Рис. 7. Обычный режим термической обработки быстрорежущей стали
Рис. 8. Режим термической обработки инструментов из быстрорежущей стали с обработкой холодом
Без обработки холодом остаточный аустенит может быть превращен в мартенсит отпуском. Для этого закаленную сталь нагревают до 560 °С, при этом из аустенита выделяются карбиды типа M2C. Для более полного превращения операцию отпуска повторяют два или три раза (так называемый «многократный отпуск»).
Температура закалки 1 150 °C
Температура закалки 1 200 °C
Температура закалки 1 250 °C
Рис. 9. Структура (х500) закаленной быстрорежущей стали Р6М5 при различных температурах закалки
На рис. 10 показана структура отпущенной стали.
Температурные режимы термической обработки быстрорежущей стали разных марок представлены в табл. 4.
Температурные режимы термической обработки инструментов из быстрорежущих сталей
Рис. 10. Структура (х500) отпущенной быстрорежущей стали Р6М4 при различных температурах отпуска
В результате такого низкотемпературного цианирования на поверхности инструмента образуется слой, насыщенный азотом и углеродом. Несмотря на небольшую толщину этого слоя (всего несколько микрон), он значительно повышает износоустойчивость инструмента.
Часто для той же цели на специальных установках («Булат») инструмент покрывают тонкой золотистой пленкой нитрида титана.
Качество быстрорежущей стали в значительной степени определяется также степенью ее прокованности. При недостаточной проковке наблюдается так называемая карбидная ликвация (рис. 12), представляющая собой остатки участков ледебуритной эвтектики, не разбитых ковкой. Чем резче выражена карбидная ликвация, тем ниже качество быстрорежущей стали (понижается стойкость инструмента в работе, увеличивается его хрупкость и т.д.
Термическая обработка сталей – одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.
Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.
Термообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.
К операциям термообработки относятся:
Термообработка стали: закалка отпуск – зависит от следующих факторов:
Закалка
Закалка стали – это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.
При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.
После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.
Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.
Нагрев металла
Все способы закалки стали состоят из:
Изделия из углеродистой стали нагревают в камерных печах. Предварительный подогрев в этом случае не требуется, так как эти марки сталей не подвергаются растрескиванию или короблению.
Сложные изделия (например, инструмент, имеющий выступающие тонкие грани или резкие переходы) предварительно подогревают:
Нагрев всех частей изделия должен протекать равномерно. Если это невозможно обеспечить за один прием (крупные поковки), то делаются две выдержки для сквозного прогрева.
Если в печь помещается только одна деталь, то время нагрева сокращается. Так, например, одна дисковая фреза толщиной 24 мм нагревается в течение 13 минут, а десять таких изделий – в течение 18 минут.
Защита изделия от окалины и обезуглероживания
Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением защитных газов, подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.
Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, чугунной стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.
Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.
Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.
Охлаждающие жидкости
Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится. Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов. Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.
Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.
Пары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.
Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.
Недостатком масляной ванны является:
Вам нужно быстро и качественно нарезать металл? Воспользуйтесь плазменной резкой! Как правильно ее выполнять, читайте в этой статье.
Если вас интересует, как сделать токарную обработку металлических изделий, читайте статью по https://elsvarkin.ru/obrabotka-metalla/tokarnaya-obrabotka-metalla-obshhie-svedeniya/ ссылке.
Процесс отпуска
Отпуску подвергаются все закаленные детали. Это делается для снятия внутренних напряжений. В результате отпуска несколько снижается твердость и повышается пластичность стали.
В зависимости от требуемой температуры отпуск производится :
Температура отпуска зависит от марки стали и требуемой твердости изделия, например, инструмент, для которого необходима твердость HRC 59 – 60, следует отпускать при температуре 150 – 200 градусов. В этом случае внутренние напряжения уменьшаются, а твердость снижается незначительно.
Быстрорежущая сталь отпускается при температуре 540 – 580 градусов. Такой отпуск называют вторичным отвердением, так как в результате твердость изделия повышается.
Изделия можно отпускать на цвет побежалости, нагревая их на электроплитах, в печах, даже в горячем песке. Окисная пленка, которая появляется в результате нагрева, приобретает различные цвета побежалости, зависящие от температуры. Прежде чем приступать к отпуску на один из цветов побежалости, надо очистить поверхность изделия от окалины, нагара масла и т. д.
Обычно после отпуска металл охлаждают на воздухе. Но хромоникелевые стали следует охлаждать в воде или масле, так как медленное охлаждение этих марок приводит к отпускной хрупкости.
Особенности термической обработки быстрорежущих сталей
Инструментальные стали по праву относят к одним из наиболее сложных сплавов в связи с характером протекающих в них превращений, структурой и разнообразием свойств, а также условиями термической обработки.
Выбор соответствующего материала является только одним из условий изготовления высококачественного инструмента. Конструкция, качество изготовления и не в последнюю очередь термическая обработка с поверхностным упрочнением решающим образом влияют на срок службы инструмента, а следовательно, и на объем его производства. Термообработка может в широких пределах изменить структуру, и свойства будущего инструмента.
Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265–73) содержат 0,7–1,5% С, до 18% W, являющегося основным легирующим элементом, до 4,5% Сr, до 5% Мо, до 10% Со. В обозначении марок стоит буква Ρ от слова «рапид» — скорость, цифры за этой буквой показывают среднее содержание вольфрама (Р18, Р9 и т.д.).
По сравнению с инструментальными сталями, не отличающимися высокой теплостойкостью, быстрорежущие стали обеспечивают большие скорости резания, при этом стойкость режущей кромки возрастает в 10–30 раз.
Быстрорежущая сталь используется в качестве инструментального материала для изготовления практически всех видов режущего инструмента. Кроме того, быстрорежущая сталь применяется для ряда деталей, работающих при повышенных температурах (подшипники качения, штампы и др.). Это связано с тем, что быстрорежущая сталь, как ни один другой инструментальный материал, сочетает в себе высокие физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства.
Качество инструмента в значительной степени зависит от правильного выбора марки стали для соответствующего режущего инструмента с учетом основных свойств стали. Например, для инструментов простой формы при непрерывном точении срок службы лимитируется вторичной твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Для инструментов сложной формы, а также для инструментов, используемых при прерывистом точении, большое значение приобретают прочность и вязкость стали. Повышение того или иного свойства достигается за счет изменения химического состава и технологии производства стали, а также режимов ее термической обработки.
Цель термической обработки инструментальных сталей состоит в том, чтобы создать в стали определенного состава структуру, обеспечивающую такие физико-механические свойства, в которых имеется необходимость во время эксплуатации данного инструмента.
Термическая обработка оказывает непосредственное влияние на долговечность инструмента, так как свойства материала, из которого изготовлен инструмент, формируемые во время обработки, становятся окончательными.
Термическая обработка в соляных ваннах
Классическая термическая обработка инструментальных сталей проводится в соляных ваннах. Преимущество соляных ванн проявляется не только в быстром нагреве, быстрой передаче тепла, эффективному удалению тепла, экономичности и возможности регулирования температуры, но и в удовлетворительной защите поверхности от вредного воздействия загрязнений.
В интервале температур 1000–1350°С применяют соль, содержащую BaCl2, либо соль, содержащую BaCl2 и буру. Первая в значительной степени обезуглероживает сталь, а кроме того она плохо смывается с деталей. Соли являются практически нейтральными, но при увеличении загрязненности ванны может произойти процесс обезуглероживания.
Обезуглероживание можно ослабить или совсем избежать с помощью введения цианистого натрия или нейтральных (инертных) веществ (феррокремний, карбиды кремния, бура). Такая соль смывается с деталей гораздо проще.
В интервале температур 700–950°С используют соль содержащую NaCl и Na2CO3, которая также обладает свойством обезуглероживания. Процесс обезуглероживания в этом случае также можно уменьшить добавлением цианистого натрия. Такая соль легко смывается.
При 500–700°С можно использовать соль содержащую BaCl2, NaCl и CaCl2. Из-за присутствия хлорида кальция эта соль сильно поглощает влагу и вызывает коррозию.
Содержащие селитру соли используют в интервалах температур 170–500°С. Наличие в составе этих солей NaNO3 вблизи верхней границы температурного интервала делает их взрывоопасными. Стали, нагреваемые выше 950°С в соляной ванне, охлаждать в селитре нецелесообразно из-за ее сильного окисляющего действия на сталь: состояние поверхности изделий будет ухудшаться, сталь начинает частично расплавляться. Эти соли легко смываются с поверхности. Их используют для охлаждения и главным образом для отпуска.
