗ Пром» проводили при обработке высокопрочной стали 38ХН3МФА с твердостью 44 НИС на вертикальном фрезерном станке мод. ГФ2380. Фрезеровали уступ 6 X 1 мм при скорости резания 23,5 м/мин и подаче 0,03 мм/зуб. Длина уступа — 70 и 350 мм. Для охлаждения применяли смазочно-охлаждающую жидкость — 5%-й водный раствор эмульсола, подача в зону резания свободным поливом. Результаты испытаний под руководством начальника лаборатории Р. Т. Зайцевой представлены в табл. 3. Как видно из приведенных данных, износостойкость фрез из порошковой стали Уапа^Б 23 не менее чем в 5 раз превышает соответствующий параметр фрез из стандартной стали Р18.

На инструментальном заводе ГК «Томский инструмент» изготовлена представительная партия мелких сверл, концевых фрез и метчиков (рис. 1) в количестве более 2000 шт. Сотрудники завода разработали технологию термической обработки и вышлифовки инструмента из новой для завода марки Уапа^Б 60 с повышенным содержанием углерода, ванадия и кобальта.

Сравнительные испытания стойкости сверл 06,0 мм были выполнены в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете. Сравнивали сверла, изготовленные на инструментальном заводе ГК «Томский инструмент», и покупные импортные и отечественные сверла. Обрабатывали пластину

MET^WbPA^TKÀ

НОВОЕ В МЕТАЛЛУРГИИ

Таблица 3

Результаты испытаний концевых фрез из материалов Vanadis 23 и Р18

№ фрезы

Износ, мм, при длине уступа, мм

70

350

Примечание

Vanadis 23

1 0,04 0,08 —

2 0,04 0,22 —

3 0,02 0,04 —

4 0,13 0,18 —

5 0,09 0,11 —

0,06* 0,12* Р18

1 0,39 — —

2 0,34 — —

3 0,25 — —

4 0,20 — —

5 0,26 — —

0,28* — —

* Средний износ.

Таблица 4

Результаты испытаний спиральных сверл 0 6,0 мм

Характеристика сверла Количество отверстий

Сверло из стали Vanadis 23 без покрытия 4

Сверло из стали Vanadis 23 с алмазопо-добным покрытием 12

Сверло из стали Vanadis 60 без покрытия 80

Покупное сверло из стали Р6М5 («Практика», Санкт-Петербург) 0

Покупное сверло из импортной порошковой стали с покрытием TiAlN (Garant, Германия) 7

Покупное сверло из импортной порошковой стали с кобальтом (Boch, Германия) 20

из нержавеющей стали ОХ18Н9Т толщиной 15,0 мм на вертикально-сверлильном станке мод. 1А135: отверстия сквозные, скорость резания — 18,8 м/мин, подача — 0,05 мм/об, охлаждение — 10,0 %-й раствор водного эмульсола при подаче его в зону резания свободным поливом. Критерием затупления служил износ уголков сверла — 0,4 мм. Результаты испытаний представлены в табл. 4.

Сверла из стали Уапа^Б 60 значительно превзошли по стойкости все прочие варианты покупных сверл. При скорости резания 18,8 м/мин сверло из стали Р6М5 вышло из строя (затупление, скрип) при обработке первого же отверстия. После снижения скорости резания до 13,4 м/мин сверла из стали Р6М5 обработали в среднем 16 отверстий (5, 17 и

25), а сверла из стали Уапа&Б 23 без покрытия — 60 отверстий (56, 64).

На рис. 2, 3 представлен внешний вид сверл после испытания. Для сверл из стали Р6М5 характерен интенсивный износ ленточки, выкрошивание кромки и образование конусности. Сверла из стали Уапа^Б 23 имели равномерный износ. Проведенные эксперименты полностью подтвердили высокую эффективность малоразмерного концевого режущего инструмента из ПБС с дисперсной структурой и повышенным содержанием карбида ванадия.

