5.5.2. Склонность к обезуглероживанию. Способы определения и предупреждения

обезуглероживания.

Обезуглероживание поверхностных слоев инструмента может происходить при нагреве для отжига, закалки, горячей пластической деформации. Это приводит к снижению твердости поверхностных слоев.

Глубина обезуглероженного слоя сталей в состоянии поставки регламентирована. Так, для БРС, в соответствии с ГОСТ 19265-73, глубина слоя составляет 0,5мм + 1% от диаметра (толщины). Обезуглероживание отожженной стали не опасно, если припуск на механическую обработку инструмента больше обезуглероженного слоя. У шлифованной стали (серебрянки) обезуглероживание отсутствует, по ГОСТ 19265-73 оно не допускается.

Опасно обезуглероживание при нагреве под закалку. Стойкость инструмента будет пониженной, если глубина слоя больше припуска на финишные операции. Кроме того, обезуглероживание поверхностных слоев увеличивает деформации при закалке (см. выше), возникает вероятность появления трещин.

Предупреждение обезуглероживания актуально для БРС, закалочная температура которых значительно выше, чем для инструментальных сталей.

Существует несколько методов для определения глубины обезуглероженного слоя.

Послойное определение содержания углерода.Инструментом из сверхтвердого материала (СТМ) послойно снимается тонкая стружка, в которой содержание углерода определяется химическим методом.

Металлографический метод (В.Д. Садовского)основан на разнице температур Мн обезуглероженного слоя (она выше) и основного металла. Метод реализуется следующим образом:

1. нагрев образца из исследуемой стали до оптимальной температуры закалки,

выдержка 15 мин;

2. перенос в ванну с температурой на 10 – 15⁰С выше точки Мн стали, этп температура ниже точки Мн обезуглероженного слоя (температура Мн стали Р18 немного выше 200⁰С), выдержка 10 мин;

3. перенос в ванну с температурой 500 600⁰С, выдержка 10 мин;

4. охлаждение на воздухе.

Обезуглероживание может произойти при нагреве под закалку.

В этом случае структура стали в поз.1 – аустенит (А)+ карбиды (К), причем содержание углерода в аустените поверхностных слоев пониженное.

При переносе образца в первую ванну (поз. 2) в поверхностном обезуглероженном слое (и только в нем) частично произойдет мартенситное превращение, т.к. температура Мн этого слоя выше, чем основного металла. В результате на поверхности образуется мартенсит закалки (Мз). Таким образом структура обезуглероженного слоя – Мз + А + К; не обезуглероженного – А + К.

При переносе образца во вторую ванну с температурой 500 600⁰С (поз 3) произойдет отпуск мартенсита закалки и образуется мартенсит отпуска (Мотп). Структура обезуглероженного слоя – Мотп + А +К; структура не обезуглероженного слоя не изменяется.

После охлаждения на воздухе (поз. 4) произойдет закалка стали. Структура слоев будет следующей:

• обезуглероженного – Мотп + Мз + Аост. + К;

• не обезуглероженного – Мз + Аост. + К.

Разница в структурах - наличие Мотп в обезуглероженном слое. Мотп травится сильнее, чем Мз, поэтому в поле зрения микроскопа четко выделяется более темная зона обезуглероженного слоя.

Метод фольгиявляется косвенным, с его помощью определяют не глубину обезуглероженного слоя стали, а обезуглероживающее воздействие соляных ванн.

Он заключается в нагреве тонкой (0,8 – 0,12мм) ленты из высокоуглеродистой стали (У13 или 13Х) до температур закалки БРС, выдержке в течение 1 мин и быстрого охлаждения в воде. После этого содержание углерода в ленте определяют химическим методом или определением термо-эдс (ТЭДС) в паре «стальная лента – медный электрод» на специальном приборе. Величина ТЭДС зависит от содержания углерода в ленте. Малая толщина ленты позволяет пренебречь разницей концентрации углерода по сечению.

Чем выше концентрация углерода в закаленной ленте, т.е. чем меньше его выгорело при нагреве, тем меньшее обезуглероживающее воздействие ванны.

Допустимое содержание углерода в закаленной ленте устанавливают для каждой стали в зависимости от ее склонности к обезуглероживанию.

Большей склонностью к обезуглероживанию обладают БРС с молибденом. Глубина обезуглероженного слоя заметно возрастает при содержании молибдена свыше 3%.

Допустимое остаточное содержание углерода в ленте из стали 13Х составляет 0,8% (потеря углерода 0,5%) при закалке стали Р18 и не менее 0,95 – 1% (потеря углерода не более 0,35%) при закалке стали Р6М5.

Кобальт также повышает склонность БРС к обезуглероживанию.

Предупреждение обезуглероживания достигается ректификацией (раскислением) соляных ванн (состав BaCl₂) бурой (0,6 – 0,8% от массы ванны два раза в смену), ферросилицием (0,3 - 0,5%, 1 раз в смену), фтористым магнием (1 – 3% один раз в смену). Лучшим раскислителем является фтористый магний, наименее надежным - бура. Раскисление бурой не предохраняет от обезуглероживания инструмент, если выдержка при закалочной температуре превышает 5 мин.