4.6. Особенности термической обработки легированных сталей

Термическая обработка легированных сталей по сравнению с обработкой углеродистых имеет ряд технологических особенностей. Эти особен­ности заключаются в различии температур и ско­рости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения.

Критические температуры у одних легированных стилей выше, у других - ниже, чем у углеродистой стали. Все легирующие эле­менты можно разбить на две группы: элементы, повышающие критические точки Ас₁ и Асз, а следовательно, и температуры нагрева при термиче­ской обработке (отжиге, нормализации и закал­ке), и элементы, понижающие критические точки. К первой группе относят Сu, V, W, Si, Ti и дру­гие элементы. В связи с этим отжиг, нормализа­цию и закалку сталей, содержащих перечислен­ные элементы, производят при более высоких температурах, чем отжиг, нормализация и закалка углеродистых сталей. Ко второй группе отно­сят Mn, Ni и другие элементы.

Для легированных сталей требуется несколь­ко большее время выдержки, так как они обладают худшей теплопроводностью. Длитель­ная выдержка необходима также для получения лучших механических свойств, поскольку она обеспечивает полное растворение легированных карбидов в аустените.

Скорость охлаждения при термиче­ской обработке устанавливают в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и значением критической скорости закалки. Прак­тически многие легированные стали закаливают­ся на мартенсит в масле, т. е. при меньшей ско­рости охлаждения, чем углеродистая сталь. У вы­соколегированных сталей, если они к тому же содержат большие количество углерода, способ­ность к самозакаливанию выражена очень силь­но, у низколегированных и малоуглеродистых сталей - слабее. Это объясняется большой стойкостью аустенитных зерен к превращению их при температуре Ac₁ в зерна перлита.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая. Чем вы­ше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают. Из легированных инструментальных сталей особый интерес представляют быстрорежущие стали, ши­роко используемые для изготовления режущего инструмента.

Вольфрам в быстрорежущей стали - основ­ной легирующий элемент. Благодаря его высоко­му содержанию закаленная сталь не теряет ре­жущей способности при высоких температурах. Вольфрам придает быстрорежущей стали красно-стойкость.

Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и создает прочные карбиды, ко­торые затрудняют рост зерна при нагреве под за­калку и уменьшают склонность стали к перегре­ву. Под влиянием ванадия увеличивается красностойкость быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при отпуске, заклю­чающийся в том, что если отпуск такой стали повторить несколько раз, то можно обеспечить полное или почти полное превращение остаточного аустенита в мартенсит. Это несколько увеличивает твердость по сравнению с закаленным состоянием.

Углерод в быстрорежущей стали очень важен как элемент, придающий стали способность закаливаться на высокую твердость. Хром в количестве около 4 % настолько сильно понижает критическую скорость закалки, что сталь становится «самозакаливающейся», т. е. закаливается на воздухе. При содержании хрома выше нормы резко увеличивается количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали, что приводит к снижению стойкости инструмента. В быстрорежущей стали содержатся марганец и кремний (не более 0,4 % каждого), сера и фосфор (не свыше 0,06% в сумме).

Изделия из быстрорежущей стали до температуры закалки необходимо нагревать ступенчато: вначале медленно до 800 - 850°С, а затем более быстро до установленной температуры закалки (1230 - 1300°С). Такой способ нагрева позволяет избежать тепловых напряжений за счет уменьшения разности между температурами поверхности изделия и сердцевины металла. В качестве охлаждающей среды используют минеральное масло. Структура закаленной быстрорежущей стали представляет собой сочетание мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов.

После закалки изделия из быстрорежущей стали обязательно подвергают отпуску. Отпуск таких сталей имеет свои особенности. Как правило, изделия подвергают многократному отпуску (два-три раза) при температуре 560°С для стали Р9 и 580°С для стали Р18 с выдержкой 1 ч. Если после закалки применяют обработку холодом при температуре - 80°С, то выполняют только один отпуск. Объясняется это тем, что при указанной отрицательной температуре в быстрорежущих сталях заканчивается бездиффузионное мартенситное превращение - основная часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Таким образом, после термической обработки структура быстрорежущей стали представляет собой отпущенный мартенсит и карбиды.