Рис. 2. Износ сверла из стали Р6М5

Рис. 1. Сверла, стали Vanadis

фрезы и метчики из порошковой

Рис. 3. Износ сверл из стали Vanadis 23

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

Разработан инновационный проект, предусматривающий организацию производства мелких сверл, фрез, метчиков и других инструментов из ПБС с дисперсной структурой на базе ГК «Томский инструмент». Этот проект удостоен золотой медали на Всемирной универсальной выставке «Экспо-2010» (1214 октября 2010 г., Шанхай).

В заключение целесообразно рассмотреть экономическую эффективность такого проекта и первоочередные организационно-технические мероприятия, направленные на его успешную реализацию. Примем за усредненную единицу инструмента спиральное сверло 06,0 мм. По данным прайс-листа фирмы ОиЬгш§ (Германия). Цена такого сверла из ПБС с кобальтом и покрытием составляет около 400 руб./шт. Себестоимость аналогичного сверла, изготовленного на заводе ГК «Томский инструмент» из импортной стали Vanadis 60, не превысит 100 руб./шт. При уровне рентабельности 100% прибыль от реализации одного сверла составит 100 руб., а его рыночная цена будет в два раза ниже, чем у импортного аналога.

В настоящее время ГК «Томский инструмент» производит более 1 млн шт./год инструментов из стандартных БС и ТС. Эти инструменты поставляются предприятиям автомобильной промышленности, авиационной и космической техники, оборонного комплек-

са, общего машиностроения, черной и цветной металлургии, нефтегазового комплекса, сельскохозяйственного машиностроения и др. В ближайшие 2-3 года завод имеет возможность увеличить объем производства высокоэффективного инструмента до 4 млн шт./год, но для этого нужно дооснащение современным технологическим оборудованием.

Исключительно важной проблемой, определяющей успех проекта, является сбыт. Необходимо убедить потребителей нового инструмента в его эффективности, а значит, потребуется организовать активный маркетинг инструментального рынка и широкое производственное опробование инструмента на многочисленных машиностроительных предприятиях страны.

Литература

1. Kazak A., Dulis E. J. Powder metallurgy tool steel // Powder metallurgy. 1978. N 2. Р. 114-123.

2. Осадчий А. Н., Ревякин С. В., Кийко Г. В. и др.

Производство порошковой быстрорежущей стали на заводе «Днепроспецсталь» // Сталь. 1981. № 11. С. 83-84.

3. Геллер Ю. А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1983. 526 с.

4. Гиршов В. Л. Технико-экономические преимущества порошковых быстрорежущих сталей // Металлообработка. 2001. № 4. С. 40-42.

Г

л

Издательство «Политехника» представляет

Космическая одиссея Юрия Гагарина / В. Н. Куприянов. — СПб.: Политехника, 2011. — 317 с.: ил. ISBN 978-5-7325-0979-3 Цена: 390 руб.

К 50-летию первого полета человека в космос издательство выпустило книгу о Ю. А. Гагарине, правдиво отражающую реальную историю этого свершения. Это настоящее историческое расследование, проведенное автором для восстановления истинного хода событий. В результате анализа документальных материалов: публикаций советской и зарубежной периодики, воспоминаний самого Юрия Гагарина и других участников подготовки и проведения полета, автору удалось открыть завесу над многими, ранее секретными фактами, отсеять домыслы и приукрашивания.

Один из очерков рассказывает о периоде жизни Ю. Гагарина, связанном с его учебой в Ленинграде.

Книга заинтересует читателей, желающих узнать реальные сведения из истории отечественной космонавтики.

Для приобретения книги по издательской цене обращайтесь в отдел реализации: Тел.: (812) 571-61-44, 312-53-90; тел./факс: (812) 312-44-95;

e-mail: sales@polytechnics.ru, gfm@polytechnics.spb.ru, через сайт: www.polytechnics.ru

JJ