10. Рекомендации к термообработке инструментальных сталей, в том числе и быстрорежущих

Отжиг инструментальных сталей обычно проводят в камерных электрических печах с выкатным паром и относительно небольших размеров. Это связано с тем, что отжиг заготовки инструментальных сталей поступают небольшими партиями (0,5…2,0 т) в виде сортового проката или малых кованых заготовок.

Обычно эти заготовки укладывают компактно в железные ящики и затем помещают в печь.

Длительность выдержки определяют исходя из сечения группы заготовок при их компактной укладке и с учетом схемы расположения этих ящиков (см. коэффициенты увеличения продолжительности К, приведенные ранее).

Принципиальные режимы отжига для инструментальных сталей см. в справочной литературе.

Режим окончательной термической обработки состоит обычно из закалки и отпуска. Далее рассмотрены эти режимы применительно к термообработке инструмента из быстрорежущей стали Р18.

Режим термообработки инструмента из стали Р18 состоит из нагрева до температуры закалки 1260…1280 °С, охлаждения в масле и в расплавленных солях и трехкратном отпуске при температуре 560…570 °С в соляной ванне.

Нагрев до температуры закалки необходимо вести с двумя промежуточными подогревами в соляных ваннах, для предотвращения возможных трещин от термического удара (в случае помещения деталей из стали Р18 непосредственно в ванну с температурой ≈ 1280 °С).

Рекомендуемые длительности выдержки на различных этапах нагрева приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Длительность выдержки на различных этапах нагрева

Более подробные рекомендации по термической обработке стали Р18 представлены ниже.

В табл. 10.2 представлены составы типичных быстрорежущих сталей.

Таблица 10.2

Составы типичных быстрорежущих сталей^*

Красностойкость быстрорежущей стали обеспечивается ее вы­сокой легированностью карбидообразующими элементами. Пос­ле полной термической обработки структура быстрорежущей ста­ли состоит из высоколегированного мартенсита, устойчивого про­тив распада при нагреве до 500…600 °C и дисперсных карбидов, устойчивых против коагуляции. При температуре 500 °C быстроре­жущая сталь имеет «горячую» твердость около 600 НВ.

Режим термической обработки быстрорежущей стали, со­держащей 18 % W, 4 % Сr и 1 % V (сталь 18-4-1), был разра­ботан в начале XX в. и в основных чертах сохранился до наше го времени. Особенности закалки и отпуска быстрорежущих ста­лей рассмотрены ниже на примере стали Р18.

Литая быстрорежущая сталь содержит эвтектику. Красно­стойкость литой стали не ниже, чем у катаной или кованой. Но скопления, эвтектических карбидов по границам зерен резко по­нижают обычные механические свойства, в особенности пластич­ность. Литой инструмент, изготовляемый обычно переплавкой изношенного и поломанного инструмента и стружки, можно при­менять только для работы без значительных механических на­грузок.

Горячая обработка давлением (прокатка, ковка), раздробляя эвтектическую сетку, создает более равномерное распределение избыточных карбидов. При этом основные показатели механичес­ких свойств увеличиваются в несколько раз. Для обеспечения об­работки резанием и подготовки структуры к закалке производят отжиг при 840 °C, причем большую экономию во времени дает изо­термический отжиг с выдержкой при 720…750 °C в районе перлит­ного превращения (рис. 10.1).

Металлургические заводы поставляют быстрорежущую сталь в отожженном состоянии. Структура отожженной быстрорежущей стали состоит из сорбитообразного перлита и большого количества избыточных карби­дов. Основной карбид в быстрорежущей стали - Fe₂W₂C. B этом сложном карбиде частично растворены хром и ванадий. В не­большом количестве имеются карбиды Сr₂₃С₆ и VC. Общее коли­чество избыточных карбидов в отожженной стали Р18 составля­ет 25 %.

