Термическая обработка в машиностроении: Справочник

Лахтин Ю.М., Рахштадт А.Г. (ред.)

Машиностроение, 1980 г.

ЗАКАЛКА ИНСТРУМЕНТА. ТРЕБОВАНИЯ К СТРУКТУРЕ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

Температура закалки инструмента зависит от механизма упрочнения стали, который, в свою очередь, определяется ее составом и структурой.

Стали, упрочняемые в результате мартенситного превращения или мартенситного превращения с дисперсионным твердением, закаливают соответственно с температур, обеспечивающих достаточно полное насыщение аустенита углеродом или углеродом и легирующими элементами.

Вместе с тем для всех этих случаев существует еще одно единое требование — температура закалки должна быть такой, чтобы прочностные свойства и сопротивление разрушению, определяемые в значительной мере величиной зерна, были на достаточно высоком уровне (т. е. необходимо, чтобы величина зерна была достаточно малой).

Для инструментальных сталей применяют несколько видов закалки.

Непрерывная закалка.

Закалку этого вида применяют в основном для инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, обладающих малой устойчивостью переохлажденного аустенита и требующих вследствие этого ускоренного охлаждения, а также для инструмента относительно простой формы, изготовленного из инструментальных сталей повышенной и высокой прокаливаемости. В зависимости от прокаливаемости стали, а также диаметра инструмента охлаждение осуществляют в воде или водных растворах солей и щелочей, а также в масле. Недостатком этого вида закалки является возникновение повышенных внутренних напряжений, что может в отдельных случаях вызвать сильное коробление или образование трещин.

Ступенчатая закалка.

Такую закалку применяют для инструмента сложной формы в основном из сталей повышенной и высокой прокаливаемости, а также для тонкого инструмента из сталей небольшой прокаливаемости. Инструмент охлаждают в горячих средах, а затем на воздухе. Это замедляет скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения, уменьшает напряжения, деформацию и опасность образования трещин. Температура горячих сред должна быть выше температуры начала мартенситного превращения, а время выдержки достаточным для выравнивания температуры по сечению инструмента, так чтобы не успело начаться бейнитное превращение.

Обычно температуры горячих сред составляют 160—200° С для низколегированных инструментальных сталей и 500—630° С для быстрорежущих сталей. В качестве горячих сред применяют расплавы солей.

Светлая закалка.

Закалка этого вида представляет разновидность ступенчатой закалки. При светлой закалке состав охлаждающей смеси (обычно используют расплавы щелочей с добавлением воды) подбирают таким образом, чтобы поверхность инструмента после охлаждения была чистой и имела светло-серый цвет.

Неполная изотермическая закалка.

Такую закалку применяют при необходимости получения достаточно высокой твердости. В этом случае инструмент в процессе охлаждения выдерживают при температуре лишь немного выше точки М_нс тем, чтобы бейнитное превращение прошло в ограниченной степени. Неполную изотермическую закалку целесообразно применять для штампов сложной формы из сталей 9ХС, ХВСГ.

Полная изотермическая закалка. Ее применяют в том случае, когда допустима пониженная твердость (HRC52—55). Получаемая структура — нижний бейннт и остаточный аустенит. Полную изотермическую закалку применяют преимущественно для деревообрабатывающего инструмента и некоторых штампов и пресс-форм.

Основными преимуществами изотермической закалки являются уменьшение деформации (вследствие образования повышенных количеств остаточного аустенита и меньшей величины внутренних напряжений), а также повышение вязкости.

Прерывистая закалка. Закалку этого вида применяют для предупреждения образования трещин в инструменте сложной формы из сталей небольшой прокаливаемости, требующих охлаждения в воде, и в крупном инструменте из сталей повышенной прокаливаемости.

Закалку выполняют так, чтобы мартенситное превращение происходило только частично. Изделие охлаждают до 90—100° С (т. е. на 75—100° С ниже точки М_н).Для этого инструмент из углеродистых и низколегированных сталей выдерживают в воде или в водных растворах солей и щелочей 5—10 с до потемнения поверхности, а инструмент из легированных сталей — в масле от 30—60 с до 10—15 мин (и больше) в зависимости от сечения изделия. Затем, не допуская дальнейшего охлаждения, инструмент переносят в горячие среды (170—180° С) для снятия возникших напряжений и частичного отпуска полученного мартенсита. При этом инструмент небольшого сечения выдерживают 2—5 мин, а более крупный — в зависимости от размеров — 30—60 мин. После этого его охлаждают на воздухе для образования мартенсита из непревратившегося ранее аустеиита и подвергают отпуску для снятия напряжений.

Закалка в штампах.

Такую закалку применяют для предупреждения деформации (коробления) преимущественно длинного или плоского инструмента.

Закалка при индукционном нагреве.

