Необходимые свойства инструментальных сталей

Группа стали	Свойства стали
Стали для режущего инструмента	Высокая твёрдость в режущей кромке, износостойкость, достаточная прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента во время работы и теплостойкость, если резание выполняется с большой скоростью, прокаливаемость для перетачиваемого инструмента
Стали для штампов холодного деформирования	Высокая твёрдость, прочность, износостойкость при достаточной вязкости
Стали для штампов горячего деформирования	Высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах, износостойкость, окалиностойкость, разгаростойкость, высокая прокаливаемость, нечувствительность к отпускной хрупкости
Стали для измерительного инструмента	Твёрдость, износостойкость и сохранение размеров при эксплуатации

Применительно к выбору инструментальных сталей в общем случае можно руководствоваться принципом обеспечения требуемой закаливаемости, прокаливаемости и теплостойкости при минимально достаточном легировании: уровень минимального легирования должен быть достаточным не только для обеспечения твёрдости, прокаливаемости на глубину рабочего слоя инструмента (с учётом его переточки), но и для создания необходимой теплостойкости инструмента, которая определяется требуемой скоростью обработки (точения, фрезерования, сверления и др.). Для каждой группы инструмента на первый план выходит та или иная сторона этого триединого принципа – износостойкость, обеспечиваемая содержанием углерода в мартенсите (закаливаемостью), прокаливаемость или теплостойкость, достигаемые соответствующим уровнем легирования аустенита и мартенсита.

3.2. Технология предварительной термической обработки
заготовок инструментальных сталей

По сравнению с большинством конструкционных сталей инструментальные стали более сложны по составу и технологии металлургического производства. Ввиду высокого содержания углерода и легирующих элементов в этих сталях в большей степени возможны различные дефекты, связанные с карбидной неоднородностью, обезуглероживанием и т. д. Отдельные дефекты, которые не могут быть устранены в процессе изготовления инструмента, приводят к непригодности стали для определённых инструментов. Учитывая высокую стоимость и дефицитность сталей, а также сложность их металлургического изготовления, требования к сталям должны предъявляться обоснованно, дифференцированно с учетом конкретных типов, размеров и назначения изготавливаемого
инструмента.

Наряду с контролем качества стали по ряду пара­метров, определяемых соответствующими ГОСТами или ТУ на металлургических заводах, в инструментальном производстве существует обоснованная практика входного контроля инстру­ментальной стали. Объём и виды контроля устанавливают так, чтобы определить пригодность стали для инструментов конкрет­ного вида и назначения. Как правило, контролируются следу­ющие основные параметры:

– химический состав стали (по со­держанию углерода и основных легирующих элементов);

– макро­структура для выявления центральной пористости; пористость допускается лишь для инструмента, имеющего центральное отверстие (долбяков, шеверов, червячных фрез) и не допускается в инструментах типа протяжек, свёрл, концевых фрез и т. п.

– твёр­дость и микроструктура, определяющие обрабатываемость стали; при­сутствие в структуре грубопластинчатого перлита заметно ухудшает чистоту обрабатываемой поверхности даже при удовлет­ворительной твёрдости стали;

– наличие и глубина обезуглероженного слоя; выбор размеров инструмента и технологии его изготовления должны исключить возможность попадания обезуглероженного слоя на режущие кромки инструмента;

– карбид­ная неоднородность; остатки карбидной сетки способствуют по­явлению трещин при закалке;

Маршрутная технология изготовления инструмента. В общем случае технологический процесс изготовления инстру­мента включает следующие операции:

1. Изготовление заготовок (предварительное формообразование) с использованием сварки, горячей и холодной пластической деформации.

2. Предварительную смягчающую термическую обработку (отжиг или нормализация с отжигом) на структуру зернистого перлита для улучшения обрабатываемости стали и исправления дефектов структуры, возникших в процессе изготовления заготовок. 

3.  Механическую обработку (окончательное формообразование) на металлорежущих станках или методами холодной деформации (насечка и др.).

4. Окончательную (упрочняющую) термическую обработку (закалку
с отпуском).

5. Окончательный контроль, шлифовку и заточку инструмента, дополнительную обработку для улучшения поверхностного слоя.

Режущие инструменты из углеродистой и легированной ин­струментальной стали в основном изготавливают на металло­режущих станках из отожжённого проката. Таким же образом изготавливают весьма небольшую часть тонкого инструмента (диаметром до 6¸8 мм) из быстрорежущей стали. В целях эконо­мии дорогостоящей быстрорежущей стали основную часть инструмента изготавливают из заготовок, подвергнутых горячей или холодной пластической деформации с целью придания им формы, близкой к окончательной форме инструмента. При этом используют ковку, прокатку периодических профилей, оттяжку концов. Ковку применяют также с целью уменьшения карбидной неоднородности. При крупносерийном и массовом производстве широко распространены продольно-винтовая про­катка спиральных свёрл, горячая штамповка метчиков и дисковых фрез, прессование свёрл и другие малоотходные процессы формо­образования.

