Сплав для режущих материалов

Министерство образования  и науки  РФ    

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования 

" Магнитогорский государственный  технический университет им.Г.И.Носова"

Кафедра электрометаллургии и литейного  производства

Курсовой проект по дисциплине «Основы синтеза сплавов»

на тему: “Выбор состава сплава для изготовления режущих инструментов”

Содержание

1 Область применения детали 3

1.2 Эксплуатационные свойства 4

1.2.1 Горячая твердость 4

1.1.2 Красностойкость 5

1.1.3 Сопротивление разрушению 6

2 Обший анализ детали 6

2.1 Получение быстрорежущей сталей 6

2.2 Печи для выплавки быстрорежущих сталей 8

3.1 Выбор основы сплава 9

3.2 Легирующие элементы………………….…………………………………...14                                                                    3.3 Принципы легирования быстрорежущих сталей 15

4.1 Термическая обработка 16

5 Порошковые быстрорежущие стали 20

6 Экономические показатели 22

7 Список использованной литературы 24

1 Область применения детали

1.1 Назначение детали

           Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации инструмента должны сохраняться неизменными конфигурация и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью ( 60–62 HRC_Э) и износостойкостью — способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Вместе с тем, режущий инструмент должен обладать высокой прочностью и достаточной вязкостью, чтобы сохранять форму режущей кромки и сопротивляться разрушению при изгибающем (резцы) и крутящем (сверла) моментах и динамических нагрузках.

В процессе резания происходит нагрев режущей кромки инструмента. Поэтому  основным требованием, предъявляемым  к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость (красностойкость) — способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы.

  По видам режущие инструменты бываю, лезвийные инструменты, такие как резец, фрезер. Осевые режущие инструменты, такие как сверло, зенгер, метчик, плашка, протяжка, ножовочные полотна, напильник. Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот. Для пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимов, бойков. Для кузнечных штампов. Для игольной проволоки. Для слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отверток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.[1]

1.2 Эксплуатационные свойства

1.2.1 Горячая твердость

На рисунке 1 приведены  кривые, характеризующие твердость  углеродистой и быстрорежущей инструментальных сталей при повышенных температурах испытаний. При нормальной температуре твердость углеродистой стали даже несколько выше твердости быстрорежущей стали. Однако, в процессе работы режущего инструмента, происходит интенсивное выделение тепла. При этом до 80 % выделившегося тепла уходит на разогрев инструмента. Вследствие повышения температуры режущей кромки начинается отпуск материала инструмента и снижается его твердость.

Рис. 1. Твердость инструментальных сталей при повышенных температурах

После нагрева до 200 °C твердость углеродистой стали начинает быстро падать. Для этой стали недопустим режим резания, при котором инструмент нагревался бы выше 200 °C. У быстрорежущей стали высокая твердость сохраняется при нагреве до 500 ÷ 600 °C. Инструмент из быстрорежущей стали более производителен, чем инструмент из углеродистой стали.

1.1.2 Красностойкость

Если горячая твердость характеризует  то, какую температуру сталь может выдержать, то красностойкость характеризует, сколько времени сталь будет выдерживать такую температуру. То есть насколько длительное время закаленная и отпущенная сталь будет сопротивляться разупрочнению при разогреве.

Существует несколько характеристик красностойкости. Приведем две из них.

Первая характеристика показывает, какую твердость будет иметь сталь после отпуска при определенной температуре в течение заданного времени (Таблица 1).

Второй способ охарактеризовать красностойкость основан на том, что интенсивность снижении горячей твердости можно измерить не только при высокой температуре, но и при комнатной так как кривые снижения твердости при высокой температуре и комнатной идут эквидистантно, а измерить твердость при комнатной температуре, разумеется, гораздо проще, чем при высокой. Опытами установлено, что режущие свойства теряются при твердости 50 HRC при температуре резанная, что соответствует примерно 58 HRC при комнатной. Отсюда красностойкость характеризуется температурой отпуска, при которой за 4 часа твердость снижается до 58 HRC (обозначение K⁴_р58).

1.1.3 Сопротивление разрушению

Кроме «горячих» свойств от материала  для режущего инструмента требуются  и высокие механические свойства; под этим подразумевается сопротивление  хрупкому разрушению, так как при  высокой твердости (> 60 HRC) разрушение всегда происходит по хрупкому механизму. Прочность таких высокотвердых  материалов обычно определяют как сопротивление  разрушению при изгибе призматических, не надрезанных образцов, при статическом (медленном) и динамическом (быстром) нагружении. Чем выше прочность, тем большее усилие может выдержать рабочая часть инструмента, тем большую подачу и глубину резания можно применить, и это увеличивает производительность процесса резания.

2 Общий анализ детали

2.1 Получение быстрорежущей сталей

Обыкновенная быстрорежущая сталь  состоит из двух основных компонентов: карбидов тугоплавких металлов и окружающей их стальной основы. Карбиды вольфрама, молибдена или ванадия обеспечивают износостойкость инструмента, а окружающая их стальная основа обеспечивает прочность инструмента, благодаря которой он хорошо переносит ударные нагрузки. При производстве обыкновенной быстрорежущей стали ее, в расплавленном виде, разливают в изложницы, в которых она постепенно охлаждается и кристаллизуется. В это время карбиды выделяются из расплава и формируют области скопления карбидов, располагаясь неравномерно. В некоторых случаях могут образовываться карбидные неоднородности очень больших размеров (до 40 мм в диаметре). Последующая обработка металла давлением уменьшает карбидную неоднородность, но полностью от нее избавиться невозможно.

С увеличением количества карбидных  частиц для улучшения износостойкости, они увеличиваются в размере и скапливаются в виде карбидных неоднородностей. Это явление чрезвычайно пагубно сказывается на прочности инструмента, так как место скопления карбидов — это место зарождения трещин.

Порошковая быстрорежущая сталь, в отличие от обыкновенной, в расплавленном виде подается через специальную насадку через поток жидкого азота. Сталь быстро затвердевает в виде небольших частиц. Для образования карбидных неоднородностей в этих частицах недостаточно времени, в результате получается структура с равномерным расположением карбидов.

Получившийся порошок просеивается и помещается в стальной контейнер, в котором создается вакуум. Далее содержимое контейнера спекается при высокой температуре и давлении — таким образом достигается однородность материала. Этот процесс называется горячим изостатическим прессованием. После этого сталь обрабатывается давлением.

В результате получается быстрорежущая  сталь с очень маленькими частицами карбидов, равномерно распределенных в стальной основе.

У различных производителей технологический  процесс получения быстрорежущей  стали может отличаться, но в любом случае он включает в себя обработку жидким азотом и горячее изостатическое прессование. Не стоит путать процесс получения быстрорежущей стали с процессом изготовления деталей из обыкновенной стали методом порошковой металлургии. В последнем случае происходит прессование стального порошка, разогретого до температуры плавления. В этом случае структура материала при использовании связки может получиться неоднородной.

Быстрорежущая сталь, изготавливаемая  методом порошковой металлургии, сочетает в себе лучшие свойства быстрорежущей стали (прочность) и твердого сплава (износостойкость).

2.2 Печи для выплавки быстрорежущих сталей

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная. Благодаря высокой температуре в печи можно получить легированные стали с тугоплавкими элементами: вольфрамовые, молибденовые и др.

Исходными материалами для плавки в электропечах являются стальной лом, железная руда, окалина. Передельный мартеновский чугун применяют только для сталей с высоким содержанием углерода, но чаще заменяют электродным боем или малосернистым коксом.

В качестве флюсов в основных печах применяют известь, а в кислых печах — кварцевый песок. Для разжижения основных шлаков применяют плавиковый шпат, боксит и шамотный бой, а для кислых шлаков — известь и шамотный бой. Для раскисления стали, кроме обычных ферросплавов, применяют комплексные раскислители (АМС, содержащий по 10% кремния, марганца и алюминия, силикомарганец, силикокальций).Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы не произошло насыщения стали водородом от разложения влаг (Рисунок 2). Рис. 2. Схема   дуговых   электропечей   с   разными   способами нагрева

 Электрические печи для плавки металла делятся на три вида:  печи сопротивления,  дуговые и индукционные.

Для плавки стали применяют в основном дуговые и индукционные печи, а в печах сопротивления плавят сплавы цветных металлов.[3]

3.1. Выбор основы сплава

Рассмотрим как  основу сплава  железо, вольфрам и хром.

Железо - один из самых распространенных металлов в земной коре. Содержание железа в земной коре составляет 4,65%, а в целом наша планета состоит из железа почти на 35%. В основном оно сосредоточено в земном ядре. В природе железо встречается в виде оксидов (соединений с кислородом) железных рудах. Две основные железные руды - это гематит и магнетит. Гематит - одна из основных железных руд. Этот минерал часто образует комки, похожие на почки, - конкреции.

Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами.

