- •Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки материалов и изделий
- •Введение
- •1. Классификация оборудования термических цехов
- •2. Основное оборудование для нагрева материалов и изделий
- •2.1. Индексация печей
- •2.2. Камерные печи
- •2.7. Оборудование для поверхностного нагрева
- •2.8. Механизированные печи, автоматические линии и установки для термической и химико-термической обработки
- •2.9. Огнеупорные и теплоизоляционные материалы
- •2.10. Материалы для нагревателей электрических печей
- •3. Основное оборудование для охлаждения материалов и изделий
- •3.1. Индексация оборудования для охлаждения
- •3.2. Немеханизированные закалочные баки
- •3.3. Механизированные закалочные баки
- •3.4. Закалочные прессы и машины
- •4. Дополнительное оборудование
- •Оборудование для правки
- •Оборудование для очистки
- •Травильные установки
- •Моечные машины, ультразвуковая очистка
- •Дробеструйные аппараты
- •4.3. Оборудование для правки
- •4.4. Оборудование для очистки
- •5. Вспомогательное оборудование
- •5.1. Классификация вспомогательного оборудования
- •5.2. Оборудование для получения контролируемых атмосфер
- •5.3. Средства механизации (подъемно-транспортное оборудование)
- •6. Средства и системы автоматизации технологических процессов термической обработки деталей
- •6.1. Задачи автоматизации
- •6.2. Развитие средств автоматизации
- •6.3. Устройства для измерения температуры
- •6.4. Автоматические управляющие устройства в термических цехах
- •6.5. Управляющие электронно-вычислительные машины в термических цехах
- •7. Проектирование производства технологических процессов термической обработки
- •7.1. Этапы проектирования, основные положения, принципы и задачи проектирования Классификация термических цехов
- •Задачи проектирования
- •Стадии проектирования
- •7.2. Проектно - нормативная документация
- •7.3. Понятие о единой системе технологической подготовки производства
- •2. Выбор и расчет потребного количества оборудования.
- •7.4. Автоматизация проектных работ
- •8. Рекомендации по выбору режимов термической обработки заготовок из сталей различных групп и назначений
- •8.1. Машиностроительные стали
- •8.1.1. Форма и характерные размеры изделий
- •8.1.2. Вид режима предварительной термообработки (отжига)
- •8.1.3. Выбор режима отжига
- •10. Рекомендации к термообработке инструментальных сталей, в том числе и быстрорежущих
- •11. Технология термической обработки деталей машин и инструментов
- •11.1. Общие положения проведения термической обработки
- •11.1.1. Физические основы нагрева и охлаждения стали
- •11.1.2. Характеристика процессов термической обработки стальных деталей и инструментов
- •11.1.3. Закалочные среды
- •11.1.4. Отпуск стальных изделий
- •Низкотемпературная обработка
- •Старение
- •11.1.5. Процессы химико-термической обработки
- •11.1.5.1. Цементация
- •11.1.5.2. Азотирование
- •11.1.5.3. Цианирование
- •11.2. Принципиальные основы определения длительности термической обработки
- •11.2.1. Влияние технологических факторов на режимы
- •Нагрева деталей
- •Нагрев деталей в печи с постоянной температурой
- •11.2.2. Температурные напряжения и допускаемая скорость нагрева
- •11.2.3. Длительность процесса при химико-термической обработке
- •11.3. Расчетное определение параметров нагрева металла в печах
- •11.3.1. Тонкие и массивные тела
- •11.3.2. Расчет времени нагрева и охлаждения в среде с постоянной температурой
- •11.3.3. Расчет нагрева и охлаждения в среде с постоянной температурой по вспомогательным графикам
- •11.3.4. Расчет времени выдержки для выравнивания температуры
- •11.3.5. Определение расчетных сечений для назначения времени выдержки при нагреве и охлаждении в процессе закалки, нормализации и отпуска. Типовые режимы термической обработки поковок
- •11.3.6. Термическая обработка крупных деталей энергоагрегатов
- •11.3.7. Технология термической обработки режущего инструмента
- •11.3.7.1. Стали, применяемые для режущего инструмента
- •11.3.7.2.Предварительная термическая обработка заготовок режущего инструмента
- •11.3.7.3. Закалка инструмента
- •11.3.7.4. Отпуск инструмента
- •11.4. Практические рекомендации при проведении термической обработки
- •11.4.1 Анализ элементов технологии термической обработки
- •11.4.1.1. Элементы технологии термической обработки
- •11.4.1.2. Скорость нагрева
- •11.4.1.3. Длительность нагрева и охлаждения
- •11.4.1.4.Некоторые практические рекомендации по назначению длительности времени выдержки
- •11.4.2. Технологические среды. Назначение и классификация технологических сред
- •11.4.2.1.Факторы, определяющие эффективность сред
- •11.4.2.2. Характер теплообменных процессов
- •11.4.2.3. Регулирование состава и количества среды
- •Приложение №1
- •2. Рекомендации по проведению основной термической обработки
- •3. Технология термической обработки.
