Введение

В современном точном машиностроении непрерывно повышаются требования к разрабатываемым изделиям. В такой высокотехнологичной области производства проектирование и изготовление деталей и компонентов с исключительно высокими допусками микронного уровня точности требуют применения специальных материалов с улучшенной обрабатываемостью резанием [1, 2].

Обрабатываемость резанием оценивается по нескольким показателям, основным из которых является интенсивность изнашивания режущего инструмента. Количественной характеристикой интенсивности изнашивания инструмента считается максимально допустимая скорость резания, которая соответствует определенной степени износа или заданной стойкости инструмента [3].

Обрабатываемость материала зависит от его механических свойств, микроструктуры и химического состава [4, 5].

Допустимая скорость резания уменьшается при повышении твердости и прочности стали за счет возрастающих усилий резания и температуры нагрева инструмента, вызывающего разупрочнение его режущей кромки и снижение стойкости. При этом обрабатываемость слишком пластичных сталей, в частности сталей аустенитного класса, затруднена в связи с образованием сплошной трудноломающейся стружки, которая оказывает негативное влияние на изнашиваемость инструмента и в итоге приводит к получению шероховатой поверхности детали с задирами.

Так, за рубежом широкое применение при изготовлении деталей изделий специального назначения нашли углеродистые легированные хромоникелевые и хромомолибденовые стали марок 4140 и 4150 с содержанием углерода 0,4 и 0,5 % (здесь и далее – % (по массе)), а также ~1 % Cr и 0,25 % Мо соответственно [6, 7].

В России для подобных изделий традиционно применяют отечественные углеродистые легированные стали марок 30ХН2МФА, 30ХРА, 30ХМА и 38ХМА. Указанные стали обладают высокими прочностными характеристиками, удовлетворительной обрабатываемостью резанием и используются для массового серийного производства благодаря оптимальному соотношению между ценой и качеством [8]. Однако эти стали являются некоррозионностойкими. Так, в условиях полевого применения детали из сталей подобного состава испытывают воздействие таких природных факторов, как повышенная влажность, пылевое (абразивное) загрязнение, солевая коррозия и др., что негативно влияет на их работоспособность и долговечность [9].

При изготовлении деталей специального назначения, требующих высокой точности, широкое распространение получили автоматные стали, содержащие повышенное количество серы [10, 11].

Легирование стали серой в количестве ~0,3 % вызывает в микроструктуре местные нарушения сплошности металлической матрицы благодаря тонкому распределению сульфидных включений – сульфидов марганца MnS, вытянутых вдоль направления волокна при деформации. Сульфиды при обработке оказывают на режущий инструмент смазывающее действие. Присутствие в стали большого количества сульфидов марганца способствует облегчению отделения и измельчению стружки. При этом одновременно устраняются налипание и намазывание металла на поверхности, наблюдаемые при обработке мягких пластичных материалов, что способствует получению гладкой блестящей поверхности резания [12, 13].

Для улучшения обрабатываемости резанием, помимо серы, в состав стали добавляют такие элементы, как фосфор, свинец, висмут и кальций [14–16].

Добавление фосфора в небольшом количестве (до 0,06–0,12 %) в сочетании с серой способствует улучшению ломкости стружки и облегчает ее удаление [17].

Отечественные углеродистые автоматные стали типа А11 и А20 с повышенным содержанием S (до 0,3 %) и Р (до 0,06 %) применяют для изготовления малонагруженных деталей сложной формы, где требуются высокая точность размеров и чистота поверхности, однако отсутствие хрома и, как следствие, низкая коррозионная стойкость ограничивают их применение для производства ответственных деталей [18].

В отечественной промышленности разработаны хромистые автоматные стали марок 3Х13Н2 (ЭИ474), 4Х18Н2М (ЭП378), Х16Н3МАД (ЭП811, ВНС-21) [19].

При изготовлении полуфабрикатов из стали марки ЭИ474 (0,2–0,3 % С и 0,15–0,25 % S) заготовки не склонны к образованию трещин в процессе горячей деформации [20]. Детали из указанной стали после полирования и пассивирования для повышения коррозионностойкости в атмосферных условиях обладают высоким уровнем прочности: после термической обработки обеспечивается твердость ≥48 HRC. В основном сталь применяется для изготовления различных типов шестерней, цапф и переходных осей приборов, которые требуют хорошей обрабатываемости резанием и высокой коррозионной стойкости.

Недостатком стали марки ЭИ474 является невозможность эксплуатации деталей при отрицательных температурах (температурный интервал применения составляет 50–150 °С) [20]. Кроме того, при получении требуемой твердости указанной стали (на уровне 27–31 HRC), используемой для изготовления изделий специального назначения, отечественные производители столкнулись со склонностью к хрупкому разрушению и образованию трещин при механической обработке (дорнировании).

Хромистая сталь 4Х18Н2М (ЭП378) с содержанием 0,35–0,45 % С и 0,15–0,25 % S применяется для изготовления деталей передаточных механизмов приборов (шестерней, цапф, переходных осей и др.), предназначенных для работ в тропических условиях. Температура эксплуатации стали от –50 до +150 °С. Упрочняющая термическая обработка стали обеспечивает твердость 48–52 HRC, предел прочности 1620 МПа и предел текучести 1325 МПа.

Однако низкая ударная вязкость KCU (19 Дж/см²)в термически упрочненном состоянии и высокое содержание углерода (0,35–0,45 %), который не обеспечивает достаточной коррозионной стойкости из-за присутствия карбидов хрома в микроструктуре, ограничивают область применения стали ЭП378 для изготовления деталей специального назначения.

Сталь переходного класса Х16Н3МАД (ЭП811, ВНС-21) является модификацией широко распространенной и применяемой в деталях авиационной техники стали марки ВНС-5 (ЭП310) с добавлением серы в количестве 0,07–0,15 %. Детали, изготовленные из стали ВНС-21, предназначены для работы в тропических условиях, интервал температур эксплуатации стали от –50 до +150 °С. Детали применяются для получения таких компонентов механизмов передаточных приборов, как оси и трибки (мелкомодульные зубчатые колеса с малым количеством зубьев, составляющие одно целое со своей осью вращения). Однако указанная сталь не нашла широкого распространения в отечественной промышленности из-за сложности ее изготовления в части получения слитков, а именно из-за необходимости контроля фазового состава и доводки его в процессе выплавки до требуемых значений, а также использования специального оборудования.

За рубежом для высокоточных деталей изделий специального назначения широко применяются автоматная коррозионностойкая сталь мартенситного класса марки 416 и ее модификация 416R (США). Буква R (от англ. rifle – нарезной) указывает на повышенную обрабатываемость стали (freemachining). Сталь содержит ~0,1 % С. Наличие в стали серы в количестве ~(0,2–0,3) % в виде легирующего элемента обеспечивает хорошую технологичность при обработке резанием и позволяет достигать высокого качества отделки поверхности при изготовлении деталей. Высокая коррозионная стойкость стали обеспечивается за счет содержания ~(11–13) % Cr и относительно небольшого количества углерода (~0,1 %).

Специалисты НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ провели исследования по разработке автоматной коррозионностойкой стали с механическими свойствами, близкими к показателям стали 416R (патент на изобретение № 2838608) [21].

Повышенное содержание фосфора в разработанной стали по сравнению с его количеством в стали 416R при сохранении концентрации серы способствует получению короткой хрупкой стружки и уменьшению трения между инструментом и обрабатываемой деталью и, как следствие, повышению скорости резания и уменьшению износа инструмента.

В данной работе исследовали особенности изменения механических свойств и микроструктуры после закалки и отпуска при различных температурах, а также влияние разного содержания основных химических элементов на твердость, микроструктуру и обрабатываемость стали.

Материалы и методы

Объектом исследования были прутки Ø37 мм из коррозионностойкой автоматной стали разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Выплавку слитков проводили в вакуумно-индукционной печи.

Деформацию слитков для получения заготовок проводили на изотермическом прессе с усилием 16·10⁶ Н с последующей прокаткой на пруток Ø37 мм на стане радиально-сдвиговой прокатки.

Термическую обработку образцов проводили в атмосферных электропечах.

Исследования микроструктуры образцов в процессе изготовления (слиток–заготовка–пруток) проводили на оптическом инвертированном микроскопе при увеличении ×500.

Твердость образцов определяли на универсальном твердомере методом Роквелла по ГОСТ 9013–59 и методом Бринелля в соответствии с ГОСТ 9012–59.

Испытания на растяжение для определения механических свойств (σ_в, σ_0,2, δ) стали после термической обработки проводили на круглых образцах, вырезанных из прутков, в соответствии с ГОСТ 1497–2023.

Определение углерода и серы проводили с использованием газоанализатора. Содержание остальных элементов определяли атомно-эмиссионным методом с помощью спектрометра.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Для исследования микроструктуры и свойств автоматной стали выплавлены плавки с различным химическим составом. За базовый принят следующий состав стали (плавка 1), % [21]:

Химический состав остальных трех плавок относительно плавки 1 имел следующие отличия:

– в плавке 2 было пониженное содержание углерода и марганца без легирования фосфором;

– плавка 3 легирована повышенным количеством никеля при пониженном уровне марганца и без добавления фосфора;

– плавка 4 имеет пониженное содержание углерода и марганца с добавлением фосфора.

Легирование фосфором способствует получению короткой хрупкой стружки, уменьшению трения между инструментом и деталью и, как следствие, повышению скорости резанья, уменьшению износа инструмента.

Выплавку стали проводили в вакуумно-индукционной печи с разливкой в слитки массой 35 кг. Разлив в слитки осуществлялся медленно для уменьшения ликвационной неоднородности. Слитки подвергали гомогенизации для выравнивания химического состава и отжигу под последующую механическую обработку. Слитки сначала ковали до получения Ø70 мм, а затем прокатывали до Ø(37–38) мм.

После окончательной термической обработки прутки подвергали исследованию механических свойств и обработке резанием с помощью сверления. Исследовали микроструктуру на различных стадиях изготовления прутка Ø(37–38) мм.

Микроструктуры слитка и прутков из плавки 3 представлены на рис. 1–3. На микрошлифе (рис. 1) без травления в литом состоянии видны сульфиды марганца по границам дендритов.

Рис. 1. Микроструктура (×500, продольное направление) слитка (без травления)

Микроструктура микрошлифа (рис. 2) кованого прутка Ø70 мм после электролитического травления в 10%-ном растворе щавелевой кислоты представляет собой сульфиды по границам дендритов, δ-феррит и плохо травящийся мартенсит. Такая микроструктура свидетельствует о малой степени деформации (укова).

Микроструктура прутка Ø37 мм (рис. 3) после прокатки и термообработки состоит из сульфидов марганца, вытянутых вдоль направления прокатки, δ-феррита и мартенсита.

В связи с тем, что, кроме хрома, сера и фосфор также являются ферритообразующими элементами, в микроструктуре стали содержится высокотемпературная фаза δ-феррит.

Исследование прутков Ø37 мм из плавок с пониженным содержанием углерода (~0,10 %) и марганца (~0,4 %) при содержании серы 0,3 % показало присутствие в микроструктуре повышенного количества δ-феррита (рис. 4), что привело к появлению трещин при горячей деформации.

Легирование стали аустенитообразующими элементами – углеродом (~0,13 %) и марганцем (~0,9 %) при содержании серы 0,3 % вызывает уменьшение содержания δ-феррита в микроструктуре стали (рис. 5) и приводит к отсутствию трещин при горячей деформации.

Для выбора режима упрочняющей термической обработки для деталей из автоматной стали проведены исследования влияния различных режимов термообработки на стандартные механические свойства и твердость плавок 1–4 с различным химическим составом.

Исследованы различные режимы закалки и отпуска. Исследования проводили на шайбах толщиной ~15 мм из прутков Ø37 мм. Закалку проводили по режимам Р1 (при температуре, достаточной для растворения частиц карбидов) и Р2 (при температуре на 20 °С больше, чем температура Р1).

Из источников научно-технической литературы известно, что для получения твердости импортной автоматной стали 416R на уровне ~30 HRC отпуск проводится в интервале температур ~(500–600) °С, в связи с чем выбраны различные температуры отпуска (О1, О2, О3), находящиеся в указанном интервале, при этом О3 > О2 > О1. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Твердость опытных плавок (шайбы Ø37 мм и толщиной 15 мм)

Результаты исследований показали, что твердость образцов из опытных плавок 1 и 3 соответствует значениям импортной стали 416R после закалки с обеих температур и отпуска по режимам О2 и О3. Механические свойства плавок с различным содержанием углерода представлены в табл. 2.

Таблица 2

Механические свойства образцов из плавок (прутки Ø37 мм)

с различным содержанием углерода

После закалки и отпуска твердость стали повышается до 29–31 HRC за счет образования мартенситной микроструктуры с содержанием углерода 0,12–0,15 % при выбранном соотношении других химических элементов (Mn и Ni).

Пониженное содержание углерода и марганца в плавках 2 и 4 не обеспечивает требуемую твердость, значение показателя составило 26–27 HRC.

За счет заданного соотношения элементов и повышенного содержания фосфора автоматная сталь обладает улучшенными характеристиками механообрабатываемости (скорость и подача инструмента в процессе резания), что позволяет повысить производительность и точность изготовления деталей по сравнению с традиционно применяемыми автоматными коррозионностойкими сталями.

Повышенное содержание никеля (~0,8 %) в плавке 3 привело к увеличению пластичности стали, в результате чего образовалась несплошность и произошла остановка инструмента в процессе дорнирования заготовки (рис. 6).

Снижение содержания никеля до 0,25 % и дополнительное легирование фосфором до 0,10 % в плавке 1 позволили (рис. 7) повысить скорость резания (до ≥40 м/мин) и стойкость инструмента, а также способствовали получению поверхности лучшего качества.

Результаты исследования механообрабатываемости плавки 1 представлены в табл. 3 [21].

Таблица 3

Исследованные режимы резания (максимальные значения)

Заключения

Подобран оптимальный химический состав автоматной коррозионностойкой стали, содержащей повышенное количество серы и фосфора. Получен патент на изобретение [21].

Исследованы механические свойства, в том числе твердость, плавок с различным химическим составом после разных режимов термической обработки.

Требуемые механические свойства и хорошую технологическую пластичность при горячей деформации обеспечивают плавки с содержанием углерода ≥0,12 %, марганца ~0,9 % и никеля ~0,25 %.

Показано, что после закалки и высокого отпуска сталь имеет требуемую твердость (28–31 HRC).

Подобранные химический состав стали и режим упрочняющей термической обработки позволили повысить скорость резания (до ≥40 м/мин), стойкость инструмента и получить поверхность лучшего качества.