MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA NARZĘDZI Z NISKOSTOPOWYCH STALI SZYBKOTNĄCYCH W PROJEKTOWANEJ LINII ODLEWANIA KORPUSÓW

Transkrypt

1 12/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA NARZĘDZI Z NISKOSTOPOWYCH STALI SZYBKOTNĄCYCH W PROJEKTOWANEJ LINII ODLEWANIA KORPUSÓW J. JAWORSKI Katedra Technologii Maszyn i Organizacji Produkcji Politechniki Rzeszowskiej STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wpływ temperatury na spadek twardości wybranych gatunków` niskostopowych stali szybkotnących (NSS). Na podstawże pomiaru 0,2 w wybranym zakresie temperatur wykazano, że ten spadek dla niskostopowych stali szybkotnących rozpoczyna się w temperaturze o 100K niższej niż dla stali SW7M. Key words: high- speed steel, temperature field, durability of cutting edge, wear 1. WSTĘP Doskonalenie organizacji produkcji odlewni, szczególnie w warunkach ilościowego wzrostu produkcji wiąże się ze zmianą struktury procesu produkcyjnego z technologicznej na przedmiotową. Takie ujęcie struktury wymaga grupowania maszyn i urządzeń technologicznych w komórki wg. kryterium przedmiotowego, a więc np. w linię: korpusów, głowic, misek olejowych itp. Grupowanie maszyn pozwala na znacznie sprawniejszy przepływ wyrobów przez urządzenia, ogranicza liczbę operacji transportu i magazynowania, co wpływa na zmniejszenie zapasów produkcji w toku, zmniejsza liczbę przeładunków, powierzchnię składowania oraz usprawnia planowanie i sterowanie produkcją. W projektowanej linii korpusów składającej się z: pieców do topienia metalu i obróbki cieplnej, zespołów maszyn do odlewania, stanowisk do: próby szczelności, śrutowania, spawania wad metalurgicznych oraz zaczyszczania odlewów, znajdują się również obrabiarki do obróbki mechanicznej. Na obróbkę mechaniczną składają się operacje: obcinania układów zalewania, planowania czół, wiercenia, rozwiercania, 115

2 gwintowania oraz frezowania nadlewów. Łącznie operacje obróbki mechanicznej obe j- mują około 30% czasu wykonania korpusu. Ponieważ narzędzia do wykonania tych operacji wykonywane są przeważnie ze stali szybkotnącej to celem pracy jest: Badanie możliwości zapewnienia jakościowego wykonania narzędzi z niskostopowej stali szybkotnącej dla tej linii. Z przedstawionych w pracy [6] badań wynika, że zmniejszenie zawartości wo l- framu i molibdenu nie spowodowało wzrostu przewodności cieplnej stali SW3S2, a w związku z tym narzędzia z NSS nie będą mogły efektywniej pracować przy wyższych prędkościach skrawania niż narzędzia z klasycznych stali szybkotnących. Przeprowadzone badania trwałości ostrza noży ze stali SW3S2 i SW7M pokazały, że dla małej grubości warstwy skrawanej (f = 0.08 mm/obr.) przy tej samej prędkości skrawania trwałość ostrza noża ze stali SW3S2 wynosiła 60 min., a ze stali SW7M 450 min. Przy dużej grubości warstwy skrawanej (f = 0,34 mm/obr.) odpowiednio 25 min. i 300 min. W czym więc leży przyczyna tak dużej różnicy trwałości ostrzy noży z obu gatunków stali? Można przypuszczać, że jest to związane z rozpoczynającą się utratą twardości stali SW3S2 i związanej z nią deformacją plastyczną krawędzi skrawającej ostrza. 2. BADANIE ODPORNOŚCI WYBRANYCH GATUNKÓW NSS NA SPADEK TWARDOŚCI POD WPŁYWEM TEMPERATURY Jedną z ważniejszych charakterystyk stali szybkotnącej pokazującej jak stal zachowuje swoją twardość pod wpływem temperatury jest odpuszczalność. Badanie odpuszczalności polega na określeniu twardości próbek, uprzednio obrobionych ciep l- nie po wygrzaniu w temperaturze 893K przez okres czterech godzin. Polska norma nie przewiduje próby odpuszczalności. Według normy GOST stale szybkotnące powinny mieć twardość powyżej 58HRC po, odpuszczaniu w temperaturze 893K przez 4 godz. Wiadomo, że pomiar twardości w temperaturze otoczenia po wcześniejszym nagrzaniu w temperaturze 893K jest odbiciem tylko tych zmian w strukturze stali, które są spowodowane przemianami nieodwracalnymi (rozpad ma r- tenzytu i koagulacja węglików [3]. W tym przypadku nie uwzględnia się przemian o d- wracalnych, które przy niewysokich temperaturach nie mają większego znaczenia. Jeżeli jednak, temperatura pracy narzędzia jest bliska granicy odpuszczalności danego g a- tunku stali to przemiany odwracalne zwiększają skłonność stali do deformacji plastyc z- nej i wpływają na stabilność krawędzi skrawającej narzędzia [1, 3]. Wiadomo, że kobaltowe stale szybkotnące pozwalają zwiększyć trwałość ostrza narzędzia przy obróbce stali austenitycznych od dwóch do czterech razy [3], chociaż ich odpuszczalność w porównaniu ze stalą SWI8 jest niewiele większa [2, 3]. Ich zaletą jest zwiększona odporność na spadek twardości zarówno w zakresie przemian odwracalnych jak i nieo d- wracalnych [3, 4] co jest szczególnie ważne przy obróbce materiałów trudnoobrabia l- nych, gdzie w strefie skrawania powstają wysokie temperatury i wysokie lokalne naprężenia [1, 3]. Mając powyższe na uwadze, wyjaśnienia przyczyny tak dużej różnicy trwałości ostrzy noży z NSS SW3S2 należy poszukiwać zarówno w odporności tej stali na 116

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA spadek twardości w zakresie przemian odwracalnych, jak i nieodwracalnych czyli należy zmierzyć jej gorącą twardość. Jedną z najbardziej znanych metod pomiaru gorącej twardości jest pomiar według metody Vickersa, na specjalnie do tego celu zmodernizowanym aparacie posiadającym komorę próżniową. Pomiaru przekątnej dokonuje się po wyciągnięciu próbki z komory i ochłodzeniu [7]. Dla oceny gorącej twardości można również wykorzystać sposób pośredni. Z literatury [5] wiadomo, że umowna granica plastyczności 0,2 - temperatura zmienia się tak samo jak twardość - temperatura. Znając 0,2 w danej temperaturze można sądzić, co dzieje się z twardością w tej temperaturze. Zaletą tej metody Jest również to, że istnieją standardowe urządzenia do pomiaru wytrzymałości w podwyższonych temperaturach eliminujące możliwość popełnienia błędów subiektywnych, które są przyczyną znacznych różnic w wartościach gorącej twardości podawanej przez różnych autorów [3, 4]. Na rys. 1 przedstawiono wyniki pomiarów 0,2, - temperatura dla wybranych gatunków stali szybkotnących. Granicę plastyczności wyznaczono na stanowisku Instron 1115 umożliwiającym pomiar w zakresie temperatur 293 K do 1473 K przy obciążeniu do 100 kn. Próbki do pomiaru 0,2 obrobiono cieplnie (hartowano i odpuszczano) z temperatur optymalnych dla danego gatunku stali. W każdej temperaturze zrywano po trzy próbki, a 0,2 wyznaczano jako wartość średnią. Analizując wyniki pomiarów przedstawione na rys. 1 można wyróżnić trzy charakterystyczne obszary spadku 0,2. Obszar pierwszy - nieznacznego spadku 0,2 około 50 N na mm 2 na każde 100. Obszar ten dla stali SW7M rozciąga się do temperatury 773 K, dla SW3S2 do 673K, a dla ABCIII i SW2M5 odpowiednio do 723 K. Obszar drugi - w którym 0,2 dla stali SW7M spada o ~350N/mm 2 na 100 i obszar ten rozciąga się do 873 K dla stali SW7M, natomiast dla stali SW3S2, ABCIII i SW2M5 w obszarze tym spadek 0,2 jest bardziej intensywny około 550 N/mm 2 i ma miejsce w zakresie temperatur K dla stali SW3S2 i dla ABCIII i SW2M5. Obszar trzeci - bardzo intensywnego spadku 0,2 powyżej 630 N/mm 2 na 50 o dla wszystkich stali. Uzyskane wyniki są porównywalne z wynikami pomiaru gorącej twardości stali szybkotnących prezentowanymi w literaturze [2, 3]. Granice obszarów nieznacznego spadku twardości i intensywnego spadku twardości odpowiadają granicom intensywnego i nieznacznego spadku 0,2, a z prac wielu autorów [1,2,3,4] wynika również, że narzędzia ze stali szybkotnącej SW7M mogą jeszcze pracować gdy temperatura w strefie skrawania wynosi K. Jak pokazały przeprowadzone badania stal SW7M, w tym zakresie temperatur, zachowuje jeszcze dostateczną twardość. Dla stali SW3S2 ten zakres temperatur wynosi odp o- wiednio K. 117

4 0,2 N/mm SW7M ABCIII SW3S2 SW2M5 600 K Rys. 1. Zależność 0,2 temperatura dla stali SW3S2, ABCIII, SW2M5 i SW7M Fig. 1. Dependence of yield strength on temperature for SW3S2, ABCIII, SW2M5 and SW7M steels 3. BADANIE TRWAŁOŚCI NOŻY Z WYBRANYCH GATUNKÓW NSS Na rys.2. Przedstawiono zależności trwałości ostrza noży tokarskich z wybranych gatunków niskostopowych stali szybkotnących SW2M5, ABCIII, SW3S2 i SW7M, przy toczeniu wzdłużnym stali 45 o twardości HB przy f= 0,34 mm/obr. i f= 0,08 mm/obr. wartości posuwu. 118

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA T [min] v [m/min] c Rys. 2. Trwałość ostrza noży z wybranych gatunków NSS Fig. 2. Durability tools made of SW3S2, ABCIII, SW2M5 and SW7M in wide range of cutting parameters 119

6 Głębokość skrawania a p = 1 mm, VB = 0,5 mm. Badanie trwałości ostrza noży z wymiennymi płytkami przeprowadzono na tokarce z bezstopniową zmianą obrotów. Wszystkie płytki zostały wykonane według jednakowej technologii i obrobione cieplnie z optymalnych temperatur, a ich twardość wynosiła dla stali SW3S2 63 HRC, a dla stali ABCIII, SW2M5 SW7M 64HRC. Konstrukcja płytek wymiennych była czworokątna o wymiarach 18x18x8mm. Po zamocowaniu w specjalnym uchwycie nożowym miała następującą geometrię ostrza: = 10 o, = 8 o, = 45 o, = 15 o, =120 o, = 72 o, r = 1,5 mm. Analizując wyniki badań należy stwierdzić, że przy obu wartościach posuwu efektywność noży z wybranych gatunków stali szybkotnącej nie zmienia się. Najniższą trwałość mają noże ze stali SW3S2, wyższą ze stali ABCIII, a najlepsze wyniki zapewniają noże ze stali SW2M5 i SW7M. Przy wartości posuwu f= 0,34mm/obr. noże ze stali SW3S2 mają taką samą trwałość ostrza jak noże ze stali SW7M przy prędkości skrawania o 30% niższych, noże ze stali ABCIII i SW2M5 o 10% niższych, co związane jest z ich niższą odpuszczalnością. Ze zmniejszeniem wartości pos uwu f = 0,08mm/obr. noże ze stali SW3S2 mają trwałość odpowiadającą trwałości noży ze stali SW7M przy prędkości skrawania o 25% niższej, a ze stali ABCIII i SW2M5 odpowiednio o 5% niższych (przy 40- to minutowej trwałości ostrza). Przy większej prędkości skrawania różnice w trwałości będą jeszcze większe. Przeprowadzone badania pozwalają objaśnić różnicę w trwałości ostrzy dla wybranych gatunków stali szybkotnącej przy tych parametrach skrawania dla których zbudowano pola temperatur. Wysoka trwałość ostrza noża ze stali SW7M T=450min nie wymaga uzasadnienia ponieważ temperatura w ostrzu jest o wiele niższa od tej, przy której rozpoczyna się spadek twardości materiału narzędziowego (673 K) [3]. W tych warunkach pracy głównym czynnikiem wpływającym na trwałość ostrza jest odporność na ścieranie stali SW7M. Przy toczeniu nożem ze stali SW3S2 temperatura w pobliżu krawędzi skrawającej ostrza osiąga wartość przy której rozpoczyna się proces spadku twardości (598K), więc zużycie ostrza będzie uwarunkowane postępującą utratą twardości i związaną z nią deformacją plastyczną [3]. Trwałość ostrza wynosi już tylko T=60min. Taką samą trwałość ma ostrze ze stali SW7M przy prędkości skrawania v c = 69 m/min. Temperatura w tym przypadku wynosi 723 K [6]. W przypadku toczenia stali 45 czterdziesto- minutową trwałość ostrza miały noże ze stali SW7M przy prędkości skrawania v c = 105 m/min i była ona o 50% wyższa niż przy toczeniu stali 60. Taka sama trwałość ostrza dla noży ze stali SW3S2 odpowiada prędkości skrawania v c = 80m/min i jest również o 50% wyższa niż przy toczeniu stali