Рис. 10.1. Диаграмма изотермического превра­щения

аустенита быстрорежущей стали Р18

Первая и главная особенность нагрева под закалку быстро­режущей стали — высокая закалочная температура, близкая к температуре плавления. Сталь Р18, в зависимости от сечения и формы инструмента, закаливают с температур 1250…1300 °C. Высокотемпературный нагрев необходим для перевода в аустенит возможно большей части избыточных труднорастворимых кар­бидов. Чем выше легированность аустенита, тем выше легированность образующегося из него мартенсита и, следовательно, боль­ше красностойкость стали. В углеродистой стали нагрев до 1250…1300 °C вызвал бы чрезвычайно сильный рост аустенитного зерна. В быстрорежущей стали рост аустенитного зерна тормо­зится избыточными карбидами: при температуре закалки в стали Р18 количество нерастворившихся избыточных карбидов составляет около 15 %. После правильной термической обработки быстрорежущая сталь имеет мелкозернистое строение и характеризуется матовым фарфаровидным изломом. Но с ростом аус­тенитного зерна при нагреве под закалку быстрорежущей стали все же приходится считаться.

Если температура закалки нахо­дится на верхнем пределе, то красностойкость получается мак­симальной, но рост зерна снижает обычные механические свой­ства инструмента. Поэтому тонкие инструменты диаметром до 5…10 мм и фасонные инструменты, испытывающие большие на­пряжения изгиба и кручения, закаливают с температур, находящихся на нижнем пределе закалочного, интервала (1250…1280 °C). Сверла диаметром более 15...20 мм и резцы для обеспе­чения высокой красностойкости закаливают с температур, на­ходящихся на верхнем пределе закалочного интервала (1280…1300 °C). Вторая особенность нагрева под закалку быстрорежущей стали — малое время выдержки при максимальной температуре. При высокой температуре закалки растворенье карбидов закан­чивается примерно за 30 сек., поэтому время выдержки при тем­пературе закалки должно обеспечить лишь сквозной прогрев инструмента.

Увеличение времени выдержки усиливает рост зер­на и обезуглероживание. При закалке инструмента большого се­чения можно не добиваться сквозного прогрева, так как доста­точно получить поверхностный слой высокой красностойкости толщиной 15 мм.

Нагрев под закалку быстрорежущей стали производят в электродных ваннах с хлористым барием, периодически раскис­ляемым бурой или ферросилицием. Расплавленная соль хорошо защищает сталь от обезуглероживания и окисления. Для инст­румента диаметром от 10 до 50 мм время выдержки в соляной ванне можно выбирать из расчета 8…9 сек. на 1 мм диаметра.

Третья особенность нагрева под закалку быстрорежущей стали состоит в том, что обычно используют одно- или двухсту­пенчатый подогрев. Высоколегированная сталь малотеплопроводна, и громадный перепад температур от 20 до 1300 °С создает сильные термические напряжения. Температуру подогрева обыч­но выбирают в .интервале 775…850 °C. Ступенчатый нагрев умень­шает термические напряжения, а сквозной прогрев при промежу­точной температуре уменьшает время прогрева при максималь­ной температуре закалки. Подогрев при 775…850 °C желательно производить в расплаве солей для защиты стали от окисления и обезуглероживания. Для инструмента крупного сечения и сложной формы применяют двухступенчатый подогрев. Первая сту­пень подогрева осуществляется в газовой среде при 350…400 °C.

Охлаждение быстрорежущей стали при закалке обычно производят в масле. Высоколегированный переохлажденный аустенит обладает большой устойчивостью против распада. Поэтому быстрорежущую сталь можно закаливать даже при охлаждении на спокойном воздухе или в воздушной струе. Но при воздушной «самозакалке» инструмента среднего и крупного сечения все же успевают выделиться карбиды из аустёнита и красностойкость получается ниже, чем при закалке в масле. Рекомендуется закаливать на воздухе инструмент диаметром не более 5 мм.