Однако изделия из ванны, содержащей соль с концентрацией цианистого натрия более чем 10%, нельзя непосредственно помещать в соляную ванну, содержащую селитру. В такие ванны строго запрещено подмешивать органические вещества и особенно цианистые соединения, так как такие смеси являются взрывоопасными.
Большинство солей, применяемых для нагрева деталей, содержит различные отравляющие вещества.
Если на поверхность изделия наносится износостойкое покрытие, то технологический процесс должен предусматривать операцию окончательной подготовки поверхности, которая включает в себя:
Из вышесказанного следует, что технологический процесс термической обработки в соляных ваннах исключительно сложен, трудоемок и характеризуется высокой токсичностью.
Кроме того, повышенная скорость нагрева изделий в смеси солей приводит к возникновению высокого градиента температур между поверхностью и сердцевиной, что в свою очередь определяет высокий уровень термических напряжений и, как следствие, — деформацию изделий. Высокая скорость нагрева обуславливает также разнозернистость структуры при аустенизации и последующей закалке. При обработке изделий в смеси солей практически невозможно избежать обезуглероживания и потери легирующих элементов в поверхностных слоях.
Структура участка инструмента с сильным обезуглероживанием поверхностного слоя и ярко выраженной разнозернистостью (светлая область).
Размеры печей с соляными ванными строго ограничены. Поэтому современная термическая обработка во избежание образования окалины и обезуглероживания инструментов большого размера сегодня уже не может обойтись без вакуумных устройств для термической обработки, либо использующих различные газообразные защитные среды.
Термическая обработка в вакуумных печах
К настоящему времени совершенствование и автоматизация вакуумного оборудования произвели, по существу, революцию в термической обработке.
Перечислим основные преимущества термической обработки в вакууме по сравнению с традиционными методами обработки:
Существенный недостаток один — высокие капиталовложения при закупке и вводе вакуумного оборудования в эксплуатацию.
В настоящее время термическая обработка инструмента из быстрорежущей стали осуществляется в основном в однокамерных горизонтальных вакуумных печах с закалкой в потоке инертного газа, в том числе под избыточным давлением.
Наибольшей популярностью у мелких и средних предприятий машиностроительного комплекса пользуются конструкции однокамерных печей, в которых можно осуществлять полный цикл термической обработки в автоматическом режиме без промежуточного извлечения садки из рабочей камеры. Это вакуумные печи с конвекционным нагревом и высоконапорным газовым охлаждением.
Компрессионные вакуумные печи позволяют осуществлять нагрев изделий в вакууме, а закалку проводить в среде инертного газа под избыточным давлением, что позволяет:
За счет применения самых современных изоляционных материалов нагревательных элементов процесс обработки отличается высокой температурной однородностью и стабильностью.
В рабочей камере применяется конвективный нагрев, что также качественным образом оказывает влияние на равномерность и однородность нагрева. Нагретый газовый поток, проходя через садку, отдает ей тепло и обеспечивает быстрый и в тоже время равномерный нагрев в области низких температур.
В вакуумных печах с конвекционным нагревом и многоцелевой системой газового охлаждения предусмотрено использование добавочных термоэлементов, располагаемых в критических точках садки, для обеспечения автоматического контроля охлаждения выравниванием температуры по сечению перед мартенситным превращением. Укажем преимущества конвекционного нагрева перед нагревом без конвекции:
На конечный результат важную роль играет правильное формирование садки. Тонкостенные, нежесткие детали, которые в значительной степени восприимчивы к неравномерности нагревания и охлаждения, следует правильно размещать в рабочем пространстве печи. Необходимо избегать расположения таких деталей в непосредственной близости к нагревательным элементам и охлаждающим форсункам. В тоже время предпочтительнее вертикальное расположение деталей. Лучший эффект достигается путем вывешивания деталей, однако это решение не всегда приемлемо.
Условия аустенизации в вакуумной печи отличаются от условий аустенизации в соляных ваннах. Медленный и равномерный нагрев в вакуумных печах создает благоприятные условия для более полного растворения первичных карбидов и повышения легированности аустенита, при этом верхний предел закалочных температур можно понизить на 20–30°С и на 15–20% уменьшить разнозернистость в структуре быстрорежущей стали по сравнению с нагревом в соляной ванне. Продолжительность аустенизации в вакуумных печах, как правило, не превышает 25 минут в зависимости от поперечного сечения и плотности упаковки садки (выдержка выбирается из расчета 40–60 секунд на 1 мм сечения). В случае, когда инструмент нагревается в приспособлениях, время увеличивают на 15–20%.
Микроструктура закаленной быстрорежущей стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита (до 30%) и большого количества первичных карбидов. Количество остаточного аустенита и положение точек начала и конца мартенситного превращения зависят от температуры перед закалкой.
Остаточный аустенит резко ухудшает режущие свойства, поэтому закаленный инструмент подвергают отпуску. После трехкратного отпуска при 560°С с выдержкой в течение часа количество остаточного аустенита уменьшается до 2–3% и ожидаемый уровень твердости 64–65 HRC.
Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 после полного цикла термической обработки в вакуумной печи
При термической обработке быстрорежущих сталей широко применяют обработку холодом. Закаленную сталь охлаждают до температур ниже точки конца мартенситного превращения этой стали, обычно это от минус 80 до минус 100°С. После обработки холодом, для снятия внутренних напряжений сталь подвергают однократному отпуску при температуре 560°С в течение часа. Обработку холодом следует проводить сразу после закалки, иначе произойдет стабилизация остаточного аустенита и последующий процесс трансформации будет либо затруднен, либо невозможен.
Аустенитная фаза в интервале температур 625-350°С чрезвычайно устойчива и в течение длительного времени не претерпевает изменений. Выдержка при охлаждении в этом интервале температур не изменяет положение точки начала мартенситного превращения и при последующем охлаждении устойчивость аустенита не отличается от обычной. Это обстоятельство позволяет проводить ступенчатую изотермическую закалку.
Кривая изотермического превращения аустенита
Применение изотермической закалки позволяет существенно уменьшить геометрические изменения деталей и возможность появления трещин, поскольку при этой закалке удается устранить возникшие ранее тепловые напряжения к моменту превращения аустенита, вследствие неравномерного охлаждения изделий по сечению, а резкое бездиффузионное мартенситное превращение заменяется более медленным диффузионным превращением в игольчатый троостит и частично в мартенсит.
До относительно недавнего времени эти процессы можно было реализовать при закалке в соленых ваннах. На сегодняшних день вакуумные технологии успешно применяются при обработке широкого спектра материалов, в том числе при термообработке матриц больших размеров и сечений, изготавливаемых из инструментальной стали и предназначенных для работы при высоких температурах.
Современные интерфейсы управления значительно облегчает работу на термообрабатывающем оборудовании. Контроль процесса охлаждения изделий позволяет управлять формированием микроструктуры, повышать их надежность и эксплуатационную стойкость. Вся информация о ходе процесса и состояния печи изображается на мониторе компьютера. Оператор имеет в своем распоряжении сведения, которые позволяют ему оперативно влиять на ход обработки, внося необходимые корректировки в технологический процесс.
Задавая программу, можно проводить полный цикл термической обработки в автоматическом режиме без промежуточного извлечения садки из нагревательной камеры. Например: ступенчатый нагрев → выдержка → изотермическая закалка → трехкратный отпуск.
Панель оператора вакуумной печи в рабочем режиме
При необходимости после извлечения садки из печи изделия можно сразу без подготовки поверхности помещать в установку для нанесения упрочняющих покрытий.
Выделим преимущества вакуумной термической обработки по сравнению с соляными ваннами:
Значимость вакуумной термической обработки и необходимого для нее оборудования непрерывно повышается. Качественная термообработка современного инструмента имеет ключевое значение в обрабатывающей промышленности. На сегодняшний день вакуумные газонапорные печи по скорости охлаждения не уступают скорости масляной закалки, делая процесс обработки экологически чистым, экономически эффективным. Вакуумные газонапорные печи являются значимой альтернативой по отношению к большинству атмосферных технологий термообработки и масляной закалки.
Интенсивность охлаждения закалочных сред
Автор статьи Новиков Денис Владимирович Специалист по термическому оборудованию ГК «Финвал»
