5.5.3. Деформации при термической обработке. Снижение деформаций.

При термической обработке структурные превращения и тепловые изменения объемов происходят по сечению инструментов не одновременно. Это приводит к возникновению напряжений - термических и структурных. Величина напряжений может превосходить не только предел текучести (в этом случае возникают деформации), но и предел прочности (это сопровождается появлением трещин или разрушением детали).

Максимальные деформации возникают при закалке, поэтому эта операция рассматривается подробнее.

Термические напряжениявозникают вследствие того, что при закалочном охлаждении поверхность охлаждается быстрее, чем сердцевина, поэтому они имеют неодинаковый удельный объем. Величина напряжений максимальна при наибольшей разности температур по сечению детали.

Охлаждение сердцевины при уже «холодной» поверхности должно сопровождаться уменьшением объема. Однако, малопластичные поверхностные слои препятствуют этому.

Таким образом, даже после окончания охлаждения, когда по всему объему установилась одинаковая температура, инструмент испытывает воздействие остаточных напряжений: в одних участках - сжатия, в других – растяжения.

Решающим фактором, определяющим уровень термических напряжений, является скорость охлаждения, варьировать которой можно за счет изменения среды охлаждения. Естественно, что уменьшение скорости охлаждения снижает разность температур по сечению детали и, следовательно, величину остаточных напряжений. Так, при охлаждении в воде уровень остаточных напряжений 75, в масле – 20 и на воздухе -10кгс/мм².

Структурные напряжения. Изменения удельного объема стали при термической обработке.

Структурные напряжения возникают из-за того, что разные фазы стали имеют неодинаковый удельный объем, разные коэффициенты расширения (табл.5.2), кроме того, превращения по сечению инструмента проходят не одновременно.

Таблица 5.2

Объемные характеристики фаз стали

ФАЗА	Содержание углерода, %	Удельный объем, см3/г	Средний коэффициент расширения ´106К-1
			линейный	объемный
Феррит	0	0,12708	14,5	43,5
Аустенит	0 0,4 0,6 0,8 1,0	0,12227 0,12270 0,12313 0,12356 0,12442	23,0	70,0
Мартенсит	0 0,4 0,6 0,8 1,0	0,12706 0,12761 0,12812 0,12915 0,12965	11,5	35,0

Структура инструментальных и быстрорежущих сталей после закалки – мартенсит, остаточный аустенит и карбиды. Удельный объем мартенсита больше, чем исходный объем стали, аустенита – меньше. При закалке объем инструмента может увеличиваться, уменьшаться или оставаться неизменным в зависимости от концентрации углерода в мартенсите и количества аустенита.

При высокой концентрации углерода в мартенсите и малом количестве остаточного аустенита объем увеличивается. Это характерно для углеродистых и низколегированных инструментальных сталей. При этом, чем больше углерода в мартенсите, тем больше его удельный объем и, соответственно, больше увеличение объема после закалки.

Напротив, при большом количестве остаточного аустенита и малой концентрации углерода в мартенсите объем после закалки уменьшается. Это характерно для высоколегированных, низкоуглеродистых сталей (например, штамповой стали 3Х2В8).

При определенном сочетании рассматриваемых параметров изменений объема при закалке не происходит. В координатах «количество аустенита, % - концентрация углерода в мартенсите, %» это соответствует области, лежащее около линии с координатами «0 - 0» (сталь типа В11М7К23) и «20 – 0,5» (сталь типа Х12М).

Таким образом, минимальные закалочные напряжения (или, в идеале, их отсутствие) будут достигаться;

во-первых, при весьма медленном закалочном охлаждении (охлаждающие среды - воздух, горячие среды, в крайнем случае, масло), это снизит или даже предотвратит термические напряжения;

во-вторых, при наличии в структуре закаленной стали определенного соотношения между концентрацией углерода в мартенсите и количеством (практически, достаточно высоким – 20 – 30%) остаточного аустенита.

