«Ответы на вопросы материаловедению»

1. Бейнитное превращение

Бейнитное (промежуточное) превращение происходит в ин­тервале температур, когда диффузия атомов железа уже отсутствует, а диффузия атомов углерода достаточно сильна (рис. 1.).

Рис.   1. Диаграмма превращения пе­реохлажденного   аустенита   для   углеродистой стали: А, Б, М, П, С, Т, Ф, Ц – аустенит, бейнит, мартенсит, перлит, сорбит, троостит, феррит, цементит соответственно – эти буквы показа­ны в тех концентрационно-температурных областях, где образуются соответствующие фазы и структуры; А_м/_С – метастабильный аустенит; верхние штриховые линии ограни­чивают снизу области образования ферритно-перлитной и цементитно-перлитной структур; 1 – прекращение диффузии атомов железа; 2 – концентрационная зависимость прекраще­ния диффузии атомов углерода; 3 – начало мартенситного превращения (прекращается диффузия атомов углерода); справа буквами П, С, Т показана температурная (по переох­лаждению) дифференциация перлита по дис­персности

Структура бейнита представляет собой двухфазную смесь феррита и цементита. Особенность бейнитного превращения в том, что оно происходит частично по бездиффузионному механизму.

Перераспределение углерода при охлаждении приводит к обра­зованию обогащенных и обедненных углеродом областей аустенита и возникновению механических напряжений. В результате обеднен­ный углеродом аустенит по мартенситному механизму превращается в несколько пересыщенный а-твердый раствор. Из обогащенного углеродом аустенита выпадает карбидная фаза. Таким образом, обогащенный углеродом аустенит обедняется и по мартенситному ме­ханизму превращается в α-фазу. Из мартенситно полученной α-фазы также выделяется карбид. В конце имеем смесь феррита и цементи­та очень оригинальной структуры.

Различают верхний, образовавшийся при температуре 400÷500°С, и нижний, образовавшийся при более низких температурах, бейнит. Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний – пластинчатое (игольчатое). Комплекс механических характеристик у верхнего бейнита заметно хуже, чем у нижнего.

При бейнитном превращении не весь аустенит переходит в бейнитную структуру. Метастабильный аустенит при дальнейшем по­нижении температуры либо сохраняется, либо превращается в мар­тенсит.

2. Шарикоподшипниковые стали

Основной причиной выхода из строя подшипников качения является контактная усталость металла, проявляющаяся в выкрашивании частиц и отслаивании тонких пластин с рабочих поверхностей деталей (явление ше­лушения). При этом на контактных поверхностях деталей возникают дефек­ты в виде мелких «язв».

Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной вы­носливостью. Это достигается повышением качества металла: его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.

При изготовлении деталей подшипника широко используют шарико­подшипниковые (Ш) хромистые (X) стали ШХ15 и ШХ15СГ (последующая цифра 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента — 1,5%). Стали содержат по 1% С. ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием (0,5%) и марганцем (1,05%) для повышения прокаливаемости. Отжиг стали на твердость порядка 190 НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрика­тов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии. Закалка дета­лей подшипника (шариков, роликов и колец) осуществляется в масле с тем­ператур 840–860 °С. Перед отпуском детали охлаждают до 20–25 °С для обеспечения стабильности их работы (за счет уменьшения количества оста­точного аустенита). Отпуск стали проводят при 150–170°С в течение 1–2 ч. Оптимальные условия обеспечения работоспособности изделий достигаются в том случае, если шарики имеют несколько большую твердость (62–66 HRC) по сравнению с роликами и кольцами (61–65 HRC для стали ШХ15).

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95X18, содержащая 0,95% С и 18% Сr.

3. Испытание на износ

Износ инструмента непосредственно влияет на точность и производительность обработки. В результате износа происходит затупление режущей кромки инструмента, снижающее его режущие свойства. При затуплении нарушаются условия стружкообразования, возрастают силы резания, ухудшаются точность обработки и качество обработанной поверхности, снижается производительность.

Основные виды износа инструмента приведены на рис. 1. Это износ по передней, задней поверхностям резца, комбинированный износ и деформация режущего клина.

По механизму затупления режущей кромки условно выделяют следующие виды износа инструмента: макро- и микросколы, пластическая деформация, абразивно-механический, абразивно-химический, адгезионно-усталостный и диффузионный.

Хрупкие микросколы возникают в твердосплавном инструменте из-за попадания в зону обработки крупных частиц повышенной твердости. Это может быть неустойчивая часть нароста или частицы оксидов и формовочных смесей при обработке отливок и поковок.

Макросколы режущей кромки возникают под действием изгибающих напряжений, превышающих допустимые, особенно при ударных нагрузках.

Пластическая деформация. В процессе резания инструментами из быстрорежущих и углеродистых сталей наблюдается пластическое деформирование режущего клина, приводящее к опусканию передней и выпучиванию задней поверхности (рис. 1, г). В результате опускания передней поверхности изменяется передний угол γ и, соответственно, ухудшаются условия резания.

Ползучесть и разрушение режущей кромки. Деформирование режущего клина в результате пластической деформации металла происходит в зоне изотерм, которые простираются от передней к задней поверхности инструмента (рис. 1, г). По этим изотермам (350–500°С) и при постоянной нагрузке на инструмент наблюдается процесс ползучести.

