Получение режущего инструмента из порошка быстрорежущих сталей с последующим диффузионным насыщением

Получение режущего инструмента из порошка быстрорежущих сталей с последующим диффузионным насыщением.

Латыпов Р.А., Слуковская К.Н., Кудряшов А.Е., Еремеева Ж.В.

В работе исследовалась технология изготовления заготовок дисковых фрез из порошка быстрорежущей стали и характеристики полученного материала. Изучались технологические особенности производства порошковых фрез горячей обработкой давлением спеченных заготовок с последующим многокомпонентным насыщением.

Изготавливали пористые заготовки со связкой (парафин, высокотемпературный каменноугольный пек), возгоняемой при температуре ниже температуры спекания. После изготовления брикета необходимой формы и проводят изотермическое спекание в засыпке Al2O3. В работе было выполнено спекание цилиндрических и кольцевых брикетов на парафиновой и пековой связке из Р6М5К5 и Р6М5 при различных температурах. В таблице 1 показан исходный гранулометрический состав, плотность, средняя линейная усадка по диаметру, усадка по высоте для цилиндрических заготовок из ПС Р6М5К5 при размере брикета h =30мм, d = 15 мм. Температура спекания для них выбрана близкой к линии солидуса (1220-1240ºС), время спекания – 1 час. Микроструктурный анализ показал, что при спекании заготовок, содержащих в составе шихты частицы размером 56 мкм и меньше образуется жидкая фаза. Предполагаемая причина возникновение жидкой фазы – повышенное общее содержание углерода и более высокая внутренняя энергия мелких частиц.

Таблица 1

Гранулометрический состав, плотность и усадка при спекании образцов из порошка стали Р6М5К5

Размер частиц, мкм		Плотность, г/см³	Усадка, %
не более	не менее	Плотность, г/см³	Радиальная	осевая
-450	+355	6,13	9,1	8,3
-250	+160	6,48	10,4	8,8
-160	+71	6,55	10,25	8,4
-560	+56	7,65	17,4	11,6
-71	+56	8,05	12,2	8,3

Брикеты монометаллических пористых кольцевых заготовок из ПБС Р6М5 имели dнар = 72 мм, dвн = 56, 4мм, h = 10; 15 и 20 мм. Спекание выполняли при температурах 1050, 1100 и 1150ºС. Время выдержки составляло соответственно 1,5 ч; 1ч и 40 мин.

Муфель загружали в холодную печь во избежание бурного парообразования при испарении парафина. Дополнительная выдержка при нагреве выполнялась при температуре испарения парафина, дальнейшее ее повышение происходило с произвольной скоростью. Охлаждение осуществляли до 800ºС с печью, затем в муфеле на воздухе до 60-90ºС с непрерывной подачей защитного газа. Радиальная линейная усадка составила при температуре 1050ºС - 1,5%; при температуре 1100ºС – 3,5% и при температуре 1150ºС – 6,5%. При проведении микроструктурного анализа образцо, спеченных при данных температурах ледебуритных структур не обнаружено.

Спекание при температуре 1050ºС позволяет получить заготовку с достаточной прочностью, исключает образование трещин, поскольку усадка невелика. При более высоких температурах спекания иногда возникали трещины на заготовках.

Биметаллические пористые кольцевые образцы имели наружные и внутренние цилиндрические оболочки из малоуглеродистой стали толщиной 1,7-1,9 мм, dнар = 72 мм, dвн = 54,5 мм, h = 10 мм. Промежуток между оболочками заполняли ПБС Р6М5 и спекали в засыпке Al2O3 при температуре 1050ºС; 1100ºС и 1150ºС по приведенным выше временным режимам. При спекании при 1050ºС усадка по высоте компенсирует усадку по окружности и разрушение спеченного кольца не наблюдалось; при спекании 1100ºС происходил разрыв кольца на сегменты неодинаковых размеров, при 1150ºС происходило отделение в некоторых местах спеченного ПБС Р6М5 от наружного кольца. Опыт показывает, что правильным выбором режимов спекания можно предотвратить возможные дефекты в результате усадки.

Для биметаллических полностью порошковых заготовок брикеты наружного кольца, образующего режущую часть фрезы из ПБС Р6М5 имели dнар = 72 мм, dвн = 56мм, h = 15мм, брикеты внутреннего кольца из порошка НЖР2.200.28 с добавкой 0,7- 0,9% высокотемпературного каменноугольного пека имели dнар = 56мм, dвн = 41,5мм, h = 15мм.

Сборку (внутренний брикет вставлен в наружный) спекали по указанным выше режимам. В данном случае получали заготовки без трещин, так как усадка материала колец различалась незначительно.

Нагрев пористых заготовок под горячее прессование проводили в муфеле электропечи сопротивления, в защитной среде диссоциированного аммиака по режиму: температура 1150±25ºС, время выдержки - 3 мин.

Горячее прессование проводили на фрикционном молоте с массой падающих частей 885 кг при приведенной работе уплотнения 250 кДж/м³.

Дополнительными операциями для заготовок в цилиндрических оболочках являлись:

- предварительное уплотнение в пресс-форме с центральным стержнем без бокового течения и, перед последующими операциями;

- обточка увеличивающейся по толщине наружной оболочки.

После первой операции и обточки пакет из четырех заготовок осаживали в пресс-форме пуансонами без отверстий. После чего заготовки правили на плоских бойках, собирали в пакет, производили свободную осадку пакета и правку плоскими бойками каждой заготовки.

Первую осадку полностью порошковых моно- и биметаллических заготовок проводили в пресс-форме без центрального стержня пуансонами без отверстий, затем в описанной последовательности выполняли осадку в пакете и правку.

С целью увеличения износостойкости данных сталей проводили многокомпонентное диффузионное насыщение Cr, Ni и Mo в расплавах солей с индукционным нагревом. Для диффузионного насыщения с использованием ТВЧ использовалась стандартная заводская высокочастотная установка ЛЗ-67В мощностью 60 кВт с рабочей частотой 66 ± 6 кГц. Многокомпонентное насыщение производилось в графитсодержащих тиглях марки ТГДМ, выпускаемых на предприятии ОАО “Лужский абразивный завод”. Выбор указанного типа тигля обусловлен тем, что материал, из которого он изготовлен, не экранирует образцы, находящиеся в тигле с расплавом от высокочастотного магнитного поля. При этом тигель нагревается под воздействием ТВЧ индуктора, расплавляя соли, но его нагрев происходит гораздо медленнее нагрева образцов (v_нагр.т. = 8 – 10 °С/с). Более низкая теплопроводность и магнитная проницаемость тигля позволяют производить ХТО образцов без перегрева тигля, так как образцы нагреваются 10 – 30 раз быстрее. На заготовке был получен диффузионный слой толщиной 350 мкм, состоящий из нескольких зон. Внешняя зона – зона карбида хрома, следующая внутренняя зона состоит из смеси сложных карбидов хрома, молибдена и никеля, что определяет повышенную износостойкость полученного слоя.

Для проведения испытаний на стойкость при резании использовали заготовки с отверстием диаметром 80/45 мм, толщиной 7 мм, полученные из пористых заготовок диаметром 70/55 мм, высотой 20 мм после проведения многокомпонентного диффузионного насыщения Cr, Ni и Mo в расплавах солей с индукционным нагревом. Изготовили отрезные резцы шириной 5 мм и твердостью 63 HRC. Было проведено испытание резцов при точении стали 45. Исследуемые резцы показали более высокую, в 2,5 раза, стойкость при резании, чем у резцов изготовленных из компактной стали Р6М5, не прошедшей многокомпонентного диффузионного насыщения.

Заключение. Проведенные исследования показали возможность изготовления резцов из порошковой стали Р6М5К5. Проведение многокомпонентного диффузионного насыщения Cr, Ni и Mo позволяет повысить стойкость при резании в 2,5 раза.