Дерибон

Пятница, 29 Марта 10:44

Погода в Одессе

Термомеханическая обработка (ТМО)

Термомеханическая обработка (ТМО)

ТМО — Термомеханическая обработка — сочетающая пластическую деформацию с немедленным ускоренным охлаждением (в результате чего мартенситное превращение испытывает наклепанный и лишь частично рекристаллизованный аустенит) и используемая для конструкционных и пружинных сталей, применяется лишь для некоторых инструментальных сталей в ограниченных пределах.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО), которую выполняют в области повышенной устойчивости переохлажденного аустенита (600—400 °С), трудно осуществима. У углеродистых и низколегированных сталей с меньшей устойчивостью аустенита его распад наступает до полного окончания деформации.

Более легированные стали неизбежно сохраняют при этих температурах очень высокое сопротивление пластической деформации. Применима поэтому высокотемпературная обработка (ВТМО). Ее выполняют при температурах горячей деформации (1100— 900 °С) со значительными обжатиями степень деформации (Fn — FK)/FH = 40—60 %.

Благодаря сохранению очень мелкого деформированного зерна и равномерному выделению части карбидов из аустенита возрастает прочность на 10—20 %. У сталей с повышенным содержанием углерода снижаются вязкость и пластичность.

У сталей повышенной вязкости эти характеристики могут возрастать на 10—15 %. Однако из-за выделения карбидов из аустенита твердость в закаленном состоянии не выше получаемой при обычной закалке пли на 0,5—1 HRC ниже. Снижается также и теплостойкость.

Термомеханическая обработка

ВТМО эффективна для некоторых штамповых сталей: полу теплостойких и теплостойких, главным образом содержащих более 3—4 % Сг. В присутствии хрома сильнее задерживаются рекристаллизованные процессы, которые могут частично протекать перед охлаждением деформированных заготовок.

Для этих сталей вследствие достигаемого роста вязкости становится возможен отпуск на несколько большую твердость (на 1—2 HRC). Вместе с тем влияние ВТМО значительнее в небольших сечениях; обработка целесообразна для таких инструментов, как ножи горячей резки.

У более крупных штампов ВТМО улучшает состояние лишь поверхностных слоев и, следовательно, пригодна преимущественно для штампов простой формы, не подвергаемых затем значительной механической обработке.

Положительное влияние ВТМО сохраняется и после отпусков при 550—650 °С или отжига, выполняемого для возможности обработки резанием, и последующей закалки. Однако отжиг не должен быть продолжительным, что не позволяет его использовать для более крупных штампов после их ВТМО.

Для быстрорежущих сталей, а также высоколегированных теплостойких штамповых и полу теплостойких высокой твердости ВТМО применима в меньшей степени, поскольку указанные выше температуры ее выполнения лежат ниже температур закалки, необходимых для создания высокой теплостойкости.

В отдельных случаях ВТМО можно использовать для быстрорежущих сталей пониженной теплостойкости, имеющих меньшие температуры закалки. Для не теплостойких сталей повышенной твердости целесообразнее обработка, сочетающая в одной операции штамповку с закалкой.

Термомеханическая обработка

В связи с этим необходимы: а) использование электрических печей (или ванн) — механизированных, обеспечивающих максимально точное соблюдение температур нагрева; б) короткая выдержка при окончательном нагреве; в) подогрев при температурах, лежащих ниже температур закалки.

Это позволяет уменьшить выдержку при окончательном высоком нагреве и предупредить образование трещин при ускоренном нагреве малотеплопроводных сталей и устранить снижение температуры в печи (ванне), возможное при загрузке холодного металла.

Температуры подогрева лучше устанавливать повышенными: лишь на 100—150 °С ниже температур закалки. Это позволяет дополнительно (на 15—20 %) сократить выдержку при окончательном нагреве. Для крупных инструментов нужен еще один подогрев — сначала в области а превращения (710—800 °С), т. е. при температурах наибольшего изменения объема, а для очень крупных, кроме того, при 300—500 °С.
Нагрев инструментов меньших размеров выполняют в солях, а более крупных — в печах.

Выдержка при окончательном нагреве определяется нагревающей средой и температурой. Она указана в табл. 28 для инструментов диаметром (толщиной) от 3 до 60—75 мм. Для более мелких инструментов выдержку следует увеличивать на 20—30 %, а для более крупных, наоборот, сокращать.

Для сталей небольшой закаливаемости углеродистых и низколегированных, чувствительных к небольшому изменению скорости охлаждения, нагрев в солях (наряду с защитой от обезуглероживания и окисления) позволяет, кроме того, получить большую твердость закаленного слоя (на 0,5—1 HRC). Образование даже тонкого слоя окалины при нагреве в печи замедляет охлаждение.

Составы нагревательных смесей устанавливают с учетом температур плавления и парения; при значительном парении затрудняется измерение температуры. Для инструментов, закаливаемых с высоких температур, целесообразно понижать температуру первого подогрева до 550— 600 °С, чтобы выполнить его в воздушной печи и, наоборот, повышать температуру второго подогрева до 1050—1080 °С, чтобы выполнить его в соли ВаС12. Попадание даже небольшого количества NaCl в ванну с ВаС12 усиливает испарение соли.

Термомеханическая обработка

Такое загрязнение возникает, если подогрев выполняют в смесях ВаСb + NaCl или КС1 + NaCl. Расплавленные смеси постепенно взаимодействуют с окружающей воздушной атмосферой и с окисной пленкой, имеющейся на поверхности инструментов, и насыщаются окислами (Fe203), способствующими обезуглероживанию.

Поэтому ванны через каждые 6—8 ч работы необходимо раскислять веществами, связывающими окислы и способствующими выпадению их на дно.

