11.3.7.3. Закалка инструмента

При закалке режущего инструмента нагрев осуществляют различными спо­собами: в газовых или электрических печах с защитной атмосферой, в соляных ваннах, токами высокой частоты. Из них наиболее распространенным в инстру­ментальной промышленности является нагрев в соляных ваннах.

Нагревательные среды и ректификаторы соляных ванн. Широкое приме­нение расплавленных солей при закалке инструмента обусловлено следующими преимуществами нагрева в жидких средах по сравнению с нагревом в печах:

а) жидкая среда обеспечивает одинаковую интенсивность нагрева со всех сторон, получение однородной структуры и свойств и уменьшает величину за­калочной деформации инструмента;

б) в жидкой среде легко осуществим местный нагрев рабочей части конце­вого инструмента на необходимой длине и получение на данном участке за­данной высокой твердости при сохранении более низкой твердости на соседних участках, например на направляющей или хвостовой части инструмента;

в) концевые инструменты можно помещать в расплавленную соль в строго вертикальном положении на необходимую длину, что позволяет уменьшить ис­кривление этих инструментов относительно оси;

г) жидкая среда, защищая нагреваемый инструмент от непосредственного воздействия кислорода воздуха, препятствует окислению его' поверхности в про­цессе нагрева;

д) в момент переноса закаленного инструмента в охлаждающую среду на его поверхности сохраняется тонкая пленка застывшей соли, которая защищает инструмент от интенсивного окисления в процессе охлаждения.

В табл. 11.78 приведены основные и заменяющие составы солей, которые при­меняют для предварительного и окончательного нагрева инструмента под за­калку в средне- и высокотемпературных соляных ваннах, работающих при 750… 950 °С и 1050…1300 °С соответственно; помимо основных компонентов — хлори­стого бария и натрия, в них вводят ректификаторы, предохраняющие инструмент от обезуглероживания в процессе нагрева.

Обезуглероживающая активность солевых расплавов обусловлена присут­ствием в них растворенного кислорода, образованием и накоплением при высо­ких температурах эксплуатации окислов металлов, прежде всего окислов железа и бария.

Вводимый ректификатор должен обеспечить восстановление этих окислов или же связывание их в нерастворимые в солевом расплаве комплексные соедине­ния, оседающие на дно ванны и удаляемые оттуда при регулярной очистке ее от шлама.

Наиболее эффективным ректификатором высокотемпературных соляных ванн, применяемых при закалке инструмента, является комплексный ректификатор, содержащий фтористый магний, предварительно тщательно прокаленный при 900 °С в течение 3 ч, и черный бор. Эти ректификаторы обычно используют в со­ставе заранее приготовленной смеси их с хлористым барием.

Вначале ванну наплавляют одним хлористым барием, затем отливают из нее ½ расплава и дополняют до требуемого уровня смесью солей БМ5Б или БМЗБ. Это облегчает пуск ванны и обеспечивает минимально необходимое содержание ректификаторов в ней в начальный период работы. В процессе эксплуа­тации, по мере понижения уровня расплава, ванну 1-2 раза в смену пополняют смесью указанных солей, что и обеспечивает непрерывную ректификацию рас­плава. Такой порядок пуска и работы высокотемпературных соляных ванн не только гарантирует от обезуглероживания любые нагреваемые быстрорежущие стали, но и обеспечивает резкое (до 3-15 раз) повышение стойкости этих ванн по сравнению со стойкостью, наблюдаемой при периодической ректификации их бурой, или ферросилицием.

Соль БМФ не содержит бора и поэтому действует несколько менее эффективно, чем соль БМ5Б, но может применяться вместо последней.

Таблица 11.78

Соли и ректификаторы, применяемые при нагреве инструмента под закалку

Аналогичным является порядок пуска в эксплуатацию и работы среднетемпературных ванн, применяемых при закалке инструмента из углеродистых и низ­колегированных сталей. В этом случае ванну сначала наплавляют смесью ВаС1₂ + NaСl, затем отливают ½ расплава и вводят соль БНМ2Б, содержащую ком­плексный ректификатор. При отсутствии указанных в табл. 11.78 готовых смесей солей ректификатор вводят в ванну периодически через каждые 4 ч в виде от­дельных добавок.

Предварительный подогрев. Благодаря высокому коэффициенту теплоотдачи нагрев инструмента в расплавленных солях происходит с большой скоростью. Чтобы обеспечить равномерный прогрев по сечению, уменьшить внутренние напряжения и деформацию и снизить опасность образования трещин, нагрев режущего инструмента производят ступенчато, используя для этой цели различные по составу среды. Число ступеней предварительного подогрева и температуру каждой ступени выбирают в зависимости от химического состава стали и габаритных размеров инструмента. Для инструмента из углеродистой и легированной стали применяют в основном одноступенчатый подогрев, реже — двухступенчатый. Для инструмента из быстрорежущей стали чаще используют двух- и трех­ступенчатый подогрев.

