Особенности технологии термической обработки инструментальных сталей в вакуумных электропечах торговой марки

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ИНСТРУМЕНТ»

В.М. Шулаев, к.ф.-м.н., В. Ю. Жорняк, Д.А. Листопад, к.т.н.

Вакуумная элеваторная электропечь СЭВФ-3.3/11,5-ИЗМ-ОТТОМНеукоснительное и точное соблюдение всех параметров термообработки способствует высокому качеству стального инструмента. Поэтому для закалки наилучшим образом подходят вакуумные электропечи благодаря их автоматизации и системе контроля.

Вакуумная термическая обработка является современной альтернативой классической технологии термической обработки инструмента в соляных ваннах по ряду причин. Отпадает необходимость в проведении трудоемкой операции очистки поверхности от остатков солей и последующей подготовки к нанесению упрочняющих покрытий типа нитрида титана. Повышенная скорость нагрева изделий в смеси солей приводит к возникновению максимального градиента температур между поверхностью и сердцевиной, что определяет высокий уровень термических напряжений и, как следствие, деформацию инструмента. Большая скорость нагрева обуславливает также разнозернистость микроструктуры при аустенизации и последующей закалке. При термообработке изделий в смеси солей происходит частичное обезуглероживание и потеря легирующих элементов в поверхностном слое. В вакуумных электропечах эти явления можно практически полностью исключить. Возможность полного контроля процесса и точность поддержания режимов термообработки — одна из важнейших причин популярности вакуумных электропечей при термической обработке инструментальных сталей.

Каждый специалист, связанный с термообработкой инструментальных сталей, должен помнить о возможностях оптимизации этого процесса. При этом обязательно использовать наиболее подходящие режимы нагрева, аустенизации, закалки и отпуска. И в соответствии с этим осуществлять правильный выбор оборудования.

НАГРЕВ

Процесс термообработки инструментальных сталей в вакуумных печах начинается с многоступенчатого нагрева. Для инструмента из низколегированной стали рекомендуется двухступенчатый нагрев, для быстрорежущего инструмента — трехступенчатый, а для крупногабаритного инструмента или инструмента переменного поперечного сечения — четырехступенчатый.

Медленный прогрев с необходимым количеством ступенек дает определенные преимущества. Большая часть инструментальных сталей чувствительна к тепловым ударам из-за низкой теплопроводности. Уменьшение термических градиентов снижает склонность сталей к растрескиванию. Для большинства инструментальных сталей следует подбирать температуру предварительного разогрева, чуть ниже критической температуры превращения материала (Ас1), и выдерживать по времени столько, чтобы по всему поперечному сечению достигалась однородность температуры. Нагрев инструмента с выдержкой над критической температурой обеспечивает однородные изменения в объеме материала, что уменьшает его деформацию.

Первую ступень подогрева для инструмента из низколегированной стали рекомендуется проводить при 600°С, а для инструмента из быстрорежущей стали — при 850°С. Тепло распространяется от поверхности к сердцевине, и за счет этого температура поверхности инструмента удерживается ниже температуры нагревателей до полного прогрева сердцевины инструмента. При этом длительность выдержки должна обеспечивать выравнивание температуры сердцевины и поверхности инструмента, а также нагревателей. Время выдержки при первом подогреве в 2 раза превышает время выдержки при аустенизации. Первый подогрев инструмента из быстрорежущей стали до 850°С и последующая выдержка при этой температуре осуществляется с целью уменьшения напряжений и сокращения времени нагрева при высоких температурах.

Вторую ступень нагрева при 1050°С для инструмента из быстрорежущей стали необходимо использовать в следующих случаях:

  • для плотноупакованной садки из изделий малых размеров;
  • для термической обработки изделий с поперечным сечением более 20 мм.

Второй подогрев позволяет сократить время выдержки при окончательном нагреве.

Кроме того, инструментальные стали претерпевают объемные изменения при переходе от отожженной микроструктуры (в состоянии поставки) к аустениту в ходе разогрева. При нагреве в соляных ваннах возникают неоднородные объемные превращения, возможны неконтролируемые деформации, особенно в случае деталей переменного поперечного сечения. При нагреве в вакуумных электропечах подобного явления можно избежать. Крупногабаритный инструмент переменного поперечного сечения в этом случае дополнительно подогревают при температуре 400–500°С.