Это возможно только при использовании высоколегированных сталей – БРС и комплекснолегированных инструментальных сталей, содержащих марганец (увеличивает количество остаточного аустенита) – ХВГ, ХВСГ, 7ХГ2ВМ.

Для этих сталей обеспечиваются близкие к оптимальным соотношения между количеством остаточного аустенита и концентрацией углерода в мартенсите, они принимают закалку при медленном охлаждении.

Инструменты из БРС охлаждают при закалке в горячих средах (55% KNO₃, 45%NANO₂).

Сталь 7ХГ2ВМ закаливается на воздухе в сечениях до 70 – 80 мм, стали ХВГ и ХВСГ в сечениях до 20 – 30 мм. Именно эти стали используют для изготовления не только сложного и нетехнологичного инструмента, но и для деталей станков и оснастки, которые должны иметь высокую твердость, обеспечивающую необходимую износостойкость – ходовые винты пар трения и качения, гайки качения, направляющие планки, направляющие втулки, скалки и др.

Требования к конструкции и технологии изготовления инструмента.

Применение соответствующих сталей является необходимым условием получения малых деформаций при термической обработке. Однако, одного этого не достаточно. Величина деформаций зависит от многих факторов – от конструкции инструмента, структуры стали в исходном состоянии, технологического процесса изготовления инструмента.

При изготовлении инструмента необходимо учитывать ряд факторов, которые могут привести к значительной деформации даже при использовании сталей, мало склонных к деформациям при термической обработке:

- при нагреве пределы прочности и текучести сталей уменьшаются (это используется при обработке давлением), их аномальное снижение происходит при a®g® a превращениях (кинетическая пластичность). Случайные, даже небольшие, нагрузки могут при этих превращениях вызвать значительные деформации;

- неравномерность нагрева или охлаждения вызывает появление асимметричных напряжений и коробление деталей. Этот фактор определяется либо конструкцией детали, либо технологией термической обработки;

- в процессе термической обработки могут произойти местные изменения химического состава, при этом появляются фазы, теплофизические характеристики которых отличны.

Влияние структуры сталей в отожженном состоянии.

Карбидная неоднородность БРС определяет анизотропию деформаций. Изменение размеров в продольном направлении, т.е. вдоль карбидных строчек, больше, чем в поперечном. Поэтому инструменты большого сечения следует изготавливать из низколегированных БРС или использовать порошковые стали.

Установлено, что для инструментальных сталей оптимальной является структура зернистого перлита 4 - 5 балла. Строение перлита этих сталей оценивается по десятибалльной шкале. Баллы 1 – 5 характеризуют структуру, в которой отсутствует пластинчатый перлит. Увеличению балла соответствует увеличение размера карбидов: при баллах 1 –2 размер карбидов 1 – 2 мкм, при баллах 3 –5 – 8 – 10 мкм. По-видимому, мелкие карбиды легко растворяются в твердом растворе при нагреве под закалку, что увеличивает концентрацию углерода в мартенсите.

Влияние механической обработки на деформации.

При обработке резанием инструментальных сталей в отожженном состоянии возникают остаточные напряжения. Их средняя величина невелика (20 – 40 кгс/мм²), она ниже предела текучести. Поэтому при лезвийной обработке деформации возникают редко, лишь на заготовках малой жесткости.

При термической обработке остаточные напряжения могут превысить предел текучести, значения которого снижаются при повышении температуры. Это особенно опасно при изготовлении инструмента малой жесткости (например, протяжки большой дины). При этом деформация заготовки произойдет еще до охлаждения.

Для устранения остаточных напряжений операции механообработки следует чередовать со стабилизирующими операциями термической обработки. При этом при назначении припусков на обработку следует учитывать, что снижение (релаксация) остаточных напряжений будет сопровождаться деформациями.