Фасонный инструмент для уменьшения закалочных напряже­ний и предупреждения трещин можно подвергать ступенчатой закалке с выдержкой 2…5 мин в селитряной ванне при 450…550 °C, т. е. в интервале высокой устойчивости переохлажденного аустенита. Из селитряной ванны инструмент выдают на воздух. Вместо ступенчатой закалки можно использовать за­калку в двух средах (масло — воздух); при этом способе инст­румент закаливают в масле, но не до полного охлаждения. Ког­да температура инструмента достигает 300…450 °C, его выдают из масла на воздух. Время выдержки в масле устанавливают опытным путем.

Инструмент с большим отношением длины к диаметру или очень сложной формы рекомендуется подвергать изотермичес­кой закалке с выдержкой 30…60 мин. в щелочной или селитря­ной ванне при 200…300 °C. Так как при изотермической выдержке при 200…300 °C происходит бейнитное превращение, то такая об­работка называется бейнитной закалкой.

Структура стали после закалки в масле или ступенчатой за­калки состоит из мартенсита, избыточных карбидов и остаточ­ного аустенита, количество которого достигает 30…35 %. Такая сталь обладает невысокой красностойкостью. Для уменьшения количества остаточного аустёнита производят отпуск с нагревом в печи или селитре до 560 °C, выдержкой один час и охлаждением на воздухе. Выдержка при 560 °C приводит к каким-то изменениям в остаточном аустените, которые увеличивают его способность к мартенситному превращению, и при охлаждении после отпуска остаточный аустенит превращается в мартенсит, т. е. происходит вторичная закалка. Первый отпуск уменьшает количество оста­точного аустенита до 10…15 %.

Другим важным процессом при отпуске быстрорежущей стали является выдел6ние дисперсных карбидов из мартенсита при 560 °C, которое вызывает дисперсионное твердение. Дисперсион­ное твердение мартенсита и мартенситное превращение остаточного аустенита приводят к повышению твердости после отпуска при 560 °C. Это явление называется вторичной твердостью.

Частичное (выделение из мартенсита карбидов при 560 °C повы­шает теплопроводность. Кроме того, аустенит менее теплопрово­ден, чем мартенсит. Поэтому отпуск увеличивает Теплопровод­ность быстрорежущей стали и тем самым облегчает условия ра­боты режущей кромки.

При образовании вторичного мартенсита во время первого г отпуска создаются напряжения, понижающие механические свойства. Для снятия этих напряжений производят второй от­пуск. Вторичная закалка при втором отпуске также создает напряжения, но меньшие, чем при первом отпуске. Напряжения после второго отпуска снимаются при третьем отпуске. Таким образом, основное назначение первого отпуска — повышение красностойкости, а основное назначение второго и третьего от­пусков — снятие напряжений и повышение механических свойств. После третьего отпуска в стали сохраняется не более 2 % остаточного аустенита.

Число отпусков можно сократить до одного, применив после закалки обработку холодом (охлаждение до -80°С), которая уменьшает количество остаточного аустенита в закаленной ста­ли до 6…9 %. Так как выдержка при комнатной температуре сильно стабилизирует аустенит, то обработку холодом необходимо производить не позднее, чем через 30 мин. после за­калки. На рис. 10.2 представлено несколько возможных режимов закалки и отпуска стали Р18.

Рис. 10.2. Графики закалки я отпуска быстро­режущей стали Р18

В мартенсите закаленной стали Р18 содержится не более 8 % W, а остальной вольфрам находится в карбидах. Так как красностойкость определяется главным образом легированностью мартенсита, то общее содержание дефицитного вольфрама в стали Р18 можно значительно уменьшить без существенной потери красностойкости. Именно поэтому широкое применение нашла менее дефицитная сталь Р9, содержащая в два раза мень­ше вольфрама, но больше ванадия, чем сталь Р18.

В структуре закаленной стали Р9 содержится в два раза мень­ше карбидов, чем в стали Р18 (7 % вместо 15 %). Температуры закалки стали Р9 находятся в интервале 1200…1250 °C. Сталь Р9 не уступает стали Р18 при обработке чугуна и конструкцион­ной стали с твердостью до 220 НВ, т. е. при обработке резани­ем самых распространенных материалов. Недостаток стали Р9 — ее плохая шлифуемость из-за повышенного содержания очень твердого карбида VC.