Термическая обработка режущего инструмента

Инструменты используются для обеспечения изделиям требуемой формы и для измерения их размеров. Получение заданной формы может быть осуществлено:

Снятием стружки для этого применяется режущий инструмент - резцы, фрезы, сверла, метчики и др.;

Пластической деформацией, когда используется штамповый, ковочный, прессовый, волочильный инструмент, прокатные валки.

Для измерения размеров применяется калиброво-измерительный инструмент (пробки, кольца, скобы, шаблоны и др.).

Выбор материала для инструмента определяется его поведением при эксплуатации, чаще всего числом обработанных деталей. В качестве критериев при выборе стали для инструмента служат:

Высокая твердость и сохранение ее при повышенных температурах (тепло- и красностойкость);

Сопротивление истиранию, высокая стабильность размеров;

Малая чувствительность к перегреву и способность сталей к закалке, определяемая по виду излома закаленных образцов.

Химический состав инструментальных сталей характеризуется повышенным содержанием углерода (выше 0,5%) и наличием карбидообразующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена, ванадия. Хром, вольфрам, молибден, растворяясь в цементите, затрудняют диссоциацию карбидов, а, следовательно, замедляют процессы их выделения из мартенсита и коагуляции. Этим они способствуют сохранению твердости до более высоких температур отпуска и эксплуатации. При высоком содержании карбидообразующих элементов при отпуске образуются высокодисперсные карбиды, вызывая при повышенных температурах отпуска возрастание твердости (явление вторичной твердости).

Вторичная твердость объясняется выделением специальных карбидов в дисперсной форме и распадом остаточного аустенита при охлаждении после отпуска. Максимальный эффект вторичной твердости в хромистых сталях достигается при температурах отпуска около 500 °С, а в вольфрамовых при 560-580°С. Преимущество легирования сталей вольфрамом по сравнению с хромом заключается не только в повышенной тепло- и красностойкости, но и в более высокой способности вольфрам содержащего карбида противостоять истиранию.

В присутствии хрома и вольфрама весьма эффективно легирование молибденом и ванадием: Молибден повышает устойчивость карбидов против отпуска, а ванадий образует дисперсные карбиды VC. Из некарбидообразующих элементов благоприятно влияет кремний, затрудняющий диффузию углерода в феррите, и повышающий предел упругости стали. Особую роль в инструментальных сталях играет кобальт, способствующий диспергированию карбидных частиц. Легирование никелем или его заменителем марганцем ведется в том случае, когда требуется инструмент с повышенной вязкостью. Это чаще всего инструмент, подвергающийся при работе ударам (молотовые штампы, вставки).Технология термической обработки режущего инструмента определяется материалом для его изготовления и условиями работы. К режущим элементам относят резцы, сверла, фрезы, протяжки, метчики и др. (рис. 38).

При резании часть работы переходит в тепло, которое разогревает режущую кромку инструмента. Поэтому для такого инструмента важна не только высокая твердость, но и сохранение ее при повышенных (рабочих) температурах. Повышение температуры режущей кромки инструмента зависит от твердости обрабатываемого материала и параметров режима резания (толщины снимаемой стружки и скорости резания). Эти условия определяют выбор стали для режущего инструмента.

Необходимая минимальная твердость инструмента при резании по металлу должна быть не менее HRC60-62. При нормальной подаче и невысоких скоростях резания (10-20 м/мин) нагрев режущей кромки составляет не более 200-300 °С, что позволяет применять для инструмента углеродистые и низколегированные стали с неглубокой прокаливаемостью.

Рис. 38. Виды режущего инструмента: а,б - резцы плоский и круглый соответственно; в, г - фрезы отрезная и концевая соответственно; д - сверло спиральное; е - метчик; ж - протяжка

При высокой твердости обрабатываемого резанием материала или повышенных скоростях резания (30-50 м/мин) режущая кромка нагревается до 500-600°С, что требует применения высоколегированных сталей типа быстрорежущих, содержащих в структуре до 30% специальных карбидов. При нагреве режущей кромки инструмента выше 600 °С высокую твердость сохраняют инструменты, изготовленные из твердых сплавов, в которых содержание карбидов составляет 80-90 %. В целом инструментальные стали для изготовления режущего инструмента можно условно разделить на три основные группы:

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-74);

Легированные инструментальные стали для режущего и измерительного инструмента (ГОСТ 5950-73) не глубокой и глубокой прокаливаемости;

Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73). Принято подразделять эти стали на нормальной и повышенной производительности.

