669.017

 

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ НАПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

 

EMERGENCE OF THE ZONE OF THERMAL INFLUENCE AT PRODUCTION OF THE BUILT-UP METAL-CUTTING TOOL

 

Дожделев А.М., Лаврентьев А.Ю., Зубков Н.С. (ТвГТУ, г. Тверь, РФ)

Dozhdelev A.M., Lavrentiev A.Y., Zubkov N.S. (TSTU, Tver, Russia)

 

Рассмотрены вопросы возникновения зоны термического влияния при наплавке быстрорежущей стали на конструкционную сталь.

The results of studying the emergence of a zone of thermal influence are considered at a built-up of speed cutting steel on constructional steel.

 

Ключевые слова: быстрорежущая сталь, наплавка, зона термического влияния

Key words: speed cutting steel, built-up, zone of thermal influence

 

При изготовлении металлорежущего инструмента используется технология наплавки, позволяющие получать биметаллические рабочие элементы. Данная технология позволяет сократить затраты на изготовление инструмента за счет использования менее дорогостоящей конструкционной стали в качестве материала корпуса инструмента. При этом необходимо обеспечивать требуемый уровень механических свойств.

В процессе наплавки в месте соединения наплавленной и конструкционной сталей можно выделить несколько характерных участков, отличающихся своей структурой и свойствами. В период образования наплавленного слоя и его последующей кристаллизации предварительно закаленная и отпущенная  конструкционная сталь подвергается термическому воздействию. В различных её участках протекают структурные и фазовые превращения, определяющие свойства стали в этих участках, которые определяются такими параметрами, как скорость нагрева, максимальная температура нагрева, время пребывания  при максимальной температуре, а также скорость последующего охлаждения. В участках, нагревающихся до температуры, близкой к температуре плавления, происходят процессы образования твердых растворов с различной степенью гомогенизации зерна. В участках, нагревающихся до более низких температур, в зависимости от исходной структуры металла и его свойств, возможны процессы  отпуска, частичного или полного распада пересыщенных твердых растворов, частичного растворения или коагуляции упрочняющих фаз. Данные характерные участки металла объединены в зону термического влияния [1].

В сварочном производстве зона, прилегающая к металлу шва и получившая изменение структуры и свойств, носит название зоны термического влияния (ЗТВ). [2] ЗТВ состоит из участков, характеризующихся различной структурой и свойствами, а также имеющих различную твердость, изучением которых занимались специалисты в области сварочного производства [1]. Однако приведенная в литературе по сварочному производству характеристика этих участков не подходит для описания технологии наплавки биметаллического инструмента, так как наплавка ведется на предварительно закаленную и отпущенную конструкционную сталь.

Строение соединения двух металлов при дуговой наплавке (рисунок 1 а) представлено следующими участками (рисунок 1 б), твердость и структура которых были определены по термокинетической диаграмме для стали 30ХГСА [2].

Участок сплавления – участок, где находятся частично оплавленные зерна металла на границе основного металла и металла шва. Участок характеризуется наличием крупных зерен. Температурный интервал участка Тпл - Тнир, где Тнир - температура начала интенсивного роста зерна. В участке обнаруживается оплавление границ зерен и появление химической неоднородности, вызванной последствиями взаимодействия твердого металла с жидким, отличающимися по составу. Участок подвергался нагреву до температур около 1350 . Твердость более 520 HV. Структура – крупноигольчатый мартенсит [1].

Участок перегрева имеет структуру крупноигольчатого мартенсита при твердости более 480 HV. Температура образования участка примерно 900.

Участок полной закалки представлен мелкоигольчатым мартенситом с оптимальной величиной зерна и уровнем механических свойств. Температура образования 900-830 , твердость более 480 HV.

Участок неполной закалки представляет собой мартенситно-ферритную структуру. Образован при 830-760 , твердость примерно 440 HV.

Участок отпуска, где наблюдается разупрочнение металла, имеет самую большую протяженность по сравнению с остальными участками. Образован благодаря тому, что основной металл был предварительно закален и подвергнут низкому отпуску для обеспечения высоких механических свойств. Структура участка образована в интервале температур 600-200 , твердость 440-200 HV. Структура участка представлена трооститом и сорбитом. [3,4,5,6,7]

В зоне термического влияния происходят весьма существенные изменения свойств, структуры и твердости металла, что напрямую должно отразиться на характеристиках составного металлорежущего инструмента с наплавленной режущей кромкой. Следовательно, ЗТВ является крайне нежелательным, но, к сожалению, неустранимым фактором при наплавке быстрорежущих сталей. Однако на протяженность участков ЗТВ, а также на их свойства и твердость можно воздействовать различными способами. Важным моментом при прогнозировании величины и характеристики ЗТВ является выбор конструкционной стали, на которую и производят наплавку [1].