В результате ползучести материала в зоне 2 на границе с зонами 1 и 3 накапливаются высокие степени деформаций. Происходит дислокационное упрочнение, вызывающее хрупкое разрушение твердосплавного инструмента на границе зон 1 и 2. Длительность работы инструмента до скола увеличивают снижением интенсивности процесса ползучести за счет увеличения сечения режущего клина, повышения твердости кобальтовой связки при легировании вольфрамом, увеличения теплопроводности твердого сплава.

Абразивно-механический износ инструмента обусловлен микроцарапанием и разрушением передней и задней поверхностей инструмента твердыми компонентами обрабатываемого материала (карбидами, нитридами, упрочняющими интерметаллидными фазами, оксидами) и мелкими частицами периодически разрушающегося нароста. Абразивному изнашиванию подвергается инструмент из углеродистых, легированных, инструментальных, а также быстрорежущих сталей.

Абразивно-химический износ инструмента происходит, когда в составе СОЖ содержатся химически активные вещества, ослабляющие поверхностное натяжение инструментального материала. В результате облегчается процесс абразивного разрушения материала при микроцарапании.

При нагреве твердых сплавов до 600–800°С происходит поверхностное окисление кобальтовой фазы, карбидов вольфрама и титана с образованием поверхностных пленок, твердость которых в 40–50 раз меньше твердости исходного материала. Это создает условия для более интенсивного абразивно-химического изнашивания.

Адгсзионно-усталостное изнашивание инструмента является результатом схватывания инструментального и обрабатываемого материала с последующим вырывом частиц инструментального материала. Наиболее активно адгезионное изнашивание протекает при температуре 0,35–0,5 от температуры плавления материала инструмента и невысокой разности твердостей инструментального и обрабатываемого материалов.

Периодически повторяющееся схватывание и разрушение адгезионных связей вызывает циклическое нагружение контактных участков инструментального материала, приводящее к его усталости. Развитие усталостных процессов ведет к последующему разрушению металла в виде выкрашивания и сколов. В этих условиях инструментальный материал, обладающий высокими значениями циклической прочности и ударной вязкости, лучше сопротивляется адгезионному изнашиванию.

Диффузионное изнашивание инструмента протекает при таких условиях резания, когда между обрабатываемым и инструментальным материалами устанавливаются устойчивые адгезионные связи и при температурах выше 850"С происходит взаимная диффузия инструментального и обрабатываемого материалов. Этот вид изнашивания в большей степени характерен при обработке инструментом из твердых сплавов, металлокерамики и алмазным инструментом. При высокотемпературном контактном взаимодействии происходят следующие процессы: диссоциация карбидов и последующая диффузия их элементов (С, W, Ti) в обрабатываемый материал, т.е. прямое диффузионное растворение; встречная диффузия металлических элементов обрабатываемого материала в связующую фазу твердых сплавов, снижающая ее механические свойства.

В процессе резания с поверхностями инструмента контактируют непрерывно всегда меняющиеся новые участки стружки и обрабатываемой поверхности детали, что сохраняет исходный перепад концентраций компонентов, способствуя высокой скорости диффузионного изнашивания инструмента.

Реально на практике затупление режущего инструмента происходит в результате одновременно протекающих различных видов износа и пластического деформирования режущей кромки. Так, при резании быстрорежущим инструментом затупление происходит в результате абразивного, адгезионного износа и пластической деформации режущей кромки.

Параметры износа и стойкости режущего инструмента характеризуют степень допустимого износа инструмента и время его работы до замены или переточки. Они относятся к основным технологическим параметрам процесса резания.

За критерий оптимального износа инструмента принимают значение износа по задней поверхности h₃ (см. рис. 1, б), обеспечивающее максимальный срок службы инструмента при сохранении режущих свойств, он обозначается h₃₀ [мм].

Зависимость износа инструмента от времени обработки при фиксированной скорости резания приведена на рис. 2. Из нее следует, что износ во времени описывается нелинейной функцией и его можно разбить на три периода: участок быстрого износа режущей кромки называют периодом приработки (I); участок, при котором скорость затупления является минимальной, называют периодом нормального износа (II); участок, при котором происходит усиленный износ, заканчивающийся посадкой (затуплением) инструмента, называют периодом усиленного износа (III).

Условия экстремума функции h₃=f(t) выполняются в точке В с минимальным значением износа h₃₀, при котором срок службы инструмента получается наибольшим, равным Т. Под стойкостью инструмента Т понимают время его работы между двумя переточками. Стойкость токарных резцов колеблется от 30 до 90 мин. Суммарный период полной стойкости инструмента М, с учетом числа переточек К за весь период эксплуатации, определяется по формуле М = ТК.

Стойкость инструмента, так же, как и его износ, в наибольшей степени зависит от скорости резания, определяющей температуру в зоне резания. Эта зависимость выражается степенным законом:

Тυ^m = С = const, (1)

где С – эмпирическая константа; m – показатель, учитывающий материал инструмента и обрабатываемой детали.

Для твердосплавного инструмента при обработке сталей и алюминиевых сплавов m = 5; 3, а для быстрорежущих инструментальных сталей при обработке сталей, медных и алюминиевых сплавов он составляет соответственно 8; 6; 3. Если экспериментально установлена максимальная стойкость Т_о при скорости резания υ_о, то стойкость при скорости и определяется из выражения (1):

Т = Т_о (υ_о/ υ)^m (2)

Из этого следует, что увеличение скорости резания υ по сравнению со скоростью υ_о, ведет к существенному снижению стойкости Т инструмента. Поэтому выбор скорости резания существенно влияет на стойкость инструмента.