Improving the processing efficiency of high-strength cast irons with vermicular graphite

Технічна інженерія DOI: https://doi.org/10.26642/ten-2023-1(91)-84-91 УДК 621.914 С.І. Радкевич, аспірант Л.Є. Глембоцька, к.т.н., доц. П.П. Мельничук, д.т.н., проф. Державний університет «Житомирська політехніка» Підвищення ефективності обробки високоміцних чавунів з вермикулярним графітом У статті на підставі аналізу літературних джерел викладено існуючі уявлення про структурні особливості високоміцних чавунів з вермикулярним графітом (ЧВГ), при порівнінні його з сірими чавунами (СЧ) та високоміцними чавунами з кулястим графітом. Розглянуто вплив хімічного складу і структури на їх оброблюваність різанням, експлуатаційні властивості і стан поверхневого шару заготовки та можливості його покращення. Було виявлено, що інструменти з надтвердих матеріалів на основі кубічного нітриду бору (КНБ) та інструменти з металокераміки не забезпечуюють такої високої ефективності при обробці чавунів з вермикулярним графітом, як при обробці сірих чавунів. Найкращі показники оброблюваності в парі ЧВГ – КНБ були досягнені при переривчастому фрезуруванні зі швидкістю 800 м/хв. Відсутність MnS у складі ЧВГ та вермикулярна форма гафітових включень є основними чиниками, які ускладнюють їх обробку. До того ж вермикулярна морфологія чавунів сприяє швидкому дифузійному зносу інструментів з надтвердих матеріалів. Тут представлено результати стійкості інструментів з надтвердих і твердосплавних матеріалів при обробці торцевими фрезами поверхонь деталей з чавунів з вермикулярним графітом та з сірих чавунів. А також характер зношування, який при цьому наявний. Ключові слова: чавун з вермикулярним графітом; структура; хімічний склад; оброблюваність; стійкість. Постановка проблеми. Багато зарубіжних та вітчизняних науковців зауважили, що велике значення для стійкості інструменів та якості оброблених поверхонь мають не лише матеріал інструмента, параметри різання та геометрія інструмента, а й те, як вони взаємодіють зі структурою та хімічним складом ЧВГ. Глибокі знання залежностей структури, морфології графітових включень та хімічного складу чавунів з вермикулярним графітом, з параметрами та геометрією різання дозволить підвищити ефективність їх обробки. А тому постає питання знаходження цих звязків і використання їх для конструювання високоефективного лезового інструмента для обробки ЧВГ. Аналіз останніх досліджень та публікацій. Огляд літературних джерел показав, що структура, морфологія графіту та хімічний склад високоміцних чавунів з вермикулярним графітом (ЧВГ) мають велике значення як для надійної експлуатації виробів з них, так і для ефективної їх обробки. В дослідженнях цих зв’язків є багато напрацювань, зроблених зарубіжними та вітчизняними науковцями [1–11]. Відомо, що при обробці різанням велику роль відіграє механізм утворення стружки. В ряді робіт [1–5] зазначається, що головним фактором, який визначає механізм утворення стружки при обробці ЧВГ, є морфологія графітових включень в них і їх міцний зв’язок з металевою основою. Однак він (так само, як механізм зношування та причини руйнування інструментів, та механізми контактної взаємодії інструмента та заготовок з чавуну з вермикулярним графітом) залишається малодослідженим і потребує додаткового вивчення. Більш глибокі знання в цьому дозволять підвищити ефективність обробки чавунів з вермикулярним графітом та покращити якість отриманих з них деталей. Інтерес до ЧВГ в останні роки зростає (особливо на перспективному ринку двигунів внутрішнього згорання), і автори багатьох робіт наголошують, що завдяки своїм особливостям чавуни з вермикулярним графітом повністю замінять сірі чавуни. Єдина перепона на шляху до цього – їх погана оброблюваність, і низька ефективність використання інструментів з надтвердих матеріалів (в той час як для сірих чавунів ефективність використання їх досить висока). Більш глибоке вивчення залежностей оброблюваності різанням ЧВГ від їх структури та хімічного складу і інструментального матеріалу дозволить знайти способи підвищення її. Цьому питанню присвячено багато робіт зарубіжних та вітчизняних науковців, але воно досі залишається актуальним [1–6, 8, 10]. Метою статті є дослідження літературних джерел для пошуку та впорядкування інформації щодо оброблюваності чавунів з вермикулярним графітом залежно від їх структури, морфології графітових включень і хімічного складу та подальше використання її для проєктування лезового інструменту, з пластинами з надтвердого матеріалу на основі кубічного нітриду бору, для ефективної обробки поверхонь деталей з ЧВГ. © С.І. Радкевич, Л.Є. Глембоцька, П.П. Мельничук, 2023 84 № 1 (91) 2023 ISSN 2706-5847 Викладення основного матеріалу. Механічна обробка є одним із найпоширеніших виробничих процесів у машинобудівній промисловості. Вона має відповідати високим вимогам безпеки процесу та забезпечувати отримання необхідної якості виробів. До того ж витрати на обробку, час обробки та на інструмент мають бути мінімальними. Вирішення цих проблем можливе при застосуванні нових і вдосконалення існуючих технологій. Велике значення має раціональний вибір оброблюваного та обробляючих матеріалів. Як конструкційний матеріал широке застосування мають чавуни. Поряд з низькою вартістю вони володіють високими фізико-механічними показниками. Особлива увага приділяється нині чавунам з вермикулярним графітом. ЧВГ займають проміжне положення між сірими чавунами та високоміцними чавунами з кулястим графітом (ВЧКГ) за складністю обробки та своїми фізико-механічними характеристиками. Їх розрізняють за формою частинок графіту. На рисунку 1 зображено мікроструктуру цих чавунів. Сірий чавун характеризується хаотично орієнтованими пластівцями графіту, в той час як частинки графіту в ВЧКГ наявні у вигляді окремих сфер. На відміну від цього, частинки графіту в ЧВГ мають вигляд черв’яків. Частинки витягнуті та хаотично орієнтовані, як і в СЧ, проте вони коротші і товстіші та мають закруглені краї. На тривимірному зображенні структури чавунів видно, що окремі «черв’яки» з’єднані зі своїми найближчими сусідами складною коралоподібною морфологією графіту, що призводить до сильної адгезії між графітом та залізною матрицею. У той час як графітові пластівці з гладкою поверхнею в сірому залізі сприяють зародженню та росту тріщин і, таким чином, роблять матеріал відносно слабким, крихким і легкооброблюваним. Заплутана морфологія ущільненого графіту усуває природні шляхи розщеплення, забезпечуючи тим самим міцність і жорсткість, але разом з тим робить обробку різанням набагато складнішою [1]. Рис. 1.Структура чавунів з різною формою графітових включень [1] Виробництво сірих чавунів з пластинчастим графітом відбувається при повільному охолодженні виливків. Вони модифікуються з рідкого чавуну феросиліцієм або силікокальцієм. Мають підвищений вміст кремнію та знижений марганцю. Для отримання вермикулярної та кулястої форми графітових включень використовують такі модифікатори, як магній, кальцій, церій. Вони суттєво впливають на структуру, змінюючи форму графітових включень, їх розташування та розмір зерен. Однак практично н (...truncated)