Характеристика инструментальных сталей для режущего инструмента. Углеродистые инструментальные стали (У7-У13) качественные и высококачественные применяются для изготовления режущего инструмента в основном для ручной работы, когда инструмент испытывает небольшие нагрузки и работает практически без разогрева. Стали имеют низкую прокали-ваемость и теплостойкость, малую устойчивость переохлажденного аустени- та, чувствительны к перегреву. К достоинствам этих сталей относится:

Возможность сохранения вязкой сердцевины, что позволяет выдерживать инструменту повышенные динамические нагрузки;

После закалки иметь в структуре малое количество остаточного ау-стенита (5-8%), который при работе распадается, что обеспечивает высокое сопротивление пластической деформации режущей кромки;

Низкая твердость в отожженном состоянии (НВ 150-170), что облегчает изготовление инструмента пластической деформацией (накатка, плющение, насечка) и обеспечивает хорошую обрабатываемость резанием;

Сохранять чистую поверхность при закалке в воде.

Легированные инструментальные стали неглубокой прокаливаемо-сти содержат незначительное количество хрома (0,4-0,7 %) и ванадия (0,150,30%). В эту группу входят следующие марки сталей: 7ХФ, 9ХФ, 11ХФ, 13Х. Малая концентрация легирующих элементов позволяет сохранить, в основном, преимущества углеродистых сталей, уменьшив их недостатки, в частности, чувствительность к перегреву.

Данные стали применяют для деревообрабатывающего инструмента (долота, пилы - 7ХФ, 9ХФ); инструмента, испытывающего ударные нагрузки (зубила, пуансоны - 7ХФ); метчики и развертки небольшого сечения до 30 мм, закаливаемые в масло - сталь 11ХФ; шаберы, гравильный инструмент - 13 Х.

Легированные инструментальные стали глубокой прокаливаемости содержат до 4-5% легирующих элементов (хром, вольфрам, кремний, марганец). Более высокая устойчивость легированного аустенита позволяет получить высокую твердость стали после термической обработки (HRC62-68) в сечениях до 25-90 мм. В эту группу входят стали ХВГ, ХВСГ, 9ХС.

Сталь ХВГ используется для режущего инструмента, склонного при термической обработке к короблению (длинные метчики, развертки, протяжки и т.п.). Из-за повышенного содержания углерода (0,90-1,05%) и карбидообразующих элементов (хром, вольфрам 2,1-3,8%) сталь имеет повышенную карбидную неоднородность. А высокое содержание марганца (0,80-1,10%) приводит к сохранению после закалки до 20% остаточного аустенита, что снижает деформацию при закалке.

Сталь ХВСГ содержит пониженное суммарное количество хрома и вольфрама (1,3-2,1%) и имеет меньшую карбидную неоднородность, что позволяет применять ее в инструментах большего поперечного сечения, чем сталь ХВГ. Это круглые плашки, развертки, зенкеры. Дополнительное легирование кремнием в количестве 0,65-1,0% повышает устойчивость стали против отпуска и прокаливаемость.

Меньшее содержание углерода в стали 9ХС (0,85-0,95%)позволяет практически устранить в структуре карбидную неоднородность. Это связано и с пониженным содержанием карбидообразующих элементов не более 1,25% хрома. К достоинствам стали следует отнести невысокую чувствительность к перегреву и низкое содержание остаточного аустенита после закалки (6-8%). Однако легирование кремнием, повышает твердость стали после отжига, что ухудшает ее обрабатываемость. Кроме того, кремний увеличивает склонность стали к обезуглероживанию, и повышает ее хрупкость. Данная сталь применяется для производства инструмента, рабочая часть которого расположена ближе к середине прутка (круглые плашки, сверла, развертки, метчики).

Быстрорежущие стали значительно превосходят углеродистые и легированные инструментальные стали по теплостойкости, что дает возможность применять их для резания с повышенными и высокими скоростями или для труднообрабатываемых материалов. Повышенная теплостойкость сталей связана с легированием большим количеством вольфрама и молибдена при условии £ [W+ (1,4-1,5)-Мо] = 12-13 % и закалкой с высоких температур (1200-1 300 °С).

Вольфрамо- и вольфрамомолибденовые стали относятся к сталям нормальной производительности. В эту группу входят стали: Р6М5, Р6АМ5, Р8М3, Р12, Р18. Стали, легированные вольфрамом и молибденом менее дефицитны, чем вольфрамовые, так как содержат до 5% Мо и не менее 6% W. Замена вольфрама молибденом из расчета Мо :W= 1 : (1,4-1,5) незначительно уменьшает теплостойкость сталей, но они менее дефицитны. Однако молибден увеличивает склонность сталей к обезуглероживанию, разнозерни-стости и перегреву. Поэтому температура нагрева вольфрамомолибденовых сталей под закалку должна быть ниже, чем сталей только с вольфрамом. Эта группа сталей применяется для резания со скоростями 30-50 м/мин. Более высокие скорости резания обеспечиваются при использовании инструмента, изготовленного из сталей Р12 и Р18. Сталь Р8М3 в отличие от стали Р6М5 имеет большую устойчивость против перегрева, меньшую обезуглероживае-мость при нагреве под закалку и лучшую стабильность свойств после термической обработки.