- •Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки материалов и изделий
- •2 Часть
- •191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5
11.3.7.3. Закалка инструмента
При закалке режущего инструмента нагрев осуществляют различными способами: в газовых или электрических печах с защитной атмосферой, в соляных ваннах, токами высокой частоты. Из них наиболее распространенным в инструментальной промышленности является нагрев в соляных ваннах.
Нагревательные среды и ректификаторы соляных ванн. Широкое применение расплавленных солей при закалке инструмента обусловлено следующими преимуществами нагрева в жидких средах по сравнению с нагревом в печах:
а) жидкая среда обеспечивает одинаковую интенсивность нагрева со всех сторон, получение однородной структуры и свойств и уменьшает величину закалочной деформации инструмента;
б) в жидкой среде легко осуществим местный нагрев рабочей части концевого инструмента на необходимой длине и получение на данном участке заданной высокой твердости при сохранении более низкой твердости на соседних участках, например на направляющей или хвостовой части инструмента;
в) концевые инструменты можно помещать в расплавленную соль в строго вертикальном положении на необходимую длину, что позволяет уменьшить искривление этих инструментов относительно оси;
г) жидкая среда, защищая нагреваемый инструмент от непосредственного воздействия кислорода воздуха, препятствует окислению его' поверхности в процессе нагрева;
д) в момент переноса закаленного инструмента в охлаждающую среду на его поверхности сохраняется тонкая пленка застывшей соли, которая защищает инструмент от интенсивного окисления в процессе охлаждения.
В табл. 11.78 приведены основные и заменяющие составы солей, которые применяют для предварительного и окончательного нагрева инструмента под закалку в средне- и высокотемпературных соляных ваннах, работающих при 750… 950 °С и 1050…1300 °С соответственно; помимо основных компонентов — хлористого бария и натрия, в них вводят ректификаторы, предохраняющие инструмент от обезуглероживания в процессе нагрева.
Обезуглероживающая активность солевых расплавов обусловлена присутствием в них растворенного кислорода, образованием и накоплением при высоких температурах эксплуатации окислов металлов, прежде всего окислов железа и бария.
Вводимый ректификатор должен обеспечить восстановление этих окислов или же связывание их в нерастворимые в солевом расплаве комплексные соединения, оседающие на дно ванны и удаляемые оттуда при регулярной очистке ее от шлама.
Наиболее эффективным ректификатором высокотемпературных соляных ванн, применяемых при закалке инструмента, является комплексный ректификатор, содержащий фтористый магний, предварительно тщательно прокаленный при 900 °С в течение 3 ч, и черный бор. Эти ректификаторы обычно используют в составе заранее приготовленной смеси их с хлористым барием.
Вначале ванну наплавляют одним хлористым барием, затем отливают из нее ½ расплава и дополняют до требуемого уровня смесью солей БМ5Б или БМЗБ. Это облегчает пуск ванны и обеспечивает минимально необходимое содержание ректификаторов в ней в начальный период работы. В процессе эксплуатации, по мере понижения уровня расплава, ванну 1-2 раза в смену пополняют смесью указанных солей, что и обеспечивает непрерывную ректификацию расплава. Такой порядок пуска и работы высокотемпературных соляных ванн не только гарантирует от обезуглероживания любые нагреваемые быстрорежущие стали, но и обеспечивает резкое (до 3-15 раз) повышение стойкости этих ванн по сравнению со стойкостью, наблюдаемой при периодической ректификации их бурой, или ферросилицием.