АУСТЕНИЗАЦИЯ

Цель аустенизации — обеспечение полного или частичного растворения карбидных частиц с последующей диффузией легирующих элементов в железной матрице. Разные типы карбидов растворяются с разной скоростью, в зависимости от температуры. Таким образом, подбор температуры аустенизации определяется, главным образом, составом инструментальной стали. Кроме того, температура аустенизации может слегка варьироваться для получения необходимых механических свойств инструмента с учетом конкретных применений.

Условия аустенизации в вакуумной печи также отличаются от условий аустенизации в соляной ванне. Установлено, что медленный нагрев в вакуумных печах создает благоприятные условия для более полного растворения первичных карбидов и получения высоколегированного аустенита.

Например, верхний предел закалочных температур при этом можно понизить на 20–30°С и на 15–20% уменьшить разнозернистость в микроструктуре быстрорежущей стали по сравнению с нагревом в соляной ванне.

ЗАКАЛКА

При достижении необходимого перераспределения легирующих элементов в ходе аустенизации инструментальную сталь следует достаточно быстро охлаждать для обеспечения мартенситного превращения. Большинство инструментальных сталей, как правило, приобретают мартенситную структуру в температурном интервале 315–95°С. Скорость охлаждения инструментальной стали в каждой конкретной охлаждающей среде (вакуум, газ — азот, закалочное масло) для полного упрочнения определяется ее химическим составом. Сильно легированные инструментальные стали достигают предельной прочности при небольших скоростях охлаждения. Как правило, небольшие скорости охлаждения обеспечивают оптимизированную микроструктуру и твердость инструмента при минимальных искажениях и склонности к растрескиванию. В случае сильнолегированных инструментальных сталей, полученных при температурах более 1095°С, скорость охлаждения с 980 до 650°С критична для оптимизации термообработки и вязкости материала.

Независимо от способа охлаждения инструментальных сталей, конечная мартенситная структура чрезвычайно хрупка и напряжена. Сталь может содержать нерастворенные избыточные карбиды и остаточный аустенит в заметных количествах. Присутствие в структуре инструментальной стали остаточного аустенита нежелательно, так как он ухудшает механические свойства и нарушает стабильность геометрических размеров инструмента. Использование инструментальной стали в таком состоянии создает существенный риск порчи инструмента. Поэтому сразу же после окончания охлаждения инструментальных сталей каким-либо способом до температуры последующей обработки (65°С) следует проводить «немедленный отпуск», как правило, не позднее чем через 15–30 минут.

ОТПУСК

После закалки проводится отпуск как для снятия напряжений в хрупком мартенсите, образующемся в ходе закалки, так и для уменьшения содержания остаточного аустенита. Большинство инструментальных сталей имеют достаточно широкую область температур отпуска. Рекомендуется использовать наивысшую температуру отпуска, которая обеспечивает необходимую твердость инструмента. Скорость нагрева и охлаждения от температуры отпуска обычно не критичны. Материалу следует дать остыть до 65°С и часто окончательно до комнатной температуры между и после отпусков.

Существует хорошее эмпирическое правило — одночасовая выдержка на каждые 2,5 см самого большого поперечного сечения после того, как инструмент полностью достигнет необходимой температуры, но не менее двух часов, независимо от размера.

Многократный отпуск типичен для многих сложнолегированных инструментальных сталей. Они требуют двух- и даже трехкратного отпуска для полного перехода остаточного аустенита в мартенсит, а также максимального снятия внутренних напряжений, возникших при закалке. Эти стали достигают максимальной твердости уже после первого отпуска и именуются вторично-упрочняемыми сталями. Однако однократный отпуск не обеспечивает эффективного превращения всего остаточного аустенит в мартенсит. Цель второго или третьего отпуска — интенсификация этого превращения, а также понижение твердости до необходимого рабочего уровня.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТА

Исходя из вышеизложенного очевидно, что вакуумные электропечи категорически необходимы для решения задач высококачественной термической обработки инструмента. Правда, процесс термообработки всегда связан с неконтролируемым возникновением деформаций. Они могут быть больше или меньше за счет изменений микроструктуры инструмента, но они всегда присутствуют. Однако при термообработке в вакуумных электропечах деформация инструмента существенно меньше, чем при термообработке в соляных ваннах. Вклад в деформацию инструмента вносят многие факторы: высокое содержание легирующих элементов в инструментальной стали, слишком высокая скорость нагрева инструмента, продолжительная изотермическая выдержка, неоптимальная температура аустенизации, неудачный выбор условий закалки и другие.

В первую очередь для обеспечения требуемых свойств изделий при термической обработке в вакуумных печах необходимо правильно выбрать условия охлаждения. Длительное время наиболее распространенными способами закалки в вакуумных печах были: охлаждение в масле и охлаждение газом — азотом при давлениях меньше 0,17 МПа. Для сильнолегированных сталей используется также охлаждение в вакууме. Эти способы охлаждения продолжают эффективно использовать и в настоящее время. Для обеспечения полной прокаливаемости инструмента большого сечения в настоящее время используются вакуумные печи с давлением инертного газа от 0,17 МПа до 2,0 МПа и еще больших давлениях (вакуум- компрессионные электропечи). Для ускоренного нагрева садки при температурах ниже 800°С в вакуумных печах последнего поколения используют конвекционную передачу тепла за счет циркуляции газа — азота от нагревательного модуля к садке. Данное техническое решение позволило заметно сократить время цикла термической обработки садки.

Охлаждению при непрерывной закалке в масле подвергаются инструменты простой формы толщиной или диаметром 30–40 мм из низко- и среднелегированных сталей. Для термообработки инструмента с закалкой в масло и «немедленного отпуска» в одном цикле нами предлагается новая вакуумная электропечь модели СЭВФ 3.3/11,5 ИЗМ-ОТТОМ (фото 1). В этой печи садка вначале нагревается в вакууме до температуры закалки. После изотермической выдержки при заданной температуре садка погружается в закалочную среду (вакуумное масло (ВМ 3) или Нетоксол). После этого садка извлекается из закалочной среды в зону загрузки (среднюю зону). Выдержка садки после закалки обеспечивает стекание остатков закалочной жидкости и понижение температуры нагревательного модуля до температуры отпуска, в течение времени исключающем закалочное растрескивание. После этого садка поднимается обратно в нагревательный модуль (при температуре отпуска). Нагревается и выдерживается при заданной температуре. Охлаждение садки после отпуска можно производить в закалочной среде или в вакууме вместе с печью.

Печь СЭВФ 3.3/11,5 ИЗМ-ОТТОМ является экологически чистой. В ней отсутствует выброс химически активных газов в атмосферу помещения, что обеспечивает ее взрыво и пожаробезопасность в процессе эксплуатации. Печь может применяться как общепромышленная в авиационной, электронной, радиотехнической, электротехнической, машиностроительной и других отраслях промышленности.

Таким образом, промышленным предприятиям для проведения закалки в масло и «немедленного отпуска» инструмента из низко- и среднелегированных сталей в одном производственном цикле, с промежуточным циклом вакуумного обезжиривания, предлагается вакуумная электропечь сопротивления нового поколения модели СЭВФ 3.3/11,5 ИЗМ-ОТТОМ, которая относится к современному высокотехнологичному термическому оборудованию. Детали из такой печи вынимают светлыми и сухими.

Для нагрева и охлаждения в вакууме мелкоразмерного инструмента из высоколегированных сталей предлагается новая вакуумная электропечь модели СЭВЭ 3.3/13 ИВ ОТТОМ (фото 2). Конструкция печи допускает использование систем ускоренного охлаждения на базе статических атмосфер газа — азота или аргона.

Вакуумная элеваторная электропечь сопротивления модели СЭВГ 3.3/13 ИЗГ-ОТТОМ (фото 3) предназначена для закалки мелкого инструмента (диаметром или толщиной менее 100 мм) из различных марок быстрорежущих (Р18, Р9, Р6 М5, Р6 М5 Ф3, Р5 М5 К5 и др.) и высоколегированных сталей в потоке охлаждающего газа (азот или аргон) при давлениях меньше 0,17 МПа.

В зоне ускоренного охлаждения располагается газовый спрейер. К зоне ускоренного охлаждения пристыковывается наружная система циркуляции газа (фото 3), которая оборудована теплообменниками для понижения температуры охлаждающего газа и мощной газодувкой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К настоящему времени разработка новых инструментальных материалов с более высоким уровнем физико-механических свойств путем использования постоянно уссложняющихся составов оказался исчерпанным. Поэтому повышение служебных характеристик инструмента возможно благодаря разработке новых технологий:

  • производства инструментальных материалов традиционного состава;
  • нанесения упрочняющих покрытий;
  • объемного упрочнения с помощью термической обработки, которое неразрывно связано с использованием новейшего вакуумного печного оборудования.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.