Отжиг заэвтектоидной и ледебуритной инструментальной стали

31.05.2018
Структура заэвтектоидной стали, образующаяся после ковки и отжига, форма, размеры и распределение карбидов в ней существенным образом влияют на обрабатываемость стали на станках, на ее поведение при закалке и на свойства после закалки. В зависимости от условий охлаждения после горячей механической обработки или от режима отжига -структура и свойства заэвтектоидной стали могут быть различными. He во всех случаях эти различия в структуре можно достаточно четко диференцировать. Однако схематически можно выделить следующие типы структуры:

1) мелкозернистый перлит с мелкими равномерно распределенными карбидами;

2) крупнозернистый перлит с крупными карбидами, в большинстве случаев неравномерно распределенными;

3) точечный перлит с очень мелким карбидами;

4) грубопластинчатый перлит и крупные карбиды;

5) тонкопластинчатый перлит с мелкими карбидами.

В ряде случаев, особенно после ковки, сталь имеет смешанную структуру, например, крупнозернистого и пластинчатого перлита или мелкозернистого и точечного перлита.

На фиг. 34 показана микроструктура стали X, полученная после различных условий охлаждения при отжиге и ковке.

Наиболее желательной для закалки является структура мелкозернистого перлита. Вместе с тем эта структура характеризуется лучшей обрабатываемостью и дает при механической обработке на станках более чистую поверхность.

Заэвтектоидная сталь со структурой тонкопластинчатого или точечного перлита склонна к перегреву при закалке, так как мелкие пластинки и точечные выделения карбидов (цементита) переходят в раствор аустенита быстрее и при температурах нагрева, на 10—20° более низких, чем более крупные зерна и пластинки. В результате быстрого и более полного растворения карбидов (цементита) значительно сокращается число избыточных карбидов, препятствующих росту зерна при нагреве для закалки. Такую сталь надо нагревать до более низкой температуры, чем сталь со структурой мелкозернистого перлита, так как рост зерна, наступающий при более высоком нагреве, вызывает в стали повышенную хрупкость.

Наоборот, сталь со структурой крупнопластинчатого или крупнозернистого перлита характеризуется плохой закаливаемостью, так как крупные пластинки или зерна, обладающие небольшим отношением поверхности к объему, переходят в раствор аустенита при нагреве замедленно, в результате чего при нормальной закалке большая часть карбидов не растворяется в аустените, а отдельные участки по объему аустенита остаются недостаточно насыщенными углеродом и легирующими элементами. Поэтому сталь с такой структурой надо нагревать при закалке до более высоких температур, чем сталь, имеющую структуру мелкозернистого перлита.

Передача для закалки стали с различной структурой не позволяет:

1. Получить однородные механические свойства в закаленной стали. Кривые, приведенные на фиг. 35, отчетливо показывают, что хромистая сталь X, имевшая перед закалкой структуру тонкопластинчатого перлита, получает после закалки более высокую твердость (на 1—2 единицы по Роквеллу) и содержит больше остаточного аустенита, чем сталь, имеющая перед закалкой структуру мелкозернистого перлита. Одновременно сталь с исходной структурой тонкопластинчатого перлита наряду с повышенной твердостью характеризуется после закалки более значительной хрупкостью и более крупным зерном.

2. Установить оптимальный режим нагрева при закалке, Достаточно указать, что, например, хромистую сталь X (ШХ15), имеющую структуру тонкопластинчатого перлита, надо нагревать до 825—835°, так как при нагреве выше 835° она дает перегрев. Если эта сталь имеет структуру мелкозернистого перлита, то она после нагрева в этом же интервале температур (825—835°) и охлаждения в масле не дает полной закалки; ее надо нагревать до более высокой температуры, 835—850°.

Применение в цеховых условиях различных режимов закалки для отдельных партий инструмента одной и той же марки стали в зависимости от ее исходной структуры практически трудно осуществимо.

По этим причинам обработка стали, предшествующая ее закалке, должна обеспечить получение максимально однородной структуры. Однако такую структуру трудно получить после ковки, штамповки или прокатки; температура окончания ковки или штамповки различных заготовок в зависимости от их формы, числа переходов, условий подогрева и даже искусства кузнеца может колебаться в пределах нескольких десятков градусов, а условия охлаждения будут различны в зависимости от места охлаждения заготовки — на полу цеха, в штабеле или в толще песка — или времени выдержки в печи. Поэтому после ковки надо сообщить стали перекристаллизацию выполнением рационального и точного режима отжига.

В еще большей степени надо учитывать влияние исходной структуры на свойства ледебуритной стали, которые она получает после закалки. Чрезмерная коагуляция карбидов быстрорежущей стали, происходящая при излишней длительной выдержке и очень замедленном охлаждении в процессе отжига, ухудшает закаливаемость стали, понижает ее режущие свойства и заметно ухудшает обрабатываемость в смысле получения требуемой чистоты поверхности. Если же быстрорежущая сталь имеет перед закалкой мартенситную, трооститовую или даже троостосорбитовую структуру (т. е. структуру, образовавшуюся в стали после закалки и отпуска или же вследствие ускоренного охлаждения после ковки или прокатки), то закалка такой стали без промежуточного отжига приводит к образованию нафталинистого излома и окончательному браку изделия. По этим причинам отжиг заэвтектоидной и ледебуритной инструментальной стали производят:

1) для слитков с целью измельчения и улучшения литой структуры и подготовки ее к ковке и прокатке;

2) после окончательной ковки заготовок — для перекристаллизации и получения максимально однородной структуры, понижения твердости и подготовки структуры стали к закалке; поэтому нет необходимости проводить отжиг стали после отдельных переходов в процессе ковки;

3) после закалки или отпуска инструмента в случаях; когда необходимо произвести вторичную закалку инструмента для исправления брака при термической обработке, восстановления изношенного инструмента, выполнения улучшающей термической обработки и т. п.;

4) после сварки, наварки и наплавки — для снятия напряжений и подготовки структуры стали к последующей закалке.

Заэвтектоидная и ледебуритная сталь имеет узкий интервал оптимальных температур нагрева при отжиге и требует тщательного выполнения режима отжига. При установлении такого режима необходимо учитывать следующие соображения.

Структура крупнозернистого и грубопластинчатого перлита в заэвтектоидной стали образуется в случаях:

а) повышенного нагрева при отжиге (более чем та 40—60° выше Ac1) и чрезмерно длительной выдержки при нагреве, так как не перешедшие в раствор свободные карбиды коагулируют вследствие увеличения скорости диффузии и продолжительности выдержки, образуя крупные глобули и скопления;

б) чрезмерно замедленной скорости охлаждения при отжиге, когда выпадающие из раствора карбиды (цементит) ори длительном охлаждении успевают коагулировать в крупные зерна. Влияние этого фактора на структуру стали является особенно значительным.

Структура точечного или сорбитообразного перлита образуется в случае ускоренного охлаждения при отжиге, а структура тонкопластинчатого перлита (в виде «завихренных» пластинок) — при нормализации, т. е. повышенном нагреве с охлаждением на воздухе.

В табл. 18 приведены значения твердости после отжига различных марок заэвтектоидной и ледебуритной стали, которые примерно характеризуют структуру мелкозернистого перлита. Следует учитывать, что прямой зависимости между микроструктурой отожженной инструментальной стали и ее твердостью не существует. С известным приближением можно считать, что заэвтектоидная сталь, имеющая структуру крупнозернистого перлита, обладает более низкой твердостью (например, 165—175 Hв для стали X, 9Х, ШХ15), чем такая же сталь, имеющая структуру мелкозернистого перлита (180—205 Hв), в то время как сталь со структурой точечного или тонкопластинчатого перлита характеризуется более высокой твердостью (220—250Нв). Значения твердости не позволяют достаточно надежно во всех случаях судить о структуре отожженной заэвтектоидной стали, так как в практических условиях сталь часто имеет смешанную структуру. Поэтому при необходимости определения структуры надо производить микроанализ стали.

При отжиге нет необходимости охлаждать заготовки в печи до достижения ими температуры цеха, так как процессы выпадения карбидов из аустенита и распада его на ферритно-цементитную смесь, понижающие твердость стали, проходят наиболее быстро при температурах, лежащих примерно на 100—150° ниже температуры Ac1. В этой области аустенит обладает наименьшей устойчивостью и, если охлажденную при отжиге сталь выдержать в указанном интервале температур в течение времени, необходимого для прохождения процессов превращения, то условия дальнейшего охлаждения мало влияют на изменение структуры и твердости стали. Поэтому при охлаждении стали сообщают выдержку в области, соответствующей минимальной устойчивости аустенита, а затем передают ее для окончательного охлаждения на воздухе.


Скорость распада аустенита ниже Ac1 и температурный интервал области его минимальной устойчивости зависят от химического состава стали, а также от температуры ее первоначального нагрева при отжиге. На фиг. 36 и 37 приведены S-образные кривые, характеризующие скорость распада аустенита при различных температурах изотермической выдержки стали типа РФ1, Х12М, ХВ5 и У12 в случае первоначального нагрева при отжиге до обычных температур, принятых для соответствующей марки стали. Эти диаграммы показывают, что с повышением легированности стали возрастает устойчивость аустенита при охлажденнии. Если в углеродистой стали У12 распад аустенита в зоне его минимальной устойчивости заканчивается после 30—120 сек. выдержки, то в высокохромистой стали Х12М и в быстрорежущей стали РФ1 этот процесс продолжается около 30—60 мин. Следует, однако, помнить, что диаграммы, приведенные на фиг. 36 и 37, построены для случая изотермического отжига образцов размером 12х12х6 мм. При разработке режима изотермического отжига тех или иных заготовок надо кроме того учитывать их размеры и величину садки металла в печи, так как процесс распада аустенита во внутренних слоях заготовки заканчивается в течение времени, указанного в диаграмме, после того как эти слои охладятся до соответствующих температур.

При нагреве стали выше температур, указанных в табл. 18, увеличивается количество карбидов, растворяющихся в аустените, и растет зерно стали; эти процессы повышают легированность аустенита и его устойчивость при последующем охлаждении. Поэтому нагрев стали при отжиге до более высоких температур требует некоторого увеличения продолжительности, изотермической выдержки, необходимой для распада аустенита и смягчения стали и, кроме того, способствует коагуляции карбидов и ухудшению структуры стали.

Отжиг инструментальной стали можно также производить по более длительному циклу (полный отжиг), по которому сталь после нагрева и выдержки в зоне высоких температур медленно охлаждают со скоростью 30—50° в час до 150—400° и лишь затем выдают на воздух. При такой скорости охлаждения критическая точка Ar1 понижается мало. Однако температура внутренних слоев металла к моменту выдачи его из печи должна быть ниже критической точки Ar1. Поэтому в зависимости от величины садки продолжительность полного отжига составляет от 15—20 до 50 час.

В настоящее время более широко применяется изотермический отжиг инструментальной стали; что же касается полного отжига, то его выполняют, главным образом, в следующих случаях:

1) при отжиге слитков с сильно развитой транскристаллизацией, когда при охлаждении надо обеспечить замедленное охлаждение и сохранить максимально равномерное распределение температур по сечению слитка;

2) при отжиге слитков и крупных поковок флокеночувстви-тельной стали (5ХНМ, 5ХГМ и др.), когда в процессе отжига надо в максимальной степени снять внутренние напряжения и создать условия для выделения водорода; режим такого отжига приведен выше (стр. 64);

3) при отжиге в печи большой садки металла (0,5—2 т и больше), когда за период охлаждения и изотермической выдержки вся загружаемая масса металла не успевает равномерно и по всему объему охладиться до температуры изотермической выдержки. Такой отжиг большой партии металла не позволяет получить достаточно однородной и удовлетворительной структуры инструментальной стали по причинам, излагаемым ниже.

Нагрев стали и выдержку в зоне высоких температур при полном отжиге проводят по такому же режиму,- как и при изотермическом отжиге (табл. 18).
Отжиг заэвтектоидной и ледебуритной инструментальной стали

Скорость охлаждения до температуры изотермической выдержки и длительность этой выдержки, а также скорость охлаждения при полном отжиге, надо подбирать таким образом, чтобы обеспечить прохождение процесса распада аустенита и получение требуемой твердости, но избежать чрезмерной длительности выдержки и излишней коагуляции карбидов. Установление такого режима определяется в заводских условиях не только скоростью распада аустенита, различной для разных марок стали, но и весом садки, т. е. весом металла, одновременно загружаемого в печь или в ящик, устанавливаемый в печи. При большей садке скорость охлаждения стали при отжиге не только становится замедленной, но оказывается весьма различной в разных зонах печи. Заготовки находящиеся у края садки, будут достигать высоких температур нагрева скорее и выдерживаться при них дольше, чем заготовки, которые будут находиться в середине садки. С другой стороны, заготовки, помещенные ближе к поверхности, будут охлаждаться значительно быстрее, чем заготовки, находящиеся в середине. Чем больше величина садки, тем менее однородными получаются результаты отжига. На одном из заводов полный отжиг заэвтектоидной стали марки X производился в баках диаметром 760 мм и высотой 760 мм, переносившихся после их загрузки в шахтную печь. Твердость заготовок, измеренная в зависимости от места их нахождения в баке, колебалась в значительных пределах: от 170 Hв (структура: крупнозернистый перлит) для заготовок, находившихся в середине, до 210—220 Hв (структура мелкозернистого перлита) для заготовок у края бака (фиг. 38).

Для получения в отожженной стали удовлетворительной и однородной структуры надо подбирать величину садки. Чем меньше садка, тем более однородную структуру можно получить в результате отжига. Хорошие результаты дает отжиг садки весом примерно до 80—150 кг. Уменьшение веса садки инструментальной стали до указанных пределов не снижает производительности печи, так как чем меньше садка, тем меньше продолжительность ее прогрева, выдержки и охлаждения и тем больше число циклов отжига, которое может дать печь.

При наличии в цехе больших отжигательных печей можно загружать металл для отжига в специальные ящики в количестве примерно 80—120 кг в каждый ящик и устанавливать в одну печь несколько ящиков в зависимости от ее габаритов с таким расчетом, чтобы между ящиками был достаточный зазор (обычно 100—200 мм), допускающий проникновение горячих газов и всесторонний прогрев. Кроме того для лучшего прогрева ящики устанавливают на металлических прокладках высотой 70—100 мм.

Форма ящиков выбирается таким образом, чтобы высота или ширина их была минимальной с целью ускорить прогрев.

Целесообразно применять или широкие, но невысокие ящики, например шириной 300 мм и высотой 200 мм, или узкие, но высокие ящики шириной 200 мм и высотой 300 мм. Длина их и уточненные размеры определяются в зависимости от габаритов печи и формы и размеров заготовок.

Для ящиков приведенных здесь размеров скорость охлаждения до температуры изотермической выдержки можно принять 30—40° в час, а продолжительность изотермической выдержки (в часах):

Скорость прогрева заготовок зависит не только от размера ящиков, но от мощности и типа печи, условий укладки заготовок в ящике и от теплопроводности стали. Поэтому более целесообразно устанавливать скорость прогрева экспериментально для каждой определенной печи в цехе.

Скорость прогрева металла в ящике определяют введением в него горячего спая термопары или же следующем менее точным способом: в ящик одновременно с заготовками загружают два-три металлических стержня («свидетели») диаметром 15—20 мм таким образом, чтобы один конец стержня находился в середине ящика, а другой выступал над крышкой ящика на 50—60 мм (для этой цели в крышке делаются специальные отверстия). Через некоторое время после достижения печью заданной температуры один из «свидетелей» вынимают через крышку; если цвет того конца прутка, который находился в середине ящика, совпадает с цветом печи, то это 'является признаком прогрева заготовок. Если середина ящика еще не прогрелась, то через определенный промежуток времени указанную проверку производят по второму «свидетелю», и т. д.

На основании ряда таких замеров и определения времени, необходимого для подъема температуры печи до заданного предела, устанавливают нормы прогрева и выдержки, пригодные для данной конкретной печи, положения ящика в печи, веса садки, объема ящика и расположения в нем заготовок, а также и марки стали. Время прогрева быстрорежущей стали должно быть примерно в два раза больше, чем углеродистой стали.

Ящики надо загружать в печь, разогретую до 400—500°, и после загрузки включать печь на полную мощность. Скорость подъема температуры печи можно доводить до 150—250° в час.

Выдержку после прогрева можно ограничить примерно 2—3 часами.

Температура, достигаемая в печи и определяемая по термопаре, установленной над нагреваемым изделием или ящиком, не совпадает с температурой фактического нагрева металла. Последняя всегда ниже температуры печи. Этот перепад более значителен в больших печах и в случае нагрева металла в ящике. В табл. 17 и 18 указаны температуры нагрева металла, а не печи. Поэтому при нагреве заготовки или инструмента в печи необходимо всегда делать поправку на перепад между температурой печи, определяемой по термопаре, я задаваемой температурой напрев а металла. Значения этого перепада могут достигать 30—50°.

Если твердость стали после отжига оказывается выше указанной в табл. 18, то это служит признаком недостаточно длительной выдержки в зоне изотермического распада или чрезмерно быстрого охлаждения. Поскольку необходимая перекристаллизация стали при таком отжиге была достигнута в результате высокого нагрева, а дополнительное снижение твердости требуется для улучшения обрабатываемости, то такую сталь передают для проведения дополнительного высокого отпуска (нагрев в интервале 650—700° с выдержкой 2—3 часа).

В случае же, если сталь в результате отжига получает твердость ниже указанной в табл. 18, то это является результатом излишне замедленного охлаждения или излишне длительной выдержки стали при охлаждении (в особенности при большой садке). Если заготовки такой стали предназначаются для изготовления инструмента высокой точности и должны иметь хорошую обрабатываемость, то их надо после такого отжига подвергнуть дополнительной улучшающей обработке по режиму, указанному ниже.