Соль БМФ не содержит бора и поэтому действует несколько менее эффективно, чем соль БМ5Б, но может применяться вместо последней.
Таблица 11.78
Соли и ректификаторы, применяемые при нагреве инструмента под закалку
Основные |
Заменяющие | |||||||
Соль |
Состав, % масс. |
Температура, °С |
Назначение |
Состав, % масс. |
Температура плавления, °C |
Ректификаторы, вводимые отдельно (через каждые 4 ч) | ||
Плав ления |
Примене ния |
Название |
Содержание, % масс. | |||||
БНМ2Б |
67,8ВаС12+ +30NaCl + + 2MgF2+ + 0,2В |
710 |
750- 950 |
Окончательный нагрев углеродистых и низколегированных сталей. Второй подогрев быстрорежущих сталей. |
78ВаСl2+ +22NaCl |
635 |
Бура |
0,4 |
БМЗБ |
96,9BaCl2+ +3MgF2+ + 0,1В |
940 |
1050-1300 |
Второй или третий подогрев быстрорежущих сталей всех марок. Окончательный нагрев быстрорежущих вольфрамовых и высокохромистых сталей. |
100BaCl2 |
960 |
1.Бура 2.Ферросилиций 3.Фтористый магний |
0.5 0,3
0,5 |
БМ5Б |
94,8BaCl2+ +5MgF2+ + 0,2В |
940 |
1200-1300 |
Окончательный нагрев быстрорежущих молибденовых и кобальтомолибденовых сталей. |
100BaCl2 |
960 |
1.Бура 2.Ферросилиций 3.Фтористый магний |
0,6-0,8 0,5
0,6-0,8 |
ВМФ |
95BaCl2+ + 5MgF3 |
940 |
1200-1300 |
То же |
100BaCl2 |
960 |
1.Бура 2.Ферросилиций 3.Фтористый магний |
0,6-0,8 0,5
0,6-0,8 |
Аналогичным является порядок пуска в эксплуатацию и работы среднетемпературных ванн, применяемых при закалке инструмента из углеродистых и низколегированных сталей. В этом случае ванну сначала наплавляют смесью ВаС12 + NaСl, затем отливают ½ расплава и вводят соль БНМ2Б, содержащую комплексный ректификатор. При отсутствии указанных в табл. 11.78 готовых смесей солей ректификатор вводят в ванну периодически через каждые 4 ч в виде отдельных добавок.
Предварительный подогрев. Благодаря высокому коэффициенту теплоотдачи нагрев инструмента в расплавленных солях происходит с большой скоростью. Чтобы обеспечить равномерный прогрев по сечению, уменьшить внутренние напряжения и деформацию и снизить опасность образования трещин, нагрев режущего инструмента производят ступенчато, используя для этой цели различные по составу среды. Число ступеней предварительного подогрева и температуру каждой ступени выбирают в зависимости от химического состава стали и габаритных размеров инструмента. Для инструмента из углеродистой и легированной стали применяют в основном одноступенчатый подогрев, реже — двухступенчатый. Для инструмента из быстрорежущей стали чаще используют двух- и трехступенчатый подогрев.
Первый подогрев для инструмента из любой стали проводят при 200…500 °С в электровоздушной или газовой печи любого типа.
Второй подогрев при закалке инструмента из быстрорежущей стали при ручной обработке проводят при 840…860 °С в соляной ванне, содержащей хлористый барий и натрий, а в процессе обработки на автоматизированном оборудовании — при 1050…1100 °С в расплаве одного хлористого бария. Последнее обусловлено необходимостью не заносить в ванну окончательного нагрева хлористый натрий, который вызывает большое дымообразование и мешает правильному измерению и регулированию температуры. Это особенно важно при закалке инструмента на агрегатах и линиях, где обычно используют многоместные приспособления и вместе с большой массой инструмента из ванны подогрева заносят в ванну окончательного нагрева большое количество солей.
Для крупногабаритного инструмента из быстрорежущей стали обычно применяют трехступенчатый подогрев: первый при температуре 200…500 °С, второй — при 850 °С, третий — при 1050…1100 °С. Крупногабаритным условно считается насадной инструмент диаметром 90 мм и более и хвостовой инструмент диаметром 60 мм и более.
Отношение времени выдержки при первом, втором и третьем подогревах к времени выдержки при окончательном нагреве принимают равным 3:1; 2:1; 1:1 соответственно.
Температура закалки. В табл. 11.79 указаны диапазоны рекомендуемых температур закалки. Для инструмента из быстрорежущих сталей они ориентировочные и несколько корректируются с учетом вида инструмента и плавочных особенностей стали (исходя из получения определенной величины аустенитного зерна). Для большинства режущих инструментов стремятся получить зерно 10-11-го балла (ГОСТ 5639-82). Для резцов и некоторых видов крупногабаритного режущего инструмента наряду с зернами 10-го балла допускают наличие в микроструктуре зерен 9-го балла. Протяжки и мелкоразмерный инструмент с целью повышения прочности закаливают на более мелкое зерно 11-го балла, с отдельными зернами 12-го балла. Однако многие плавки низковольфрамовых быстрорежущих сталей, главным образом из сталей Р6МЗ, Р6М5, Р6М5К5 и др., не укладываются в указанный в табл. 11.79 диапазон закалочных температур, поэтому последний практически несколько корректируют путем пробной закалки, добиваясь заданной величины аустенитного зерна.
Таблица 11.79
Температуры закалки инструментальных сталей
Марка стали |
Температура закалки, °С |
Марка стали |
Температура закалки, °С |
Быстрорежущие стали |
Р9К5 Р9КЮ Р6М5КБ Р8МЗК6С Р9М4К8
|
1210-1235 1210-1235 1200-1230 1200-1220 1215-1235
| |
Р18 Р12 Р9 Р6МЗ Р6М5 Р6М5ФЗ Р18Ф2 Р12ФЗ Р14Ф4 Р12МЗФ2К8 Р9ФБ Р18КБФ2 Р12Ф4К5 Р10КБФ5
|
1270-1290 1240-1260 1220-1240 1210-1230 1200-1230 1200-1230 1270-1290 1240-1260 1240-1260 1230-1250 1230-1250 1270-1290 1240-1260 1230-1250 | ||
Углеродистые и легированные стали | |||
У12А, У13А 9ХС ХВГ ХВСГ Х6ВФ 6Х6ВЗМФС Х12Ф1 Х12М
|
790-810 860-880 830-850 850-870 990-1010 1050-1070 1060-1075 1020-1040
|
Выдержка при температуре закалки. В настоящее время для определения необходимой выдержки разнообразных режущих инструментов при нагреве под закалку в расплавленных солях пользуются упрощенным методом, учитывающим химический состав стали, форму и габаритные размеры инструмента. При этом методе расчета общее время выдержки инструмента τобщ, в соляной ванне рассматривается как сумма двух независимых величин — времени сквозного прогрева τс.п. до температуры закалки и времени изотермической выдержки при этой температуре τи.в, которое необходимо для завершения определенной стадии фазовых превращений в стали после прогрева инструмента по сечению:
(11.1)
Время сквозного прогрева. Для инструмента сложной формы при всестороннем нагреве в соляных ваннах время сквозного прогрева может быть определено по формуле
, (11.2)
где K1 — коэффициент, характеризующий удельное время прогрева и зависящий от материала изделия, состава и температуры нагревающей среды, мин/см; V/F — отношение объема к поверхности равновеликих по габаритным размерам инструмента и образцов простой формы (сплошного или полного цилиндра, параллелепипеда и др.), см; Кф — критерий формы указанных образцов; Кк — коэффициент конфигурации инструмента.
Значение величины V/F для образцов простой формы находят по формулам, приведенным в табл. 11.80. Критерий формы Кф выбирают по данным табл. 11.81.
Таблица 11.80
Формулы для определения V/F
Тело |
Выбираемый минимальный размер D или С, см |
Формула для определения V/F (в см) |
№ Формулы |
Шар |
Диаметр |
(11.3) | |
Куб |
Ребро |
(11.3) | |
Сплошной цилиндр |
Диаметр |
|
(11.4) |
Прямая призма с основанием в виде любых правильных многогранников |
Диаметр вписанного круга |
|
(11.4) |
Полый цилиндр (кольцо) |
Наружный диаметр |
|
(11.5) |
Пластина (параллелепипед) |
Толщина |
|
(11.6) |
Н - высота; D - наружный диаметр; d - внутренний диаметр; С, В, А - габаритные размеры (С - толщина пластины). |
Таблица 11.81
Формулы для определения Кф
Форма тела |
Соотношение размеров тела |
Формула для определения Кф |
№ Формулы |
Шар |
— |
Кф = 1 |
(11.7) |
Куб |
— |
Кф = 1,4 |
(11.8) |
Длинный сплошной цилиндр |
≤1 |
Кф = 1+ |
(11.9) |
Короткий сплошной цилиндр |
≤1 |
Кф = 1+ |
(11.10) |
Длинная прямая правильная призма c числом граней N |
≤1 |
Кф = 1++ |
(11.11) |
Длинный полый цилиндр |
≤1 |
Кф = 1+0,2 |
(11.12) |
Короткий полый цилиндр (кольцо) |
≤1 |
Кф = 1+0,2 |
(11.13) |
Пластина (параллелепипед) |
С ≤ В ≤ А |
Кф=1+0,2(+) |
(11.14) |
Обозначения см. в табл. 11.80. |
Значения коэффициента конфигурации Кк приведены в табл. 11.82, а необходимые для расчета по формуле (11.2) значения коэффициента K1 для условий нагрева в расплавах хлористых солей — в табл. 11.83. Если подогрев быстрорежущих сталей проводят при более высоких температурах (1050…1100 °С), то время окончательного нагрева сокращает, умножая указанные в таблице значения К1 на коэффициент 0,7.
Таблица 11.82
Значение коэффициентов Кк в формуле (11.2) для некоторых тел
простой формы и различных режущих инструментов
Вид инструмента и тел простои формы |
Коэффициент конфигурации Кк |
Полый цилиндр, сплошной цилиндр, пластина ……………………….. Резьбонакатные ролики, круглые напильники, отрезные фрезы ……… Цилиндрические фрезы, шеверы и дисковые долбяки ………………… Пазовые, одно- и двуугловые, дисковые трехсторонние, полукруглые выпуклые и погнутые фрезы, насадные зенкеры, корпусы сборных инструментов ………………………………………………………… Червячные, резьбовые, насадные и торцовые насадные фрезы ………. Круглые плашки …………………………………………………………. Напильники круглые Ручные и машинные развертки, круглые протяжки, концевые фрезы и зенкеры, трубные метчики …………… Ручные и гаечные метчики ……………………….................................. Сверла спиральные ……………………………………………………… Протяжки плоские, ножи к сборному инструменту …………………… |
1,0 0,90 0,75
0,70 0,65 0,45 0,90 0,64 0,53 0,45 0,85 |
Таблица 11.83
Значение коэффициента К1
Группа сталей |
Температура нагрева, °С |
К1, мин/см |
Группа сталей |
Температура нагрева, °С |
К1, мин/см |
Углеродистые и низколегированные стали* |
800 850 870 900 950 |
12,5 11,3 10,8 10,0 8,8 |
Быстрорежущие и другие высоколегированные стали** |
1200 1210 1220 1230 1240 1250 1275 1300
|
5,4 5,3 5,1 5,0 4,9 4,8 4,4 4.1
|
Высокохромистые и другие среднелегированные стали ** |
1000 1050 1100 1150 |
8,0 7,4 6,7 6,0 | |||
*Предварительный подогрев до 400-600° С. **Предварительные подогрев до 860-880° С в соленом расплаве. |
Для длинномерного инструмента, отношение длины рабочей части которого к его диаметру достаточно велико (3:1 и более), при определении времени прогрева влиянием члена 2D в формуле (11.4) пренебрегают. Таким образом, время сквозного прогрева τс.п. сплошных длинных цилиндров и концевого инструмента с достаточной для практики точностью определяют по получаемой при этом формуле
, (11.15)
где n — коэффициент, с/мм; D — фактический размер образца или инструмента мм.
