Обрабатываемость углеродистых и легированных сталей

Углеродистые и легированные стали применяют для изготовления деталей машин. Они отличаются химическим соста­вом, физико-механическими и теплофизическими свойствами, ко­торые отражаются на их обрабатываемости.

По химическому составу и содержанию легирующих элемен­тов эти стали можно условно разделить на следующие подгруппы: углеродистые стали (стали 20, 40, 45 и др.); низколегированные хромистые, хромоникелевые и другие стали, содержащие углерод в пределах С = 0,2...0,5 % и легирующие элементы (хром, никель, марганец, кремний, вольфрам и молибден), суммарное количество которых достигает 3 %; углеродистые инструментальные стали (С = 0,8... 1,2 %); высоколегированные стали с высоким содержа­нием легирующих элементов.

Обрабатываемость всех углеродистых сталей зависит в основ­ном от содержания в них углерода, с увеличением которого твер­дость сталей повышается, а скорость резания V₆₀ снижается.

У среднеуглеродистых и низколегированных сталей (С = 0,35...0,55 %) коэффициент обрабатываемости в пределах К_об = 0,7... 1,0. Введение в эти стали в небольшом количестве (1... 2 %) легирующих элементов обеспечивает повышение прочности и других механических свойств (предела текучести, относительно­го удлинения) при небольшом снижении коэффициента обрабаты­ваемости. Обрабатываемость этих сталей может быть улучшена за счет изменения структуры методами дополнительной термообра­ботки (отжиг, нормализация, закалка с последующим отпуском).

Наилучшей обрабатываемостью обладают стали со структу­рой перлит (феррит+цементит). У пластинчатого перлита цемен­тит, обладающий повышенной твердостью, имеет форму пластин и феррит в виде сетки. Путем термообработки пластинчатый перлит может быть превращен в зернистый перлит с цементитом в виде мелких глобулярных (округлых) зерен. При этом обрабатывае­мость такой стали существенно улучшается. Однако с увеличени­ем размеров глобулей шероховатость обработанной поверхности ухудшается. Для чистовой операции лучшую обрабатываемость по этому критерию обеспечивает пластинчатый перлит.

Чтобы максимально улучшить обрабатываемость высокоугле­родистых сталей (С > 0,6 %), они должны иметь структуру зерни­стого перлита, обладающего меньшей истирающей способностью, даже если это ухудшает качество поверхности.

В инструментальных, легированных и быстрорежущих сталях увеличение легирующих элементов всегда приводит к ухудшению обрабатываемости (до К_об = 0,6) и росту шероховатости обрабо­танной поверхности вследствие образования твердых карбидов. При этом, как правило, повышаются предел прочности σ_в при рас­тяжении и твердость сталей, возрастает сопротивление сталей об­работке резанием. Наихудшую обрабатываемость имеют структу­ры: сорбитообразный перлит, сорбит и троостит после закалки и отпуска. Наилучшей по обрабатываемости структурой инструмен­тальных сталей является зернистый перлит с равномерно распре­деленными мелкими карбидами после тщательной проковки и сфероидизирующего отжига.

На обрабатываемость сталей оказывают влияние также неко­торые металлургические факторы, в частности, способы литья и прокатки. Например, конверторные низкоуглеродистые стали об­рабатываются лучше, чем выплавленные в мартеновских и элек­трических печах, так как содержат в больших количествах серу и фосфор. Холоднокатаные стали, содержащие углерод до 0,3 %, обрабатываются лучше, чем горячекатаные, а при содержании уг­лерода С > 0,4 % – хуже.

Самой худшей обрабатываемостью обладают высоколегиро­ванные коррозионно-стойкие и жаростойкие стали, так как содер­жат в больших количествах легирующие элементы: хром (15...18 %), никель (8...11 %), марганец (1...2 %). Иногда в них входят в небольших количествах титан, вольфрам, молибден, ниобий при некотором снижении содержания хрома и никеля. Снижение обра­батываемости этих сталей связано с изменением их механических и теплофизических свойств. Например, жаростойкие (окалино- стойкие) и жаропрочные стали аустенитного класса отличаются высокой упрочняемостью при резании. Некоторые марки сталей в процессе пластического деформирования склонны к структурным превращениям, заключающимся в переходе аустенита в мартенсит. Эти стали, как правило, имеют низкую теплопроводность, что за­трудняет отвод теплоты из зоны резания в стружку и заготовку. При этом повышаются температура резания и интенсивность из­носа инструментов.

Присутствие в ряде сталей и сплавов карбидов и интерметал- лидов, имеющих высокую твердость, вызывает повыщенный абра­зивный износ инструментов, особенно инструментов из быстроре­жущей стали. Для обработки этих сталей чаще всего используют инструментальные материалы высокой прочности, такие, напри­мер, как однокарбидные твердые сплавы, обладающие к тому же высокой износостойкостью.

Для некоторых марок сталей обрабатываемость улучшают правильно подобранными режимами термообработки (отжиг, за­калка).

В целом же в зависимости от химического состава у высоко­легированных сталей коэффициент обрабатываемости снижается от К_об = 0,65 (хромистые, коррозионно-стойкие стали) до К_об = 0,3 (хромоникелевые жаростойкие стали).

Еще меньшую обрабатываемость имеют жаропрочные сплавы на никелевой основе с содержанием никеля до 60...80 %, для них К_об = 0,16...0,04 (сплавы марок ЖС6К, ЖСЗДК).

Наилучшую обрабатываемость имеют низкоуглеродистые (С < 0,2%) – автоматные стали, применяемые для изготовления деталей на станках-автоматах. Для улучшения обрабатываемости в них вводят небольшие добавки серы (0,2...0,3 %), фосфора (до 0,15 %) и свинца (0,15...0,3 %), которые снижают коэффициент трения и интенсивность износа инструмента (благодаря сере), а также улучшают дробление стружки (благодаря свинцу, фосфору). За счет этого коэффициент обрабатываемости таких сталей увели­чился до К_об = 1,5...2,1, производительность обработки возросла в 2 раза, уменьшились силы резания и шероховатость обработанной поверхности. Однако при этом механические свойства автоматных сталей несколько снизились.