Назначение и виды термической обработки

Назначение и виды термической обработки

Термическая обработка формирует физико-механические свойства инструмента: теплостойкость, прочность, твердость, износостойкость. Для изготовления инструмента используют такие виды термической обработки, как отжиг, закалка, отпуск, химико-термическая обработка. При неправильно выбранных или при нарушении заданных режимов термической обработки инструмент может оказаться вообще неработоспособным. Поэтому высокая культура термической обработки, особенно закалки и отпуска, предопределяет высокое качество инструмента.

Отжиг.

Отжиг осуществляют для снятия внутренних напряжений и понижения твердости после горячей обработки давлением (прокатка, ковка, штамповка) и сварки заготовок. Перед повторной закалкой инструментов, если первичная выполнена неправильно, инструменты также отжигают. Для этого заготовку или инструмент нагревают до температуры 830—850 °С, выдерживают при этой температуре 3—4 часа, а затем охлаждают с различными скоростями. Приблизительный режим отжига быстрорежущей стали представлен диаграммой рис. 3.18. Более предпочтительный — изотермический отжиг по диаграмме рис. 3.19.

Термическая обработка

Повышение температуры отжига и увеличение выдержки при этой температуре способствуют более полному растворению карбидов в аустените. После закалки и отпуска получается более легированный мартенсит, что повышает красностойкость инструмента. Однако увеличивается опасность окисления и обезуглероживания поверхностных слоев заготовки или инструмента. Поэтому обычно стремятся сокращать время нагрева стали при высоких температурах.   Для повышения пластичности быстрорежущей стали перед холодной обработкой давлением (волочение, редуцирование, ротационное обжатие, прокат тонких листов, рубка, штамповка) рекомендуют термическую обработку, занимающую промежуточное место между отжигом и неполной закалкой. Сталь нагревают до 720—780 °С, выдерживают при этой температуре один час, после чего охлаждают в масле или на воздухе.     Закалка.

Цель закалки — увеличить твердость инструмента, превратив исходную перлитную структуру быстрорежущей стали в мартенсит. Для этого необходимо исходный перлит превратить в аустенит, нагревая сталь до температуры аустенитных превращений. Затем сталь быстро охлаждают в масле до температуры мартенситных превращений, чтобы аустенит не превратился в промежуточные структуры. После этого охлаждение должно быть медленным, чтобы обеспечить более полный распад аустенита.

Нагрев. Быстрорежущая сталь обладает пониженной теплопроводностью. Поэтому нагрев до закалочной температуры 1200—1300 °С необходимо осуществлять медленно, для того чтобы избежать появления закалочных трещин — следствия высоких внутренних растягивающих напряжений в сердцевине инструмента от разности объемов горячих поверхностных слоев инструмента и относительно холодной сердцевины. Инструмент сначала медленно подпревают до температуры 780—840 °С, а затем быстро нагревают до окончательной температуры. Быстрый нагрев уменьшает рост зерна стали и обезуглероживание поверхностных слоев инструмента. Крупногабаритные и фасонные инструменты подогревают дважды, сначала до 400—500 °С, а затем до 780—840 °С.

Температура окончательного нагрева, продолжительность подогрева и окончательного нагрева зависят от целого ряда факторов:

а)   требуемых физико-механических свойств инструмента;

б)   химсостава стали;

в)    теплоемкости и теплопроводности стали,

г)   продолжительности фазовых превращений и процессов растворения карбидов в аустените;

д)   физических свойств нагревающей среды;

е)    конфигурации и размера нагреваемого инструмента.

Поэтому режим термической обработки назначают и экспериментально проверяют не только для конкретного инструмента из стали данной марки, но и для каждого номера плавки стали этой же марки, и даже для каждого проката стали той же плавки. Установленный таким образом режим нагрева строго контролируется и поддерживается. Например, отклонение температуры нагрева допускается в пределах ± 10°С. Время выдержки при окончательном нагреве быстрорежущей стали в хлорбариевых ваннах 6—7 с на каждый миллиметр сечения инструмента, а в печах с газовой средой 10—12 с. Температура окончательного нагрева, в зависимости от марки стали, колеблется в пределах 1200—1300 °С. Уточненные значения температуры и времени выдержки при нагреве под закалку можно найти в специальной литературе, например, [14; 170]. Инженеру-механику важно знать, что повышение температуры окончательного нагрева и увеличение времени выдержки при этой температуре способствует более полному растворению карбидов. В результате после закалки и отпуска получаем более легированный мартенсит, что повышает твердость и теплостойкость инструмента. Однако при этом увеличивается опасность окисления и обезуглероживания поверхности инструмента, структура металла становится крупнозернистой, появляется ледобу- ритная сетка, что понижает прочность инструмента. Кроме того, уменьшение содержания свободных карбидов в стали вследствие их более полного растворения понижает износостойкость инструмента. Поэтому повышенные температуры нагрева и увеличенные выдержки можно рекомендовать лишь для простых инструментов, работающих с высокими скоростями, например, для резцов общего назначения. Дня сложнорежущих и мелкопрофильных инструментов, протяжек, зуборезных, резьбонарезных и других подобных инструментов такой нагрев неприемлем.

Охлаждение. Выбор метода охлаждения и охлаждающих сред зависит от состава стали, сложности инструмента и требуемых свойств.

Охлаждение до температуры мартенситного превращения следует вести быстро, чтобы аустенит не превратился в промежуточные структуры. Для каждой марки стали существует своя постоянная скорость охлаждения, а стало быть, и своя охлаждающая среда.

Охлаждение в интервале температур мартенситного превращения (300—200 °С) следует вести более медленно, так как при быстрых структурных превращениях объем металла изменяется быстро, что может явиться причиной появления трещин. Поэтому для разных марок сталей и форм инструмента чаще всего применяется комбинированное охлаждение: сначала в одной среде, а затем в другой.

Охлаждающими средами могут быть: вода, масло, расплавы и растворы солей, щелочей, воздух.

Инструменты из углеродистой стали сложной конфигурации сначала охлаждают в воде до температуры 300—250 °С, а затем в масле. Простые инструменты охлаждают только в воде.

Быстрорежущие инструменты простой формы охлаждают в масле, а небольшого поперечника (3—5 мм) даже на спокойном воздухе или под вентилятором.

Инструменты сложной формы, фасонные, подвергают ступенчатой закалке, т.е. комбинированному охлаждению, с целью снижения деформаций и возможности появления трещин. Сначала инструмент охлаждают в расплавленной калиевой селитре (хуже — в натриевой, разъедает инструмент) до температуры 500—450 °С с выдержкой при этой температуре 2—5 мин, в зависимости от сечения инструмента. Это область температур наибольшей устойчивости аустенита. Затем инструмент охлаждают на воздухе.

Для инструментов особо сложной формы, а также крупных размеров и большой длины рекомендуется изотермическая закачка, значительно уменьшающая внутренние напряжения и деформацию. При этом инструмент сначала охлаждают в соли с температурой 250—300 °С, выдерживают 40—60 мин., а затем на воздухе. Если температура соли 200—250 °С, то выдержка при этой темперагуре 30—40 мин, дальнейшее охлаждение на воздухе. Охлаждающая среда — смесь едких щелочей NaOH и КОН в различной пропорции в зависимости от требуемой температуры. Можно использовать смесь селитр KN03 (56 %) и NaN03 (44 %).

Светлая закалка. Нагрев инструмента обычный, в соляных ваннах, а охлаждение в растворе щелочей: 80 % КОН + 20 % NaOH + + 6 частей воды на 100 частей щелочей. Чтобы поверхность инструмента не была пятнистой, перед нагревом его обезжиривают в горячем растворе следующего состава: на 1 л воды 250 г NaOH и 15 г Na3PG4. Затем инструмент высушивают при температуре 400—500 °С и только после этого переносят в ванну для нагрева под закалку, так как попадание влаги в соляную ванну может вызвать взрыв и выплескивание солей. После охлаждения инструмент промывают в горячей воде для удаления солей и высушивают или сразу же отпускают. Такая промывка с просушкой предохраняет инструмент от коррозии.

 

Отпуск.

Нормальный отпуск. После закалки быстрорежущей стали в ее структуре остается около 20 % аустенита. В результате — пониженная твердость инструмента. Кроме того, во время работы инструмента под воздействием температуры резания аустенит как бы самопроизвольно распадается, превращаясь в мартенсит. Казалось бы, это неплохо. Но беда в том, что при таких структурных превращениях изменяется объем стали, причем только в отдельных частях инструмента. Возникают внутренние напряжения, которые, складываясь с напряжениями от действия сил резания, могут привести к поломке инструмента. Таким образом, прочность инструмента понижена. Понижена также и износостойкость, так как аустенит мягкий и быстро размазывается по детали. Поэтому оставшийся после закалки аустенит необходимо перевести в мартенсит. Этой цели служит отпуск. Закаленные инструменты загружают в печь, нагревают до 525—575 °С, выдерживают 1,0—1,5 часа и выгружают для остывания на воздухе. Так повторяют два-три раза, т.е. делают двух-, трехкратный отпуск. В это время происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение мелкодисперсных, устойчивых против коагуляции карбидов, что вызывает дисперсионное твердение, называемое вторичной твердостью. В результате остается 2—3 % аустенита, повышается твердость инструмента на 2—3 единицы HRC3. Во время последнего отпуска окончательно снимаются внутренние напряжения, что является второй задачей отпуска. Первая задача — перевод остаточного аустенита в мартенсит.

Обработка холодом. Сразу после закалки инструмент можно обработать холодом в жидком азоте (-197 °С) или в твердой углекислоте, растворенной в бензине (-80… -100 °С). После такой обработки в стали практически не остается аустенита и можно обойтись только одним отпуском для снятия внутренних напряжений. Кроме того, обработка в жидком азоте даже готового инструмента повышает его стойкость тем значительнее, чем больше нарушен режим термообработки инструмента.

Высокий отпуск. Задние поверхности многих инструментов после закалки и отпуска не шлифуют, как, например, у стандартных фасонных фрез, резьбонарезных гребенчатых фрез, резьбонарезных плашек. Не шлифуют фасонные поверхности инструментов, если в инструментальном цехе конкретного завода по той или иной причине сделать это невозможно. Тем не менее шероховатость таких поверхностей должна быть минимальной, и ее надо обеспечить лезвийной обработкой. Для этой цели делают неполную закалку инструмента с последующим высоким отпуском, нагрев до 920—950 °С, охлаждение на воздухе или в масле и высокий отпуск при температуре 700—720 °С. После отпуска сталь имеет твердость 260—270 НВ, несколько труднее обрабатывается, но обеспечивает меньшую шероховатость обработанной поверхности.

Такой закалке с высоким отпуском подвергают также протяжки перед чистовой лезвийной обработкой, хотя после последующей нормальной закалки и отпуска их шлифуют.

Высокий отпуск делают лапкам конусов инструментов и ушкам ножовочных полотен для понижения их твердости.

Низкий отпуск. Его проводят при температурах 200—250 °С для ответственных режущих инструментов, например, внутренних протяжек, чтобы исключить их поводку во время эксплуатации под действием остаточных внутренних напряжений. Такому отпуску подвергают уже готовые инструменты или инструменты перед чистовым шлифованием.

Смотрите также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *