Research methodology for technological strength of surfaced high speed steels used in cutting tools

Abstract

The article describes the current methods of research of technological strength, gives description of in-house research methodology for technological strength of surfaced high-speed steel with reference to the experimental setup operation principle. The authors proposed a quantitative criterion of technological strength of welded metal.

Full Text

Работоспособность - это состояние объекта, при котором значения параметров, харак- теризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям норма- тивно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Работоспособность быстрорежущих сталей как инструментального материала определяется уровнем их свойств (механических, технологических, эксплуатационных), характеризующих возможность изго- тавливать из них инструмент, соответствующий заданным требованиям. Повышение работоспособности и технологичности изготовления инструмента при од- новременном значительном сокращении расхода быстрорежущих сталей является весьма ак- туальной проблемой. Решение данной проблемы возможно, в том числе и за счет совершен- ствования структурного состояния быстрорежущих сталей - достижения двухфазной струк- туры закаленной стали, измельчения зерна и карбидов, увеличения концентрации углерода и легирующих элементов в твердом растворе, упрочнения мартенсита высокодисперсными карбидами при термической обработке. Данное решение стало возможным благодаря внед- рению в технологические процессы изготовления инструмента способа упрочнения наплав- ленной быстрорежущей стали [1, 2]. Однако изготовление биметаллического наплавленного инструмента может быть со- пряжено с технологическими сложностями, прямо влияющими на его работоспособность. Природа этих сложностей объясняется наличием в наплавленном биметаллическом инстру- менте зоны термического влияния (ЗТВ) и процессов, происходящих в основном и наплавля- емом металлах при наплавке и после нее. В ЗТВ происходят существенные изменения структуры и свойств металла, что напря- мую влияет на работоспособность составного инструмента с наплавленной режущей частью. ЗТВ является крайне нежелательным, но, к сожалению, неустранимым явлением при наплав- ке быстрорежущих сталей. Однако на протяженность участков ЗТВ, а также на их свойства, в том числе твердость, можно воздействовать различными способами [3]. Технологическая прочность - способность металла выдерживать без разрушения раз- личного рода воздействия в процессе его технологической обработки. Способность образовывать швы без горячих трещин, т.е. способность претерпевать без разрушения упруго-пластическую деформацию при высоких температурах в процессе наплавки или сварки, называют технологической прочностью наплавленного металла в про- цессе кристаллизации. Способ количественной оценки технологической прочности наплав- ленного металла является по существу методом определения склонности наплавленного ме- талла к образованию при наплавке горячих трещин. Существует множество методов оценки технологической прочности, значительно раз- личающихся по своей эффективности. По назначению их разделяют на две категории: Методы для оценки сопротивляемости сплавов образованию горячих трещин, безотноси- тельно к типу и размерам свариваемых соединений. Методы для оценки стойкости наплавленного металла к образованию горячих трещин при заданном составе сплава и режимах наплавки. Классификация известных методов определения технологической прочности сварных соединений приведена в таблице 1 [4]. Большинство известных методов основано на приложении различного рода внешних усилий (растягивающих, изгибающих, крутящих и пр.) на образцы как в процессе наплавки, так и после нее. Результатами испытаний являются как количественные (скорость и величина деформации и т.д.), так и качественные показатели технологической прочности (наличие или отсутствие горячих трещин и пр.). При этом наиболее простая схема собственных напряже- ний возникает при наплавке валика на пластину. При достаточно малой толщине пластины эти напряжения имеют линейный (одноосный характер), и поэтому их определение сводится к замеру только одного компонента деформаций [5]. Для проведения исследования технологической прочности наплавленных быстрорежу- щих сталей за основу взята методика [6] по определению напряжений в наплавляемом образ- це при возникновении горячих трещин при температурах, близких к линии солидуса. При изготовлении экспериментальной установки (рисунок 1) учитывали, что непосредственно в процессе исследований производят наплавку на образцы. В данных условиях зна- чения тепловых и сварочных деформаций невелики и показатель темпа деформации при наплавке не достигает значений, вызывающих образование горячих трещин. Поэтому возни- кает необходимость приложения внешней растягивающей нагрузки заданной величины в температурном интервале хрупкости наплавленного металла. Таблица 1 Методы оценки стойкости против образования горячих трещин в процессе кристаллизации Установка имеет подвижную 2 (за счет вращения винтовой пары) и неподвижную губ- ки 10 и крепится на стол наплавочной установки 11. На установке закрепляют две пластины 5 и 9, одна из которых (пластина 5) имеет возможность свободно перемещаться. Упругий элемент 4 (плоская пружина), который предназначен для фиксации перемещений и величины нагрузки образцов 7 в процессе наплавки, жестко связан с подвижной пластиной и подвиж- ной губкой установки. Непосредственно на упругом элементе (рисунок 2) устанавливают и поджимают вин- том индикатор часового типа 3 (точность измерения - 0,001 мм), по которому фиксируют перемещения упругого элемента l2 и образца l1 при приложении растягивающей нагрузки. Крепление образцов производят в зажимах 6 и 8, установленных на пластинах. Путем вра- щения винтовой пары динамометрическим ключом 1 возможно предварительное или в про- цессе наплавки нагружение образцов с заданной величиной с отслеживанием по индикатору величины перемещения упругого элемента. а) б) Рисунок 1. Экспериментальная установка по определению технологической прочности наплавленного металла: а) схема закрепления пластины: 1 - динамометрический ключ; 2, 10 - подвижная и неподвижная губки; 3 - индикатор; 4 - упругий элемент; 5, 9 - подвижная и неподвижная пластины; 6, 8 - зажимы; 7 - образец; 11 - стол наплавочной установки; б) внешний вид установки Рисунок 2. Схема измерения перемещений на установке: l - показания индикатора; l1 - перемещение образца; l2 - перемещение упругого элемента Форму образцов для предложенного метода испытания наплавленного металла выби- рают исходя из следующих критериев: образец должен обладать минимальной жесткостью, чтобы была возможность испыты- вать наплавленный металл при малых значениях растягивающей нагрузки; размеры образца должны быть выбраны таким образом, чтобы получить значения скоро- сти охлаждения наплавленного металла не ниже критической скорости закалки; образец должен обеспечить концентрацию деформаций в испытуемом сечении при при- ложении усилий к его концам. Данным критериям соответствуют образцы из полосы 525 мм (сталь 30ХГСА, т = 830 МПа, ГОСТ 103-76) длиной 200 мм (рисунок 3). Вблизи торцов фрезеруют пазы глубиной 1 мм для надежного крепления образцов в приспособлении. В образцах сверлят два отверстия диаметром 5 мм, чтобы обеспечить кон- центрацию напряжений в исследуемом сечении при деформировании образца. Диаметр от- верстий выбирают исходя из условия качественного формирования валика и предотвращения вытекания наплавленного металла в отверстия при наплавке. По центру образца сверлят отверстие диаметром 1,5 мм для закрепления термопары. С целью возможности определения величины растягивающей нагрузки производят та- рировку упругого элемента, т.е. определяют зависимость перемещений l2 упругого элемен- та от прикладываемой к нему растягивающей нагрузки. Рисунок 3. Образцы для исследования технологической прочности наплавленного металла Приложение к образцу растягивающей нагрузки до и в процессе наплавки позволяет оценить запас технологической прочности наплавленного металла при его различных темпе- ратурах в исследуемом сечении. Значения растягивающей нагрузки, приложенной к образ- цам, последовательно увеличивают до появления в наплавленном металле горячих трещин. За критерий технологической прочности наплавляемого металла принимают макси- мальную деформацию образца в температурном интервале хрупкости при установленном значении растягивающей нагрузки, когда горячие трещины в наплавленном металле не обра- зуются. Приложение растягивающей нагрузки одной и той же величины перед наплавкой и в процессе наплавки (в области упругой и пластической деформации) вызывает различные по величине деформации образца из-за изменения механических свойств основного металла с повышением его температуры. Приложение растягивающей нагрузки Р перед наплавкой в области упругой деформа- ции позволит определить критические значения растягивающих напряжений в испытуемом сечении образца, при которых образуются горячие трещины в наплавленном металле. Пока- зания индикатора l в этом случае соответствуют деформации упругого элемента l2. Нагружение растягивающей силой в процессе наплавки, когда значения температуры наплавленного металла в испытуемом сечении соответствуют температурному интервалу хрупкости, позволяет оценить стойкость наплавленного металла к образованию горячих трещин посредством измерения критической деформации образца. Показания индикатора l на установке соответствуют разности деформаций упругого элемента l2 и пластины l1. Заключение Предотвращение образования трещин является одной из основных задач при получе- нии наплавленного металла с легированностью твердого раствора на уровне закаленного. Применение технологии наплавки при изготовлении инструмента с режущей частью из быстрорежущих сталей не позволяет в полном объеме применять известные разрушающие методы контроля сварных соединений, в частности исследования технологической прочно- сти. Наплавка, хоть и является родственным процессом сварки, имеет свои особенности в части тепловых процессов в основном и наплавленном металлах и структурных преобразо- ваний в них. Так, получение наплавленной быстрорежущей стали в закаленном состоянии с номером зерна 11 является той технологической задачей, которая успешно решается при соблюдении заданного термического цикла. Соответственно, критерии технологической прочности, за- ложенные в известных методах в данном случае неприемлемы. В предложенной методике используются основные принципы известного метода по определению напряжений в наплавляемом образце при возникновении горячих трещин при температурах, близких к линии солидуса [6] (схема нагружения, использование упругого элемента, растягивающая нагрузка при наплавке и др.). За критерий технологической прочности наплавляемого металла принимают макси- мальную деформацию образца в температурном интервале хрупкости при установленном значении растягивающей нагрузки, когда горячие трещины в наплавленном металле не обра- зуются.