Mangāna pozitīvās ietekmes uz oglekļa tērauda apstrādājamību analīze

Lai gan mangāns nav galvenais leģējošais elements oglekļa tēraudā, tā ietekmei uz materiāla apstrādājamības optimizēšanu ir izšķiroša nozīme. Apstrādājamība būtībā mēra materiāla spēju sasniegt augstus-precizitātes izmērus un izcilu virsmas kvalitāti apstrādes procesos, piemēram, griešanas, urbšanas un frēzēšanas laikā, vienlaikus samazinot instrumenta nodilumu un enerģijas patēriņu. Mangāns uzlabo oglekļa tērauda apstrādājamību no vairākiem izmēriem, mainot tā mikrostruktūru, mehāniskās īpašības un fizikāli ķīmisko stāvokli griešanas laikā, īpaši šādos četros galvenajos aspektos:

 

 

I. Graudu rafinēšana un griešanas pretestības samazināšana

 

Oglekļa tēraudā mangānam ir ievērojams graudu rafinēšanas efekts. No vienas puses, mangāns var kavēt austenīta graudu augšanu karsēšanas laikā, jo īpaši pirmapstrādes procesos, piemēram, normalizēšanā un atkvēlināšanā, veicinot smalkas un viendabīgas ferīta -perlīta struktūras veidošanos. No otras puses, mangāns kā spēcīgs karbīdu{3}}veidojošs elements savienojas ar oglekli tēraudā, veidojot smalkus Mn₃C karbīdus. Šie karbīdi ir izkliedēti matricā, vēl vairāk kavējot graudu rupjību.

 

Smalkas{0}}graudu struktūras tiešais ieguvums griešanas procesā ir griešanas pretestības samazināšana: kad instruments griež oglekļa tēraudu, graudu rafinēšana palielina graudu robežu skaitu materiālā. Atomu saišu spēki uz graudu robežām ir salīdzinoši vāji, tādēļ instrumentam ir vieglāk pārraut atomu saites materiālā, tādējādi samazinot "materiāla deformācijas pretestību" griešanas procesā. Faktiskie apstrādes dati liecina, ka 45 Mn oglekļa tēraudam ar mangāna saturu 0,8%-1,2%, griešanas spēks ir samazināts par aptuveni 15%–20%, salīdzinot ar tīru ferīta oglekļa tēraudu bez mangāna. Tas ir īpaši pamanāms zema ātruma griešanas scenārijos (piemēram, urbšana un vītņošana), ievērojami samazinot darbgalda slodzi, samazinot sagataves deformācijas risku pārmērīga griešanas spēka dēļ un uzlabojot apstrādes izmēru precizitāti.

 

II. Materiāla plastiskuma uzlabošana un skaidu plīsuma samazināšana

 

Oglekļa tērauda griešanas procesā "šķembu morfoloģija" tieši ietekmē apstrādes stabilitāti un virsmas kvalitāti: ja materiāla plastiskums ir pārāk vājš, griešanas laikā viegli veidojas "šķelšanās", kas ne tikai saskrāpē sagataves virsmu, bet arī var izraisīt instrumenta lūzumu trieciena vibrācijas dēļ; ja plastiskums ir pārāk augsts, viegli veidojas "lentes{0}} šķembas", kas aptinās ap instrumentu vai sagatavi, ietekmējot apstrādes nepārtrauktību.

Mangāns var optimizēt mikroshēmas morfoloģiju, regulējot oglekļa tērauda plastiskuma diapazonu. No vienas puses, mangāns var izšķīst ferītā, uzlabojot tā plastiskumu un stingrību, tādējādi novēršot materiāla lūzumu pārmērīga trausluma dēļ griešanas laikā. No otras puses, mangāna un oglekļa veidotajam Mn₃C karbīdam ir zemāka cietība nekā Fe₃C (cementīts) un vienmērīgāks sadalījums, samazinot cieto daļiņu ietekmi uz griezējinstrumentu. Tas arī liek skaidām pēc lūzuma veidot "segmentētas skaidas"-šķembu morfoloģiju, kas ļauj izvairīties no sapīšanās apstrādājamā detaļā un nodrošina griešanas procesa vienmērīgumu. Piemēram, apstrādājot 20Mn oglekļa tēraudu ar mangāna saturu 0,5%-0,8%, segmentēto skaidu īpatsvars var sasniegt virs 80%, uzlabojot apstrādes stabilitāti par aptuveni 30%, salīdzinot ar parasto 20# oglekļa tēraudu (kas satur 0,3%-0,6% mangāna).

 

III. Virsmas kvalitātes uzlabošana un virsmas defektu samazināšana

 

Apstrādāto materiālu virsmas kvalitāte (piemēram, virsmas raupjums Ra, virsmas cietība un atlikušais spriegums) ir galvenais rādītājs apstrādes veiktspējas novērtēšanai. Mangāns būtiski uzlabo virsmas kvalitāti, mainot oglekļa tērauda griešanas deformāciju un berzes stāvokli. No virsmas raupjuma kontroles viedokļa mangāns uzlabo graudu izmēru, uzlabojot plastiskās deformācijas viendabīgumu griešanas laikā un novēršot virsmas plīsumus vai rupju graudu izraisītas urbšanas. Piemēram, frēzēšanā Ra vērtību 65Mn oglekļa tēraudam ar mangāna saturu 1,0%-1,3% var stabili kontrolēt robežās no 1,6-3,2 μm, savukārt tādas pašas stiprības oglekļa tērauda Ra vērtība bez mangāna bieži pārsniedz 6,3 μm. Turklāt mangāns var samazināt berzes koeficientu starp oglekļa tēraudu un griezējinstrumentiem (piemēram, ātrgaitas tēraudu un cementētu karbīdu): Mn₃C karbīdu klātbūtne samazina tiešo kontaktu starp instrumenta grābekļa virsmu un skaidām, samazinot berzes siltuma veidošanos un novēršot virsmas oksidēšanos vai instrumenta pielipšanu, jo īpaši augsta temperatūra ir augsta temperatūra. frēzēšanas ātrumi > 100 m/min), samazinot virsmas mikroplaisu rašanās iespējamību.

No virsmas mehānisko īpašību viedokļa mangāns uzlabo oglekļa tērauda darba rūdīšanas spēju: griešanas laikā uz materiāla virsmas veidojas sacietējis slānis plastiskās deformācijas dēļ. Šis sacietējušais slānis parasti ir 5–10 μm biezs, un tā virsmas cietība ir par 20–30% augstāka nekā substrātam. Šis rūdītais slānis uzlabo sagataves virsmas nodilumizturību un noguruma izturību, padarot to īpaši piemērotu mehāniskām daļām, kurām nepieciešama pastāvīga apkope (piemēram, vārpstām un zobratiem), samazinot vajadzību pēc papildu virsmas stiprināšanas apstrādes pēc apstrādes.

 

IV. Instrumenta kalpošanas laika pagarināšana un apstrādes izmaksu samazināšana

 

Instrumenta kalpošanas laiks ir galvenais faktors, kas ietekmē apstrādes ekonomiku, un mangāns ievērojami pagarina instrumenta kalpošanas laiku, samazinot instrumenta nodilumu un samazinot griešanas karstuma radītos bojājumus.

No vienas puses, mangāns samazina griezējinstrumentu abrazīvo nodilumu: Fe₃C cementītam parastajā oglekļa tēraudā ir augsta cietība (apmēram 800 HV), un tas mēdz izplatīties bloku formā, radot "slīpēšanas" efektu uz instrumenta malas griešanas laikā, paātrinot instrumenta nodilumu. No otras puses, Mn₃C karbīdu cietība ir aptuveni 600–700 HV, un tie ir sadalīti smalki, izkliedēti, ievērojami samazinot triecienu un slīpēšanas efektu uz instrumenta malu. Faktiskie testi liecina, ka, apstrādājot 45Mn oglekļa tēraudu ar mangāna saturu 0,8%, karbīda instrumentu kalpošanas laiks tiek pagarināts par aptuveni 25%-35%, salīdzinot ar parastā 45# oglekļa tērauda apstrādi (kas satur 0,4% mangāna).

No otras puses, mangāns samazina griezējinstrumentu termoķīmisko nodilumu: griešanas laikā radītais berzes siltums izraisa instrumenta virsmas temperatūras paaugstināšanos (līdz 800-1000 grādiem). Augstās temperatūrās instrumentu materiāli (piemēram, WC-Co karbīds) ir pakļauti ķīmiskām reakcijām ar elementiem oglekļa tēraudā (piemēram, Co oksidēšanās un WC sadalīšanās). Mangāns var veidot plānu MnO oksīda plēvi uz griezējinstrumenta grābekļa virsmas. Šai oksīda plēvei ir noteikts eļļošanas efekts, kas samazina elementu difūziju augstās temperatūrās un samazina instrumenta termoķīmisko nodiluma ātrumu. Piemēram, virpošanā, apstrādājot 50Mn oglekļa tēraudu ar mangāna saturu 1,0%, instrumenta termiskā nodiluma ātrums salīdzinājumā ar parastā 50# oglekļa tērauda apstrādi tiek samazināts par aptuveni 20%, kā rezultātā instrumenti tiek mainīti retāk un netieši uzlabojas apstrādes efektivitāte.

 

Kopsavilkums: mangāna sinerģiskā optimizācijas vērtība

 

Ir svarīgi atzīmēt, ka mangāna pozitīvā ietekme uz oglekļa tērauda apstrādājamību nav izolēta, bet gan sinerģiska ar oglekļa saturu un termiskās apstrādes apstākļiem. Piemēram, zema-oglekļa tēraudā (C < 0,25%) mangāns galvenokārt uzlabo plastiskumu, lai optimizētu skaidu morfoloģiju; vidēja-oglekļa tēraudā (0,25% < C < 0,6%) mangāns līdzsvaro griešanas pretestību un virsmas kvalitāti, attīrot graudus un regulējot karbīda sadalījumu; un augstas -oglekļa tēraudā (C > 0,6%) mangāns galvenokārt samazina instrumentu nodilumu, samazinot karbīda cietību.

Kopumā racionāla mangāna satura kontrole oglekļa tēraudā (parasti diapazonā no 0,3% līdz 1,5%) var uzlabot apstrādājamību četros galvenajos dimensijās: griešanas spēks, skaidu morfoloģija, virsmas kvalitāte un instrumenta kalpošanas laiks. Tas nodrošina gan apstrādes precizitāti, gan efektivitāti, vienlaikus samazinot ražošanas izmaksas, padarot to par galveno pieeju apstrādājamības optimizēšanai oglekļa tērauda materiālu dizainā.