Быстрорежущие стали повышенной производительности, содержащие значительное количество ванадия (Р14Ф4), кобальта (Р9К5, Р9К10) или молибдена и кобальта (Р9М4К8, Р6М5Ф3, Р8М3К6С, Р9М5К5 и др.), предназначены для инструмента, работающего с высокими скоростями резания или для обработки материалов с твердостью HRC40-45, а также аустенитных сталей и жаропрочных сплавов. Наиболее применимы на практике из перечисленных марок стали Р9М4К8 и Р6М5Ф3. Рост теплостойкости сталей сопровождается падением их вязкости и прочности, а в ряде случаев и горячей пластичности и шлифуемости. Эти недостатки устраняются при изготовлении инструмента спеканием порошков указанных сталей.

Легирование кобальтом значительно повышает теплостойкость и вторичную твердость HRC67-70, но при этом понижается прочность и вязкость инструмента, который должен эксплуатироваться без ударных нагрузок.. Ванадий при высоком содержании углерода (0,8-1,5%) усиливает дисперсионное твердение, повышает износостойкость, теплостойкость до 670 °С и вторичную твердость HRC65-67, но ухудшает шлифуемость особенно при содержании более 3%.

Рис. 39. Место сварки режущего инструмента: 1 - правильно; 2 - неправильно

Крупногабаритные концевые инструменты диаметром 8-60 мм (сверла, метчики, развертки, фрезы, зенкеры и др.) изготавливаются сборными. Так для корпусов сборного инструмента и хвостовых частей применяются конструкционные углеродистые (45, 50) и легированные стали (40Х, 45Х, 50ХФА, и др.). Сборный инструмент изготавливается в основном сваркой (рис. 39).

Маршрутная технология получения режущего инструмента в общем случае включает следующие операции:

Приготовление расплава и литье слитков;

Горячую деформацию слитков (прокатка или ковка);

Резку в меру и изготовление заготовок (предварительное формообразование) с применением сварки, горячей и холодной пластической деформации;

Предварительную смягчающую термическую обработку (ПТО) для улучшения обрабатываемости стали и подготовки структуры для ОТО;

Механическую обработку (окончательное формообразование) на металлорежущих станках или методом холодной деформации (насечка и др.);

Окончательная термическая обработка (ОТО), обеспечивающая требуемые свойства;

Шлифовку, заточку инструмента, дополнительную термическую обработку для улучшения поверхностного слоя;

Контроль качества.

Режущие инструменты из углеродистых и легированных сталей в основном изготавливают на металлорежущих станках из отожженного проката. Также получают и тонкий инструмент (диаметром 6-8 мм) из быстрорежущих сталей. Основную часть быстрорежущего инструмента в целях экономии высоколегированной стали получают из заготовок близких по форме к окончательной конфигурации инструмента. Для этого применяется ковка, прокатка периодических профилей, продольно-винтовая прокатка спиральных сверл, горячая штамповка метчиков и дисковых фрез, прессование сверл и другие малоотходные процессы горячей деформации.

При изготовлении сборного инструмента сваркой или пайкой (нагрев до 1 050-1 180 °С) сталь приобретает измененную структуру и повышенную твердость, хрупкость, что затрудняет обработку резанием. Кроме того, перегрев создает опасность образования нафталинистого излома при последующей закалке, применяемой в ОТО.

Применение холодной пластической деформации в изготовлении инструмента создает наклеп и остаточные напряжения, которые усиливают деформацию при закалке. Это особенно нежелательно для длинномерного сложного по фасону инструмента (протяжки, сверла и др.). Указанные последствия горячей и холодной обработки устраняются ПТО.

Рис. 40. Схема режимов отжига инструментальных сталей: а - с непрерывным охлаждением; б - с изотермическим охлаждением

Технология ПТО заготовок инструмента включает в основном их отжиг. Он предназначен для повышения обрабатываемости стали резанием, предупреждения нафталинистого излома и подготовки структуры к ОТО. Отжиг должен обеспечить получение структуры зернистого или сорбитообразного перлита с равномерным распределением карбидов легирующих элементов. При этом твердость углеродистых сталей должна быть не более НВ 207-217 для легированных - НВ 241-255, для быстрорежущих - НВ 255-285. Схемы отжига инструментальных сталей приведены на рис. 40,41 и в табл. 16,17 (номера этапов в таблицах и по оси ординат на рисунке одинаковы).

Рис. 41. Схема режимов изотермического отжига с использованием остаточного тепла после горячей деформации: а - отжиг с повторной перекристаллизацией; б - отжиг без повторного нагрева

Температура нагрева и время выдержки определяются по справочникам, исходя из критических точек сталей и габаритов заготовок. При этом желательно в структуре получение аустенита с сохранением некоторой части нерастворенных избыточных карбидов. Для уменьшения термических напряжений с целью обеспечения равномерного нагрева скорость нагрева крупногабаритных заготовок и больших садок должна быть <100 °С/ч для углеродистых и легированных сталей, <50 °С/ч для быстрорежущих сталей. Время выдержки обычно составляет 2-3ч.

Таблица 16

Режимы отжига с непрерывным охлаждением

Номер	Наименование	Марка инструменталь	Температура,	Время выдержки,
этапа	операции	ной стали	°С	скорость охлажд.
1	Нагрев и вы-	Углеродистые (У7-У13)	760-780	1-2 ч
	держка (аусте-	Легированные (ХВГ)	770-790	1-3 ч
	низация)	Легированные с Si	790-810	1-2 ч
		(9XC, ХВСГ)
		Быстрорежущие	850-870	2 -3 ч
2	Медленное ох	Углеродистые	<500	50 °С/ч
	лаждение	Легированные	<500	50 °С/ч
	(распад аусте-	Быстрорежущие	<500	30 °С/ч
	нита)
3	Окончательное	Все стали	<18-20	На воздухе
	охлаждение

Таблица 17

Режимы изотермического отжига инструментальных сталей

№ этапа	Наименование этапа	Тип стали	t, °С	Выдержка, Vохлаждения
1	Нагрев (аустенизация)	Углеродистые Легированные ЛегированныеSiБыстрорежущие	760-780 770-790 790-810 850-870	1-2 ч 1-2 ч 2 ч 3 ч
2	Подстуживание до изотермической выдержки	Все стали	-	С печью
3	Изотермическая выдержка	Углеродистые Легированные Быстрорежущие	680-700 700-720 730-750	1-2 ч 4 ч 6 ч
4	Замедленное охлаждение	Углеродистые Легированные Быстрорежущие	<500 <500 <500	50 °С/ч 50 °С/ч 30 °С/ч
5	Окончательное охлаждение	Все стали	< 18-20	На воздухе

Режим охлаждения назначают таким образом, чтобы обеспечить завершение распада переохлажденного аустенита в интервале температур 550600 °Сс получением феррито-карбидной смеси требуемой дисперсности. При использовании в качестве ПТО изотермического отжига скорость охлаждения до температуры изотермической выдержки не оговаривается, обычно садка охлаждается в выключенной печи при закрытых дверцах.

С целью экономии тепловой энергии целесообразно выполнять отжиги с использованием тепла предыдущих операций горячей обработки (пайка, сварка, горячая деформация). Если требуется исправить перегретую структуру, то обязательно проведение ускоренного подстуживания заготовок до температур 600-700 °С. Это обеспечивает распад аустенита с получением более дисперсных структур, чем при медленном охлаждении (рисунок 40, а). После чего выполняется отжиг с фазовой перекристаллизацией.

Если нагрев при горячей деформации или сварке не привел к росту зерна аустенита, то повторная перекристаллизация не проводится. В этом случае достаточно контролируемого охлаждения или изотермической выдержки, как при обычном отжиге (рис. 41). Циклический отжиг с числом циклов 3-8 проводится при требованиях высокой чистоты поверхности заготовок при обработки резанием, когда необходимо иметь сфероидизированый мелко- или среднезернистый перлит. Нагрев заготовок под аустенизацию выполняют до 750 °С для углеродистых и легированных сталей и до 850°С для быстрорежущих. Нижняя температура цикла должна находиться в интервале 680-710 °С. Время выдержки при каждом цикле нагрева и охлаждения составляет 0,5-1,0 ч для углеродистых и 0,2-0,5 ч для быстрорежущих сталей.

В качестве ПТО можно проводить высокий отпуск, его выполняют для инструмента из быстрорежущих сталей, чтобы обеспечить правку инструмента (заготовки), полученного горячей деформацией. Параметры отпуска 760-780 °С в течение 15-30 мин с охлаждением на воздухе. Для отпуска применяют скоростной нагрев в соляных ваннах или индукционных печах. После отпуска твердость примерно равна НВ 300, что затрудняет механическую обработку.

Рекристаллизационный отжиг при ПТО применяют для устранения наклепа, снижения твердости и снятия внутренних напряжений после обработок. Основная цель его уменьшение коробления и деформации при последующей закалке. Параметры отжига медленный нагрев до 600-700 °С, выдержке 1-2 ч с охлаждением в печи.

