Файл: Исследованы основные технологические свойства сталей производства России, Германии, Чехии и др. Собраны образцы ножей, из которых изготовлены шлифы.docx
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 60
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Исследованы основные технологические свойства сталей производства России, Германии, Чехии и др. Собраны образцы ножей, из которых изготовлены шлифы. Исследования механических свойств (твердость, вязкость), химического состава более 20 марок сталей позволили разработать рекомендации по выбору материалов для производства ножей рубительных машин. The investigation is made of the main technological properties of steels produced in Russia, Germany and Czechia, etc. The collected samples of knives were used for preparing metallographic sections. The investigation of mechanical properties such as hardness and viscosity as well as of chemical compositions of more than 20 grades of steels made it possible to make recommendations for selection of materials used for production of knives for chipping machines. Введение. При производстве ножей для рубки, дробления древесных отходов и других материалов применяются стали, обладающие как высокой твердостью, так и высокой вязкостью для предотвращения скалывания и поломки ножа при ударных нагрузках. В настоящее время за рубежом при производстве ножей для рубительных и стружечных машин разработаны специальные стали марки chipper (DIN1.3355, 1.3343, 1.2379, 1.2631, 1.2362) (Германия). Такие стали обеспечивают твердость режущей кромки 52–58 HRC. В других странах (Финляндия, Австрия, Чехия, Япония) применяют стали своего производства. Эти сложнолегированные специальные стали близки по химическому составу, но обладают различным содержанием вольфрама и молибдена, имеют высокое содержание хрома и небольшие добавки ванадия и никеля (табл. 1). Согласно данным литературы [1], стали, производимые в СНГ и имеющие маркировки по ГОСТ 1435, в основном предназначены для производства: – пневматических зубил, штампов небольших размеров, рубильных ножей для деревообработки – сталь 6ХС; – измерительного и режущего инструмента, для которого повышенное коробление не допустимо, резьбовых калибров, протяжек, метчиков, длинных разверток, технологической оснастки – сталь ХВГ; – сверл, разверток, метчиков, плашек, гребенок, фрез, машинных штемпелей, клейм – сталь 9ХС; – накатных роликов, волочильных валков, матриц и штампов холодного выдавливания – сталь Х12М; – молотовых штампов паровоздушных машин и молотов – сталь 5ХНВС; – ножей холодной рубки металла, резьбонакатных плашек, пуансонов и обжимных матриц при холодной обработке – сталь 6ХВ2С. Для изготовления ножей рубительных машин в России используется качественная сталь по ГОСТ 1435–99; легированная инструментальная сталь по ГОСТ 5950–2000 глубокой прокаливаемости, сталь для штампового инструмента, для ударного инструмента и шарикоподшипниковая сталь [2, 3]. Формоустойчивость, твердость, вязкость и теплостойкость высоколегированных и высококачественных сталей при соответствующей термообработке обеспечивается введением определенных легирующих элементов, таких как хром (X), кремний (С), марганец (Г), молибден (М), ванадий (Ф) и других с общим содержанием легирующих элементов свыше 5,5%. Окончательные свойства стали определяются совместным действием всех легирующих элементов.
При выборе марки стали важно установить соответствие механических свойств стали основным показателям: работоспособности инструмента, технологическим свойствам, форме и способу изготовления инструмента (штампуемость, обрабатываемость), стоимости и дефицитности материала (стали). Совокупность требований к стали и инструменту удобно анализировать при помощи полярных диаграмм состояний Fe–Ме. Совмещая полярные диаграммы состояний нескольких марок сталей для инструмента, легко осуществить сопоставление и совокупную оценку выбранных показателей.
ые свойства изделий. Исследование свойств сталей, из которых изготовлены ножи для рубки щепы. На деревообрабатывающих предприятиях Республики Беларусь (ОАО «Ивацевичдрев», ОАО «Минскдрев», ЗАО «Холдинговая компания «Пинскдрев», ОАО «Барановичидрев», ОАО «ФанДОК», ОАО «Витебскдрев», ЗАО «Молодечномебель» и др.) подобраны образцы (20 шт.) отработавших рубильных ножей импортного производства (Германия, Чехия, Иран, Россия) для рубительных машин, используемых при получении технологической щепы. Из полученных ножей электроэрозионным методом вырезаны образцы с целью изготовления шлифов для металлографических и дюраметрических исследований. Проведен химический анализ образцов и установлены марки сталей, из которых они изготовлены (табл. 1). Исследованы механические свойства образцов (твердость, ударная вязкость) по стандартным методикам [4, 5] в УО «Барановичский государственный университет». Таким образом, задаваемая твердость может быть достигнута с помощью оптимизации химического состава, термообработки (режим закалки выбирается в зависимости от балла зернистого перлита), правильного выбора температуры и продолжительности отпуска. Одной из важных характеристик инструментальных сталей является вязкость, характеризующая сопротивление образованию трещин и разрушению под действием ударных нагрузок (обычно выражается величиной ударной вязкости, МДж/м 2 ). Метод испытания на ударный изгиб при температуре от минус 100 до плюс 1200°С распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работу удара), или ударную вязкость. Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. При высокой вязкости в сочетании с высокой прочностью предупреждается образование сколов (выкрашивание) и трещин. Наряду с определенными внешними факторами на вязкость сталей влияет множество внутренних факторов: химический состав, загрязняющие примесные компоненты, количество и качество включений; степень пластической деформации; величина зерен аустенита, количество, распределение, дисперсность карбидов и других фаз; внутренние напряжения. Это значит, что на вязкость сталей, помимо термообработки, существенно изменяющей структуру, важное
влияние оказывает технология их изготовления, а также способ выплавки и горячего деформирования. Для проверки способности материала сопротивляться ударным нагрузкам и выявления склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на удар. Стали, применяемые для изготовления деталей, работающих при динамических нагрузках, должны иметь ударную вязкость не менее 8–10 Дж/см² [3]. Ударные испытания на изгиб проводятся на маятниковых копрах. В работе использовался маятниковый копер модели ИО 5003-0,3 с номинальным запасом энергии в 300 Н·м (ЗАО «Атлант БСЗ», г. Барановичи). В табл. 2 и 3 представлены результаты проведенных испытаний. При сравнении результатов испытаний, представленных в табл. 2 и 3, можно сделать вывод, что для сталей, подвергнутых высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО), ударная вязкость повышается в 0,7– 2,0 раза, причем твердость при этом или сохраняется, или несущественно снижается на 1–3 единицы НRC по сравнению с образцами, подвергнутыми только термообработке (табл. 4). На основании литературы [1] и проведенных исследований подобраны аналоги сталей для изготовления отечественных ножей для рубки щепы.
Стоимость сырья имеет тенденцию к увеличению. Щепа для производства древесных гранул переживает настоящий бум спроса. Цена на неё за последние 10 лет утроилась. Соответственно, изменилось и отношение деревообрабатывающих предприятий к тому, что еще недавно называлось отходами лесопиления (опилки, стружка, щепа) [1]. Все эти предприятия оснащены рубительными машинами иностранного производства, рубильные ножи для которых также приходится приобретать за рубежом, используя для этого немалые бюджетные средства. Перед учеными и специалистами Беларуси стоит задача – разработать технологию и освоить производство рубильных ножей на отечественных предприятиях. Для изготовления ножей с заданными эксплуатационными характеристиками необходимо использовать высоколегированные стали и определенные режимы термической обработки, обеспечивающие в готовых изделиях мелкодисперсную, однородную структуру и необходимое соотношение аустенита, мартенсита и карбидных включений. Это необходимо для обеспечения высокой прочности ножей в условиях ударных нагрузок, и что важно, сохранения высокой остроты режущего лезвия ножа в процессе эксплуатации. Главное препятствие для организации производства рубильных ножей на белорусских предприятиях – отсутствие необходимых знаний и опыта для проведения качественной термической обработки легированных инструментальных сталей, обеспечивающих необходимые эксплуатационные свойства изделий (высокие показатели твердости, ударной вязкости, периода стойкости и др.) [2]. Анализ влияния легирующих элементов на свойства инструментальных сталей. Требования, предъявляемые к сталям,
используемым для рубильных ножей, схожи с требованиями, предъявляемыми к пружинным сталям и сталям для холодной штамповки (HRC 50…62). Поэтому способы и режимы термообработки (ТО) для них необходимо назначать таким образом, чтобы получить оптимальное сочетание таких свойств, как прочность, пластичность и вязкость. Высокую стойкость и надежность рубильных ножей можно обеспечить, если для конкретных условий будет получено оптимальное сочетание сопротивления стали пластической деформации (твердость HRC 50…60), в том числе при повышенных температурах (теплостойкость), и хрупкому разрушению (вязкость). Заданный уровень твердости можно получить либо с помощью дисперсионного твердения после мартенситного превращения, либо в результате только мартенситного превращения. Для этого стали должны быть легированы элементами, имеющими большее химическое сродство к углероду, чем железо (Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, Nb и др.), что позволяет образовать в них соответствующие карбиды. Такие элементы, как V, Ti, Nb, образуя карбид типа МеС, имеют две стадии легирования. На первой стадии (для примера рассмотрим ванадий) при соотношении V/C ≈ 1 происходит слабое обогащение твердого раствора (α) легирующим элементом и связывание основной его доли в карбиды. При этом увеличивается количество карбидов легирующего элемента и снижается количество цементита. На второй стадии (V/C > 1) процесс характеризуется переходом от образования цементита Fe3C к карбиду VC. Это характерно и для Ti, Nb, Сr. При этом снижается содержание углерода в феррите, диспергируется размер зерна феррита и других карбидов, а также активно обогащается твердый раствор легирующим элементом. Для Мо на первом этапе первой стадии легирования при соотношении Мо/С ≈ 1 образуется Ме3С → Ме23С6. На второй стадии легирования при соотношении Мо/С > 2 молибден переходит в твердый раствор. Для хрома вторая стадия легирования стали наступает при соотношении Сr/С > 10.
На второй стадии легирования, когда легирующий элемент накапливается в феррите, свойства стали определяются свойствами феррита. Повышаются прочностные свойства, однако понижаются вязкость и хладостойкость. Изменения в фазовом и структурном состоянии, происходящие на первой стадии легирования (уменьшение размеров карбидов, измельчение зерна и снижение содержания углерода в феррите), благоприятно сказываются на механических свойствах сталей – повышается их прочность и вязкость. Такое изменение свойств наблюдается и при увеличении содержания
легирующего элемента в пределах соотношения, отвечающего первой стадии. Все это учитывается при обработке легированных сталей, и последующая термическая обработка проводится для оптимизации свойств, отвечающих предъявляемым требованиям. Легированные стали упрочняются путем мартенситного превращения при закалке. Однако предел упругости оказывается весьма низким, если при закалке исключены процессы перераспределения атомов углерода в решетке мартенсита, в структуре стали фиксируется большое количество остаточного аустенита. В обычных условиях закалки, когда во время ее проведения или после неизбежно протекают процессы диффузионного перераспределения атомов углерода, отмечается рост прочностных свойств. При этом чем мельче зерно и меньше количество остаточного аустенита, тем выше прочность. Типичные температуры закалки находятся в интервале 760…870 °С. Максимальные свойства изделия из легированной стали достигаются после отпуска при температуре в интервале 250…450 °С за регламентированное время, когда в структуре стали уже нет остаточного аустенита, в результате распада мартенсита образовалось большое число когерентно связанных с матрицей карбидных частиц, а дислокации образовали субструктуру полигонизационного типа. Количество остаточного аустенита необходимо регулировать температурой и временем выдержки при отпуске. Если использовать изотермическую закалку на нижний бейнит, то можно получить более высокие свойства инструмента. Так, при равной твердости стали после обычной и изотермической закалки и отпуске в последнем случае достигаются более высокие значения усталостной прочности и трещиностойкости. Изотермическая закалка имеет и ряд технологических преимуществ – меньше деформация изделий и меньше опасность возникновения закалочных трещин. Режимы изотермической закалки определяются для каждой марки стали индивидуально.
Режимы термической обработки применительно к стали 6ХВ2С определяются ГОСТ 5950-73 (оптимальная температура закалки 860…900 °С, среда закалки – масло) и обеспечивают твердость не менее HRC 57…62, а также механические свойства, представленные в таблице 2. Рекомендуемая термическая обработка также пригодна для изотермической закалки, что позволяет осуществлять прокаливание до 50…60 мм. 2015 ВЕСТНИ