Чтобы получить результаты в минутах, формулу (11.15) выражают в виде
. (11.16)
По формуле (16) и производят упрощенный расчет времени сквозного прогрева длинномерных цилиндров и концевого инструмента в соляных ваннах. Значения коэффициента n находят из табл. 11.84.
Таблица 11.84
Значение коэффициента n при нагреве в расплавах хлористых солей, приведенных в табл. 11.78 для длинномерных тел простой формы и концевого инструмента
Среда нагрева |
Температура нагрева, °С
|
Сплошной цилиндр |
Стержень квадратного сечения |
Спиральные сверла |
Ручные и гаечные метчики |
Развертки, фрезы, зенкеры хвостовые долбяки, протяжки круглые |
Круглые напильники и надфили |
BaCl2 + + NaCI |
800 850 870 900 950 |
19,0 17,0 16,2 15,0 13,0 |
22,8 20,4 19,4 18,0 15,6 |
8,5 7,6 7,3 6,8 5,8 |
10,0 9,0 8,6 8,0 6,9 |
12,2 10,9 10,4 9,6 8,3 |
17,1 15,3 14,6 13,5 11,7 |
BaCl2 |
1000 1050 1100 1150 1200 1210 1220 1230 1250 1275 1300 |
12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,8 7,0 7,4 7,0 6,5 6,0 |
14,1 13,2 12,0 10,8 9,6 9,4 9,1 8,9 8,4 7,8 7,2 |
5,4 5,0 4,5 4,0 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,0 2,7 |
6,4 5,8 5,3 4,8 4,2 4,1 4,0 3,9 3,7 3,5 3,2 |
7,7 7,0 6,1 5,8 5,1 5,0 4,9 4,7 1,5 4,2 3,8 |
10,8 9,9 9,0 8,1 7,2 7,0 6,8 6,7 6,3 5,8 5,4 |
Все формулы для определения времени сквозного прогрева образцов и инструмента приведены для условий свободного омывания их поверхности нагревающей средой. При нагреве в приспособлениях, которые погружают в солевой расплав вместе с изделиями, расчетное время прогрева увеличивают на 20…30 %.
Время выдержки после прогрева. Изотермическая выдержка после прогрева для инструментальных заэвтектоидных и ледебуритных сталей должна обеспечить такую степень растворения избыточных карбидов и выравнивание состава аустенита, которые необходимы для достижения высокой теплостойкости и получения после отпуска высоких механических и режущих свойств.
На основе опытных данных установлены следующий эмпирические формулы для определения величины τи.в после прогрева в зависимости от общего содержания сильных карбидообразующих элементов в инструментальных сталях.
Для заэвтектоидных углеродистых и низколегированных сталей
τи.в = 1 + 0,6Cr + 0,4W + 3V. (11.17)
Для высокохромистых ледебуритных сталей
τи.в = 0,2Сr + 0,5W + V + Мо. (11.18)
Для быстрорежущих сталей:
τи.в = 0.08W+0,2V + 0,15Мо, (11.19)
где Cr, W, V, Мо — содержание в сталях этих элементов в процентах.
На основании формул (11.17)…(11.19) вычислены и приведены в табл. 11.85 значения величины τи.в для применяемых инструментальных сталей.
Таблица 11.85
Значение τи.в для различных сталей
Группа сталей
|
Марка стали |
Температура закалки, °С |
Время выдержки после прогрева τи.в, мин |
Группа сталей |
Марки стали |
Температура закалки, 0С |
Время выдержки после прогрева τи.в, мин |
Углеродистые и низколегированные |
У10, У12, У13 11Х 9ХС X ХВГ ХВСГ |
800 820 875 840 860 870 |
1,0 1,5 1,7 1,9 1,3 2,1 |
Быстрорежущие |
Р18, Р18Ф2 Р14Ф4 PI2 Р12Ф3 Р9, Р9К5, Р9К10 Р9Ф5 Р6М5 Р6М3 Р8М3К6С
|
1275 1250 1245 1245 1230
1240 1225 1225 1210
|
1,7 1,9 1,3 1,7 1,1
1,7 1,8 1,6 2,0
|
Высокохромистые |
Х6ВФ Х12Ф1 XI2M 6Х6В3МФС |
1010 1070 1070 1050 |
2,5 3,2 3,1 3,5 |
В ряде случаев при назначении изотермической выдержки после прогрева вводят поправки, учитывающие влияние величины и распределения избыточных карбидов в инструментальных сталях. Например, для мелких профилей из быстрорежущих сталей (обычно диаметром ≤ 10 мм), где избыточные карбиды более измельчены и равномернее распределены по объему стали, время выдержки τи.в иногда назначают на 20…30 % больше расчетного.
Изотермическая выдержка может быть более длительной, если требуется повышенная красностойкость, определяемая условиями резания. Например, для отдельных инструментов, работающих при высоких скоростях резания 60…70 м/мин и изготовленных из менее склонных к перегреву быстрорежущих сталей с повышенным содержанием ванадия, например из сталей Р18К5Ф2 или Р14Ф4, время τи.в может быть увеличено до 1,5 раза по сравнению с обычно назначенным при скоростях резания 30…40 м/мин.
Охлаждение при закалке. Условия охлаждения при закалке режущего инструмента должны обеспечить сохранение высокой концентрации углерода, а для легированных и быстрорежущих сталей — и легирующих элементов в твердом растворе, сведение до минимума закалочной деформации и отсутствие трещин. Исходя из этих требований для режущего инструмента из углеродистой стали применяют следующие условия охлаждения при закалке: мелкоразмерный инструмент диаметром до 4 мм охлаждают в масле; инструмент диаметром 5…10 мм подвергают ступенчатой закалке с охлаждением в солевых расплавах при 160…200 °С в течение времени, равного выдержке при нагреве и далее на воздухе; весь инструмент из углеродистой стали диаметром более 10…12 мм охлаждают в 5…10 %-ном водном растворе NaCl или NaOH с температурой 18…30 °С. При закалке инструмента из этих сталей, имеющего сложный профиль или большие габаритные размеры, для уменьшения деформации и предотвращения образования трещин применяют комбинированное охлаждение: до температуры начала мартенситного превращения охлаждают в воде, а затем переносят в масло или горячий солевой расплав с температурой 160…200 °С, где выдерживают короткое время и далее охлаждают на воздухе.
Весь инструмент из низколегированных сталей подвергают ступенчатой закалке с охлаждением в солевом расплаве при 160…240 °С в течение времени, равного выдержке при окончательном нагреве, и далее на воздухе.
Для большинства инструментов из быстрорежущих и высокохромистых сталей применяют ступенчатую закалку трех видов: с охлаждением в средах различного состава с температурой 200…300 °С, 400…550 °С и 610…650 °С и далее на воздухе. Время выдержки во всех этих средах для инструмента из быстрорежущих сталей равно времени окончательного нагрева; для инструмента из высокохромистых сталей выдержка в первых двух средах также равна времени окончательного нагрева, в третьей среде (при 620…650 °С) она равна половине указанного времени.
Некоторые виды инструмента из быстрорежущей стали закаливают в других условиях: мелкоразмерный инструмент (диаметром до 5 мм) при закалке иногда охлаждают на воздухе; отдельные виды длинномерного инструмента, например протяжки, закаливают с охлаждением в горячем масле до 300 °С, а затем подвергают горячей правке в интервале температур мартенситного превращения в процессе дальнейшего охлаждения на спокойном воздухе.
Охлаждающие среды. Применяемые при закалке режущего инструмента охлаждающие среды должны быть достаточно простыми по составу, легкоплавкими и жидкотекучими; не должны разъедать поверхность инструмента, нагретого до закалочных температур, не должны быть ядовитыми и взрывоопасными при используемых температурах. В основном для данной цели применяют смеси селитр с добавками едких щелочей. В последние годы широкое применение нашли смеси хлористых солей. Составы, наиболее часто используемых охлаждающих сред при закалке различного режущего инструмента приведены в табл. 11.86.
