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.

14_04_17_1

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.

14_04_17_2

В интервале температур 1000-1350°С применяют соль, содержащую BaCl2, либо соль, содержащую BaCl2 и буру. Первая в значительной степениобезуглероживает сталь, а кроме того она плохо смывается сдеталей. Соли являются практически нейтральными, но при увеличении загрязненности ванны может произойти процесс обезуглероживания.

Обезуглероживание можно ослабить или совсем избежать спомощью 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.14_04_17_3

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.14_04_17_4

Если на поверхность изделия наносится износостойкое покрытие, то технологический процесс должен предусматривать операцию окончательной подготовки поверхности, которая включает в себя:
•  предварительное обезжиривание с использованием высокотоксичных трихлорэтилена или четыреххлористого углерода;
•  ультразвуковую очистку с использованием соды и фосфорнокислого натрия;
•  промывку в питьевой и дистиллированной воде;
•  промывку в спирте с ацетоном.

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)

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:
•    высокая стабильность свойств обрабатываемых деталей от партии к партии, от детали к детали;
•    отсутствие обезуглероженного и обезлегированного слоя;
•    уменьшение деформаций;
•    отсутствие загрязнений окружающей среды и улучшение условий труда;
•    упрощение контроля и управления технологическим процессом;
•    высокая прослеживаемость параметров процесса.

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.

Термическая обработка в вакууме полностью защищает от окисления и обезуглероживания поверхность изделия и вызывает дегазацию садки. Прежде чем начинать предварительное нагревание и аустенизацию, целесообразно вакуумировать садку с деталями до 10-4 — 10-5 мбар, это позволит удалить оксидные пленки и защитит поверхность заготовок. При аустенизации же не рекомендуется высокий вакуум, так как это может способствовать испарению отдельных компонентов. Парциальное давление паров отдельных компонентов является значительным при термической обработке в обычном интервале температур. Давление паров таких компонентов, как Mn, Cr, Co при 1000°С составляет 10-2 — 10-4 мбар, что совпадает с используемыми в практике значениями давления вакуумных устройств. В таких условиях приходится считаться с возможностью испарения отдельных компонентов или при более высоких температурах сохранять вакуум в диапазоне 10-1 — 10-0 мбар.

При термической обработке в вакуумных печах необходимо очень строго соблюдать чистоту деталей. Детали перед термической обработкой следует тщательно очищать от загрязнений. Так, например, 1 мг масляных загрязнений при комнатной температуре и 10-5 мбар превращается в 14 м3 масляных паров, которые необходимо удалить из вакуумного пространства. Очень вредным является также наличие воды и прочих примесей (прилипшие частички алюминия, пластмасс, остатки кислот) – они могут причинить существенный вред.
Компрессионные вакуумные печи позволяют осуществлять нагрев изделий в вакууме, а закалку проводить в среде инертного газа под избыточным давлением, что позволяет:

1. расширить возможности использования вакуумного оборудования для термической обработки изделий, изготовляемых из менее легированных сталей;

2. проводя закалку в инертном газе под давлением обеспечивать чистую, неокисленную поверхность изделий, что в свою очередь дает возможность наносить защитные и упрочняющие покрытия без предварительной подготовки поверхности;

3. за счет изменения давления автоматически регулировать скорость охлаждения садки, снижая величину деформаций изделий, обеспечивая оптимальные условия для структурных превращений.

За счет применения самых современных изоляционных материалов нагревательных элементов пр14_04_17_6оцесс 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:
• повышение на 30% скорости нагрева садки в интервале температур 20-800°С, что позволяет сокращать цикл термической обработки и экономить электроэнергию;
• сокращение порядка 50% времени термической обработки изделий из быстрорежущей и штамповочной сталей;
•  уменьшение градиента температур между поверхностью изделия и сердцевиной;
• снижение образование трещин, что связано с равномерностью прогрева изделия по сечению и снижением уровня термических напряжений;
•  возможность загрузки садки с минимальным расстоянием между деталями;
•  возможность проведения полного цикла термической обработки изделий без выгрузки садки из печи.

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 близо14_04_17_7сти 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

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.

1Кривая изотермического превращения аустенита

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 
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:

• отсутствие загрязнения окружающей среды;

• повышение качества термической обработки за счет: получения высоких стабильных свойств; более равномерного прогрева изделий по сечению, что снижает термические напряжения и уменьшает величину деформаций; медленного нагрева в интервале аустенитного превращения, что создает условия для повышения легированности аустенита из-за более полного растворения карбидов, препятствует образованию разнозернистости и снижает верхний предел закалочных температур; отсутствия обезуглероженности и обезлерирования; получения чистой и светлой поверхности изделий;

• снижение стоимости термической обработки за счет: устранения затрат, связанных с очисткой и промывкой изделий, а также с подготовкой поверхности для нанесения упрочняющих покрытий; экономии электроэнергии; автоматизации процесса; существенного улучшение условий труда; минимизации или полностью отсутствия влияния человеческого фактора; большей гибкости в эксплуатации (возможность использования оборудования для различных технологических процессов термической обработки, при необходимости совмещая операцию отпуска с нанесением упрочняющих покрытий или например, проведение после закалки криогенной обработкой с последующим отпуском).

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
Интенсивность охлаждения закалочных сред


Автор статьи
Новиков Денис Владимирович
Специалист по термическому оборудованию ГК «Финвал»

Источник: пресс-служба компании.

 

Директор выставки:

Соколова Екатерина

8 495 988-1620

info@htexporus.ru

Фото из галереи

  • Новатест, Россия, МО. Химки, измерительные системы
  • ЗАО «Накал – Промышленные печи», Россия – разработка, производство и продажа оборудования для термической обработки

Яндекс цитирования

«Термообработка - 2017» - Одиннадцатая международная выставка технологий термообработки, областей применения термического воздействия, оборудования для термообработки.
Дата и место проведения: 18 - 20 сентября 2017 года, Россия, Москва, ЦВК «Экспоцентр» на Красной Пресне, павильон 7, зал 1.
Термообработка, промышленные печи, лабораторные печи, индукционное оборудование, футеровка, теплоизоляция, графитовые материалы, огнеупоры, эндогенераторы,
центробежное литье, неразрушающий контроль, оснастка, закалочное оборудование, отпуск, отжиг, системы нагрева

© 2001-2017 ВК «Мир-Экспо» / Многоканальный телефон: 8 495 988-1620 / выставки в Москве
Внимание! Условия перепечатки и использования текстовых материалов и фотографий с официального сайта выставки Термообработка.