В практике применяют стабилизирующий отпуск, выполняемый как до, так и после упрочняющей термической обработки. Стабилизирующая термическая обработка упрочненного инструмента проводится после предварительного шлифования или заточки (при шлифовании уровень остаточных напряжений больше, чем после других операций механообработки) при температурах ниже температуры отпуска на 30 –50⁰С.

Стабилизирующий отпуск тем эффективнее, чем выше его температура (рекомендации по выбору режимов – табл. 5.3).

Таблица 5.3

Рекомендуемая продолжительность стабилизирующего отпуска

в зависимости от температуры

Температура, 0С	Выдержка, ч
600 – 650	2
500 – 600	2 – 3
400 – 500	3 – 4
300 – 400	4 – 5
130 -200	8 – 10

Требования к условиям нагрева под закалку.

Нагрев до высоких температур вызывает снижение пределов и текучести, и прочности (нагрев до 1200⁰С снижает предел прочности при растяжении стали Р18 с 200 до 20 кгс/мм²). Это определяет опасность возникновения деформаций под действием собственного веса и накладывает определенные требования к положению деталей при нагреве.

Длинномерные инструменты (протяжки) следует нагревать в вертикальном положении; детали типа крупномодульных червячных фрез - с установкой на торец, чтобы предотвратить эллипсность посадочного отверстия. Недопустим нагрев инструмента навалом, это приводит не только к увеличению деформации, но и большой нестабильности ее величины.

Заготовки инструмента, особенно сложной формы, могут деформироваться из-за неравномерности нагрева при быстром подъеме температуры. Поэтому закалку инструмента из БРС, выполняемую от высоких температур, следует производить с предварительным подогревом, что обеспечивает замедленный нагрев до температур закалки. Температура предварительного подогрева – 860 - 880⁰С (несколько выше температуры начала a®g превращения). Для инструмента из БРС особо сложной формы может быть использован двойной подогрев; температура первого – 400 – 450⁰С. Двойной подогрев используют и в автоматизированном производстве, например, при термической обработке сверл на специальных многопозиционных агрегатах.

Предварительный подогрев целесообразен и для длинномерного инструмента их легированных инструментальных сталей (протяжки из стали ХВГ).

Температуру закалки следует выбирать минимально допустимой из условий получения необходимой твердости и теплостойкости, так как это снижает термические напряжения. Кроме того, рост зерна при повышении температуры закалки усиливает деформацию.

Обезуглероживание поверхностных слоев при нагреве увеличивает деформации. Это, связано с тем, что на поверхности, в отличие от сердцевины, образуется низкоуглеродистый мартенсит с меньшим удельным объемом. Следствие этого - растягивающие напряжения на поверхности, которые вызывают коробление или даже появление трещин.

Защита от обезуглероживания инструмента обеспечивается нагревом под закалку в расплавах солей.

Для нагрева углеродистых и легированных инструментальных сталей используют следующие среды: 78%BaCl₂+22%NaCl; 50%NaCl+50%KCl и др. с рабочей температурой 750 - 900⁰С.

Для БРС - 78%78%BaCl₂+22%NaCl для предварительного подогрева и 100% BaCl₂ для окончательного нагрева.

Требования к условиям закалочного охлаждения.

Максимальные напряжения возникают при охлаждении в процессе закалки – закалочные напряжения. Величина напряжений тем больше, чем больше скорость охлаждения, и особенно, в интервале Мн – Мк, т.е. при температурах мартенситного (g®a) превращения, когда проявляется кинетическая пластичность сталей. Поэтому скорость охлаждения при закалке должна быть минимальной. Положение детали при охлаждении должно быть таким, чтобы избежать деформаций под действием собственного веса, что возможно, особенно, в условиях кинетической пластичности.

Скорость охлаждения при закалке назначается в зависимости от химического состава стали, определяющего прокаливаемость. Кроме того, она определяется конструкцией (сечением) инструмента.

При прочих равных условиях наибольшие деформации при закалке получают инструменты из углеродистых сталей. Они обладают низкой прокаливаемостью, поэтому достижение необходимой твердости возможно только при закалке с охлаждением в воде.