Высокотемпературную ванну с ВаС12 лучше раскислять MgF2 в количестве 3—5 % от массы соли. Это создает почти полную защиту от обезуглероживания, в том числе чувствительных к этому дефекту молибденовых и кобальтовых теплостойких сталей.

Для получения жидкой смеси без наружной пленки ванну первоначально заправляют на 3/4 объема хлористым барием, а затем дополняют смесью из 90—92 % ВаС12 и 8—10 % MgF2. По мере уменьшения уровня ванны ее регулярно пополняют этой смесью.

Менее эффективно раскисление бурой (0,5—1 %) или ферросилицием (1—2 %). Бура усиливает выделение паров и ферросилиций разрушает шамотовую футеровку ванны. Лучше раскислять ванну одновременно ферросилицием и бурой, уменьшая долю каждой добавки. Для электродной ванны надо, кроме того, применять электроды из мало-окисляющейся стали с 0,1 % Си 25—28 % Сг.

Труднее защита поверхности инструментов очень небольших сечений (диаметром менее 1 мм). Их нагревают в вакууме или в А1203. Во втором случае инструменты устанавливают в небольшой тщательно закрываемый (или завариваемый) тигель, в котором их предварительно засыпают окисью алюминия.

Тигель помещают в расплавленную соль с требуемой температурой и после окончания выдержки охлаждают в воде. Крупные штампы (диаметром более 100—150 мм) нагревают в защитных атмосферах (принятых для конструкционных сталей).

Термомеханическая обработка

При отсутствии защитной атмосферы применяют смеси, указанные выше для нагрева при отжиге. Для улучшения стойкости многих штампов предпочтительно небольшое науглероживание. При нагреве до 850—900 °С рабочую поверхность штампа засыпают на 15—20 мм отработанным карбюризатором (или смесью сухой чугунной стружки и 5 % отработанного карбюризатора), закрывают асбестом и смазывают слоем шамотной глины и асбеста.

Можно вместо этого устанавливать штамп рабочей поверхностью на слой отработанного карбюризатора; тогда облегчается немедленное охлаждение для закалки.

Сложнее защита при повышенном нагреве (1000—1100 °С); рабочую поверхность покрывают тонким слоем отработанного карбюризатора и закрывают защитным колпаком из листового железа.

Мелкие штампы, нагреваемые 20—30 мин, накрывают только железным (и даже картонным) колпаком. Для защиты крупных штампов применяют защитные обмазки из 50 % стеклянного порошка, 10 % талька и 40 % огнеупорной глины. Их наносят слоем толщиной 3 мм и просушивают при 150 °С. Такие обмазки сохраняются до 1000—1050 °С. Условия охлаждения.

Они должны изменяться в зависимости от требуемых свойств, сечения и формы инструментов, но в первую очередь определяются составом стали. Для углеродистых сталей возможности изменения среды охлаждения ограничены; для большинства инструментов эта среда практически постоянная — водный раствор соли; предпочтительно 8—12 % NaCl.

После окончания охлаждения в водном растворе инструменты немедленно промывают в воде, имеющей температуру 60—80 °С, просушивают (сжатым воздухом) и нагревают для отпуска: кристаллики соли, остающиеся на поверхности инструмента, вызывают коррозию, а напряжения, полученные при закалке, могут вызвать трещины.

Термомеханическая обработка

Водные растворы солей или щелочей в отличие от воды имеют более высокую температуру кипения, охлаждают быстрее в области перлитного и почти с такой же скоростью, как вода в области мартенситного превращения. Кроме того, их охлаждающая способность меньше изменяется при повышении температуры и они содержат меньше газов.

В этих условиях обеспечиваются более полная закаливаемость и более однородные структура и твердость закаленного слоя, а следовательно и более равномерное распределение напряжений. В свою очередь это повышает прочность и уменьшает деформацию по сравнению с получаемой при охлаждении в воде (без добавки солей или щелочей).

Охлаждение в холодной воде (без солей) не позволяет получить однородную высокую Твердостьтвердость, так как на поверхности инструментов могут возникать «мягкие пятна», представляющие участки с трооститно-мартенситной структурой и пониженной твердостью 55—60 HRC.

Причина — газы, растворенные в воде; они выделяются при испарении или нагреве воды на закаливаемой поверхности и замедляют отвод тепла. Дефект усиливается при охлаждении с температур, отвечающих нижнему пределу, принятому для закалки.

Горячая вода (>40 °С) замедляет охлаждение в перлитной области, но не замедляет его в мартенситной. В этом случае снижаются закаливаемость и прокаливаемость и увеличивается чувствительность к трещинам.
Для не теплостойких легированных сталей возможно более широкое регулирование скорости охлаждения, а следовательно, и выбор большего числа закаливающих сред.

Инструменты простой формы охлаждают в минеральном масле (индустриальном ИС-20) с температурой 30—70 °С. Колебания температуры масла в этих пределах мало изменяют его охлаждающую способность. Инструменты сложной формы для дополнительного уменьшения напряжений, деформации и чувствительности к трещинам охлаждают в горячих средах с температурами вблизи или выше Мн, а затем на воздухе.

Это замедляет скорость последующего охлаждения в интервале мартенситного превращения.
Температуры горячих сред и их состав выбирают с учетом степени легирования, определяющего устойчивость переохлажденного аустенита в бейнитной области.

Термомеханическая обработка

Изменение состава безводных смесей не влияет на скорость охлаждения и для спокойной ванны она определяется только температурой плавления.

В ванны с низкими рабочими температурами 150—300 °С добавляют воду Х(1—2 %). Скорость охлаждения при 600—450 °С возрастает в 4—5 раз, а при 320—300 °С — в 2 раза.

Это улучшает закаливаемость и позволяет получать для умеренно легированных сталей высокую твердость в более крупных сечениях (до 60—70 мм). При добавлении воды не требуется частое перемешивание ванны.

