Розділ 3 Термічна обробка інструмента

Відпал

    Для отримання структур, близьких до рівноважного стану, застосовують відпал - нагрівання сталі  до заданої   температури, витримка при ній і подальше повільне охолоджування.

     У процесі відпалу поліпшуються механічні властивості і вирівнюється хімічний склад сталі; поліпшується оброблюваність її на верстатах; зменшуються залишкові деформації; здійснюється підготовка структури сталі для подальшої термічної обробки, змінюються властивості наклепаного металу.

      Розрізняються такі види відпалу: рекристалізація, повний, неповний; відпал на зернистий перліт (сфероїдизація); ізотермічний; низькотемпературний; дифузійний (гомогенізація).

      Відпал рекристалізації застосовують для зняття наклепу холодно-деформованого металу. Нагріваючи при відпалі рекристалізації сталі марки У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13, X, 9ХС, ХВГ, 7X3, ХВ5, 6ХВ2С здійснюють при 670 - 700°С; марки Х12, Х12М, Х12Ф1 – 730 - 7500С, а марки Р18, Р9 – 760 - 7800С. При температурі рекристалізації деталі після нагріву витримують не більше  однієї години.                       

     Повний відпал застосовують для зменшення твердості, зняття напруження і виправлення структури після кування у разі неправильного нагріву або охолоджування технологічного оснащення, виготовленого з доевтектоїдних і евтектоїдних сталей. У результаті повного відпалу відбувається повна перекристалізація металу, структура виходить дрібнозерниста з рівномірним розподілом перліту і фериту. При повному відпалі сталь нагрівають вище Ас3 на 20 - 30°С, витримують до повного прогрівання, після чого поволі охолоджують до 500 - 600°С, а потім - з будь-якою швидкістю.

     Неповному відпалу піддають доевтектоїдну сталь, що пройшла правильний режим кування. При цьому сталь нагрівають до температури, що знаходиться між Ас1 і Ас3, і витримують при такій температурі до повного прогрівання.       Спосіб охолоджування  такий самий, як і при повному відпалі.                           

      Відпал на зернистий перліт застосовують для зниження твердості, поліпшення оброблюваності і підготовки структури сталі до подальшого гарту. При такому відпалі проводять нагрів вище за температуру Ас3 на 10 - 25°С і витримують до повного прогрівання. Відпал на зернистий перліт можна проводити за циклічним режимом, рисунок 3.1.    Відпалювані вироби кілька разів поперемінно утримують при температурі на 15 - 20°С вище і нижче Ас1, після чого охолоджують з піччю до 550°С.

 

 

      Ізотермічний відпал застосовують для обробки легованих і високовуглецевих сталей. Призначення його таке саме, як і повного відпалу. При ізотермічному відпалі доевтектоїдну сталь нагрівають до температури вище Ас3 на 30 - 50°С, а заевтектоїдну - на 30 - 50°С вище Ас1. Витримують до повного прогрівання, потім швидко охолоджують до температури трохи нижче Ас1 і витримують при цій температурі, після чого охолоджують з будь-якою швидкістю. Для проведення ізотермічного відпалу необхідно менше часу, ніж для повного відпалу. Для швидкого охолодження виріб переносять у печі з меншою температурою або охолоджують при відкритих дверцятах печі з подальшим вирівнюванням температури.

      Низькотемпературний відпал застосовують для зниження твердості і зняття внутрішніх напруг у технологічному оснащенні із заевтектоїдних сталей. Виріб нагрівають трохи нижче Ас1 (приблизно до 650 - 680°С, тобто до температури відпуску), витримують до повного прогрівання, потім охолоджують сумісно з піччю або на повітрі. Процес називають відпалом умовно.

     Дифузійний відпал застосовують для великих литих кубиків із штампових сталей. При цьому вироби нагрівають вище Ас3 на 150 - 2500С і після тривалої витримки поволі охолоджують з піччю. Мета процесу - усунення хімічної неоднорідності і грубої структури литих сталей. Після дифузійного відпалу необхідний повний відпал для усунення структурних змін, викликаних перегрівом.

      Швидкість нагріву при відпалі повинна бути такою, при якій забезпечується рівномірний нагрів усього садіння, і береться  такою, що дорівнює для вуглецевої і легованої сталей 100°С/год, для високохромових і швидкорізальних сталей 5000С/год.

Час витримки в камерних печах відраховують від моменту досягнення температури печі, що дорівнює температурі остаточного нагріву, визначуваній за показами приладів. До цього моменту відбувається вирівнювання температури за всім об’ємом садіння.

Охолоджування після відпалу проводять за однією з двох технологічних схем:                                                     

      I схема - безперервне охолоджування з піччю до 500°С із швидкістю 50°С/год - для вуглецевих сталей і 25 - 30°С/год - для легованих і швидкорізальних, подальше охолоджування проводять на повітрі, і швидкість його не регламентується.       Відпал з безперервним охолоджуванням проводять у камерних і шахтних печах при загальній масі партії заготовок більше

300 кг;

      II схема - охолоджування з ізотермічною витримкою, подальше охолоджування до 500°С з піччю, а потім на повітрі. Охолоджування від температури відпалу до температури ізотермічної витримки при другій схемі не регламентується. Воно проводиться при вимкненій печі. Дверцята відкривати забороняється, щоб уникнути нерівномірного охолоджування заготовок. Час на охолоджування з ізотермічною витримкою становить 1 - 2 год. - для вуглецевої сталі, 3 - 4 год. - для легованої, 3 - 8 год. - для швидкорізальної. Ізотермічний відпал необхідно проводити в камерних або шахтних печах із програмним регулюванням температури.

      Технологічне оснащення із сталей марок У7, У7А, У8, У8А.-У10, У10А, У12, У12А перерізом до 8мм2 (мітчиків перерізом до 12мм2) охолоджують у розплаві солей або лугів, а перерізом більше 8 мм2 - у 5 - 10% водному розчині кухарської солі або лугу. Відпал інструмента із швидкорізальної сталі в карбюризаторі або в чистому деревному вугіллі не дозволяється, оскільки при цьому відбувається поверхневе навуглецьовування, внаслідок чого в процесі подальшого гарту оплавляються різальні кромки. Відпал такого інструмента проводять в контрольованій атмосфері, у відпрацьованому карбюризаторі або у вугіллі з додаванням 10 -15% кальцинованої соди.

Нормалізація

     Процес нагріву сталі на 30 - 50°С вище Ас3, витримки при цій температурі і подальше охолоджування на повітрі називають нормалізацією, рисунок 3.2. Нормалізацію застосовують в основному для конструкційних сталей з метою виправлення структури перегрітої сталі, зняття внутрішньої напруги і поліпшення оброблюваності. Температуру нормалізації вуглецевих сталей можна витримувати в межах, зазначених нижче на рисунку 3.2.

Гарт

         Операцію, при якій доевтектоїдну сталь нагрівають на

20 - 30°С вище Ас3, а евтектоїдну і заевтектоїдну сталь - на 20 - 30°С вище Ас1 і після витримки при цій температурі швидко охолоджують у воді, маслі або на повітрі залежно від складу сталі, називають гартом (рисунок 3.3).

     

 

      У результаті гарту виходять нерівноважні структури, оскільки швидке охолоджування перешкоджає фазовим перетворенням. Після гарту сталь стає твердою і крихкою.   Структура загартованої сталі складається з мартенситу, карбідів, що не розчинилися, і залишкового аустеніту. Заевтектоїдну сталь не слід нагрівати для гарту вище Ас1, оскільки при цій температурі відбувається перегрів і знижується якість технологічного оснащення. Вибір способу гарту залежить від складу сталі, необхідних  властивостей і складності виробів.      Розрізняють такі види гарту: повний, неповний, з неперервним охолоджуванням, ізотермічний, ступінчастий, з підстужуванням, у двох рідких середовищах, з обмеженим перебуванням в охолоджуючому середовищі, із самовідпуском, крізний, некрізний, звичайний, чистий, світлий, з обробкою холодом.