Значительная часть инструмента, в том числе все концевые инструменты диаметром 8¸60 мм (свёрла, метчики, развертки, зенкеры, фрезы и др.), изготавливают составными, с крепёжными частями (хвостовиками) из конструкционных сталей, приварива­емыми трением пли плавлением.

В результате сварки и горячей пластической деформации (при нагреве
до 1050¸1180 °С) сталь приобретает изменённую структуру (мартенсит или троостит) и повышенную твёрдость, что затрудняет обработку резанием и создает опасность возникнове­ния нафталинистого излома при последующей закалке.

При использовании холодной пластической деформации соз­даются наклёп и остаточные напряжения, повышающие деформа­цию при закалке, что особенно недопустимо для длинномерного сложнофасонного инструмента (протяжек, свёрл  и др.).

Указанные последствия горячей и холодной обработки устра­няются предварительной термической обработкой.

Технология предварительной термической обработки заготовок. Основным видом предварительной термической обработки инстру­ментальных сталей является отжиг. Он предназначен для по­вышения обрабатываемости стали резанием, предупреждения наф­талинистого излома и подготовки структуры к последующей закалке. Отжиг должен обеспечить получение структуры равно­мерного зернистого или сорбитообразного перлита с твёрдостью не более
НВ 207¸217 для углеродистых сталей, НВ 241¸255 для легированных сталей и НВ 255¸285 для быстрорежущих сталей. Схемы отжига с непрерывным охлаждением и изотермического приведены на рис. 3.2.

Температура нагрева и время выдержки назначаются из усло­вия получения аустенита с сохранением части избыточных карби­дов нерастворёнными. Для равномерного прогрева больших садок скорость нагрева ограничивают величиной 100 °С/ч для углеродистых и легированных сталей – 50 °С/ч для быстрорежущих сталей. Время выдержки составляет 2¸3 ч.

Рис. 3.2. Схемы режимов отжига инстру­ментальных сталей: а – с непрерывным
охлаждением (1 – нагрев, 2 – медленное охлаждение, 3 – быстрое охлаждение);
б – изотермического (1 – нагрев, 2 – медленное охлаждение, 3 – изотермическая выдержка,
4 – медленное охлаждение, 5 – быстрое охлаждение)

Режим охлаждения назначают таким образом, чтобы обеспе­чить завершение распада переохлажденного аустенита при тем­пературах не ниже 550 – 660 °С
с получением ферритно-карбидной смеси требуемой дисперсности.

При изотермическом отжиге скорость охлаждения до темпе­ратуры изотермической выдержки не регламентируют, охлажде­ние проводят обычно в выключенной печи (с закрытыми двер­цами).

Ввиду замедления диффузионных процессов фазовых превра­щений в легированных (особенно в быстрорежущих) сталях по сравнению с углеродистыми сталями температуру и время нагрева при аустенитизации и распаде аустенита назначают несколько выше. Ориентировочные режимы отжига инструментальных ста­лей приведены в табл. 3.2.

С целью экономии электроэнергии и топлива целесообразно выполнять отжиг с использованием ковочного или сварочного тепла. Если необходимо исправление крупнозернистости перегретой стали, то обязательным является подстуживание горячих заготовок до 600 – 700 °С, с тем чтобы прошёл распад аустенита. После чего заготовки помещают в печь для отжига с повторной фазовой перекристаллизацией.

Если нагрев при горячей деформации или сварке проводили при относительно низких температурах и коротких выдержках (индукционный или контактный электронагрев, сварка трением), при которых не произошли гомогенизация аустенита и недопусти­мый рост зерна, то повторная перекристаллизация необязательна и достаточно применить лишь контролируемое замедленное охла­ждение или изотермическую выдержку таким же образом, как и при обычном отжиге

При повышенных требованиях к чистоте поверхности после обработки резанием для получения однородного, хорошо сфероидизированного среднезернистого перлита используют циклический отжиг, включающий 3…8 циклов нагрева (при­мерно до 750 °С для углеродистых и легированных сталей, и до 850 °С для быстрорежущих сталей) и охлаждения до 710 – 680 °С. Время выдержки в каждом цикле при нагреве и охлаждении составляет 0,5 – 1 ч для углеродистых и 0,2 – 0,5 ч для быстрорежущих сталей. Для небольших заготовок из быстрорежущих сталей ускорение процесса от­жига может быть достигнуто за счёт сокращения времени выдержки в каждом цикле при одновременном повышении температуры нагрева и снижении температуры  охлаждения  на 20 – 40 °С.
Высокий отпуск проводят при необходимости обеспечить правку инструментов из быстрорежущей стали, изготовленных горячей пластической деформацией (например, секторной про­каткой). Отпуск осуществляют путем нагрева в соляной ванне до 760 – 780 °С в течение 15 – 30 мин и охлаждения на воздухе. Твёр­дость снижается примерно до НВ 300, что затрудняет последу­ющую механическую обработку.

Таблица 3.2

 

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: