ПЕРСПЕКТИВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ИНСТРУМЕНТА ИЗ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ С МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ И НАНОРАЗМЕРНОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ФАЗОЙ
ПЕРСПЕКТИВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ИНСТРУМЕНТА ИЗ ПОРОШКОВОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ С МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ И НАНОРАЗМЕРНОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ФАЗОЙ
Гиршов Владимир Леонидович, д.т.н., профессор Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Абрамов Алексей Александрович, д.т.н. ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт материалов»
Производительность и стойкость инструмента в большой степени зависят от механических свойств инструментального материала. В частности, прочность и вязкость быстрорежущих сталей (БС) в состоянии высокой твердости ока¬зывают сильное влияние на работоспособность режущего инструмента. Од¬нако сущепконному повышению механических свойств препятствует карбид¬ная неоднородность структуры БС. Чем выше степень карбидной неодно¬родности, том ниже механические свойства.
На протяжении MIIOI их лет борьба с карбидной неоднородностью БС велась путем совершонотоиания технологии литья и деформации слитков, но кар¬динальное решение пои проблемы стало возможным только на базе техно логии порошковой металлургии, включающей распыление металлического расплава и последующее компактирование распыленных порошков в плот¬ные, беспористые заготовки.
Жидкую сталь обычно распыляют высокоскоростным потоком азота на час¬тицы размером около 100 мкм. Скорость охлаждения таких частиц при крис¬таллизации достигает 103-104 оС/с, что в тысячи раз больше скорости ох¬лаждения обычных слитков. В результате меняется характер кристаллиза¬ции стали: предотвращается развитие карбидной неоднородности и резко измельчаются структурные составляющие образующихся порошковых час¬тиц.
Cопоставляются механические свойства и шлифуемость порошко¬вой и стандартной стали после закалки и отпуска.
1. Ударная вязкость определена на образцах Шарли с С-образным надрезом
2. Шлифуемость - отношение массы удаленного при шлифовке металла к потере массы шлифовального круга
Повышение механических свойств порошковой стали сопровождается зна¬чительным увеличением стойкости инструментов. Например, при токарной обработке деталей из армко-железа (очень вязкий материал) стойкость рез¬цов из порошковой стали составила 180 мин., тогда как такие же резцы из стандартной стали работали до переточки 30 мин.
Объяснить столь высокое повышение механических и стойкостных свойств порошковых быстрорежущих сталей только изменением размера видимых под оптическим микроскопом карбидов нельзя. Вероятнее всего значитель¬ный вклад в изменение свойств вносит упрочняющая наноразмерная кар¬бидная фаза. Известно, что в процессе отпуска происходит дисперсионное твердение быстрорежущей стали с выделением наноразмерной карбидной фазы размером около 50 нм.
В настоящее время нет отечественного производства порошковой быстроре¬жущей стали. На российском рынке имеется в основном шведский режущий инструмент из порошковой стали.
Шведская технология производства порошковых заготовок включает газовое распыление жидкой стали и засыпку порошков в капсулы О 570 х 2000 мм, массой около 2 т. Затем капсулы с порошком герметизируют сваркой и под-
18
вергают горячему изостатическому прессованию при температуре 1100°С и давлении 1000 атмосфер в специальных газостатах. Полученные беспорис¬тые прессовки куют на мощных молотах. Основная продукция - прутки диа¬метром 30-100 мм для изготовления среднего и крупного инструмента. Ранее под научным руководством ФГУП «Центральный научно-исследова-тельский институт материалов» (ФГУП «ЦНИИМ») проводились исследова¬ния по разработке порошковых ВС и отечественной технологии их производ¬ства. В ФГУП «ЦНИИМ» разработаны порошковые БС марок 10Р6М5-МП, Р10Ф1К8М6-МП, а также технология горячей экструзии. Способ горячей эк¬струзии характерен наличием значительных сдвиговых деформаций в зоне истечения металла, что позволяет за один проход порошкового материала через очко матрицы получить практически беспористую порошковую заго¬товку с высокой степенью деформации металла. Технология горячей экстру¬зии выгодно отличается от шведской технологии простотой и эффективнос¬тью.
Основным научным результатом исследований дисперсной структуры и свойств БС был вывод о том, что механические свойства порошковых сталей определяются не только размером зерна и карбидов (эти элементы структу¬ры достаточно дисперсны и стабильны), но и размером специфичных де¬фектов - оксидных пленок, расположенных на межчастичных границах. На рис. 2 показана зависимость прочности стали 10Р6М5-МП от остаточного со¬держания кислорода.