Воду надо систематически добавлять, поскольку она постепенно испаряется. Охлаждающая способность смеси сохраняется постоянной при введении воды через специальное устройство. Вода поступает по трубе и, попадая на рассекатель, веерообразно стекает на поверхность расплава, который при этом перемешивается мешалкой или сжатым воздухом, подаваемым через трубки, расположенные на две ванны.

Для теплостойких сталей, имеющих высокую устойчивость аустенита в более широком температурном интервале, применяют смеси с повышенными рабочими температурами. Это позволяет выполнять выдержку в интервале 250—600 °С в зависимости от требований, предъявляемых к свойствам стали.

Охлаждение водовоздушной смесью. При охлаждении в горячих средах или в масле нельзя получить высокую твердость и значительную прокаливаемость в очень крупных инструментах (стороной или диаметром более 400 мм).

В этих случаях, главным образом для штампов из более вязких сталей, неизбежно использование водовоздушных смесей. Их охлаждающая способность зависит от степени увлажнения, давления воздуха и расстояния охлаждаемой поверхности от распылителя.

Главная

Термомеханическая обработка

Сильнее влияние степени увлажнения; ее устанавливают в зависимости от размеров инструмента и требуемой толщины закаленного слоя. Изменением количества воды можно в широких пределах регулировать диапазоны теплоотдачи.

Рационально охлаждение при расходе воды до 100 л/ч, расстоянии распылителя от закаливаемой поверхности 500 мм и давлении 0,3 МПа. При большем увеличении расхода воды способность смеси становится сильнее, чем масла; это может увеличить деформацию и вызвать трещины. Наоборот, увеличение давления до 0,4 МПа не создает более интенсивной закалки.

Виды объемной закалки

Получаемые структура и свойства зависят от длительности выдержки в горячих средах.
Ступенчатая закалка. Выдержка должна обеспечить только достижение инструментом температуры горячей среды; она должна быть в два раза короче, чем при нагреве до температуры закалки.

Такая закалка применима для инструментов из менее легированных сталей. Структура аналогична получаемой при непрерывной закалке (но при меньших напряжениях).

Неполная изотермическая закалка. Выдержка более длительная: 5—15 мин; это повышает устойчивость аустенита против превращения при дальнейшем охлаждении. Количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали немного возрастает на 5 %) без заметного снижения твердости.

В свою очередь это повышает прочность и вязкость. Эффект больше, если температура выдержки немного выше Мн.
Полная изотермическая закалка. Выдержка длительная (45— 60 мин), но при повышенных температурах 275—300 °С для легированных нетеплостойких и 300—400 °С для тепло- и полу теплостойких сталей. В процессе выдержки образуется бейнит и повышается устойчивость аустенита.

Структура после охлаждения бейнит и остаточный аустенит; в небольших количествах может образоваться мартенсит. Твердость понижается, а вязкость возрастает. Назначение обработки указано в п. 65.

Термомеханическая обработка

Прерываемая закалка. Охлаждение выполняют так, чтобы мартенситное превращение распределялось на два этапа. Инструменты сначала охлаждают до 90—100 °С, т. е. на 75—100 °С ниже Мп, и выдерживают в водном растворе соли в течение 5—10 с (углеродистые стали) или в масле от 30—60 с до 10 мин в зависимости от сечения (легированные стали).

Затем, не допуская дальнейшего охлаждения, инструменты переносят в горячие среды (170—180°С) для снятия образовавшихся напряжений и отпуска полученного мартенсита. Инструменты небольшого сечения выдерживают 2—5 мин, а более крупные 30—60 мин.

После этого их охлаждают на воздухе. Тогда оставшаяся часть аустенита испытывает превращение. Прерываемая закалка необходима для предупреждения трещин в инструментах очень сложной формы или очень крупных.

Закалка в штампах. Инструменты сначала охлаждают до температур несколько выше Мн. Для этой цели нетеплостойкие стали замачивают в масле, например пилы толщиной 5—8 мм на 30— 45 с, теплостойкие стали охлаждают в горячих средах (или на воздухе) до 400—300 °С, а затем помещают в штамп, где они охлаждаются. В процессе мартенситного превращения инструменты выправляются.

Последующий отпуск, который может вызвать новое, но несколько меньшее искривление, также проводят в штампах или между плитами. При нагреве 150—170 °С их правят. Закалку в штампах выполняют для инструментов небольшой толщины, но большой длины (диаметра).

Светлая закалка. Ее применяют для получения более их чистой поверхности у закаливаемого инструмента; охлаждение выполняют в щелочной ванне.

Закаливаемые инструменты предварительно очищают от следов масла и загрязнений, так как при нагреве они могут пригорать в виде черных пятен. Перед закалкой инструменты обезжиривают в горячем растворе 250 г NaOH и 15 г Na3P04 на 1 л воды, промывают в горячей воде (60—80 °С) и подогревают при 200— 250 °С для удаления влаги.

Термомеханическая обработка

Окончательный нагрев выполняют в смеси 44 % NaCl и 56 % КС1. Нагрев в смесях с ВаС12 не рекомендуется; соли хлористого бария, переносимые с закаливаемым инструментом, вызывают образование быстро густеющей твердой корки на поверхности щелочной ванны; это затрудняет погружение инструментов и замедляет скорость охлаждения.

Охлажденные инструменты промывают в горячей воде (60— 80 °С) и просушивают для предупреждения коррозии. Затем их немедленно нагревают для отпуска. Для светлой закалки более пригодны стали, содержащие менее 1 % Si, так как нагрев в смеси NaCl и КС1 может вызвать обезуглероживание.

Закалка с индукционным нагревом Этот производительный способ поверхностного упрочнения наиболее эффективен для: а) инструментов, которые работают при износе без высоких давлений и должны иметь высокую твердость в относительно тонком рабочем слое (метчики, напильники, вытяжные штампы) или на определенную высоту (ножовочные полотна, многие слесарно-монтажные) и сохранять повышенные вязкость и пластичность в остальных участках; б) сталей нетеплостойких небольшой прокаливаемости, преимущественно низколегированных. Это обусловлено следующим. Скорость индукционного нагрева очень высокая и составляет 100—1000 °С/с (и больше) вместо 10 °С/с при нагреве в соли и °С/с при нагреве в печи.

Это связано с тем, что тепло при индукционном нагреве возникает внутри тела, в его поверхностном слое, тогда как при нагреве в соли или в печи оно создается снаружи, и его передача задерживается теплопроводностью окружающей среды.

При большой скорости индукционного нагрева (температуры Лх) растворения карбидов и начала роста зерна смещаются в более высокую область. Это требует значительного повышения температур закалки, что просто выполнимо для не теплостойких сталей, но трудно осуществимо для многих полу теплостойких и для теплостойких, особенно быстрорежущих сталей, температуры закалки которых близки к температурам начала плавления. Область температур для индукционного нагрева у этих сталей очень узкая.

Термомеханическая обработка

Режим индукционного нагрева характеризуют не только тем-пературой, но и скоростью нагрева выше точки Кюри. Ниже этой температуры нагрев происходит как в результате теплового воздействия индуктированного тока, так и потерь на гистерезис. При переходе стали в парамагнитное состояние нагрев происходит только из-за теплового воздействия тока.

Кроме того, с повышением температуры возрастает электросопротивление, наиболее значительно в результате образования аустенита (с 0,2-Ю-6 Ом-м для отожженной углеродистой стали, содержащей 1 % С при 20 °С до 1,3- Ю-6 Ом-м при 800 °С). В связи с этим удельная мощность тока и скорость нагрева при переходе точки Кюри уменьшаются, а (глубина проникновения тока и толщина нагреваемого слоя увеличиваются (в 8—20 раз) для низколегированных сталей.

Закалку с нагревом токами высокой частоты применяют преимущественно для не теплостойких сталей. Приводимые ниже данные о влиянии такого нагрева на структуру и свойства относятся главным образом к этим сталям.

Толщина закаленного слоя, получающего удовлетворительную структуру и свойства, зависит от скорости нагрева. При ее значительном увеличении (>250—300 °С/с) сильно уменьшается глубина проникновения тока, а следовательно, и толщина закаленного слоя. Это создает излишне резкий перепад твердости по сечению (см. рис. 159) и усиливает напряжения и деформацию.

Кроме того, при нагреве инструментов с сильно выступающими кромками, например пил, наблюдается неравномерное распределение тока, усиливающееся при повышении скорости нагрева. Оптимальная скорость нагрева 150—200 °С/с (см. рис. 160). В этом случае толщина слоя высокой твердости составляет 1,5—2 мм.

Следовательно, для этих условий нагрева не используется высокая прокаливаемость более легированных сталей. Использование их оправдано, если необходима повышенная закаливаемость для получения высокой твердости при охлаждении в горячих средах, воздушным дутьем или в масле, выполняемых с целью уменьшения деформации.

Углеродистые стали также мало применимы. Для требуемого в этом случае энергичного охлаждения после индукционного нагрева можно использовать лишь воду, очищенную от примесей или питьевую, т. е. среды, не обеспечивающие получение достаточно равномерной твердости.

Водные растворы солей, требуемые для охлаждения углеродистых сталей, не применяют, чтобы не вызвать короткого замыкания в индукторе. Воду или эмульсию разбрызгивают через отверстия в индукторе (спрейер). Для охлаждения в масле или в горячих средах инструменты переносят в ванну, устанавливаемую под индуктором.

Структура стали. Образование зародышей аустенита при большой скорости нагрева происходит во много раз быстрее, чем их рост. Кроме того, рост зерен даже при повышенных температурах успевает развиться в меньшей степени, чем при нагреве в печи или в соли; диффузионные процессы при большой скорости нагрева протекают в ограниченной степени.

Это позволяет получить очень мелкое зерно — балла 12—14 и снизить порог хладноломкости с +60 до —-20 °С (для стали У10). Выигрыш в вязкости значительнее, если инструменты подвергают предварительной обычной объемной закалке и высокому отпуску для получения сорбитной структуры в сердцевине. В структуре после закалки с нагревом ТВЧ может сохраниться больше остаточного аустенита.

Это вызвано тем, что концентрация аустенита, образующегося при нагреве, неоднородна в отдельных микрообъемах из-за ограниченного развития диффузии. Неоднородность твердого раствора и количество аустенита уменьшаются лишь в результате значительного повышения температуры нагрева.

Твердость стали. При закалке с умеренной скоростью нагрева (100—150°С/с), еще обеспечивающей развитие диффузионных процессов, создается такая же твердость, как и после закалки с нагревом в печи или в ванне; нагрев с большей скоростью до температур, не вызывающих роста зерна, вызывает повышение твердости на 1—3 HRC; при таких условиях нагрева не успевают протекать рекристаллизационные процессы.

В результате дальнейшего повышения температуры закалки твердость снижается из-за уменьшения неоднородности мартенсита и развития рекристаллизации.

Таким образом, кривые изменения твердости в зависимости от температуры нагрева имеют максимум, которому в отличие от нагрева в соли или в печи отвечает сохранение мелкого зерна.

Прочность стали. После нагрева до оптимальных температур она выше, чем у стали, нагревавшейся в соли или в печи. Это связано главным образом с сохранением более мелкого зерна. Повышенная прочность сохраняется и после низкотемпературного отпуска.

Стойкость инструментов. Она несколько выше, чем для нагрева в соли (печи) у инструментов, работающих без повышенных давлений (вытяжные штампы, некоторые ножи), из-за большей твердости и почти одинакова в условиях больших давлений из-за влияния несколько повышенного количества остаточного аустенита.

Основное преимущество создается из-за уменьшения поломок у инструментов, для которых необходим местный нагрев и которые, следовательно, должны иметь неодинаковое распределение твердости по сечению или по высоте.

Обработка холодом Охлаждение ниже О °С представляет дальнейшее продолжение закалки и возобновляет мартенситное превращение остаточного аустенита. Твердость возрастает на 0,5—2 HRC и тем больше в этих пределах, чем больше аустенита имела закаленная сталь при охлаждении до 15—20 °С.

Выдержка закаленной стали выше 0 °С более 15 мин или ее нагрев до 150—175 °С перед дальнейшим охлаждением вызывает стабилизацию аустенита; в этом случае уменьшается количество превращающего аустенита, а следовательно, и прирост твердости при охлаждении ниже 0 °С.

Степень стабилизации зависит от состава аустенита. Она больше для углеродистых и менее легированных сталей. Интенсивность превращения аустенита при охлаждении ниже 0 °С уменьшается на 50 % после выдержки при 20 °С: 15—20 мин для стали У12, 30 мин для стали X (см. рис. 161).

Даже после длительной выдержки при -f-20 °С стабилизация не является полной. Обработка холодом закаленной и отпущенной стали, выполняемая через несколько дней и даже месяцев, может вызвать дополнительное превращение небольшой части аустенита.

Однако и при немедленной обработке холодом в стали сохраняется некоторое количество аустенита после охлаждения до температур Мк, составляющих от —20 до—70 °С у заэвтектоидных и от —100 до —120 °С у быстрорежущих сталей (закаленных на мелкое зерно). Охлаждение ниже температуры Мк не вызывает дополнительного превращения аустенита.

При вторичном или многократном охлаждении ниже 0 °С протекает дополнительное (но менее значительное каждый раз) превращение аустенита. Изменение скорости охлаждения в условиях, осуществимых в промышленных установках, не влияет на интенсивность превращения аустенита. Причины стабилизации надежно не определены.

Мартенситное превращение дополнительного количества аустенита при обработке холодом сопровождается ростом напряже- Структура стали. Образование зародышей аустенита при большой скорости нагрева происходит во много раз быстрее, чем их рост.

Кроме того, рост зерен даже при повышенных температурах успевает развиться в меньшей степени, чем при нагреве в печи или в соли; диффузионные процессы при большой скорости нагрева протекают в ограниченной степени. Это позволяет получить очень мелкое зерно — балла 12—14 и снизить порог хладноломкости с +60 до —-20 °С (для стали У10).

Выигрыш в вязкости значительнее, если инструменты подвергают предварительной обычной объемной закалке и высокому отпуску для получения сорбитной структуры в сердцевине.
В структуре после закалки с нагревом ТВЧ может сохраниться больше остаточного аустенита.

Это вызвано тем, что концентрация аустенита, образующегося при нагреве, неоднородна в отдельных микрообъемах из-за ограниченного развития диффузии. Неоднородность твердого раствора и количество аустенита уменьшаются лишь в результате значительного повышения температуры нагрева.

Твердость стали. При закалке с умеренной скоростью нагрева (100—150 °С/с), еще обеспечивающей развитие диффузионных процессов, создается такая же твердость, как и после закалки с нагревом в печи или в ванне; нагрев с большей скоростью до температур, не вызывающих роста зерна, вызывает повышение твердости на 1—3 HRC; при таких условиях нагрева не успевают протекать рекристаллизационные процессы.

В результате дальнейшего повышения температуры закалки твердость снижается из-за уменьшения неоднородности мартенсита и развития рекристаллизации. Таким образом, кривые изменения твердости в зависимости от температуры нагрева имеют максимум, которому в отличие от нагрева в соли или в печи отвечает сохранение мелкого зерна.

Прочность стали. После нагрева до оптимальных температур она выше, чем у стали, нагревавшейся в соли или в печи. Это связано главным образом с сохранением более мелкого зерна. Повышенная прочность сохраняется и после низкотемпературного отпуска.

Стойкость инструментов. Она несколько выше, чем для нагрева в соли (печи) у инструментов, работающих без повышенных давлений (вытяжные штампы, некоторые ножи), из-за большей твердости и почти одинакова в условиях больших давлений из-за влияния несколько повышенного количества остаточного аустенита.

Основное преимущество создается из-за уменьшения поломок у инструментов, для которых необходим местный нагрев и которые, следовательно, должны иметь неодинаковое распределение твердости по сечению или по высоте.

Обработка холодом

Охлаждение ниже О °С представляет дальнейшее продолжение закалки и возобновляет мартенситное превращение остаточного аустенита. Твердость возрастает на 0,5—2 HRC и тем больше в этих пределах, чем больше аустенита имела закаленная сталь при охлаждении до 15—20 °С.

Выдержка закаленной стали выше 0 °С более 15 мин или ее нагрев до 150—175 °С перед дальнейшим охлаждением вызывает стабилизацию аустенита (см. п. 45 и рис. 161 и 162); в этом случае уменьшается количество превращающего аустенита, а следовательно, и прирост твердости при охлаждении ниже 0 °С. Степень стабилизации зависит от состава аустенита.

Она больше для углеродистых и менее легированных сталей. Интенсивность превращения аустенита при охлаждении ниже 0 °С уменьшается на 50 % после выдержки при 20 °С: 15—20 мин для стали У12, 30 мин для стали X. Даже после длительной выдержки при -20 °С стабилизация не является полной.

Обработка холодом закаленной и отпущенной стали, выполняемая через несколько дней и даже месяцев, может вызвать дополнительное превращение небольшой части аустенита.

Однако и при немедленной обработке холодом в стали сохраняется некоторое количество аустенита после охлаждения до температур Мк, составляющих от —20 до —70 °С у заэвтектоидных и от —100 до —120 °С у быстрорежущих сталей (закаленных на мелкое зерно). Охлаждение ниже температуры Мк не вызывает дополнительного превращения аустенита.

При вторичном или многократном охлаждении ниже 0 °С протекает дополнительное (но менее значительное каждый раз) превращение аустенита. Изменение скорости охлаждения в условиях, осуществимых в промышленных установках, не влияет на интенсивность превращения аустенита. Причины стабилизации надежно не определены.

Мартенситное превращение дополнительного количества аустенита при обработке холодом сопровождается ростом напряжений и снижением прочности и вязкости. Это усиливает деформацию и опасность образования трещин в инструментах сложной формы и в сварных швах.

У не теплостойких сталей последующий отпуск устраняет это отрицательное влияние обработки холодом, если его выполнять при более высоком нагреве (на 10—15 °С выше), чем для стали, не обрабатывавшейся холодом. В этом случае снижается твердость до уровня, получаемого в стали, не обрабатывавшейся холодом и отпускавшейся до более низкой температуры, но сопротивление пластической деформации остается повышенным.

У теплостойких сталей превращение аустенита создается отпуском при 500—600 °С. Оно протекает при этом полнее, чем при охлаждении ниже 0 °С. Другое различие состоит в следующем: при обработке холодом мартенситное превращение аустенита протекает без диффузионным путем, когда как при нагреве для отпуска из аустенита сначала выделяется часть углерода и легирующих элементов.

Поэтому мартенсит, полученный при обработке холодом, содержит немного больше углерода. Это создает несколько большую твердость, но достаточно заметную лишь для сталей, у которых концентрация углерода в исходном аустените была повышенной по сравнению с характерной для большинства быстрорежущих сталей с обычно принятым содержанием углерода.

Отпуск сталей повышенной вязкости (не теплостойких и тепло-стойких), выполняемый, как правило, при повышенном нагреве на твердость 40—50 HRC, превращает весь остаточный аустенит. Для таких сталей обработка холодом не нужна.

Таким образом, обработка холодом целесообразна в ограниченных пределах, а именно для: а) повышения сопротивления пластической деформации (но при отсутствии динамических нагрузок) в инструментах из не теплостойких сталей; б) предупреждения изменения размеров в эксплуатации из-за превращения аустенита для инструментов высокой точности (измерительных, игл топливной аппаратуры), а также работающих при отрицательных температурах; в) дополнительного повышения твердости кобальтовых быстрорежущих сталей с повышенным содержанием углерода.

За счет без диффузионного образования высокоуглеродистого мартенсита твердость возрастает до максимального предела: с 69,5 до 70—70,5 HRC. Обработку холодом достаточно выполнять с охлаждением до —78 °С (в смеси сухого льда с бензином) или до —60 (—70) °С в холодильных установках с выдержкой, обеспечивающей охлаждение инструмента по всему сечению.

Для уменьшения напряжений температуры закалки выбирают по нижнему пределу и замедляют охлаждение от +20 °С до низких температур. Инструменты, которые приходится помещать сразу в среду с низкой температурой, необходимо обертывать асбестом или бумагой.

Технология отпуска Она более проста (по сравнению с принятой для закалки), несмотря на сложность процессов, протекающих в стали. Для большинства инструментов характерны следующие виды отпуска. Отпуск при пониженных температурах: не выше 240—250 °С, а чаще при 150—200 °С.

Его применяют для не теплостойких и твердых полу теплостойких сталей. Отпуск, уменьшая концентрацию углерода в мартенсите и напряжения, немного повышает прочность и вязкость. Верхний предел температур нагрева ограничивают, как указано, во избежание более интенсивного снижения твердости.

Эти процессы протекают в течение 30—40 мин, поэтому продолжительность отпуска составляет до 1 ч в зависимости от сечения инструмента. Кроме того, она зависит от легирования. При увеличении длительности отпуска даже до 10—12 ч вязкость и прочность дополнительно почти не повышаются.

Температуру отпуска снижают до 110—130 °С для сохранения максимальной твердости, но при меньшей прочности (для измерительных плиток, некоторых ножей, бритв); в этом случае значительно увеличивают длительность отпуска — до 20—24 ч (и больше) главным образом для стабилизации структурного состояния стали.

Температуру отпуска повышают до 210—240 °С для улучшения вязкости при работе с повышенными ударными нагрузками (штампы вырубки и высадки мягких металлов); длительность такого отпуска может быть меньше 30—40 мин.

Отпуск при повышенных температурах для теплостойких сталей: 500—580 °С для быстрорежущих с карбидным упрочнением; 560—620 °С для быстрорежущих с интерметаллидным упрочнением; 500—650 °С для штамповых и 650—700 °С для штамповых н аустенитных.

Отпуск при 500—600 °С вызывает дисперсионное твердение, что создает максимальную твердость, а для сталей с карбидным упрочнением также и превращение остаточного аустенита, что повышает сопротивление пластической деформации.

Однако одновременно снижается вязкость. Для большинства режущих инструментов верхняя температура отпуска ограничена до 580 и реже до 600 °С, так как при меньшей твердости снижается износостойкость. Поскольку превращение аустенита не протекает полностью в результате одного отпуска, его повторяют 2—4 раза в зависимости от состава стали.Термомеханическая обработка (ТМО)

Интенсивность выделений из мартенсита и аустенита сильно зависит от температуры. Процесс при 540—570 СС протекает в течение 1 ч (с учетом времени на прогрев), а при 580—600 °С — в течение 15—30 мин. Для штамповых сталей, вязкость которых должна быть более высокой, температуры отпуска повышают для получения твердости чаще всего 45—50 HRC.

Возможны два пути получения такой твердости: 1) закалкой с высокой температуры на зерно балла 9—10 и отпуском с более высоким нагревом (при котором выделяется больше карбидов из более легированного раствора) или 2) закалкой с пониженной температуры на зерно балла 11 и отпуском с более низким нагревом.

Первый способ обеспечивает несколько лучшую теплостойкость, но меньшую вязкость, а второй способ — лучшую вязкость. В свою очередь при использовании второго способа обработки можно, понижая температуру отпуска, сохранить повышенную твердость (на 1—2 HRC). Различие в этих свойствах значительнее для более легированных сталей.

Выбор способа зависит от условий работы штампа.
Поскольку температура отпуска остается во всех случаях более высокой, чем для быстрорежущих сталей, то остаточный аустенит превращается за один нагрев. Второй отпуск оправдывается для штампов сложной формы для уменьшения напряжений. Температура отпуска на 15—20 °С ниже, чем первого отпуска.

Длительность отпуска для завершения превращений аналогична указанной выше для быстрорежущих сталей. Однако для штампов крупных размеров выдержка должна быть больше для завершения превращений и улучшения вязкости в сердцевине. Отпуск при промежуточных температурах.

Чаще его проводят при температурах 300—400 °С. Применяют для некоторых де-ревообрабатывающих и слесарно-монтажных инструментов из не-теплостойких сталей для повышения вязкости (но при снижении твердости до 45—50 HRC). Достигаемый выигрыш в вязкости не всегда значителен из-за развития отпускной хрупкости первого рода, вызываемой неоднородным распадом мартенсита по границам и по объему зерна.

Отрицательный эффект выражен меньше у эвтектоидных сталей, особенно легированных никелем и хромом. Отпуск вызывает в этих сталях полное превращение остаточного аустенита. Более значительный выигрыш в вязкости при обработке на твердость 50—55 HRC создается изотермической закалкой; но в этом случае в структуре сохраняется больше остаточного аустенита, что снижает сопротивление пластической деформации.

Отпуск после шлифования. Его цель — снятие шлифовочных напряжений, главным образом, после шлифования обычными абразивами до 4000 HV. Стойкость инструментов возрастает на 50—70 %. Температура отпуска для предупреждения снижения твердости: 150—160 °С для не теплостойких и полу теплостойких и 350— 400 °С для теплостойких «талей.

Длительность отпуска небольшая и составляет 20—30 мин для воздействия на поверхностный слой. Заметного окисления поверхности при этом не происходит. Отпуск нецелесообразен для инструментов, подвергаемых оксидированию, азотированию или цианированию. Температура нагрева при этих процессах совпадает с температурой отпуска.

Среды нагрева. Отпуск с нагревом до 200—220 °С выполняют в печах, поскольку окисление при этих температурах незначительно. Более высокий нагрев лучше выполнять в горячих средах.

Термическая обработка инструментов сложной формы

Трудности в выборе термической обработки возникают при:
а) необходимости получения разной твердости по длине инструментов и
б) обработке инструментов с внутренним отверстием.

Обработка для получения разной твердости по длине инструментов Необходима для получения высокой твердости в рабочей части и более низкой в крепежной части (в хвостовике).

Стержневую часть инструментов из дорогих и менее вязких быстрорежущих сталей изготовляют из конструкционной или менее легированной инструментальной стали и соединяют с рабочей частью сваркой. Особенности обработки сварных инструментов рассмотрены в п. 101.

Инструменты из не теплостойких и полу теплостойких сталей, используемые обычно в крупных сечениях и работающие с повышенными ударными нагрузками (пневматические долота, молотовые штампы и др.), изготовляют, как правило, сплошными.

Крепежная часть инструмента должна иметь твердость 35— 45 HRC. При меньшей твердости в эксплуатации возможно смятие, изгиб и скручивание, а при большей твердости — поломка. Закалка крепежной части может быть несквозной, поскольку основную нагрузку воспринимают поверхностные слои.

Однако переход в твердости от более мягкой стержневой части к значительно более твердой рабочей части должен быть постепенным и равномерным для предупреждения поломок в зоне перехода. Способы обработки, при которых обеспечивается решение этой задачи, различны в зависимости от прокаливаемости и закаливаемости стали.

У инструментов из не теплостойких сталей небольшой прокаливаемости сначала закаливают крепежную часть; ее нагревают в расплавленной соли до установленных температур закалки и охлаждают в водном растворе. Затем в соли нагревают режущую часть; тогда крепежная часть за счет передаваемого тепла отпускается до твердости 35—45 HRC.

После этого отпускают весь инструмент Для массовых партий более пригоден другой способ. Крепежную часть помещают в массивную чугунную оправку. За время выдержки, необходимой для прогрева рабочей части, крепежная часть нагревается до более низкой температуры и после закалки приобретает требуемую твердость.

У инструментов из сталей повышенной прокаливаемости крепежную часть также нагревают одним из указанных способов. Однако нагрев режущей части для закалки (по первому способу) не дает нужного снижения твердости крепежной части. Поэтому после закалки ее отпускают при 400—500 °С, быстро нагревая в соли, и после этого отпускают весь инструмент.

Применяют также одновременную закалку всего инструмента но режиму, принятому для режущей части Затем отпускают крепежную часть в соли при повышенной температуре (600 °С), но с короткой выдержкой 3—5 мм, чтобы не снизить твердости режущей части.
Закалка с раздельным нагревом режущей части и хвостовика предупреждает повышенную деформацию, а одновременная закалка всего инструмента создает после отпуска равномерное изменение твердости по длине инструмента.

При необходимости более равномерного распределения твердости выполняют последовательно следующие операции: а) нагрев и прерываемое охлаждение всего инструмента в масле и немедленный нагрев до 170—180 °С, 15—30 мин, б) отпуск переходной части при 300 350 °С, 15—30 мин в соляной ванне, так чтобы рабочая часть выступала над поверхностью соли на 8— 10 мм.