Первый подогрев для инструмента из любой стали проводят при 200…500 °С в электровоздушной или газовой печи любого типа.

Второй подогрев при закалке инструмента из быстрорежущей стали при ручной обработке проводят при 840…860 °С в соляной ванне, содержащей хлори­стый барий и натрий, а в процессе обработки на автоматизированном оборудо­вании — при 1050…1100 °С в расплаве одного хлористого бария. Последнее обус­ловлено необходимостью не заносить в ванну окончательного нагрева хлористый натрий, который вызывает большое дымообразование и мешает правильному из­мерению и регулированию температуры. Это особенно важно при закалке инстру­мента на агрегатах и линиях, где обычно используют многоместные приспособ­ления и вместе с большой массой инструмента из ванны подогрева заносят в ванну окончательного нагрева большое количество солей.

Для крупногабаритного инструмента из быстрорежущей стали обычно при­меняют трехступенчатый подогрев: первый при температуре 200…500 °С, вто­рой — при 850 °С, третий — при 1050…1100 °С. Крупногабаритным условно считается насадной инструмент диаметром 90 мм и более и хвостовой инструмент диаметром 60 мм и более.

Отношение времени выдержки при первом, втором и третьем подогревах к времени выдержки при окончательном нагреве принимают равным 3:1; 2:1; 1:1 соответственно.

Температура закалки. В табл. 11.79 указаны диапазоны рекомендуемых темпера­тур закалки. Для инструмента из быстрорежущих сталей они ориентировочные и несколько корректируются с учетом вида инструмента и плавочных особен­ностей стали (исходя из получения определенной величины аустенитного зерна). Для большинства режущих инструментов стремятся получить зерно 10-11-го балла (ГОСТ 5639-82). Для резцов и некоторых видов крупногабаритного режу­щего инструмента наряду с зернами 10-го балла допускают наличие в микрострук­туре зерен 9-го балла. Протяжки и мелкоразмерный инструмент с целью повыше­ния прочности закаливают на более мелкое зерно 11-го балла, с отдельными зер­нами 12-го балла. Однако многие плавки низковольфрамовых быстрорежущих ста­лей, главным образом из сталей Р6МЗ, Р6М5, Р6М5К5 и др., не укладываются в указанный в табл. 11.79 диапазон закалочных температур, поэтому последний прак­тически несколько корректируют путем пробной закалки, добиваясь заданной величины аустенитного зерна.

Таблица 11.79

Температуры закалки инструментальных сталей

Выдержка при температуре закалки. В настоящее время для определения необходимой выдержки разнообразных режущих инструментов при нагреве под закалку в расплавленных солях пользуются упрощенным методом, учитыва­ющим химический состав стали, форму и габаритные размеры инструмента. При этом методе расчета общее время выдержки инструмента τ_общ, в соляной ванне рассматривается как сумма двух независимых величин — времени сквозного прогрева τ_с.п. до температуры закалки и времени изотермической выдержки при этой температуре τ_и.в, которое необходимо для завершения определенной стадии фазовых превращений в стали после прогрева инструмента по сечению:

(11.1)

Время сквозного прогрева. Для инструмента сложной формы при всестороннем нагреве в соляных ваннах время сквозного прогрева может быть определено по формуле

, (11.2)

где K₁ — коэффициент, характеризующий удельное время прогрева и зависящий от материала изделия, состава и температуры нагревающей среды, мин/см; V/F — отношение объема к поверхности равновеликих по габаритным размерам инстру­мента и образцов простой формы (сплошного или полного цилиндра, параллелепи­педа и др.), см; К_ф — критерий формы указанных образцов; К_к — коэффициент конфигурации инструмента.

Значение величины V/F для образцов простой формы находят по формулам, приведенным в табл. 11.80. Критерий формы К_ф выбирают по данным табл. 11.81.

Таблица 11.80

Формулы для определения V/F

Таблица 11.81

Формулы для определения К_ф

Значения коэффициента конфигурации К_к приведены в табл. 11.82, а необходи­мые для расчета по формуле (11.2) значения коэффициента K₁ для условий нагрева в расплавах хлористых солей — в табл. 11.83. Если подогрев быстрорежущих сталей проводят при более высоких температурах (1050…1100 °С), то время окончатель­ного нагрева сокращает, умножая указанные в таблице значения К₁ на коэффи­циент 0,7.

Таблица 11.82

Значение коэффициентов К_к в формуле (11.2) для некоторых тел

простой формы и различных режущих инструментов

Таблица 11.83

Значение коэффициента К₁

Для длинномерного инструмента, отношение длины рабочей части которого к его диаметру достаточно велико (3:1 и более), при определении времени про­грева влиянием члена 2D в формуле (11.4) пренебрегают. Таким образом, время сквозного прогрева τ_с.п. сплошных длинных цилиндров и концевого инструмента с достаточной для практики точностью определяют по получаемой при этом фор­муле

, (11.15)

где n — коэффициент, с/мм; D — фактический размер образца или инструмента мм.

Чтобы получить результаты в минутах, формулу (11.15) выражают в виде

. (11.16)

По формуле (16) и производят упрощенный расчет времени сквозного про­грева длинномерных цилиндров и концевого инструмента в соляных ваннах. Значения коэффициента n находят из табл. 11.84.

Таблица 11.84

Значение коэффициента n при нагреве в расплавах хлористых солей, приведенных в табл. 11.78 для длинномерных тел простой формы и концевого инструмента

Все формулы для определения времени сквозного прогрева образцов и ин­струмента приведены для условий свободного омывания их поверхности нагре­вающей средой. При нагреве в приспособлениях, которые погружают в солевой расплав вместе с изделиями, расчетное время прогрева увеличивают на 20…30 %.

Время выдержки после прогрева. Изотермическая выдержка после прогрева для инструментальных заэвтектоидных и ледебуритных сталей должна обеспечить такую степень растворения избыточных карбидов и выравнивание состава аустенита, которые необходимы для достижения высокой теплостойкости и получения после отпуска высоких механических и режущих свойств.

На основе опытных данных установлены следующий эмпирические фор­мулы для определения величины τ_и.в после прогрева в зависимости от общего содержания сильных карбидообразующих элементов в инструментальных сталях.

Для заэвтектоидных углеродистых и низколегированных сталей

τ_и.в = 1 + 0,6Cr + 0,4W + 3V. (11.17)

Для высокохромистых ледебуритных сталей

τ_и.в = 0,2Сr + 0,5W + V + Мо. (11.18)

Для быстрорежущих сталей:

τ_и.в = 0.08W+0,2V + 0,15Мо, (11.19)

где Cr, W, V, Мо — содержание в сталях этих элементов в процентах.

На основании формул (11.17)…(11.19) вычислены и приведены в табл. 11.85 значения величины τ_и.в для применяемых инструментальных сталей.

Таблица 11.85

Значение τ_и.в для различных сталей

В ряде случаев при назначении изотермической выдержки после прогрева вводят поправки, учитывающие влияние величины и распределения избыточных карбидов в инструментальных сталях. Например, для мелких профилей из быстро­режущих сталей (обычно диаметром ≤ 10 мм), где избыточные карбиды более измельчены и равномернее распределены по объему стали, время выдержки τ_и.в иногда назначают на 20…30 % больше расчетного.

Изотермическая выдержка может быть более длительной, если требуется повышенная красностойкость, определяемая условиями резания. Например, для отдельных инструментов, работающих при высоких скоростях резания 60…70 м/мин и изготовленных из менее склонных к перегреву быстрорежущих сталей с повышенным содержанием ванадия, например из сталей Р18К5Ф2 или Р14Ф4, время τ_и.в может быть увеличено до 1,5 раза по сравнению с обычно назначен­ным при скоростях резания 30…40 м/мин.

Охлаждение при закалке. Условия охлаждения при закалке режущего инстру­мента должны обеспечить сохранение высокой концентрации углерода, а для леги­рованных и быстрорежущих сталей — и легирующих элементов в твердом рас­творе, сведение до минимума закалочной деформации и отсутствие трещин. Ис­ходя из этих требований для режущего инструмента из углеродистой стали при­меняют следующие условия охлаждения при закалке: мелкоразмерный инстру­мент диаметром до 4 мм охлаждают в масле; инструмент диаметром 5…10 мм под­вергают ступенчатой закалке с охлаждением в солевых расплавах при 160…200 °С в течение времени, равного выдержке при нагреве и далее на воздухе; весь инстру­мент из углеродистой стали диаметром более 10…12 мм охлаждают в 5…10 %-ном водном растворе NaCl или NaOH с температурой 18…30 °С. При закалке инстру­мента из этих сталей, имеющего сложный профиль или большие габаритные размеры, для уменьшения деформации и предотвращения образования трещин применяют комбинированное охлаждение: до температуры начала мартенситного превращения охлаждают в воде, а затем переносят в масло или горячий солевой расплав с температурой 160…200 °С, где выдерживают короткое время и далее охлаждают на воздухе.

Весь инструмент из низколегированных сталей подвергают ступенчатой закалке с охлаждением в солевом расплаве при 160…240 °С в течение времени, равного выдержке при окончательном нагреве, и далее на воздухе.

Для большинства инструментов из быстрорежущих и высокохромистых ста­лей применяют ступенчатую закалку трех видов: с охлаждением в средах различ­ного состава с температурой 200…300 °С, 400…550 °С и 610…650 °С и далее на воздухе. Время выдержки во всех этих средах для инструмента из быстрорежу­щих сталей равно времени окончательного нагрева; для инструмента из высокохромистых сталей выдержка в первых двух средах также равна времени оконча­тельного нагрева, в третьей среде (при 620…650 °С) она равна половине указан­ного времени.

Некоторые виды инструмента из быстрорежущей стали закаливают в других условиях: мелкоразмерный инструмент (диаметром до 5 мм) при закалке иногда охлаждают на воздухе; отдельные виды длинномерного инструмента, например протяжки, закаливают с охлаждением в горячем масле до 300 °С, а затем подвер­гают горячей правке в интервале температур мартенситного превращения в про­цессе дальнейшего охлаждения на спокойном воздухе.

Охлаждающие среды. Применяемые при закалке режущего инструмента охла­ждающие среды должны быть достаточно простыми по составу, легкоплав­кими и жидкотекучими; не должны разъедать поверхность инструмента, на­гретого до закалочных температур, не должны быть ядовитыми и взрывоопас­ными при используемых температурах. В основном для данной цели применяют смеси селитр с добавками едких щелочей. В последние годы широкое применение нашли смеси хлористых солей. Составы, наиболее часто используемых охлажда­ющих сред при закалке различного режущего инструмента приведены в табл. 11.86.

Таблица 11.86

Охлаждающие закалочные среды

Твердость после закалки. Инструмент из углеродистой и низколегированной стали после закалки должен иметь твердость HRC ≥ 62. Для инструмента из быстрорежущей стали требуемая твердость после закалки зависит от химического состава стали: для инструмента из вольфрамовых или вольфрамомолибденовых быстрорежущих сталей она должна быть в пределах HRC 62…65, из кобальто­вых быстрорежущих сталей — в пределах HRC 64…66.

Оборудование для закалки инструмента. В единичном и мелкосерийном произ­водстве для нагрева и охлаждения при закалке режущего инструмента исполь­зуют электродные и тигельные соляные ванны различных типов и конструкций. В крупносерийном и .массовом производстве режущего инструмента, на инстру­ментальных заводах широко применяют автоматизированные агрегаты для за­калки инструмента.

Данные о некоторых видах механизированного оборудования, которое ис­пользуют при закалке и отпуске режущего инструмента в массовом производстве, приведены в табл. 11.87.

Методы контроля. При закалке режущего инструмента контролируют тем­пературу нагрева, время выдержки, обезуглероживающую активность ванн окон­чательного нагрева, температуру ванн ступенчатого охлаждения и др.

Контроль обезуглероживающей активности соляных ванн производят мето­дом фольги с помощью образцов тонкой (0,08…0,12 мм) ленты из высокоуглероди­стой стали 13Х, имеющей исходное содержание углерода С_и = 1,3…1,4 %. Образцы нагревают при обычных для обрабатываемых сталей температурах за­калки, указанных в табл. 11.79, выдерживая их в высоко- и среднетемпературных ван­нах в течение 1 и 10 мин соответственно, после чего быстро охлаждают в воде.

Конечное содержание углерода С_к в контрольном закаленном образце ленты после нагрева определяют или методом химического анализа или ускоренным методом заключающемся в измерении на установках ИТЭС-5м термоЭДС, возникающей между этим образцом и нагретым до 160° С медным электродом, ис­пользуя экспериментально найденную зависимость этих двух величин.

Ванну считают удовлетворительной, если после нагрева в указанных усло­виях конечное содержание углерода С_к в контрольных образцах ленты состав­ляет при закалке вольфрамовых быстрорежущих сталей Р18, Р12, Р14Ф4 и др. ≥ 0,8 %, вольфрамомолибденовых Р6М5, Р6МЗ и др. ≥ 0,9 %, молибденокобальтовых Р9М4К8, Р6М5К5 и др. ≥ 1 %, углеродистых и низкалегированных ста­лей У12А, 9ХС и др. ≥ 1,2 %.

Для оценки качества закалки выборочно контролируют твердость рабочей части (а у сварного инструмента — и твердость хвостовой части), микроструктуру, иногда кривизну стержневых инструментов, изменение диаметра посадочного отверстия насадных инструментов, отсутствие наружных дефектов и др. Для ин­струментов из быстрорежущей ехали обязательным является выборочный кон­троль аустенитного зерна.