 Закалку этого вида применяют для инструмента, который должен иметь закаленный слой определенной толщины (метчиков, напильников, вытяжных штампов и т. д.) или высоты (ножовочных полотен, некоторого слесарно-монтажного инструмента). При этом производительном способе нагрева обеспечивается большая стабильность свойств в разных партиях инструмента, поскольку процесс легко автоматизируется, уменьшаются обезуглероживание и окисление благодаря малой продолжительности нагрева.

Для такой закалки наиболее пригодны низколегированные стали, менее чувствительные к перегреву и получающие по сравнению с углеродистыми более равномерную твердость закаленного слоя при охлаждении в воде.

Применение легированных сталей повышенной и высокой производительности целесообразно, если необходимо использовать их лучшую закаливаемость, чтобы уменьшить деформацию инструмента и получить возможность охлаждать его в масле, горячих средах или на воздухе.

Закаливаемость и прокаливаемость инструментальных сталей. Методы определения.

 Закаливаемость доэвтектоидных углеродистых инструментальных сталей при охлаждении в обычной среде (вода 20° С) зависит от содержания углерода (они получают высокую твердость HRC:> 60 при содержании углерода свыше 0,6%). Закаливаемость заэвтектоидных и ледебуритных инструментальных сталей, определяется от степени насыщения аустенита углеродом при нагреве под закалку. Содержание углерода в этих сталях неоднозначно определяет закаливаемость, поскольку состав аустенита при нагреве под закалку из-за присутствия избыточных карбидов не соответствует составу стали.

Прокаливаемость нетеплостойких инструментальных сталей (особенно углеродистых и низколегированных) — очень чувствительное свойство. Она относительно невелика и может заметно изменяться у разных плавок одной марки, что сказывается на качестве инструмента.

Прокаливаемость полутеплостойких и теплостойких инструментальных сталей значительно выше, чем нетеплостойких, что объясняется их высокой леги-рованностью.

Колебания в прокаливаемости разных плавок одной марки не очень значительны и мало влияют на качество инструмента

Определение прокаливаемости малопрокаливающихся инструментальных сталей (углеродистых и низколегированных).

Эти стали (У7—У13, 9ХФ, 11ХФ, 13Х и др.) прокаливаются в толщинах до 8—15 мм при резком охлаждении (в воде). На металлургических заводах прокаливаемость устанавливают по виду излома закаленных образцов или измерением твердости в поперечном сечении.

Отожженные образцы сечением 20Х 20 и длиной 60—100 мм с надрезом глубиной 3 мм посредине нагрызают на 760, 800 и 840°С с выдержкой после прогрева 20 мин при 760 и 800° С и 15 мин при 840° С и охлаждают в воде (температура 10—25° С).

Прокаливаемость определяют по шестибальной шкале по ГОСТ 1435—74 (рис. 2). Получаемый балл указывают в сертификате плавки.

На машиностроительных заводах прокаливаемость определяют в случаях, если сталь подвергли дополнительной ковке и отжигу или если она предназначена для крупного инструмента диаметром или стороной более 25 мм. Диаметр (сторона) образцов должен быть близким к диаметру соответствующего инструмента, а отношение длины к диаметру должно быть ие менее 3:1. Углеродистую сталь нагревают до 800—820° С, низколегированную до 820—840° С Плавки, у которых толщина закаленного слоя менее 15 мм„ мало пригодны для инструмента диаметром более 20 мм.

Определение прокаливаемости инструментальных сталей повышенной прокаливаемости.

 Эти инструментальные стали (ХВСГ, ХВГ, 9ХС, 6ХЗФС, 6ХВ2С, 5ХВ2С, 7X3 и др.) прокаливаются в сечении до 50—80 мм при охлаждении в масле или горячих средах. Из-за сложности поломки или разрезки образцов большого сечеиия прокаливаемость определяют методом торцовой закалки.

Прокаливаемость доэвтектоидных инструментальных сталей определяют по методике, разработанной для конструкционных сталей (ГОСТ 5657—69). Прокаливаемость заэвтектоидных и эвтектондных инструментальных сталей определяют следующим образом: 1) измеряют характеристическое расстояние от закаленного торца до зоны с твердостью HRC60; 2) по этому расстоянию в табл. 3 находят предельный диаметр образца, получающего в сердцевине твердость HRC60.

Прокаливаемость в горячих средах (расплавленных   солях)   зависит от их

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ В ПОВЕДЕНИИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

ПРИ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Деформация при термической обработке инструмента. Деформация инструмента вызывается изменением  объема при мартенситном превращении и возникновением упругой (пластической) деформации вследствие градиента температур при охлаждении и неоднородного протекания мартенснтного превращения по объему. Первое удобно характеризовать изменением линейных размеров, второе — угловых. Изменения линейных размеров обратимы (они частично уменьшаются при отпуске). Изменения угловых размеров необратимы и должны устраняться шлифованием и правкой.

Величина деформации, которую удобно характеризовать изменением длины образцов (L= 100 мм, d— 10 мм), зависит от содержания углерода в мартенсите и количества остаточного аустенита. Эта деформация увеличивается при повышении содержания углерода в мартенсите вследствие возрастания его удельного объема и уменьшается вследствие присутствия в структуре остаточного аустенита, имеющего меньший удельный объем, чем мартенсит или перлит.

Влияние структуры на изменение линейных размеров одних и тех же образцов из некоторых распространенных инструментальных сталей показано в табл. 7.

Различия в структуре исходной металлической основы стали (перлит, сорбит, троостит, бейнит, мартенсит) мало влияют на деформацию, получаемую при окончательной закалке. Однако в случае присутствия в стали более дисперсной исходной структуры (бейнита или мартенсита) в результате более интенсивного насыщения твердого раствора при нагреве для закалки деформация инструмента из углеродистых и легированных сталей несколько возрастает.

На величину деформации при закалке значительно влияет присутствие карбидной фазы. У сталей, имеющих много избыточных карбидов и в первую очередь ледебуритных, наблюдается анизотропия деформации, выражающаяся в неодинаковом изменении линейных размеров в продольном и поперечном направлениях. Карбиды, расположенные в катаной (кованой) стали в виде строк вдоль направления прокатки, увеличивают удлинение образцов вдоль этих строк и способствуют меньшему удлинению или даже сжатию в перпендикулярном направлении.

Анизотропия деформации усиливается с увеличением количества карбидов и степени их полосчатости в структуре. Естественно, что в этих случаях последующий отпуск ие устраняет анизотропии деформации и коробления, созданных закалкой. Уменьшение размеров при отпуске для большинства сталей (за исключением малоизменяющих размеры при закалке) существенно меньше прироста, полученного при закалке (табл. 8).

Объемные изменения значительнее у углеродистых эвтектондных сталей, поскольку в мартенсите этих сталей содержится наибольшее количество углерода. Они меньше у легированных эвтектондных, а также заэвтектоидных, и особенно у ледебуритных сталей, имеющих более низкую концентрацию углерода в мартеисите и большее количество остаточного аустенита и карбидов. Тем не менее объемные изменения у последних сталей все же достаточно большие.

Имеются две группы сталей, объемные изменения в которых при термической обработке минимальны:

1) стали, у которых соотношение между содержанием углерода в мартенсите и количеством остаточного аустенита таково, что увеличение объема в результате мартенситного превращения почти полностью компенсируется его уменьшением за счет соответствующего количества остаточного ауетени* та (7ХГ2ВМ, 7ХГНМ);

2) стали, содержащие менее 0,1% С — 000X11Н10М2Т2 (ЗП-853), Н18К8М5, В14М7К23 (ЭП-723), В11М7К23 (ЭП-831), вследствие чего их объем в процессе мартенситного превращения при термической обработке изменяется незначительно.

Способы повышения технологических свойств инструментальных сталей при термической обработке. К числу важнейших технологических свойств инструментальных сталей относятся величина объемных изменений, степень коробления и стойкость против образования трещин.

Уменьшение объемной (линейной) деформации. Увеличение количества остаточного аустенита в результате закалки с повышенных температур или изотермической закалки уменьшает объемную (линейную) деформацию. Использование этого способа ограничено; он пригоден для небольшого числа сталей, в основном быстрорежущих и в меньшей степени штамповых ледебуритных и некоторых заэвтектоидных, особенно легированных марганцем. Целесообразнее использовать изотермическую закалку, поскольку увеличение количества аустенита при повышении температуры закалки ведет к одновременному росту концентрации углерода в мартенсите и усилению деформации, а также к ухудшению прочности и вязкости вследствие роста зерна. Кроме того, для уменьшения объемной (линейной деформации применяют закалку из температурной области фазового превращения.

Уменьшение коробления (изменения угловых размеров). Для уменьшения коробления стремятся понизить градиент температур по сечению при охлаждении (особенно в интервале мартенситного превращения) и сделать так, чтобы мартенситное превращение равномернее протекало по всему объему (или его части).

Для этой цели применяют закалку с охлаждением на воздухе; прерывистую закалку; изотермическую закалку; закалку из области фазовых превращений.

Стойкость против образования трещин. Стали высокой твердости, имеющие повышенное содержание углерода в мартенсите, очень чувствительны к образованию трещин. При закалке трещины возникают при охлаждении в температурном интервале мартенситного превращения, но .могут появляться и после окончания операции закалки (до проведения отпуска) вследствие перераспределения напряжений.

Чувствительность к образованию трещин повышается в следующих случаях:

1) инструмент имеет резкие переходы по сечению и различные концентрации напряжений (риски, острые углы, вырезы и т. п.);

2) заэвтектоидные стали имеют исходную структуру точечный перлит или мартенсит, а ледебуритные — высокий балл карбидной неоднородности (более 5);

3) имеется обезуглероженный слой.

Основные мероприятия по повышению стойкости против образования трещин те же, что и для уменьшения склонности к короблению.