Сплав для режущих материалов

Вольфрам — светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало).

Некоторые физические свойства приведены  в таблице (см. выше). Другие физические свойства вольфрама:

• твердость по Бринеллю 488 кг/мм².
• удельное электрическое сопротивление при 20 °C 55·10⁻⁹ Ом·м, при 2700 °C — 904·10⁻⁹ Ом·м.
• скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с.

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самым тугоплавким металлом. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым  для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.

Благодаря высокой плотности  вольфрам используется для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).Вольфрам используют в качестве электродов для аргоно-дуговой сварки.Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей.

Хром - является довольно распространённым элементом (0,02 масс. долей, %). Основные соединения хрома — хромистый железняк (хромит) FeO·Cr₂O₃. Вторым по значимости минералом является крокоит PbCrO₄.

Среднее содержание хрома в различных  изверженных породах резко непостоянно. В ультраосновных породах (перидотитах) оно достигает 2 кг/т, в основных породах (базальтах и др.) — 200 г/т, а в гранитах десятки г/т. Кларк хрома в земной коре 83 г/т. Он является типичным литофильным элементом и почти весь заключен в минералах типа хромшпинелидов. Хром вместе с железом, титаном, никелем, ванадием и марганцем составляют одно геохимическое семейство.

Различают три основных минерала хрома: магнохромит (Mn, Fe)Cr₂O₄, хромпикотит (Mg, Fe)(Cr, Al)₂O₄ и алюмохромит (Fe, Mg)(Cr, Al)₂O₄. По внешнему виду они неразличимы и их неточно называют «хромиты». Состав их изменчив.

В свободном виде — голубовато-белый металл с кубической объемно-центрированной решеткой, а = 0,28845 нм. При температуре 39 °C переходит из парамагнитного состояния в антиферромагнитное (точка Нееля).

Хром имеет твердость по шкале Мооса 5. Очень чистый хром достаточно хорошо поддаётся механической обработке.

Хром  важный компонент во многих легированных сталях (в частности, нержавеющих), а также и в ряде других сплавов. Используется в качестве износоустойчивых и красивых гальванических покрытий (хромирование). Хром применяется для производства сплавов: хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов и в авиакосмической промышленности.

Подведем итог из вышеперечисленных компонентов для использования  их как основа сплава. Начнем с более подходящего элемента удовлетворяющий технологическим требованиям.

Вольфрам – имеет твердость  по шкале Роквелла около 90 единиц. Длительное время способен выдержать воздействие высоких температур в процессе эксплуатации. А так же очень хорошо способен противостоять ударным нагрузкам действующие на отливку.

Но присутствуют ряд отрицательных  свойств присущее данном компоненту. К ним относится сложность получения сплава, так его температура плавления достигает 2870 °C. Следуют огромные затраты на получения данной отливки из вольфрама. А так же весомая цена Вольфрама которая достигает 1,5 миллиона рублей за тонну.

Хром – имеет твердость по шкале Роквелла от 66 до 70 единиц, это второй показатель из выбранных компонентов. Он также хорошо переносит длительное тепловое воздействие, которое будет действовать на деталь в процессе эксплуатации, а так же хорошая способность сохранять твердость.

А теперь перейдем к минусам данного  компонента, к которым откосятся высокие затраты для получения хрома, так как он тугоплавкий, температура плавления равна 1857 °C. Хром по своей цене дешевле вышеперечисленного вольфрама, но все же дорогостоящий. Цена на хром достигает 600 тысяч рублей на тонну.

Железо – имеет самую низкую твердость из перечисленных компонентов, она составляет 52 единицы по Роквеллу. В процессе длительного нагрева отливки, происходит разупрочнение, изменение структуры отливки что не допустимо.

Но в отличие от вольфрама  и хрома, у железа значительно  ниже температура плавления, она  равна 1539 °C, что является весомым плюсом при получение отливки. А так же, у железа значительно не большая цена, которая значительно снижает затраты на производство нужной нам отливки. Она составляет 6 тысяч рублей за тонну железа.

Подводя итог, можно сделать вывод. Для изготовления режущего инструмента не рационально использовать вольфрам и хром, которые  в значительной степени приведут к затратам на данную отливку. Оптимальный вариант для изготовления отливки является железо, которое имеет большой плюс с экономической стороны. Недостаток твердости, сопротивление длительному воздействию высоких температур в результате трения, сопротивление ударным нагрузкам компенсируем вводом в сплав легирующих элементов, описание  которых приведем в следующем пункте.

 

 

 

3.2 Легирующие  элементы

 

Углерод - придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. С  ростом  содержания  углерода  в  структуре  стали  увеличивается  количество цементита,  при  одновременном  снижении  доли  феррита.  Прочность  повышается  до  содержания  углерода  около  1%,  а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Хром – один из самых важных легирующих элементов, применяемых в черной металлургии. Добавка хрома к обычным сталям (до 5% Сr) улучшает их физические свойства и делает металл более восприимчивым к термической обработке. Если содержание хрома в стали повысить до 10% и более, сталь становится более стойкой к окислению и коррозии, но здесь вступает в силу фактор, который можно назвать углеродным ограничением. Способность углерода связывать большие количества хрома приводит к обеднению стали этим элементом. Поэтому металлурги оказываются перед дилеммой: хочешь получить коррозионную стойкость – уменьшай содержание углерода и теряй на износостойкости и твердости. Нержавеющая сталь самой распространенной марки содержит 18% хрома и 8% никеля

Вольфрам – сплавы с содержанием вольфрама отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию.

Ванадий - придает стали такие качества как прочность, легкость, устойчивость к воздействию высоких температур, гибкость.

Кобальт - повышается жаропрочность стали, улучшаются ее механические свойства (твердость и износоустойчивость при повышенных температурах).

Молибден - значительно повышает прокаливаемость. Небольшие добавки молибдена ( 0 15 - 0 8 %) в конструкционные стали настолько повышают их прочность, вязкость и коррозионную стойкость, что они используются при изготовлении самых ответственных деталей и изделий. Присадки молибдена или вольфрама уменьшают опасность охрупчивания при отпуске.

На основе изложенных компонентов  для достижения нужных свойств, а  так же достижение минимальных экономических  затрат,   наиболее оптимальный вариант удовлетворяющий условиям перечисленных  выше  удовлетворяет сплав Р6М5Ф3 с химическим составом представленным в таблице 2.

Таблица 2 – Химический состав сплава

Углерод

Хром

Вольфрам

Ванадий

Кобальт

Молибден

Азот

Ниобий

0,95–1,05

3,80–4,30

5,70–6,70

2,30–2,70

< 0,50

4,80–5,30

–

–

 

3. 3. Принципы легирования быстрорежущих сталей

 

Высокая твердость мартенсита объясняется растворением углерода в α-железе. Известно, что при отпуске из мартенсита в углеродистой стали выделяются мельчайшие частицы карбида. Пока выделившиеся карбиды еще находятся в мельчайшем дисперсном рассеянии (то есть на первой стадии выделения при отпуске до 200 °C), твердость заметно не снижается. Но если температуру отпуска поднять выше 200 °C, происходит рост карбидных выделений, и твердость падает.

Чтобы сталь устойчиво  сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы процесс коагуляции карбидов. Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то красностойкость скачкообразно возрастает. Это обусловлено тем, что специальный карбид выделяется из мартенсита и коагулирует при более высоких температурах, чем карбид железа, так как для этого требуется не только диффузия углерода, но и диффузия легирующих элементов. Практически заметная коагуляция специальных карбидов хрома, вольфрама, молибдена, ванадия происходит при температурах выше 500°C. Таким образом, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды и эти карбиды переходят в раствор при закалке. Несмотря на сильное различие в общем химическом составе, состав твердого раствора очень близок во всех сталях, атомная сумма W+Mo+V, определяющая красностойкость, равна примерно 4 % (атомн.), отсюда красностойкости и режущие свойства у разных марок быстрорежущих сталей близки. Быстрорежущая сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали (он повышает красностойкость), но кобальт очень дорогой элемент.

4.1 Термическая обработка

 

Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности  и вязкости инструменты из быстрорежущих  сталей приобретают после закалки  и многократного отпуска.

Закалка. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение в аустените труднорастворимых карбидов вольфрама, молибдена и ванадия. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки высоколегированный мартенсит с высокой теплостойкостью. Поэтому температура закалки очень высокая и составляет » 1200–1300 °С (Таблица 3).

 

+

Рис. 3. Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5: а) литое состояние; б) после ковки и отжига; в) после закалки; г) после отпуска. ×500.

 

Таблица 3- Оптимальные режимы термообработки основных марок быстрорежущих сталей

Марка стали	Твердость НВ в состоянии поставки (не более)	Закалка	Отпуск					Свойства  после окончательной термообработки
		Тз, °С	Тотп, °С		Твердость HRCЭ			s изг, МПа		KCU, Дж/см2	Теплостойкость, °С (HRCЭ 58)
Стали нормальной производительности
Р9	255	1 230–1260	560		62–65			2800–3100		30–35	620
Р18	255	1270–1290	560		62–65			2700–3000		28–30	620
Р6М5	255	1200–1230	540–560		63–64			3200–3600		38–40	620
Р8М3*	255	1220–1240	560		63–64			3100–3300		35–38	625
11Р3АМ3Ф2	255	1180–1210	540–580		63–64			3400–3800		32–40	620
Стали повышенной производительности
Р12Ф3	269	1230–1270	550–570	63–65			2500–2900		25–28		630
Р9К5	269	1220–1250	550–570	64–65			2300–2700		22–30		630
Р6М5Ф3	269	1200–1240	540–560	63–66			2700–3100		20–25		625
Р6М5К5	269	1210–1240	550–570	65–66			2600–2900		24–28		630
Стали высокой производительности
Р12Ф4К5	285	1230–1260	550–560	66–67		2600–2700			20–22		640
Р9М4К8	285	1210–1240	550–560	66–68		2300–2500			18–20		640
Р2АМ9К5	285	1190–1220	550–560	66–68		1600–1900			20–22		635
В11М7К23	330	1290–1320	580–600	68–70		2300–2600			10–12		720
В4М12К23	321	1290–1320	580–600	68–69		2400–2700			13–15		720