В ФГУП «ЦНИИМ» разработан новый вариант технологии горячей экструзии порошков в герметичных капсулах с титановым геттером. При нагреве капсу¬лы с порошком геттер создает в ней вакуум и обеспечивает восстановление оксидных пленок, поглощая газообразные продукты реакции восстановле¬ния. Для повышения степени дисперсности остаточных дефектов структуры экструдированные заготовки подвергаются дополнительной горячей дефор¬мации прокаткой и волочением для изготовления серебрянки диаметром 1-10 мм. Перечисленные технологические разработки обеспечивают повы¬шение уровня прочности стали 10Р6М5-МП в прутках О10 мм до 6000 МПа и ударной вязкости до 700 кДж/м2.
Обобщение результатов опытно-промышленных испытаний показало превы¬шение стойкости порошкового инструмента в 2-6 раз по сравнению с анало¬гичным инструментом из сталей Р6М5 и Р18.
Несмотря на то, что порошковые инструментальные стали уже существуют более 30 пет, порошковый инструмент в нашей стране еще не получил дос¬таточно широкого применения. Это объясняется, прежде всего, экономичес¬ким спадом I990 х годов и отсутствием достоверной информации об эконо¬мический |ффоктивности порошкового инструмента. Часто инструменталь¬щиков oinyi ни.MI высокая стоимость порошковых сталей и они не учитыва¬ют, что i [..циннии. и,|до о стоимости материала, а стоимости инструментов с учетом и-.....|х|)ици(’игп стойкости. Доля стоимости материала в стоимос- ти инструмента значительно уменьшается по мере увеличения трудозатрат на изготовление инструмента и уменьшения массы единицы инструмента. В 2007 г. по инициативе ЦНИИМ и СПбГПУ в Федеральную целевую програм¬му «Национальная технологическая база» включена тема НИР «Разработка технологии получения порошковых инструментальных сталей и других ме¬таллических сплавов с карбидным и интерметаллидным упрочнением, обла¬дающих ультрадисперсной структурой и особо высокими механическими и функциональными свойствами». В рамках этой темы планируется получить порошковые стали с особо дисперсной, в том числе наноразмерной структу¬рой, а также создать предпосылки для организации отечественного произ¬водства инструмента из порошковой быстрорежущей стали. Для успешного решения поставленных задач по организации производства отечественных ПБС необходимо, прежде всего, определиться с потребнос¬тями наших машиностроительных и приборостроительных предприятий в высококачественном инструменте. ЦНИИМ направил письма более чем 30 предприятиям, с просьбой сообщить свои потребности в порошковом инст¬рументе, но большинство предприятий такие запросы проигнорировапо. Пользуясь возможностью, мы просим ассоциацию «Станкоинструмент» по¬мочь определить текущие и перспективные потребности отечественного ма¬шиностроения в заготовках из порошковых инструментальных сталей.
Гиршов Владимир Леонидович, д.т.н., профессор Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Абрамов Алексей Александрович, д.т.н. ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт материалов»
Производительность и стойкость инструмента в большой степени зависят от механических свойств инструментального материала. В частности, прочность и вязкость быстрорежущих сталей (БС) в состоянии высокой твердости ока¬зывают сильное влияние на работоспособность режущего инструмента. Од¬нако сущепконному повышению механических свойств препятствует карбид¬ная неоднородность структуры БС. Чем выше степень карбидной неодно¬родности, том ниже механические свойства.
На протяжении MIIOI их лет борьба с карбидной неоднородностью БС велась путем совершонотоиания технологии литья и деформации слитков, но кар¬динальное решение пои проблемы стало возможным только на базе техно логии порошковой металлургии, включающей распыление металлического расплава и последующее компактирование распыленных порошков в плот¬ные, беспористые заготовки.
Жидкую сталь обычно распыляют высокоскоростным потоком азота на час¬тицы размером около 100 мкм. Скорость охлаждения таких частиц при крис¬таллизации достигает 103-104 оС/с, что в тысячи раз больше скорости ох¬лаждения обычных слитков. В результате меняется характер кристаллиза¬ции стали: предотвращается развитие карбидной неоднородности и резко измельчаются структурные составляющие образующихся порошковых час¬тиц.
Cопоставляются механические свойства и шлифуемость порошко¬вой и стандартной стали после закалки и отпуска.
1. Ударная вязкость определена на образцах Шарли с С-образным надрезом
2. Шлифуемость - отношение массы удаленного при шлифовке металла к потере массы шлифовального круга
Повышение механических свойств порошковой стали сопровождается зна¬чительным увеличением стойкости инструментов. Например, при токарной обработке деталей из армко-железа (очень вязкий материал) стойкость рез¬цов из порошковой стали составила 180 мин., тогда как такие же резцы из стандартной стали работали до переточки 30 мин.
Объяснить столь высокое повышение механических и стойкостных свойств порошковых быстрорежущих сталей только изменением размера видимых под оптическим микроскопом карбидов нельзя. Вероятнее всего значитель¬ный вклад в изменение свойств вносит упрочняющая наноразмерная кар¬бидная фаза. Известно, что в процессе отпуска происходит дисперсионное твердение быстрорежущей стали с выделением наноразмерной карбидной фазы размером около 50 нм.
В настоящее время нет отечественного производства порошковой быстроре¬жущей стали. На российском рынке имеется в основном шведский режущий инструмент из порошковой стали.
Шведская технология производства порошковых заготовок включает газовое распыление жидкой стали и засыпку порошков в капсулы О 570 х 2000 мм, массой около 2 т. Затем капсулы с порошком герметизируют сваркой и под-
18
вергают горячему изостатическому прессованию при температуре 1100°С и давлении 1000 атмосфер в специальных газостатах. Полученные беспорис¬тые прессовки куют на мощных молотах. Основная продукция - прутки диа¬метром 30-100 мм для изготовления среднего и крупного инструмента. Ранее под научным руководством ФГУП «Центральный научно-исследова-тельский институт материалов» (ФГУП «ЦНИИМ») проводились исследова¬ния по разработке порошковых ВС и отечественной технологии их производ¬ства. В ФГУП «ЦНИИМ» разработаны порошковые БС марок 10Р6М5-МП, Р10Ф1К8М6-МП, а также технология горячей экструзии. Способ горячей эк¬струзии характерен наличием значительных сдвиговых деформаций в зоне истечения металла, что позволяет за один проход порошкового материала через очко матрицы получить практически беспористую порошковую заго¬товку с высокой степенью деформации металла. Технология горячей экстру¬зии выгодно отличается от шведской технологии простотой и эффективнос¬тью.
Основным научным результатом исследований дисперсной структуры и свойств БС был вывод о том, что механические свойства порошковых сталей определяются не только размером зерна и карбидов (эти элементы структу¬ры достаточно дисперсны и стабильны), но и размером специфичных де¬фектов - оксидных пленок, расположенных на межчастичных границах. На рис. 2 показана зависимость прочности стали 10Р6М5-МП от остаточного со¬держания кислорода.
В ФГУП «ЦНИИМ» разработан новый вариант технологии горячей экструзии порошков в герметичных капсулах с титановым геттером. При нагреве капсу¬лы с порошком геттер создает в ней вакуум и обеспечивает восстановление оксидных пленок, поглощая газообразные продукты реакции восстановле¬ния. Для повышения степени дисперсности остаточных дефектов структуры экструдированные заготовки подвергаются дополнительной горячей дефор¬мации прокаткой и волочением для изготовления серебрянки диаметром 1-10 мм. Перечисленные технологические разработки обеспечивают повы¬шение уровня прочности стали 10Р6М5-МП в прутках О10 мм до 6000 МПа и ударной вязкости до 700 кДж/м2.
Обобщение результатов опытно-промышленных испытаний показало превы¬шение стойкости порошкового инструмента в 2-6 раз по сравнению с анало¬гичным инструментом из сталей Р6М5 и Р18.
Несмотря на то, что порошковые инструментальные стали уже существуют более 30 пет, порошковый инструмент в нашей стране еще не получил дос¬таточно широкого применения. Это объясняется, прежде всего, экономичес¬ким спадом I990 х годов и отсутствием достоверной информации об эконо¬мический |ффоктивности порошкового инструмента. Часто инструменталь¬щиков oinyi ни.MI высокая стоимость порошковых сталей и они не учитыва¬ют, что i [..циннии. и,|до о стоимости материала, а стоимости инструментов с учетом и-.....|х|)ици(’игп стойкости. Доля стоимости материала в стоимос- ти инструмента значительно уменьшается по мере увеличения трудозатрат на изготовление инструмента и уменьшения массы единицы инструмента. В 2007 г. по инициативе ЦНИИМ и СПбГПУ в Федеральную целевую програм¬му «Национальная технологическая база» включена тема НИР «Разработка технологии получения порошковых инструментальных сталей и других ме¬таллических сплавов с карбидным и интерметаллидным упрочнением, обла¬дающих ультрадисперсной структурой и особо высокими механическими и функциональными свойствами». В рамках этой темы планируется получить порошковые стали с особо дисперсной, в том числе наноразмерной структу¬рой, а также создать предпосылки для организации отечественного произ¬водства инструмента из порошковой быстрорежущей стали. Для успешного решения поставленных задач по организации производства отечественных ПБС необходимо, прежде всего, определиться с потребнос¬тями наших машиностроительных и приборостроительных предприятий в высококачественном инструменте. ЦНИИМ направил письма более чем 30 предприятиям, с просьбой сообщить свои потребности в порошковом инст¬рументе, но большинство предприятий такие запросы проигнорировапо. Пользуясь возможностью, мы просим ассоциацию «Станкоинструмент» по¬мочь определить текущие и перспективные потребности отечественного ма¬шиностроения в заготовках из порошковых инструментальных сталей.