       При повному гарті температура нагріву повинна бути вищою за критичні точки Ас3 або Асm, а при неповній  повинна знаходитися в інтервалі гартівних температур.

      Якщо гарт проводять із швидкістю охолодження вище критичної, структура сталі після охолоджування складається з мартенситу і залишкового аустеніту, а якщо проводять її із швидкістю охолодження нижче критичної, то структура сталі складається з феритокарбідної суміші різного ступеня дисперсності (сорбіт і троостит гарту).

   

 

 

        При   ізотермічному гарті  (рисунок 4) деталі   нагрівають  на   10 -20°С вище звичайної температури гарту, охолоджують в маслі, в розплавлених солях або лугах. У результаті ізотермічного гарту зменшуються напруга і деформація, при цьому різко знижуються тріщиноутворення і викривлення. Її застосовують при виготовленні технологічного оснащення складної форми, великих розмірів і великої довжини.

     При ступінчастому гарті охолоджування проводять у гарячому середовищі (ванні) до вирівнювання температури по всьому перерізу. Подальше охолоджування відбувається на повітрі. При цьому відбувається перетворення аустеніту на мартенсит. Ступінчастий гарт проводять двома способами:         

         1.  Нагрітий виріб охолоджують в гарячому середовищі, температура якого на 20 - 30°С вища за температуру мартенситного перетворення, а потім охолоджують на повітрі. Після витягання з гарячого середовища в період аустенітних перетворень виріб можна правити.

          2.  Нагрітий виріб охолоджують у гарячому середовищі нижче за температуру мартенситного перетворення  приблизно на  160 - 190°С,  а потім - на повітрі. При цьому способі гарту правити вироби неможливо через швидке утворення мартенситу, але в порівнянні із звичайним гартом зменшується брак через утворення тріщин і викривлення.

        Гарт із підстужуванням базується на тому, що перед зануренням в охолоджуюче середовище виріб витримують на повітрі. Витримку проводять дослідним шляхом з таким розрахунком, щоб перетворення аустеніту не почалося до занурення виробу в охолоджуюче середовище.

        Під час гарту в двох рідких середовищах відбувається швидке охолоджування до температури вище за мартенситну точку і повільне охолоджування - нижчу за неї. Це досягається шляхом занурення виробів у воду і подальшого перенесення їх в масло (гарт «через воду в масло»). Час охолоджування у воді встановлюють для кожного виду технологічного оснащення дослідним шляхом.

        Гарт з обмеженим перебуванням в охолоджуючому середовищі і подальшим охолоджуванням на повітрі проводять з таким розрахунком, щоб температура виробів при витяганні їх з охолоджуючої ванни була нижче за мартенситну точку.

         Гарт із самовідпуском застосовують в основному для ударного інструмента, виготовленого з вуглецевої сталі, твердість якої повинна зменшуватися від робочої частини до хвостовика. Перебування інструмента в охолоджуючому середовищі обмежують настільки, щоб внутрішня частина перетину зберегла кількість тепла, достатню для відпуску зовнішніх шарів, сталі після витягання інструмента з охолоджуючого середовища на повітря. На практиці інструмент часто повторно занурюють в охолоджуюче середовище, щоб не допустити зайвого нагріву поверхні. При цьому для оцінки режиму термічного процесу керуються кольорами мінливості (наприклад, при загартуванні зубил) або часом, встановленим дослідним шляхом для кожного типорозміру інструмента. Загартовування з самовідпуском проводять у такій послідовності: нагрівають інструмент до температури загартовування, опускають робочу частину у воду до потемніння, виймають інструмент, швидко зачищають робочу частину шліфувальною шкуркою або напилком. При з’явленні кольору мінливості відповідно до заданої температури відпуску інструмент охолоджують в маслі або воді.

      

При крізному загартовуванні виріб прожарюють наскрізь. Він має практично однорідну структуру (мартенсит і залишковий аустеніт) і однакові властивості по перетину.

        При некрізному загартовуванні перетин має неоднорідну структуру і різні властивості.

       Звичайне загартовування характеризується наявністю оксидів на поверхні.

       Чисте загартовування проводиться при нагріві в печах з контрольованою атмосферою. У результаті на поверхні виробів утворюються пригари масла або кольору мінливості.

       Перевага світлого загартовування в розплавлених лугах полягає в тому, що технологічне оснащення, що пройшло такий вид термообробки, має світлу поверхню, менше викривлення і вищу твердість. Склад охолоджуючої ванни вибирають залежно від необхідної робочої температури. Для загартовування інструментальних сталей найдоцільніше застосовувати суміш із 75% їдкого калію і 25% їдкого натру. Луг розплавляють в тиглі з вуглецевої сталі. Нержавіючу сталь для тиглів застосовувати не рекомендується.     Охолоджуюча здатність  ванни, що працює при температурі до 250°С, підвищується при перемішуванні і залежить від кількості введеної води. Найбільшу охолоджуючу здатність має суміш, що містить 6 - 10% води.

     При світлому загартовуванні технологічного оснащення у розплавленому лузі виконуються такі операції: підігрів у розплавленій кухарській солі при температури 800 - 840°С; нагрів під загартовування у ванні до температури на 10 - 200С вище за відповідну температуру загартовування (ванни, що мають у складі хлористий барій, для світлого загартовування застосовувати не можна, оскільки останній забруднює лужну ванну, доцільніше використовувати хлористий кальцій); охолоджування в розплавленому лузі до повного вирівнювання температури при поступовому загартовуванні і до закінчення перетворення - при ізотермічному (час витримки в лужній ванні при поступовому загартовуванні беруть таким, що дорівнює 15 с на 1мм перетину); промивання у воді, що має температуру 70 - 90°С; промивання в проточній воді; занурення в 2 - 5% водний розчин нітриту натрію, що захищає від корозії.

        Деталі з твердістю НRС 60 і вище не потрібно після загартовування в лужній ванні відразу промивати в гарячій воді, оскільки це може призвести до розтріскування і значного викривлення. У цьому випадку деталі необхідно охолоджувати приблизно до 100° С на повітрі, а потім промивати в гарячій воді. Деталі, що піддаються світлому загартовуванню, не повинні мати слідів жиру, щоб уникнути появи в цих місцях темних плям.

       У результаті такого методу термообробки можна підвищити якість технологічного оснащення завдяки мінімальній деформації, знизити трудомісткість процесу і скоротити час на термообробку.

      Загартовування з подальшою обробкою холодом застосовують для більш  повного розкладання аустеніту. При цьому загартоване технологічне оснащення додатково охолоджують нижче 0° С.     Гартування з обробкою холодом виконують у такій послідовності:  нагрів до температури загартовування, загартовування, додаткове охолоджування до температур нижче 0° С, відпуск.

      Температуру нагріву під загартовування вибирають залежно від форми, розмірів, призначення і умов навантаження технологічного оснащення. Температура нагріву залежить від складу сталі. Вона залежить від положення критических точок Ас1 і Ас3 на діаграмі інтервалів гартівних температур залізовуглецевих сплавів.

       Нагрів під загартовування проводять переважно в електропечах-ваннах у розплавах солей. Рідше застосовують печі опору, газові печі або установки ТВЧ.

      Для безпечної роботи соляних ванн (усунення розбризкування розплавлених солей при завантаженні вологого або холодного інструмента) застосовують ступінчастий нагрів під загартовування. Інструмент з вуглецевої і легованої сталей підігрівають один раз для підсушування інструмента і скорочення часу остаточного нагріву, інструмент із швидкорізальної сталі підігрівають двічі: перший підігрів проводять для підсушування інструмента, другий - для запобігання його деформації в процесі загартовування.

        Для    великогабаритного   складнофасонного   інструмента   застосовують третій   підігрів (при 1050° С), після якого скорочується час остаточного   нагріву при загартовуванні, а отже, зменшується зневуглецювання.

         Перший підігрів при загартовуванні сталей Р12, Р18, Р18Ф2, Р18К5Ф2,   Р14Ф4,   Р10К5,  Р9К5,  Р9К10, Р6МЗ, У7, У7А, У8, У8А, У10, У10А,  У12,   У12А,   Х12Ф1,   Х12М,  ХВГ, 9ХС проводять до температури 400 - 500°С, другий підігрів при загартовуванні сталей Р12, Р18, Р18Ф2, Р14Ф4, РЮК5Ф5, Р9К5, Р9КЮ, Р6МЗ - до 840 - 860°С, а сталей Х12Ф1,   Х12М – 800 - 820°С.

      Для попередження окислення і зневуглецювання, а також для зменшення викривлення і тріщиноутворення нагрівання і охолоджування технологічного оснащення, зокрема інструментів з вуглецевої сталі, проводять в соляних ваннах (виняток становлять окремі види інструмента, наприклад, довгі протяжки, для яких немає стандартних електричних ванн необхідного розміру). Щоб уникнути зневуглецювання поверхні технологічного оснащення в процесі нагріву, необхідно перевіряти хімічний склад солей, не застосовувати солі, що мають відхилення за складом від стандарту, або ТУ і періодично додавати у ванну розкислювачі (буру, борну кислоту, фтористий магній).

       Вибір середовища для охолоджування залежить від марки сталі, необхідної твердості, форми, розмірів технологічного оснащення. За складом і властивостями всі гартівні середовища поділяються на чотири групи: вода і водні розчини, масла, розплавлені солі і луги, повітря.

         Воду і водні розчини застосовують при загартовуванні технологічного оснащення і інструментів простої форми діаметром або товщиною від 8 до 12мм з вуглецевої сталі.   Температуру води необхідно підтримувати приблизно 18 - 25°С. При температурі нижче 18°С  збільшується швидкість структурних перетворень, що веде до тріщиноутворення. У разі підвищення температури води більше 25°С і забруднення її маслом різко знижується охолоджуюча здатність в інтервалі 550-6500 С, що веде до утворення м'яких плям на поверхні загартованого інструмента.

Відпуск

       Відпуск - процес   нагріву і витримки загартованої сталі при температурі на 20 - 30°С нижче критичної точки Аr1. Під час відпуску відбуваються перетворення мартенситу і залишкового аустеніту, внаслідок чого зменшуються внутрішня напруга і крихкість, підвищуються в'язкість і пластичність сталі.

        Відпуску необхідно піддавати все загартоване технологічне оснащення, крім того, що пройшло ізотермічне загартовування. Залежно від необхідних температур відпуск проводять в масляних або селітрових ваннах, в печах з вимушеною циркуляцією повітря, а також у ваннах з розплавленим лугом (світлий відпуск). Відпуск технологічного оснащення з вуглецевої і легованої сталей слід проводити переважно в рідких середовищах, бажано в розплавлених солях. Для забезпечення якісного відпуску великогабаритного інструмента складної форми (фрез, довбачів, шеверів і т. п.) раціональніше проводити уповільнений нагрів у печах з переміщуваною повітряною атмосферою або з атмосферою пари.

        Режими відпуску інструментальних сталей визначаються їх хімічним складом і необхідною твердістю. Охолоджування після відпуску може бути повільним, якщо сталь не здатна до відпускної крихкості. У протилежному разі охолоджування проводять швидко.

       За умовами нагріву розрізняють високий, низький, середній, багатократний відпуск.

        При високому відпуску, коли температура нагріву досить висока,  сталь набуває сорбітної   структури.  Для конструкційної сталі температура сорбітизації  знаходиться в межах 450 - 670°С. У процесі високого відпуску загартоване технологічне оснащення, охолоджене до температури нижче   300° С,  не слід поміщати в печі з високою температурою, оскільки швидкий нагрів може призвести до розтріскування.

        При низькому відпуску температура нагріву обмежена необхідністю збереження   високої твердості.   Високохромові, інструментальні і швидкорізальні сталі нагрівають до 400 - 600°С.

        Середній  відпуск застосовують   за необхідності зберегти пружні    властивості у поєднанні з достатньою в'язкістю і проводять при температурі нагріву 350 - 480°С.

        При багатократному відпуску процес нагріву, витримки і охолоджування повторюється кілька разів. Такий відпуск застосовують в основному для швидкорізальної сталі. При проведенні багатократного відпуску інструмента із швидкорізальної сталі необхідне обов'язкове охолоджування інструмента до 20°С (після кожного відпуску) на спокійному повітрі або струменем повітря, нагрітого до 20 - 25°С. Для охолоджування можна також використовувати водяний туман.     Замінювати тривалий відпуск великим числом короткочасних відпусків при вищих температурах (наприклад, двократний відпуск по 30 хв при 5800С або двократний відпуск по 15 хв при 600°С) можна при термічній обробці інструмента із сталей типу Р9 і Р18.

       У разі проведення відпуску у ваннах або в печах із газовою атмосферою необхідно дотримуватися таких вимог: не завантажувати інструмент на під печі, особливо якщо піч до завантаження працювала при вищих температурах; застосовувати спеціальні корзини або піддони, які ізолюють інструмент  від прямого контакту з подом печі; при використанні рідких відпускних ванн підігрівати інструмент перед його завантаженням у ванну.

         Відпуск технологічного оснащення проводять також і на колір мінливості, нагріваючи оснащення в печах, на електроплиті, в гарячому піску і т.п. Окисна плівка, що з'являється в результаті нагріву, набуває різних кольорів мінливості залежно від температури відпуску. Перед відпуском на один з кольорів мінливості необхідно зачистити деталь, зняти окалину, нагар масла та ін.

        Температура відпуску залежить від складу сталі і необхідної твердості. Для отримання твердості не менше

НRС 59 - 60 відпуск проводять при температурі 150 - 250°С.         Штампи для гарячого штампування з вуглецевої сталі, цанги і ударний інструмент відпускають при температурі 250 - 400°С. При цьому мартенсит перетворюється на троостит, твердість НRС знижується від 50 до 45, а пластичність підвищується

        Вимірювальний інструмент високої точності діаметром або товщиною 15 - 20мм відпускають при 125 - 130° С протягом 24 -36 год, діаметром або товщиною більше 20мм -при125 - 130°С протягом 36 - 48 год.

        Один тривалий відпуск можна замінити декількома короткочасними, але з сумарною тривалістю, що дорівнює зазначений вище. Двократний відпуск вимірювального інструмента проводять за такою схемою: перший відпуск при температурі 135 - 140°С протягом 1 - 2 год; другий - при 120 - 125°С протягом 1- 2 год. Другий відпуск інструмента при 120 - 130°С протягом 2 - 3 год застосовують для зняття напруги, викликаної шліфуванням.

        Інструмент, який повинен мати високу твердість (НRС 58 - 60), відпускають при 150 - 200°С. У цьому випадку твердість знижується незначно. Відпуск при нижчих температурах (120 - 160°С) застосовують для вимірювального інструмента з метою зняття напруги після чорнового шліфування. Такий відпуск рекомендується проводити у підігрітій масляній ванні (старіння).

      Додатковий відпуск після заточування і шліфування інструмента із швидкорізальної сталі вводять для підвищення його зносостійкості. Режим додаткового відпуску: температура нагріву 360 - 370°С, час витримки 2год, охолоджування на повітрі. Відпуск проводять у відпускній печі. Стійкість інструмента при цьому підвищується максимально в 1,5 раза.