Термическая обработка быстрорежущих сталей

Оценка приемлемости технологий термической обработки для наплавленного металлорежущего инструмента с пленкообразующими компонентами

Термическая обработка быстрорежущих сталей включает отжиг проката или поковок перед изготовлением инструмента и окончательную термическую обработку: закалку с отпуском готового инструмента.

Отжиг предусматривается для понижения твердости до НВ 250-300 и подготовки структуры стали к закалке. Параметры режима обработки: аустенитизация при 840-860°С, охлаждение со скоростью 30-40°С/ч до 720-750°С, выдержка не менее 4 ч., охлаждение со скоростью 40-50°С/ч до 600°С и далее на воздухе. Такой отжиг является изотермическим. Из отожженной стали с помощью лезвийной обработки получают инструмент.

Целью окончательной термической обработки является получение необходимых свойств: твердости, теплостойкости, износостойкости и прочности инструмента.

Закалка инструмента чаще всего проводится с аустенитизацией в соляных ваннах. Нагрев под закалку вследствие низкой теплопроводности быстрорежущей стали проводится с предварительным подогревом при температуре 800-500°С. Для сложного крупногабаритного инструмента (сечением более 30 мм) делают дополнительные ванны подогрева при 400-500°С, иногда при 1000-1100°С. Оптимальная температура аустенитизации зависит от вида инструмента. Резцы и крупные сверла закаливают от верхней температуры рекомендуемого интервала; резьбовой, зуборезный инструмент и фрезы - до нижней температуры. Колебания температуры соляной ванны не должно превышать ±5°С.

Особенно строгим должен быть контроль состава соляной ванны с целью исключения обезуглероживания. Выдержка при температурах закалки не должна превышать значений, необходимых для растворения карбидных фаз. В противном случае происходит рост зерна. Выдержку определяют по специальным формулам или номограммам. Охлаждение при закалке производят в масле или горячих средах (ступенчатая или изотермическая закалка). После горячей среды инструмент охлаждают на воздухе.

Отпуск осуществляется сразу после закалки во избежание стабилизации остаточного аустенита. Выдержка при каждом отпуске составляет 1 час. Последующее охлаждение осуществляется в термостате с целью равномерного протекания превращения аустенита в мартенсит во всем объеме изделия. Как было отмечено ранее, количество отпусков может составлять от двух до четырех. Последний отпуск иногда совмещают с цианированием (насыщение поверхности углеродом и азотом), которое производят в цианистых солях при температурах отпуска.

После отпуска инструмента осуществляют окончательную механическую обработку, после которой иногда инструмент подвергают низкотемпературному отпуску (при 200-300°С) с целью снятия возникших напряжений.

Основными дефектами быстрорежущих сталей, большинство из которых вызваны нарушениями режимов термической обработки, являются: карбидная неоднородность, обезуглероживание поверхности, перегрев при аустенитизации, трещины, низкая твердость, нафталинистый излом.

Карбидная неоднородность снижает прочность, вязкость и стойкость инструмента. Уменьшение карбидной неоднородности достигается комплексом мероприятий при металлургическом переделе.

Карбидная неоднородность представляет собой сохранившиеся участки ледебуритной эвтектики в быстрорежущей стали после прокатки. Она определяется, прежде всего, металлургическим переделом: кристаллизацией слитка и его горячей пластической деформацией.

Перегрев при аустенитизации инструмента приводит к росту зерна аустенита. Это различие проявляется в закаленном состоянии и после отпуска в распределении карбидной фазы по границам бывших зерен аустенита. При значительном повышении температур аустенитизации возможен пережог, т.е. оплавление границ зерен. Во избежание указанных дефектов необходимо осуществлять контроль над процессом аустенитизации. Перегрев является исправимым путем проведения последующего отжига и закалки, пережог является неисправимым дефектом.

Обезуглероживание поверхности инструмента из быстрорежущих сталей обуславливается плохой раскисленностью высокотемпературной соляной ванны и чрезмерно длительной выдержкой при аустенитизации.

Низкая твердость (Н11С58...62) после многократного отпуска может быть обусловлена недостаточно высоким нагревом при аустенитизации, приводящим к недостаточному легированию мартенсита, вызывающим разупрочнение при отпуске; низким или высоким нагревом при отпуске (до или после получения максимального значения твердости); обезуглероживанием поверхности; стабилизацией остаточного аустенита между закалкой и отпуском, приводящим к сохранению большого количества остаточного аустенита. Трещины в быстрорежущих сталях могут быть обусловлены как чрезмерно быстрым нагревом в соляных ваннах, без достаточного предварительного подогрева, так и ускоренным охлаждением в области температур мартенситного превращения.

Нафталинистый излом представляет собой крупнозернистый блестящий излом. Этот дефект проявляется после повторной закалки недостаточно отожженной стали. По мнению некоторых исследователей повышенный рост зерна при повторной закалке быстрорежущей стали, приводящий к нафталинистому излому, получается в результате первичной рекристаллизации аустенита, обусловленной внутренним наклепом и малым количеством центров кристаллизации. Устранение нафталинистого излома достигается проведением отжига перед повторной закалкой.

Проведение полной термической обработки, включающей отжиг, закалку и отпуск, применительно к изготовлению металлорежущего инструмента, вызывает технологические трудности.

При высоких скоростях кристаллизации и последующего охлаждения возможно получение достаточно мелкозернистой структуры и высокой степени легированности твердого раствора. Это позволяет отказаться от последующего отжига и закалки и ограничиться только отпуском. По данным такой инструмент обладает более высокой износостойкостью и теплостойкостью по сравнению с термически обработанным.

Получение мелкозернистой структуры с необходимой степенью легированности твердого раствора при наплавке быстрорежущих сталей возможно при условии обеспечения высоких скоростей кристаллизации малых объемов металла сварочной ванны и высоких скоростей охлаждения металла в интервале температур образования карбидной фазы из аустенита.

Итак, важно знать, что для быстрорежущих сталей возможны следующие схемы термической обработки: первая включает отжиг, закалку и отпуск; вторая - только отпуск. Различия в структуре и фазовом составе быстрорежущих сталей, обработанных по первой и второй схемам, незначительны.

Некоторое снижение легированности твердого раствора и частичное раздробление карбидной сетки эвтектики может способствовать увеличению прочности наплавленных быстрорежущих сталей после изотермического отжига, закалки и отпуска. Получение более высокой легированности твердого раствора и сплошной сетки карбидной фазы по границам зерен у наплавленной стали, отпущенной без промежуточных отжига и закалки, позволяют получить более высокую вторичную твердость, теплостойкость и износостойкость.

При закалке биметаллического инструмента необходимо обеспечить частичное растворение карбидной фазы и насыщение твердого раствора углеродом и легирующими элементами в высоколегированных сталях, и вместе с тем, избежать перегрева низколегированной стали корпуса инструмента.

При температурах, близких к А_ь применяемых для отжига быстрорежущих сталей, углерод активно перемещается из низколегированной в высоколегированную сталь, так как при малой растворимости углерода в a-Fe решающее значение приобретает понижение его активности карбидообразующими элементами. Изотермический отжиг приводит к образованию диффузионной ферритной прослойки, значительной протяженности на границе между высоколегированной режущей частью и низколегированным корпусом инструмента. Образование обезуглероженной ферритной прослойки приводит к резкому снижению прочности зоны сплавления разнородных сталей.

Высокие температуры нагрева под закалку, узкий интервал оптимальных закалочных температур для каждой конкретной марки быстрорежущей стали, опасность недогрева, приводящего к снижению вторичной твердости и теплостойкости или перегрева, вызывающего значительный рост зерна, оплавление и потерю формы инструмента, значительное обезуглероживание поверхности, возможность образования трещин в результате ускоренного охлаждения вызывают технологические трудности.

При термической обработке наплавленного металлорежущего инструмента (отжиг, закалка, отпуск) увеличивается вероятность разрушения наплавленной быстрорежущей стали. Наличие высоколегированного твердого раствора у быстрорежущей стали и низколегированного у основного металла при охлаждении с температур закалки предопределяет различие в устойчивости аустенита, различие критических точек, коэффициентов термического расширения. В результате на границе между наплавленной высоколегированной сталью и низколегированной основной возникают напряжения, способствующие образованию трещин.

Устойчивость аустенита наплавленной стали определяется прежде всего содержанием в ней углерода и хрома. При закалке насыщение твердого раствора этими элементами осуществляется в основном в результате растворения карбида М₂зС₆. В быстрорежущих сталях этот карбид почти полностью растворяется при температурах 1050-1100°С, что значительно ниже температур, обеспечивающих необходимое насыщение твердого раствора вольфрамом и молибденом для получения вторичной твердости и теплостойкости. Уменьшить устойчивость аустенита, следовательно, вероятность образования трещин можно лишь за счет резкого снижения вторичной твердости и теплостойкости наплавленной стали.

Отжиг и закалка инструмента, выполненные по режимам, применяемым для конструкционных сталей, не может обеспечить высокой вторичной твердости и теплостойкости высоколегированного металла. Обработка, принятая для высоколегированных инструментальных сталей, приводит к значительному укрупнению зерна у низколегированного корпуса инструмента, образованию обезуглероженной ферритной прослойки в зоне сплавления разнородных металлов.

Существующие схемы отжига и закалки не могут обеспечить получение высоких эксплуатационных характеристик одновременно для высоколегированной режущей части и низколегированного корпуса инструмента. Термическую обработку биметаллического инструмента с наплавленной режущей частью целесообразно ограничивать проведением отпуска на вторичную твердость.

Исключение из технологического цикла термической обработки таких длительных, сложных, энергоёмких операций, как отжиг и закалка, позволит не только получить высокие эксплуатационные свойства наплавленной режущей части инструмента, но и уменьшить затраты на изготовление.