Переходная и крепежная части получают твердость 50— 54 HRC в отпуск крепежной части в соляной ванне при 440— 460 °С, 20—40 мин; погружают только крепежную часть; г) отпуск рабочей части до требуемой температуры (150—200 °С); в ванну или в печь помещают весь инструмент.

Хвостовую часть инструментов главным образом штампов, из сталей высокой прокаливаемости, отпускают после обработки всего инструмента на требуемую твердость. Хвостовик устанавливают па плите и отпускают.
Обработка инструментов с внутренним отверстием это главным образом высадочные штампы с внутренним отверстием небольшого диаметра, работающие с динамическими нагрузками.

Их часто изготавливают из сталей небольшой прокаливаемости. Они должны иметь закаленный слой лишь со стороны отверстия, но одинаковой толщины по всей длине. При закалке с полным погружением в охлаждающую жидкость этот слой получается излишне тонким с пониженной твердостью в отдельных участках.

Такие штампы надо охлаждать струей воды, направленной в отверстие. Для предупреждения разогрева за счет тепла, поступающего из нижележащих слоев, и снижения твердости штамп погружают затем (при темно-красном калении) полностью в водный раствор или в масло.

Чтобы предупредить излишне быстрое охлаждение (до окончания охлаждения со стороны внутреннего отверстия), штамп помещают в специальную втулку или обертывают асбестом и в таком виде нагревают в печи и выдерживают при охлаждении струей воды. Это создает также более благоприятное распределение остаточных напряжений.

Близкий способ охлаждения через осевой канал рекомендован для крупных валков из не теплостойких сталей повышенной прокаливаемости (9ХС, ХВСГ). Штампы сложной формы с внутренними отверстиями, изготовленные из не теплостойких и полу теплостойких сталей, подвергают предварительной закалке из меж критической области для предупреждения деформации.

В этом случае и при многократном охлаждении диаметр внутреннего отверстия уменьшается, что можно использовать для исправления брака или восстановления подобных инструментов.

Применение и термическая обработка литых инструментов Изготовление инструментов литьем и использование их после соответствующей термической обработки в литом состоянии оправдано во многих случаях возможностью значительного уменьшения расхода дорогой инструментальной стали. Потеря металла в стружку уменьшается в 2—3 раза по сравнению с получаемой для инструментов, изготовленных из проката (поковок).

Вместе с тем структура стали в литых инструментах менее однородна. Это более сильно выражено у ледебуритных сталей, сохраняющих сетку эвтектики и крупные карбиды. Такая же структура, но с более тонкой сеткой может образоваться из-за ликвации и у заэвтектоидных более легированных стилей.

У легированных эвтектоидных теплостойких концентрация углерода в поверхностных слоях зерна может быть больше, чем в середине, кроме того, из-за ликвации могут присутствовать избыточные карбиды. Эти особенности строения в неодинаковой степени ухудшают прочность и вязкость сталей указанных разных структурных классов. Поэтому вопрос о стойкостных свойствах литых инструментов не может решаться однозначно.

Существенное значение имеет выбор формы, размеров и условий эксплуатации инструмента.
Присутствие частиц карбидов может быть благоприятно для штампов, работа-ющих без значительных ударных нагрузок (в частности, вытяжки, прессования), горячее деформирование пластичных металлов при высоких температурах.

И этом случае уменьшается налипание и возрастает стойкость штампов. Естественно, что форма таких штампов должна быть возможно простой. По этой же причине оправдана наплавка подобных штампов.

Не снижается стойкость штампов из литых эвтектоидных пол у теплостойких сталей, получающих зерно неоднородного строения при условии, что они имеют сравнительно простую форму, небольшие размеры (стороной до 100—150 мм) и не испытывают больших ударных нагрузок.

Теплостойкие стали повышенной вязкости с интерметаллидным упрочнением можно использовать для литых штампов и форм небольших размеров, тонкость их близка к получаемой для штампов, изготовленных из проката, так как в структуре этих сталей сравнительно мало различий для литого и деформированного состояния. Сложнее решается задача для режущих инструментов из быстрорежущих сталей.

Для сталей с карбидным упрочнением из-за их значительно меньшей прочности влитом состоянии целесообразно изготовление более крупных инструментов (диаметром более 60—80 мм), как имеющих больший запас прочности; кроме того, в таких сечениях меньше различие в прочности и вязкости для литого и деформированного состояния. Однако для получения более качественной литой структуры необходим специальный выбор стали с меньшим количеством карбидной фазы.

Быстрорежущие стали с интерметаллидным упрочнением имеют более однородную структуру в литом состоянии. Поэтому сплавы высокой теплостойкости системы Fe—W(Mo)—Со (см. п. 104) можно использовать для литых инструментов меньших размеров (диаметром 30—50 мм). Стали повышенной теплостойкости с никелевым мартенситом (по причинам, указанным в п. 105) целесообразно использовать лишь в небольших сечениях.

Для этих условий изготовление литых инструментов мало оправдано.
Штампы из аустенитных сталей и сплавов рационально изготовлять главным образом литыми из-за их пониженной обрабатываемости резанием. Важен правильный выбор условий литья. Температуры заливки должны быть пониженными по сравнению с принятыми для литья в крупные изложницы.

Кроме того скорость охлаждения в области 1500—1000 °С должна быть ускоренной. Эвтектическая сетка, величина зерна и строение стали по сечению отливки однороднее при охлаждении в металлических или в тонких оболочковых формах. Несколько хуже структура при литье в земляные формы.

Отжиг отливок следует выполнять при температурах более высоких (на 30—70 °С), чем для деформированной стали. Температуры закалки назначают по нижнему пределу, рекомендуемых для инструментов из деформированной стали. Остальные параметры термической обработки литых инструментов не отличаются от установленных для катаной стали.

Комментарии к записи «Термомеханическая обработка (ТМО)»

Комментариев пока нет, но вы можете стать первым

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *