Окисление и обезуглероживание стали при закалке

31.05.2018
При высоких температурах нагрева могут происходить значительное окисление и обезуглероживание быстрорежущей стали, если при этом не применяются специальные меры защиты. Наиболее целесообразно производить подогрев инструмента в свинцовой ванне, а окончательный нагрев — в печах с контролируемой атмосферой или в специальных ваннах с расплавленной солью хлористого бария. Однако нагрев в жидких средах, предохраняя сталь от окисления, защищает ее от обезуглероживания только при условии тщательного и регулярного раскисления ванны. Недостаточное или несвоевременное раскисление приводит к образованию на поверхности инструмента, его режущей кромке, тонкого обезуглероженного слоя, твердость которого может снизиться после отпуска до 58—60 Rс . Трудность измерения твердости такого тонкого слоя часто приводит к тому, что обезуглероживание не обнаруживается при контроле, и в эксплуатацию поступает неудовлетворительный по качеству инструмент. Стойкость инструмента может понизиться даже при менее значительном обезуглероживании, характеризуемом падением твердости до 60—62 Rс Наличие такого слоя особенно опасно в инструменте, не проходящем шлифовки после термической обработки и затачиваемом но одной грани (фрезы и т. п.).

Лучшую защиту от обезуглероживания дает раскисление хлор-бариевой ванны введением в нее молотого ферросилиция в количестве 0,5—1% от веса соли или буры (обезвоженной) в количестве 2—3% от веса соли.

После введения ферросилиция или буры необходимо железным стержнем быстро перемещать ванну, а затем черпаком: а) удалить осадки железа, выпадающие на дне ванны, для того чтобы они не замкнули электродов ванны, и б) снять пену, образующуюся на ее поверхности, для того чтобы частицы шлака и нерастворившегося ферросилиция не прилипали к инструменту.

Такое раскисление при интенсивной работе ванны надо производить не реже чем каждые 4 часа. Практикуемое иногда раскисление один раз в смену (через 8 час.) может оказаться недостаточным.

Некоторым дефектом применения ферросилиция является его разрушающее действие на кладку ванны. Введение буры приводит к тому, что ванна «дымит», что затрудняет контроль температур ванны по оптическому пирометру. Поэтому отдельные заводы применяют для раскисления электродный бой.

Поскольку ферросилиций является хорошим раскислителем и применение его эффективно защищает металл от обезуглероживания, целесообразно иметь в цехе запасную ванну для периодической смелы ванны, выходящей из строя и передаваемой на ремонт, и производить раскисление ванны ферросилицием.

В последнее время отдельные заводы успешно применяют смесь, состоящую из 90% хлористого бария и 10% буры. Освежение и пополнение ванны также производится смесью этого состава. Такой способ позволяет за счет защитного действия буры, содержащейся в смеси, всегда иметь раскисленную ванну без принятия специальных мер защиты. Очищать ванну от осадков надо и в этом случае регулярно.

При нагреве инструмента в пламенной печи для предупреждения окисления надо предварительно подогретый инструмент покрыть защитным слоем буры. Это выполняется обкаткой инструмента в обезвоженной буре при температуре инструмента 800—850° или погружением подогретого (до 100—200°) инструмента на 1—2 мин. в пересыщенный водный раствор буры. Образующийся тонкий слой буры при нагреве расплавляется и (в виде жидкой тонкой пленки) защищает поверхность инструмента.

Целесообразно, кроме того, при нагреве в печи помещать инструмент в железную коробку. В коробку не надо загружать одновременно много инструментов, для того чтобы прогрев всех инструментов в коробке был максимально одинаковым. Продолжительность прогрева в коробке должна быть установлена экспериментально в зависимости от конструкции печи, размеров коробки и количества загруженных инструментов таким же способом, как это было указано ранее.

Раскисленность хлорбариевой ванны удобно проверять измерением твердости закаленных и отпущенных (три раза при 560°) образцов на приборе Виккерса, для чего шлифованные образцы стали РФ1 выдерживают в ваше при 1290—1300° в течение 3 мин., охлаждают в масле, отпускают и зачищают на сукне для снятия следов масла. Если показания по Виккерсу при нагрузке 5 или 10 кг будут давать значения твердости, более низкие чем замеры по Виккерсу при нагрузке 50 кг и чем замеры по Роквеллу (на 3—5 единиц Rс), то это служит показателем обезуглероживания стали и недостаточного раскисления ванны. Применение этого способа основано на том, что поверхностный слой стали РФ1, обедненный углеродом, дает после закалки и отпуска меньшую твердость, чем нижележащий слой, замеряемый по Роквеллу или по Виккерсу (при большой нагрузке).

При отсутствии на заводе прибора Виккерса применяется более сложный способ проверки путем микроанализа. Такой способ предложил В. Д. Садовский для стали РФ1 и заключается он в следующем. Образец стали шлифуют для снятия возможного обезуглероженного и окисленного слоя, а затем:

а) нагревают в хлорбариевой ванне при 1300° в течение 2—3 мин.;

б) переносят из хлорбариевой ванны в масляную ванну с температурой 180—200° и выдерживают в ней в течение 5—10 мин.;

в) по окончании выдержки в масляной ванне образец переносят в свинцовую ванну с температурой 580—600°, выдерживают в ней 10 мин., а затем охлаждают на воздухе.

После охлаждения изготовляют поперечный микрошлиф. Если в процессе нагрева в хлорбариевой ванне произойдет обезуглероживание стали, то микроанализ обнаружит в обезуглероженном слое темные иглы мартенсита.

Этот метод основан на том, что температура начала мартенситного превращения при охлаждении (Ar") зависит от состава аустенита, образующегося при нагреве; в участках, обедненных примесями и, в частности, углеродом, точка Ar" лежит выше, чем для остальной массы. Поэтому температура масляной ванны должна подбираться таким образом, чтобы она была ниже Ar" для обезуглероженных участков и выше для остальной массы, в которой при этой выдержке процесс мартенситного превращения не проходит. Отсюда следует, что температура масляной ванны должна быть различной в зависимости от марки стали, из которой изготовлены образцы. Для стали РФ1 В.Д. Садовский рекомендует температуру ванны 180—200°. Для малолегированной стали Н.С. Дегтяренко и. Н.А. Яхонин рекомендуют следующие режимы обработки (табл. 32).

Для американской вольфрамомолибденовой стали (тип 3) и аналогичной ей английской стали 66 температура нагрева в масляной ванне должна составлять, по данным наших исследований, примерно 180—190°.

Способ микроанализа, в отличие от способа измерения твердости, позволяет установить также и глубину обезуглероживания (толщину слоя). Однако в производственных условиях достаточно обычно установить, происходит ли обезуглероживание в ванне, хорошо ли она раскислена и возможно ли проводить в ней дальнейший нагрев. Поэтому способ измерения твердости является более удобным.

Надо учитывать также, что обезуглероживающее воздействие хлорбариевой ванны возрастает с повышением температуры нагрева. Поэтому для проверки следует применять образны стали РФ1: отсутствие обезуглероживания на них гарантирует, что последнее не будет происходить и при более низком нагреве инструмента из стали марок ЭИ262 и ЭИ 184.