 

   а)                                                        б)

Рисунок 1 - Образец после дуговой наплавки быстрорежущей стали на закаленную и низкоотпущенную конструкционную сталь

 а) биметаллическая пластина  б) участки зоны термического влияния

1 - наплавленный металл; 2 – участок сплавления; 3 – участок перегрева;

 4 – участок полной закалки; 5 – участок неполной закалки; 6 – участок отпуска; 7 – основной металл

 

Таким образом, свойства ЗТВ является одной из важнейших характеристик наплавленного соединения. Металл ЗТВ является слабым местом в подобном соединении. И, так как полностью устранить ЗТВ не представляется возможным, необходимо максимально уменьшить её протяженность и отрицательное воздействие на свойства металла корпуса металлорежущего инструмента.

Цель данной работы – определение размеров ЗТВ после наплавки быстрорежущей стали на пластину из предварительно закаленной и отпущенной конструкционной стали 30ХГСА.

Для проведения эксперимента по выявлению и определению протяженности ЗТВ была проведена наплавка быстрорежущей стали Р2М8 на подложку из предварительно закаленной и отпущенной конструкционной стали 30ХГСА. Дуговую наплавку режущей части выполняли порошковой проволокой диаметром 1,2 мм по химическому составу близкой к быстрорежущей стали Р2М8, полуавтоматом на постоянном токе обратной полярности. После наплавки проводили отпуск для снятия остаточных напряжений.

Далее полосы стали с наплавленными валиками были разрезаны в плоскости, перпендикулярной полосе подложки, с целью изучения структуры, оценки качества наплавки, а также размеров ЗТВ. Из полученных образцов были выполнены макрошлифы, которые с целью выявления структуры металла были протравлены 3%-м раствором азотной кислоты (рисунок 2).

 

         

а)                                                     б)

 

                                     в)                                                     г)

Рисунок 2 - Макроструктура образцов

 

Как видно на рисунке 2, после травления ЗТВ имеет ярко выраженную структуру, отличную от структуры конструкционной стали, и четкую границу, что облегчает определение её протяженности.

Определение твердости стали в ЗТВ и изменения твердости в зависимости от степени удаления от участка сплавления было произведено методом Виккерса. Отпечатки на поверхности макрошлифа были нанесены по схеме, указанной на рисунке 3 а), где 1 – наплавленная быстрорежущая сталь, 2 – конструкционная сталь, 3 – отпечатки инденторов. Полученный график изменения значений твердости в ЗТВ указан на рисунке 3,б. Из него мы видим, что в ЗТВ, а точнее предположительно в участке отпуска наблюдается уменьшение твердости конструкционной стали по сравнению с уровнем твердости этой стали в зоне, не подвергшейся термическому воздействию в процессе наплавки.

Результаты измерения твердости металла ЗТВ совпали с прогнозируемыми величинами твердости, полученными по термокинетической диаграмме [2]. Таким образом, можно сделать вывод: при наплавке быстрорежущих сталей в конструкционной стали возникает ЗТВ, отличающаяся от основного металла структурой и свойствами, что необходимо учитывать при изготовлении наплавленного режущего инструмента.

а)                                                                   б)

Рисунок 3 - Измерение твердости биметаллической пластины  

а) Схема измерения твердости

б) График изменения твердости

 

Список использованных источников

1.        Никифоров Г.Д. Технология и оборудование сварки плавлением. - М.: Машиностроение, 1978. - 328 с.

2.        Попов А.А., Попова Л.Е. Справочник термиста. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. – Свердловск, 1961. - 431 с.

3.        Петров В.Г., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. - М., Высшая школа, 1977. - 392 с.

4.        Акулов А.И., Технология и оборудование сварки плавлением/ А.И. Акулов, Г.А. Бельчук, В.П. Демянцевич. -  М.: Машиностроение, 1977. - 432 с.

5.        Толов Д.М., Маликов И.В., Кузьмин А.К., Гусева Е.А. Микроструктура сварного соединения. Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, Иркутск, - 2009. -15 с.

6.        Ефименко Л.А., Прыгаев А.К., Елагина О.Ю. Металловедение и термическая обработка сварных соединений. - М.: Логос, 2007. - 456 с.

7.        Морозов В.П. Особенности процесса кристаллизации металла расплавленной ванны при дуговой импульсно-периодической сварке, Наука и образование, - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, № 08, 2010. -15 с.