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 4. PODSUMOWANIE 1. Przeprowadzone badania wykazały, że dla NSS intensywny spadek twardości rozpoczyna się przy temperaturze niższej niż dla stali SW7M (873K) i wynosi dla stali SW2M5 (823K), dla stali ABCIII (773K) a dla stali SW3S2 (723K). 2. Badania trwałości pokazały, że najniższą trwałość mają noże ze stali SW3S2, wy ż- szą ze stali ABCIII, a najlepsze wyniki zapewniają noże ze stali SW2M5 i SW7M. 3. Przyczyną niższej trwałości ostrzy noży ze stali SW3S2, ABCIII i SW2M5 jest wcześniej rozpoczynający się proces postępującej utraty twardości, który dla stali SW3S2 rozpoczyna się przy temperaturze o 150 K, dla stali ABCIII o 100 K, a dla stali SW2M5 o 50 K niższej niż dla stali SW7M. 4. Badania potwierdzają, że dla konkretnych warunków pracy narzędzi ze stali szy b- kotnącej największe znaczenie ma jej odporność na spadek twardości wraz ze wzrostem temperatury przy temperaturach wyższych i niższych od temperatury o d- puszczania. LITERATURA [1] Akulincev E.W., Sutyrin G.W., ŁobickiW.G., Gorjachaja twiordost napławnogo instrumenta. Metałłowedenije i termicheskaja obrabotka metalow, Nr 2, [2] Dobrzański L., Hajduczek E., Marciniak J., Nowosielski R.: Obróbka cieplna materiałów narzędziowych. Gliwice, Skrypty uczelniane Nr [3] Geller J.A., Instrumentalnyje stali. Moskva, Metalurgija [4] Gulajev A.P., Instrumentalnyje stali. Sprawochnik. Moskva, Machgiz [5] Helman P., Stora Kopparberg, Stale szybkotnące ASP. Własności i możliwości zastosowania, Warszawa [6] Jaworski J., Wpływ czynnika temperaturowego na trwałość ostrza narzędzia z n i- skostopowych stali szybkotnących. Poznań, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji. Vol. 21 Nr 2, [7] Westbrok.H., Unimproved more hardness tester for high temperature use. ASTM Bulletin

8 APPLICATION POSSIBILITY OF TOOLS MADE OF LOW ALLOY HIGH SEED STEELS IN THE PLANNED HOUSING SUMMARY The purpose of the paper was investigation of resistance of low-alloy highspeed steels to hardness decrease under the influence of temperature. Analyzing results of measurements one can distinguish three characteristic ranges of decrease. The made is allow to explain difference of cutting edge durability for both high-speed steel grades at the various cutting parameters. The made tests show that for low-alloy high speed steel the intensive hardness decrease begins at the temperature about 100K lower th an for SW7M steel. Recenzował: prof. dr hab. inż. Andrzej Bylica 122