Низкая технологичность этих сталей проявляется и в возможности возникновения пятнистой твердости, т.е. пониженной твердости отдельных участков инструмента. Это связано с тем, что при погружении в воду инструмента, нагретого до температуры закалки, происходит парообразование воды (паровая рубашка). Участки инструмента, соприкасающиеся с воздухом, охлаждаются медленно, (скорость охлаждения меньше критической), т.к. теплопроводность воздуха меньше, чем воды. Структура этих участков не мартенсит, а троостит (троосто-сорбит).

Избежать появления пятнистой твердости возможно при выполнении интенсивных движений инструмента в воде, что сбивает паровую рубашку, а также при использовании вместо воды 5 – 10% водные растворы солей (NaCl) или щелочей (NaOH,KOH). Однако, использование этих сред повышает интенсивность охлаждения и, таким образом, увеличивает опасность появления деформаций и даже трещин.

Для уменьшения закалочных напряжений применяют закалку в двух средах:в воде до температуры начала мартенситного превращения (ниже температуры минимальной устойчивости аустенита), а затем в масле. Это снижает скорость охлаждения в наиболее опасном интервале температур – Мн – Мк.

Более технологичными являются легированные инструментальные стали. Закалка этих сталей осуществляется с охлаждением в масло. Это замедляет скорость охлаждения и, в частности, в интервале температур Мн – Мк. Инструмент малых сечений (до 20 мм) из сталей ХВГ, ХВСГ можно охлаждать при закалке на воздухе.

Уменьшение деформаций при закалке инструмента из легированных инструментальных сталей может быть достигнуто ступенчатойзакалкой. При этом инструмент из закалочной ванны переносят в расплав солей или щелочей, имеющих температуру на 20 – 30⁰С выше Мн (температуры Мн и Мк – 200 и –70⁰С; 210 и –60⁰С, соответственно для сталей ХВГ и 9ХС), выдерживают при этой температуре (ступенька) для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают на воздухе. Температуру Мн и время выдержки (оно должно быть меньше инкубационного периода при выбранной температуре) назначают по «С – образной» диаграмме.

Могут быть использованы следующие среды: 55%KNO₃+ 45%NaNO₃(рабочая температура 155 – 550⁰С); 25%NaOH+ 75%KOH(рабочая температура 200 – 350⁰С) и др.

Быстрорежущие сталиобладают весьма высокой прокаливаемостью. Они получают структуру мартенсита и высокую твердость при охлаждении на воздухе (в просторечье их раньше называли «самокал»). Однако такое охлаждение может быть применено лишь для мелкоразмерного инструмента, т.к. замедленное охлаждение приводит к снижению легированности твердого раствора (до начала мартенситного превращения из аустенита выделяются карбиды) и потере теплостойкости.

Наиболее распространена ступенчатая закалка – охлаждение в расплавах солей (например, KNO₃илиNаNO₂) до 400 – 550⁰С (температура наибольшей устойчивости переохлажденного аустенита) и последующее охлаждение на воздухе.

Таким образом, БРС не склонны к деформациям при термической обработке. Малодеформирующимися являются также высоколегированные инструментальные стали (ХВСГ, ХВГ). Наибольшую склонность к деформациям и появлению трещин имеют углеродистые стали.

Исправление формы детали. Правка (рихтовка).

Закалочные деформации могут возникать при изготовлении инструментов малой жесткости даже при использовании малодеформирующихся сталей и правильно построенном технологическом процессе. Так, при изготовлении сверл удлиненных серий из стали Р6М5 возникает необходимость проведения правки 60 – 70% заготовок.

Склонность изделий к деформациям при термической обработке оценивается коэффициентом жесткости – Кж (табл.5.4):

Кж = 1000Н²/L²,H– диаметр или характерный размер поперечного сечения по длине заготовки;L– длина заготовки.

Таблица 5.4