Железо - важнейший металл современной техники. В чистом виде железо из-за его низкой прочности практически не используется, хотя в быту "железными" часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса железа применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов. На долю сплавов железа приходится примерно 95% всей металлической продукции. Богатые углеродом сплавы (свыше 2% по массе) - чугуны, выплавляют в доменных печах из обогащенных железом руд. Сталь различных марок (содержание углерода менее 2% по массе) выплавляют из чугуна в мартеновских и электрических печах и конвертерах путем окисления (выжигания) излишнего углерода, удаления вредных примесей (главным образом S, P, О) и добавления легирующих элементов. Высоколегированные стали (с большим содержанием никеля, хрома, вольфрама и других элементов) выплавляют в электрических дуговых и индукционных печах. Для производства сталей и сплавов Железа особо ответственного назначения служат новые процессы - вакуумный, электрошлаковый переплав, плазменная и электронно-лучевая плавка и другие. Разрабатываются способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество металла и автоматизацию процесса.

Вольфрам - Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т(0.0013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9. Мировые запасы вольфрамовых руд оцениваются в 2,9 млн. т в пересчете на металл.Общие мировые запасы вольфрама (без России) составляют около 7,5 млн. т, подтвержденные запасы около 4 млн. т.

Вольфрам встречается в природе  главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO₃ с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO₄ * mMnWO₄ — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO₄). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.

Вольфрам — светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало).

Некоторые физические свойства приведены  в таблице (см. выше). Другие физические свойства вольфрама:

• твердость по Бринеллю 488 кг/мм².
• удельное электрическое сопротивление при 20 °C 55·10⁻⁹ Ом·м, при 2700 °C — 904·10⁻⁹ Ом·м.
• скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с.

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самым тугоплавким металлом. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым  для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.

Благодаря высокой плотности  вольфрам используется для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки.Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей.

Хром - является довольно распространённым элементом (0,02 масс. долей, %). Основные соединения хрома — хромистый железняк (хромит) FeO·Cr₂O₃. Вторым по значимости минералом является крокоит PbCrO₄.

Среднее содержание хрома в различных  изверженных породах резко непостоянно. В ультраосновных породах (перидотитах) оно достигает 2 кг/т, в основных породах (базальтах и др.) — 200 г/т, а в гранитах десятки г/т. Кларк хрома в земной коре 83 г/т. Он является типичным литофильным элементом и почти весь заключен в минералах типа хромшпинелидов. Хром вместе с железом, титаном, никелем, ванадием и марганцем составляют одно геохимическое семейство.

Различают три основных минерала хрома: магнохромит (Mn, Fe)Cr₂O₄, хромпикотит (Mg, Fe)(Cr, Al)₂O₄ и алюмохромит (Fe, Mg)(Cr, Al)₂O₄. По внешнему виду они неразличимы и их неточно называют «хромиты». Состав их изменчив.

В свободном виде — голубовато-белый металл с кубической объемно-центрированной решеткой, а = 0,28845 нм. При температуре 39 °C переходит из парамагнитного состояния в антиферромагнитное (точка Нееля).

Хром имеет твердость по шкале Мооса 5. Очень чистый хром достаточно хорошо поддаётся механической обработке.

Хром  важный компонент во многих легированных сталях (в частности, нержавеющих), а также и в ряде других сплавов. Используется в качестве износоустойчивых и красивых гальванических покрытий (хромирование). Хром применяется для производства сплавов: хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов и в авиакосмической промышленности.

Подведем итог из вышеперечисленных компонентов для использования  их как основа сплава. Начнем с более подходящего элемента удовлетворяющий технологическим требованиям.

Вольфрам – имеет твердость  по шкале Роквелла около 90 единиц. Длительное время способен выдержать воздействие высоких температур в процессе эксплуатации. А так же очень хорошо способен противостоять ударным нагрузкам действующие на отливку.

Но присутствуют ряд отрицательных  свойств присущее данном компоненту. К ним относится сложность получения сплава, так его температура плавления достигает 2870 °C. Следуют огромные затраты на получения данной отливки из вольфрама. А так же весомая цена Вольфрама которая достигает 1,5 миллиона рублей за тонну.

Хром – имеет твердость по шкале Роквелла от 66 до 70 единиц, это второй показатель из выбранных компонентов. Он также хорошо переносит длительное тепловое воздействие, которое будет действовать на деталь в процессе эксплуатации, а так же хорошая способность сохранять твердость.

А теперь перейдем к минусам данного  компонента, к которым откосятся высокие затраты для получения хрома, так как он тугоплавкий, температура плавления равна 1857 °C. Хром по своей цене дешевле вышеперечисленного вольфрама, но все же дорогостоящий. Цена на хром достигает 600 тысяч рублей на тонну.

Железо – имеет самую низкую твердость из перечисленных компонентов, она составляет 52 единицы по Роквеллу. В процессе длительного нагрева отливки, происходит разупрочнение, изменение структуры отливки что не допустимо.

