ВЛИЯНИЕ  ЛЕГИРУЮЩИХ  ЭЛЕМЕНТОВ  НА  МЕХАНИЧЕСКУЮ  ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ  ЛИТЫХ  УГЛЕРОДИСТЫХ  СТАЛЕЙ

Моисеенко  Андрей  Александрович

студент  6  курса,  кафедра  МиТЛП  ВолгГТУ,  РФ,  г.  Волгоград

E-mail:  dron13-13@mail.ru

Гребнев  Юрий  Владимирович

научный  руководитель,  доцент  ВолгГТУ,  РФ,  г.  Волгоград

При  механической  обработке  литой  стали  45Л  часто  наблюдаются  зна­чительные  изменения  ее  обрабатываемости,  что  приводит  к  повышению  расхода  инструмента  и  увеличению  брака  изго­товляемых  деталей.

При  металлографическом  исследовании  заготовок  с  не­удовлетворительной  обрабатываемостью  и  химическим  сос­тавом,  полностью  соответствующим  требованиям»  ГОСТ  977-88  на  сталь  45  Л,  часто  обнаруживается  дендритная  ориентация  перлита  и  феррита  (рисунок  1).       

а                                                                          б

Рисунок  1.  Дендритноориентированное  выделение  перлита  и  феррита  в  стали  45Л(×100):  а  —  нормализация,  б  —  улучшение  (закалка  и  высокий  отпуск)

Наличие  в  структуре  дендритноориентированных  перлита  и  феррита  первоначально  классифицировалось  как  следствие  некачественной  термообработки.  Однако  повторная  нормализация  в  соответствии  с  техпроцессом  не  устраняла  полосчатости  структуры.

В  деталях  с  дендритной  ориентацией  перлита  на­блюдались  участки  повы­шенной  микротвердости  (269—321  кгс/мм²)  при  удов­летворительной  общей  твер­дости  (165—229  кгс/мм²).  Микротвердость  измерялась  на  приборе  ПМТ-3  при  на­грузке  50  Г.  Эти  участки  имели  структуру  сорбита  и  троостита.  Ориентация  пер­лита  и  феррита  в  структуре  заготовок  из  проката  и  по­ковок  резко  снижает  стой­кость  режущего  инструмен­та  и  приводит  к  ухудшению  чистоты  поверхности  детали  [3,  4].  Поэтому  предполагалось,  что  одной  из  причин  плохой  обра­батываемости  заготовок  из  стали  45  Л  является  наличие  че­редующихся  в  структуре  мягких  полос  феррита  и  перлитных  полос  с  высокой  микротвердостью.

Установлено,  что  неблагоприятное  расположение  феррита  и  перлита  в  виде  полос  является  следствием  дендритной  лик­вации  элементов  [1,  2].  Ликвационная  неоднородность  стали  по  легирующим  и  примесным  элементам  изменяет  термодинамическую  активность  углерода  в  ликвационных  зонах,  что  вы­зывает  его  перераспределение  при  нормализации  в  направ­лении  градиента  активности.  Абсолютное  значение  градиента  активности  углерода  в  ликвационных  зонах  может  вызвать  либо  частичное  перерас­пределение  углерода,  либо  полное,  сопровождающееся  появлением  только  ферритных  участков.

Количественно  дендритную  ликвацию  легирующих  эле­ментов  в  стали  45  Л  определяли  путем  рентгеноспектраль­ного  микрозондирования  ликвационных  зон  электронным  зондом  MS46  «Cameca».

Результаты  анализов  средние  по  11—15  замерам  в  каждой  из  ликвационных  зон  приведены  в  таблице  1. 

Кремний,  никель  и  медь  проявляют  обратную  ликвацию  и  сосредоточиваются  преимущественно  в  первичных  дендритах.  Эти  элементы  повышают  термодинамическую  активность  углерода  и  вытесняют  его  из  областей,  богатых  этими  элементами,  т.  е.  из  первичных  дендритов.  Марганец,  хром  и  ванадий  проявляют  прямую  ликвацию  и  в  процессе  кристаллизации  сосредоточиваются  в  междуветвиях  первичных  дендритов.

Таблица  1.

Содержание  элементов  в  первичных  структурах

Во  время  нормализации  в  связи  с  относительно  низкими  температурами  процесса  сталь  не  гомогенизируется  по  всем  элементам  и  ликвационные  зоны  остаются  концентрационно  устойчивыми.  Только  углерод,  как  наиболее  подвижный  в  диффузионном  отношении  элемент,  перераспределяется  в  объеме  стали  по  градиенту  активности.  Углерод  уходит  из  осевых  зон  первичных  дендритов,  обогащенных  кремнием,  никелем  и  медью,  и  перемещается  в  межосные  пространства,  богатые  марганцем,  хромом  и  ванадием,  т.  е.  элементами,  понижающими  активность.  Это  приводит  к  получению  гетерогенных,  полосчатых  структур  угле­родистых  сталей.

Термодинамические  расчеты  показали,  что  суммарная  разность  концентраций  легирующих  элементов  в  дендритах  и  междендритном  пространстве,  выраженная  через  эквивалент­ное  влияние  на  активность  углерода,  возрастает  при  больших  концентрациях  элементов  и  убывает  при  малых,  т.  е.  при  нормализации  стали  45  Л  с  больший  количеством  примесей  из  дендритных  кристаллов  в  междендритное  пространство  перераспределится  весь  углерод,  а  при  малом  количестве  —  только  часть  углерода.          

Во  втором  случае  структура  перекристаллизации  будет  более  однородной  и  свойства  стали  должны  повыситься.  Расчеты  показали,  что  в  стали  45  Л  с  минимальным  содержа­нием  примесей  по  ГОСТ  977-88  при  нормализации  из  осей  в  межосное  пространство  перераспределяется  в  4  раза  меньше  углерода,  чем  в  стали,  содержащей  примеси  на  верхнем  пределе.  Это  позволяет  получить  практически  однородную  структуру  с  лучшими  показателями.       

С  технологической  точки  зрения  целесообразно  идти  по  пути  максимального  снижения  концентрации  марганца  при  сохранении  умеренного  содержания  кремния,  так  как  кремний  определяет  степень  раскисленности  стали  и  пригодность  ее  для  изготовления  фасонного  литья.

Оптимизация  стали  по  таким  элементам,  как  хром,  никель  и  медь,  не  вводимым  при  плавке  специально,  имеет  ограни­ченные  возможности,  но  также  заключается  в  понижении  концентраций  этих  примесей.

Лабораторные  испытания  обрабатываемости  образцов  стали  45Л  на  вертикально-сверлильном  станке  показали  снижение  износа  инструмента  при  обработке  стали  с  пони­женным  содержанием  марганца  на  20  %  (таблица  2).

Таблица  2. 

Сопоставление  износа  сверл  в  зависимости  от  содержания  марганца

Одновременно  с  этим  проведено  исследование  физики  процесса  резания  сталей.  Он  характеризуется  усадкой  струж­ки,  длиной  участков  контакта,  «температурой  резания».  По  значениям  этих  величин  и  характеристических  скоростей  мо­жно  сделать  выводы  об  энергетических  затратах,  идущих  на  процесс  резания,  и  дать  приближенную  оценку  соотношения  обрабатываемости  стали.  Для  определения  длины  контакта  и  его  составляющих  применялся  метод  быстрого  вывода  рез­ца  из  зоны  резания  с  помощью  специального  устройства.

Усадка  стружки  определялась  как  отношение  длины  уча­стка  на  обработанной  поверхности,  с  которого  срезается  слой  металла,  к  длине  данного  участка  на  стружке.  Фиксация  дли­ны  обеспечивалась  за  счет  узких  канавок  на  обработанной  поверхности.

«Температуру  резания»  замеряли  методом  естественной  термопары  на  милливольтметре  с  точностью  0,1  мВ.  Харак­теристическую  скорость  определяли,  изучая  прирезцовую  сто­рону  стружки.  На  скорости  V_п  она  становится  гладкой  и  при­обретает  блеск.

По  результатам  исследования  построены  трафики  зависи­мостей  «температуры  резания»  —  E,  усадки  стружки  —  ξ  длины  контакта  упрочнения  —  С₂,  пластического  контакта  —  С₁,  полного  контакта  —  С  от  скорости  резания  (рисунок  2,  3). 

Рисунок  2.  Изменение  термоЭДС  от  скорости  резания:  а  —  сталь  45  Л  с  содержанием  марганца  1,02  %,  б  —  сталь  45  Л  с  содержанием  марганца  0,45  %

Рисунок  3.  Зависимость  усадки  стружки  и  длин  контакта  от  скорости  резания:  а  —  сталь  45  Л  с  содержанием  марганца  1,02  %,  б  —  сталь  45  Л  с  содержанием  марганца  0,45  %

С  понижением  содержания  марганца  наблюдается  меньшая  «температура  резания».  Значения  усадки  стружки  получились  практически  одинаковыми  при  обработке  исследуемых  сталей.

Проводя  сравни­тельную  оценку  ос­новных  характерис­тик  процесса  реза­ния  испытуемых  сталей,  можно  сде­лать  вывод,  что  сталь  с  пониженным  содер­жанием  марганца  требует  меньших  энергетических  за­трат  на  обработку  и  при  ее  резании  дос­тигается  меньший  уровень  «темпера­тур  резания».  Об  этом  говорит  и  сме­щение  характерис­тической  скорости  V_п  у  эксперимен­тальной  стали  в  сто­рону  более  высоких  скоростей.  Таким  образом,  были  выяснены  причины  раз­личной  обрабатыва­емости  исследуемых  сталей.

На  Волгоградском  тракторном  заводе  были  проведены  шестимесячные  произ­водственные  испытания  выплавки  и  обработки  стали  45  Л  с  содержанием  марганца  на  ниж­нем  пределе  требо­ваний  ГОСТ  977-88,  во  время  которых  удалось  полностью  исключить  случаи  трудной  обрабаты­ваемости,  повысить  стойкость  чистового  инструмента  и  повысить  механические  свойства  стали  на  15—20  %.

Список  литературы:

1.Гребнев  Ю.В.  Влияние  химсостава  на  структурную  неоднородность  и  хладноломкость  стали  45ФЛ  /  Ю.В.  Гребнев,  Н.Г.  Краева  //  Литейное  производство.  —  2000.  —  №  4.  —  С.  7—9.

2.Ильинский  В.А.  Оптимизация  состава  литой  среднеуглеродистой  стали  /  В.А.  Ильинский,  Л.А.  Костылева,  Ю.В.  Гребнев  //  Сталь.  —  1985.  —  №  1.  —  С.  24—26. 

3.Металлография  железа:  Структура  сталей  /  пер.  с  англ.  В.П.  Калинина,  под  ред.  Ф.Н.  Тавадзе.  М.:  Металлургия,  1972.  —  104  с.

4.Фельдштейн  Э.И.  Обрабатываемость  сталей  в  связи  с  условиями  термической  обработки  и  микроструктурой  /  Э.И.  Фельдштейн.  М.:  Машгиз,  1953.  —  255  с.