Таблица 11.86
Охлаждающие закалочные среды
Инструмент |
Основная охлаждающая среда |
Заменяющая охлаждающая среда | |||||
Состав |
Температура плавления, °С |
Рабочая температура °С |
Состав |
Температура плавления, °С |
Рабочая температура °С | ||
Из углеродистой стали, диаметром: |
до 4 мм
4-10 мм
более 10 мм |
Масло
Расплав 55%KNO3+ +45%NaNO3
5-10%-ный водный раствор NaCl |
-
137
- |
20-60
150-170
18-30 |
Расплав 55%KNO3+ +45%NaNO3 Расплав 20%NaOH+ +80%КОН+6%Н2О к общему количеству щелочей 5-10%-ный водный раствор NaOH |
137
130
- |
150-170
150-170
18-35 |
Из низколегированной стали |
Расплав 55% KN03+ +45% NaNO3 |
137 |
160-180 |
Расплав 20%NaOH+ + 80%КОН+6% Н2О к общему количеству щелочей |
130 |
150-180 | |
Из быстрорежущих и высокохромистых сталей |
Расплав 70% KNO3+ +30% NaOH |
260 |
300-550 |
Расплавы: 100% KNO3 55% KNO3+ +45%NaNO3 100% NaOH |
337 137
328 |
400-550 200-300
400-550 | |
|
Расплав 50% BaCl2+ +25% КСl+ +25%NaCl |
585 |
610-675 |
Соль НТ-660: 48% BaCl2+30%KCl+ +22% NaCl |
580 |
610-675 |
Твердость после закалки. Инструмент из углеродистой и низколегированной стали после закалки должен иметь твердость HRC ≥ 62. Для инструмента из быстрорежущей стали требуемая твердость после закалки зависит от химического состава стали: для инструмента из вольфрамовых или вольфрамомолибденовых быстрорежущих сталей она должна быть в пределах HRC 62…65, из кобальтовых быстрорежущих сталей — в пределах HRC 64…66.
Оборудование для закалки инструмента. В единичном и мелкосерийном производстве для нагрева и охлаждения при закалке режущего инструмента используют электродные и тигельные соляные ванны различных типов и конструкций. В крупносерийном и .массовом производстве режущего инструмента, на инструментальных заводах широко применяют автоматизированные агрегаты для закалки инструмента.
Данные о некоторых видах механизированного оборудования, которое используют при закалке и отпуске режущего инструмента в массовом производстве, приведены в табл. 11.87.
Методы контроля. При закалке режущего инструмента контролируют температуру нагрева, время выдержки, обезуглероживающую активность ванн окончательного нагрева, температуру ванн ступенчатого охлаждения и др.
Контроль обезуглероживающей активности соляных ванн производят методом фольги с помощью образцов тонкой (0,08…0,12 мм) ленты из высокоуглеродистой стали 13Х, имеющей исходное содержание углерода Си = 1,3…1,4 %. Образцы нагревают при обычных для обрабатываемых сталей температурах закалки, указанных в табл. 11.79, выдерживая их в высоко- и среднетемпературных ваннах в течение 1 и 10 мин соответственно, после чего быстро охлаждают в воде.
Конечное содержание углерода Ск в контрольном закаленном образце ленты после нагрева определяют или методом химического анализа или ускоренным методом заключающемся в измерении на установках ИТЭС-5м термоЭДС, возникающей между этим образцом и нагретым до 160° С медным электродом, используя экспериментально найденную зависимость этих двух величин.
Ванну считают удовлетворительной, если после нагрева в указанных условиях конечное содержание углерода Ск в контрольных образцах ленты составляет при закалке вольфрамовых быстрорежущих сталей Р18, Р12, Р14Ф4 и др. ≥ 0,8 %, вольфрамомолибденовых Р6М5, Р6МЗ и др. ≥ 0,9 %, молибденокобальтовых Р9М4К8, Р6М5К5 и др. ≥ 1 %, углеродистых и низкалегированных сталей У12А, 9ХС и др. ≥ 1,2 %.
Для оценки качества закалки выборочно контролируют твердость рабочей части (а у сварного инструмента — и твердость хвостовой части), микроструктуру, иногда кривизну стержневых инструментов, изменение диаметра посадочного отверстия насадных инструментов, отсутствие наружных дефектов и др. Для инструментов из быстрорежущей ехали обязательным является выборочный контроль аустенитного зерна.