Но в отличие от вольфрама  и хрома, у железа значительно  ниже температура плавления, она  равна 1539 °C, что является весомым плюсом при получение отливки. А так же, у железа значительно не большая цена, которая значительно снижает затраты на производство нужной нам отливки. Она составляет 6 тысяч рублей за тонну железа.

Подводя итог, можно сделать вывод. Для изготовления режущего инструмента не рационально использовать вольфрам и хром, которые  в значительной степени приведут к затратам на данную отливку. Оптимальный вариант для изготовления отливки является железо, которое имеет большой плюс с экономической стороны. Недостаток твердости, сопротивление длительному воздействию высоких температур в результате трения, сопротивление ударным нагрузкам компенсируем вводом в сплав легирующих элементов, описание  которых приведем в следующем пункте.

3.2 Легирующие  элементы

Углерод - придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. С  ростом  содержания  углерода  в  структуре  стали  увеличивается  количество цементита,  при  одновременном  снижении  доли  феррита.  Прочность  повышается  до  содержания  углерода  около  1%,  а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Хром – один из самых важных легирующих элементов, применяемых в черной металлургии. Добавка хрома к обычным сталям (до 5% Сr) улучшает их физические свойства и делает металл более восприимчивым к термической обработке. Если содержание хрома в стали повысить до 10% и более, сталь становится более стойкой к окислению и коррозии, но здесь вступает в силу фактор, который можно назвать углеродным ограничением. Способность углерода связывать большие количества хрома приводит к обеднению стали этим элементом. Поэтому металлурги оказываются перед дилеммой: хочешь получить коррозионную стойкость – уменьшай содержание углерода и теряй на износостойкости и твердости. Нержавеющая сталь самой распространенной марки содержит 18% хрома и 8% никеля

Вольфрам – сплавы с содержанием вольфрама отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию.

Ванадий - придает стали такие качества как прочность, легкость, устойчивость к воздействию высоких температур, гибкость.

Кобальт - повышается жаропрочность стали, улучшаются ее механические свойства (твердость и износоустойчивость при повышенных температурах).

Молибден - значительно повышает прокаливаемость. Небольшие добавки молибдена ( 0 15 - 0 8 %) в конструкционные стали настолько повышают их прочность, вязкость и коррозионную стойкость, что они используются при изготовлении самых ответственных деталей и изделий. Присадки молибдена или вольфрама уменьшают опасность охрупчивания при отпуске.

На основе изложенных компонентов  для достижения нужных свойств, а  так же достижение минимальных экономических  затрат,   наиболее оптимальный вариант удовлетворяющий условиям перечисленных  выше  удовлетворяет сплав Р6М5Ф3 с химическим составом представленным в таблице 2.

Таблица 2 – Химический состав сплава

3. 3. Принципы легирования быстрорежущих сталей

Высокая твердость мартенсита объясняется растворением углерода в α-железе. Известно, что при отпуске из мартенсита в углеродистой стали выделяются мельчайшие частицы карбида. Пока выделившиеся карбиды еще находятся в мельчайшем дисперсном рассеянии (то есть на первой стадии выделения при отпуске до 200 °C), твердость заметно не снижается. Но если температуру отпуска поднять выше 200 °C, происходит рост карбидных выделений, и твердость падает.

Чтобы сталь устойчиво  сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы процесс коагуляции карбидов. Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то красностойкость скачкообразно возрастает. Это обусловлено тем, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого требуется не только диффузия углерода, но и диффузия легирующих элементов. Практически заметная коагуляция специальных карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия происходит при температурах выше 500°C. Таким образом, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды и эти карбиды переходят в раствор при закалке. Несмотря на сильное различие в общем химическом составе, состав твердого раствора очень близок во всех сталях, атомная сумма W+Mo+V, определяющая красностойкость, равна примерно 4 % (атомн.), отсюда красностойкости и режущие свойства у разных марок быстрорежущих сталей близки. Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали (он повышает красностойкость), но кобальт очень дорогой элемент.

4.1 Термическая обработка

Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности  и вязкости инструменты из быстрорежущих  сталей приобретают после закалки  и многократного отпуска.

Закалка. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение в аустените труднорастворимых карбидов вольфрама, молибдена и ванадия. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки высоколегированный мартенсит с высокой теплостойкостью. Поэтому температура закалки очень высокая и составляет » 1200–1300 °С (Таблица 3).

+

Рис. 3. Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига; в) после закалки; г) после отпуска. ×500.

Таблица 3- Оптимальные режимы термообработки основных марок быстрорежущих сталей