Нормализацию и улучшение применяют в том случае, когда требуется устранить в структуре цементитную сетку или участки с палстинчатым перлитом. Параметры нормализации температура 880-900 °С для углеродистых и 860-880 °С для легированных сталей. При высокой твердости заготовок после нормализации проводится высокий отпуск при 600-650 °С. Улучшение позволяет более полно устранить цементитную сетку и понизить деформируемость инструмента при ОТО. Параметры операций улучшения определяются маркой стали. Нормализацию и улучшение как операции ПТО проводят после черновой механической обработки для заготовок из углеродистых и легированных сталей, используемых для производства инструмента сложной формы, а также резьбового (метчики, плашки).

Карбидный отпуск применяют как вид ПТО для быстрорежущих сталей с целью улучшения их обрабатываемости пластической деформацией и устранения растрескивания при холодной вырубке тонких заготовок (дисковые фрезы). При отпуске сталь нагревается до 720-760 °Сс выдержкой 1,01,5 ч при этом часть мелких карбидов растворяется. Последующее быстрое охлаждение (масло, вода) фиксирует это состояние, что повышает пластичность стали и несколько снижает предел текучести.

При отжиге инструментальных сталей, относящихся к высокоуглеродистым, и поэтому склонных к обезуглероживанию, рекомендуется применять защитные атмосферы или вести нагрев в контейнерах с засыпкой смесями. Защитной средой может быть отработанный карбюризатор или смесь древесного угля 85-90% и кальцинированной соды 10-15%. Для отжига быстрорежущих сталей применяется менее углеродсодержащая среда, которой является чугунная стружка в составе: 50% свежая и 50% отработанная. Без применения защитной среды отжигаются заготовки, которые имеют значительные припуски на последующую механическую обработку.

Время нагрева при посадке в предварительно нагретые печи может ориентировочно определено из расчета: для углеродистых сталей 1 мин /мм толщины нагреваемого слоя заготовок, для легированных 1,5 мин /мм, для быстрорежущих 2 мин /мм. Общая длительность процесса отжига заготовок из углеродистых и легированных сталей достигает 14-18 ч, из быстрорежущих 18-24 ч. При применении циклического отжига это время сокращается до 2-6 ч.

Правильный выбор технологии ОТО инструмента обеспечивает получение требуемого уровня его свойств: высокой твердости, износостойкости, теплостойкости, прочности. Теплостойкость углеродистых и легированных сталей должна быть не ниже 200-250 °С, а быстрорежущих - 600-650 °С. Прочность инструмента зависит от характера распределения карбидов, количества остаточного аустенита и величины напряжений, возникающих в процессе закалки. Инструмент из любой группы сталей в качестве ОТО проходит закалку и отпуск. Наилучшие свойства обеспечиваются структурой мелкоигольчатого или бесструктурного мартенсита с равномерно распределенными избыточными карбидами и по возможности малым количеством остаточного аустенита. Основные факторы, влияющие на результаты закалки: способ, температура и скорость нагрева, продолжительность выдержки при нагреве и условия охлаждения.

Закалка инструмента. Температура нагрева под закалку определяется маркой стали и должна обеспечивать аустенизацию с достаточным насыщением твердого раствора углеродом и легирующими элементами при сохранении мелкого зерна аустенита (10-11 балл). Влияние температуры нагрева под закалку на твердость и количество остаточного аустенита инструментальных сталей представлено на рис. 42. Недогрев при закалке углеродистых и легированных сталей приводит к пониженной твердости, снижая износостойкость и режущие свойства инструмента. Недогрев быстрорежущих сталей резко снижает ее теплостойкость, что проявляется и в снижении твердости стали при отпуске.

Перегрев при закалке выявляется по величине аустенитного зерна. Рост зерна выше 10 балла ведет к понижению вязкости и прочности стали и поэтому недопустим. Для инструмента, работающего без динамических наг рузок допускается размер аустенитного зерна до 9 балла.

Углеродистые и легированные стали подвергают неполной закалке с нагревом до температур на 50-80 °С выше критической точки А_с1 (табл. 18). Нерастворившиеся при нагреве карбиды цементита и карбидов легирующих элементов препятствуют росту зерна аустенита и повышают износостойкость стали.

Нагрев под закалку быстрорежущих сталей ведется до более высоких температур (табл. 18), когда растворяются вторичные карбиды и аустенит насыщается легирующими элементами. Однако часть карбидов с высоким содержанием вольфрамам сохраняется, что обеспечивает мелкое зерно аустенита. Следует отметить, что на практике температуру нагрева под закалку быстрорежущих сталей следует выбирать поплавочно по результатам технологических проб и назначения инструмента. Это связано с тем, что размер зерна зависит от целого ряда факторов, к которым относятся исходная структура, содержание молибдена и неизбежных примесей в данной плавке.

Рис. 42. Твердость и количество остаточного аустенита в структуре углеродистых и легированных сталей в зависимости от температуры нагрева под закалку

Таблица18

Температура нагрева под закалку инструментальных сталей

Марка стали	t, °С	HRCпосле закалки	Марка стали		t, °С	HRCпосле закалки
Углеродистые				Быстрорежущие
У 8 А, У9А У10А, У13А	760-770 1 780-7902 770-7901 790-8102	63-65 60-62 63-65 61-63	Р18 Р12 Р6АМ5 (Р6М5) Р14Ф4 Р9К5, Р9К10 Р9М4К8 Р8М3К6С Р9М5К5 6Х6В3МФС		1270-1290 1240-1260 1200-1300 1240-1260 1210-1235 1215-1235 1200-1220 1200-1230 1050-1075	62-65 62-65 65 66 63-66 63-66 63-66 63-66 60-62
Л	егированные
11ХФ, 13Х ХВГ ХВГС 9ХС	800-820 830-850 850-870 860-880	63-65 63 -66 63-64 63-64

1 2При охлаждении в воде и водных растворах. При охлаждении в масле и горячих средах.

При выборе технологии нагрева под закалку необходимо помнить, что инструментальные стали склонны к обезуглероживанию и окислению. Поэтому нагрев желательно выполнять быстро и с применением защитных атмосфер. Наиболее распространен нагрев в хорошо раскисленных соляных - ваннах. Высокая скорость нагрева в соляных ваннах может вызвать значительные внутренние напряжения, деформацию и образование трещин. Поэтому рекомендуется применять ступенчатый нагрев под закалку для крупногабаритного инструмента сложной формы особенно из легированных и быстрорежущих сталей, имеющих пониженную теплопроводность по сравнению с углеродистыми сталями. Время выдержки при нагреве должно обеспечивать сквозной нагрев инструмента до заданной температуры и полное завершение фазовых превращений.

Температуру и количество подогревов определяют, исходя из состава стали, размеров и конфигурации инструмента, а также с учетом технологических соображений. Рекомендуется назначать повышенные температуры подогрева (при одном подогреве) на 100-150 °С ниже температуры нагрева под закалку. Это позволяет уменьшить выдержку при окончательном нагреве, что в свою очередь понижает размер зерна аустенита и обезуглероживание. Режим нагрева с одним подогревом в основном используется для углеродистых и легированных сталей.

Для инструмента из быстрорежущих сталей нагрев ведется с двумя или тремя подогревами. Первый подогрев совмещается с сушкой и выполняется для инструмента, обрабатываемого в соляных ваннах. Это связано с тем, что загрузка влажных деталей ведет к выбросу (взрыв) расплава из печи- ванны. Этот подогрев выполняется при температурах 200-500 °С и ведется в электрических или газовых печах. Температура второго подогрева выбирается равной 600-650 °С, его назначение понижение термических напряжений при нагреве инструмента с расчетной толщиной более 20 мм. Третий подогрев выполняется при температурах 800-850 °С, он обязателен для инструмента всех размеров, так как обеспечивает понижение и термических, и фазовых напряжений в изделиях. Затем проводится окончательный нагрев до высоких температур.

Время нагрева под закалку определяется размерами инструмента, нагревающей средой и температурой нагрева, устанавливается, исходя из справочных данных, или расчетным методом. Выдержки при окончательном нагреве и подогревах могут быть определены, исходя из табл. 19. Для инструментов из углеродистых сталей нормы выдержки на 15-20% меньше приведенных в таблице.

Таблица 19

Нормы выдержки на 1 мм диаметра (толщины) при нагреве инструмента размером 3 - 75 мм из быстрорежущих сталей

Оборудование для нагрева	Выдержка (с/мм) при нагреве			до температур, °С
	750-900	950-1 100	1 250-1 300
Соляная ванна	25-30	12-15	8-10
Пламенная печь	-	-	10-12
Электрическая печь	70-90	-	-

Примечание. Для печей указано время выдержки при посадке в разогретую печь. Для высокотемпературных ванн приведены нормы выдержки для условий предварительного подогрева.

Охлаждение при закалке должно быть достаточно быстрым, чтобы предотвратить распад аустенита диффузионным путем и получить мартен- ситную структуру при минимальной деформации инструментов и отсутствии трещин. Выбор охлаждающей среды и способы охлаждения определяются в основном маркой стали. Рассмотрим эти способы.

Инструмент из углеродистых сталей с толщиной до 8 мм охлаждают в расплаве солей при 160-180 °С, при толщине более 8 мм охлаждают до 150200 °С в 5 %-ном водном растворе поваренной соли, а затем переносят в масло и выдерживают до полного охлаждения. При этом выдержку в горячей среде принимают равной выдержке при нагреве под закалку. Для крупного сложного по форме инструмента используют прерывистую закалку в двух средах: в воде до температурыМ_н с переносом в масло или горячий расплав с температурой 160-200 °С, затем на воздухе.

Для инструмента из легированных сталей охлаждение проводится при толщине до 20 мм в расплаве солей с температурой 160-240 °С в течение времени, равного выдержке при окончательном нагреве, далее на воздухе. При диаметре (толщина) инструмента свыше 20 мм охлаждение выполняется в масле.

Быстрорежущие стали закаливают ступенчато в горячих средах, реже в масле. Длинный стержневой инструмент охлаждают в масле до 200-250 °С и передают на правку с последующим охлаждением на воздухе. Остальной инструмент рекомендуется охлаждать ступенчато до 400-550 °С в соляной ванне, далее на воздухе. Инструмент с толщиной более 20 мм подстуживают на воздухе до 300-400 °С. затем передают на отпуск. При всех способах ступенчатой закалки время выдержки в горячих средах принимают равным времени окончательного нагрева инструмента под закалку.

Оптимальная структура быстрорежущих сталей после закалки мартенсит (60-65%), карбиды (5-20%) и остаточный аустенит (13-30%). Значительное количество остаточного аустенита связано с тем, что при комнатной температуре мартенситное превращение не заканчивается. Снизить количество остаточного аустенита до 5-8% можно обработкой холодом с охлаждением до-70 °С, но это сопровождается повышением уровня остаточных напряжений и опасностью возникновения трещин. Поэтому обработку холодом применяют ограниченно только для инструмента высокой точности (измерительный).

Отпуск инструмента проводится после удаления с поверхности остатков солей или масла. Рекомендуется очистку проводить в два этапа: первый - промывка в горячем (70-80 °С) водном растворе 10-15% каустической соды с добавлением жидкого стекла (0,15 % NaSiO₃); второй - пассивирование* в водном растворе NaNO₂(2 - 3 %) и Na₂CO₃(0,3 % ) обработка ведется в течение 3-5 мин при 70-80 °С.

Отпуск - это конечная операция, которая уменьшает хрупкость, повышает вязкость, уменьшает уровень остаточных напряжений Параметры отпуска определяются химическим составом стали, требуемой твердостью, которая зависит от назначения инструмента.

Инструменты из углеродистых и легированных сталей подвергают отпуску при температурах 140-200 °С (чаще при 150-180 °С) с последующим охлаждением на воздухе. Выдержка при отпуске инструментов определяется его температурой:

Технология термической обработки листового проката. Термомеханическая обработка проката 1

Сл.8.Технология термической обработки проволоки и ленты. Патентирование 3

Технология термической обработки рессор и пружин. Закалка и отпуск пружин. Изотермическая закалка. Поверхностное упрочнение рессор 18

Термическая обработка режущего инструмента 23

220 и выше 0,7-1.

Для сохранения высокой твердости (>HRC60) используют отпуск при 140-180 °С, отпуск при 180-200 °С снижает твердость до HRC58, поэтому его применяют редко. Быстрорежущий инструмент подвергают чаще всего трехкратному отпуску при 560-580 °Сс выдержкой по 1 ч с обязательным охлаждением после каждого отпуска на воздухе до 20 °С, иначе в структуре остается неотпущенный мартенсит. Назначение трехкратного отпуска снизить количество остаточного аустенита до 2-3 %, который резко ухудшает режущие свойства инструментов, а также уменьшить внутренние напряжения и повысить вязкость и прочность. В результате отпуска твердость стали практически не изменяется или незначительно возрастает за счет распада остаточного аустенита и дисперсионного твердения мартенсита (рис. 43).

* Пассивирование - химическая обработка в растворе, при которой на поверхности инструмента образуется искусственная пленка, предохраняющая от атмосферной коррозии.

Рис. 43. Влияние числа отпусков при 560°С, 1 ч на твердость, количество остаточного аустенита и прочность стали Р18

Структура отпущенной быстрорежущей стали представляет собой мартенсит отпуска и карбиды без видимых участков остаточного аустенита, границы зерен практически не наблюдаются.

Отпуск следует проводить по возможности сразу после закалки. Это связано как с опасностью возникновения трещин, так и со стабилизацией остаточного аустенита при выдержке более 3-5 ч при комнатной температуре, в результате чего превращение остаточного аустенита при отпуске замедляется. Общая длительность трех отпусков может достигать 15-24 ч, что не позволяет применять их в единых поточных линиях термической обработки инструмента. Поэтому на практике в массовом и крупносерийном производстве, где используются автоматизированные агрегаты, рекомендован к применению кратковременный отпуск при более высоких температурах 580-600 °Сс выдержкой 10-20 мин.

Стойкость инструмента из быстрорежущих сталей можно повысить обработкой паром. В результате такой обработки на поверхности образуется пористый оксид, удерживающий смазку при эксплуатации. Инструмент помещают в герметичный муфель шахтной печи нагревают до 550-600 °С, выдерживают 30-60 мин в атмосфере перегретого пара и охлаждают до 300-350 °С, после чего прекращают подачу пара и охлаждают инструмент на воздухе с последующей немедленной промывкой в горячем масле.

Отпуск для снятия шлифовочных напряжений обязателен для всех сталей, если инструменты после шлифования не цианируют или не оксидируют. Такой отпуск снимает напряжения, способствует превращению аусте-нита, образовавшегося при шлифовании, и в зависимости от условий шлифования повышает стойкость инструмента (рис. 44). Температуры отпуска 350-400 °С, выдержка 30-60 мин и 150-160 °С, 2-3 ч для деталей высокой точности (измерительный инструмент).

Контроль качества инструмента проводится при выполнении закалки, когда проверяются все технологические параметры процесса. Качество закалки инструмента выборочно контролируется микроструктура (размер зерна аустенита), твердость, состояние поверхности (отсутствие разъедания и оплавления, трещин).

Макроструктуру оценивают по излому. Излом должен быть ровный, матово-серый, мелкозернистый. Присутствие блесток свидетельствует о наличии крупного зерна и нафталинистом изломе. Причинами образования крупного зерна служат низкая степень горячей деформации или высокая температура ее окончания (1 050-1 100 °С).

Объем контроля качества закалки зависит от устойчивости технологического процесса и характера производства. В единичном и мелко серийном производстве необходимо контролировать детали каждой партии (садки). В массовом производстве объем контроля составляет 2-3 изделия в смену.

Приемочный контроль качества инструмента должен предусматривать проверку всех параметров, оговоренных чертежом и техническими условиями на термическую обработку, включая визуальную проверку наружных дефектов и качества очистки поверхности, определения деформации (биение или кривизна). Кроме того, контролируется твердость, а также отсутствие трещин. Выборочно на 2-3 деталях от партии (садки) проверяется микроструктура после отпуска.

Технология термической обработки сварного инструмента. Сварной инструмент используется для лучшего его закрепления в станках и во избежание поломок при установке и монтаже. Крепежная (хвостовая) часть инструмента должна иметь твердость HRC35-50 в зависимости от назначения и материала инструмента. Инструменты из углеродистых и легированных сталей, а также короткий инструмент из быстрорежущих изготавливают обычно цельным. При этом хвостовики дополнительно отпускают путем местного нагрева до повышенных температур ~ 600 °С в течение 5-10 мин.

У крупногабаритного инструмента рабочую и крепежную части подвергают раздельной термической обработке (закалка и отпуск). Обработку хвостовой части можно проводить до или после термической обработки режущей части. Сборный инструмент, состоящий из рабочей и крепежной части, соединяют сваркой. При нагреве до высоких (1 050-1100 °С) в зоне сварного шва образуется мартенситная структура, что вызывает опасность возникновения трещин при охлаждении. Поэтому сварные заготовки сразу после сварки помещают в печь, нагретую до 730-760 °С и отжигают по режиму: на-

Рис. 44. Влияние отпуска, выполненного после шлифования на стойкость фрез из стали Р18

грев до 820-850 °С, охлаждение до 730-760 °С со скоростью 30-40 °С/ч, выдержка 3-4 ч и последующее охлаждение на воздухе.

При выполнении ОТО как рабочей части инструмента, так и крепежной во избежание образования трещин в зоне сварки инструмент нагревается в соляных ваннах так, чтобы сварной шов выступал над уровнем соли на 1012 мм. Параметры обработки крепежной части выбираются в зависимости от марки стали, однако время нагрева под закалку в соляных ваннах не должно превышать 4-5 мин. Для углеродистых сталей (45, 50) охлаждение при закалке проводится в воде, а для легированных (45Х, 50 Х, 50ХФА) - в масле или расплаве солей при температуре 160-180 °С. Температура отпуска 400-450 °С, что ниже температуры отпуска рабочей части. Часть сварного шва из быстрорежущих сталей нагревают до более низкой температуры, чем рабочую и получают твердость в пределах HRC50-56 , что создает плавный переход в изменении твердости. Сварные инструменты не следует обрабатывать холодом, так как при этом усиливается опасность образования трещин.

38