Оптимальный режим термической обработки для резьбовых фрез из стали Р6М5

 

2.1.1 Перлитное превращение

 

Перлитное превращение переохлажденного аустенита носит кристаллизационный характер и по своему механизму является диффузионным. Это следует из того, что аустенит, практически однородный по концентрации углерода, распадается  с образованием феррита (почти чистое железо) и цементита содержащего 6,67 % углерода, то есть смеси фаз, имеющих  резко различную концентрацию углерода.

Первоначально в аустените  появляются зародыши цементита (рисунок 2.2). Они, как правило, появляются на границе зерна аустенита. Рост зародыша цементита происходит за счет диффузии углерода из прилегающих объемов аустенита. Это приводит к обеднению углеродом аустенита, окружающего цементитную пластинку, и способствует превращению его в феррит. Рядом с цементитом выделяется пластинка феррита. Одновременно происходит рост пластинок феррита и цементита. Повторение этого процесса приводит к образованию перлитного зерна. Такой процесс продолжается до столкновения отдельных зерен и превращения всего аустенита.

 

Рисунок 2.2 - Схема возникновения и роста перлитного зерна

 

Чем ниже температура распада  аустенита, тем дисперснее образующаяся феррито-цементитная смесь.

При малых степенях переохлаждения (при700-650 °С) образуется четко дифференцированная ферритно-цементитная смесь перлит. При большей 
степени переохлаждения (при температурах около 600 °С) получается более тонкая смесь, она называется сорбитом. 

При еще большем переохлаждении аустенита (до 500-550 °С) образуется еще более дисперсная смесь: она называется трооститом. При рассмотрении под оптическим микроскопом троостит наблюдается в виде трудно дифференцируемого сильно травящегося фона. Строение троостита выявляется достаточно четко под электронным микроскопом.

Твердость и прочность  феррито-цементитной смеси прямо пропорциональны площади поверхности раздела между ферритом и цементитом.

Поэтому с увеличением  степени дисперсности феррито-цементитной смеси твердость, пределы прочности, текучести и выносливости возрастают.

Наибольшие значения относительного удлинения и относительного сужения  наблюдаются у сорбита. При переходе к трооститу (температура превращения  около 550 °С) пластичность уменьшается.

Уменьшение твердости  быстрорежущих сталей при отжиге достигается за счет обособления в структуре карбидной и ферритной фаз, коагуляции карбидов и приобретения ими глобулярной (зернистой) формы. Чем крупнее включения карбидов и чем ближе их форма к глобулярной, тем мягче сталь после отжига. Чем меньше скорость охлаждения, тем до больших размеров вырастают глобули карбида при распаде аустенита. Регулируя скорость охлаждения, можно получить структуру глобулярного перлита от точечного до крупнозернистого. Более мелкозернистый перлит обладает повышенной твердостью и прочностью.

Для фрез изготовленных из стали Р6М5 был выбран изотермический отжиг холодных заготовок.

Температура отжига составила 870 ^оС и применялась для получения более высоких свойств. Продолжительность пребывания стали при 870 ^оС не должна превышать 10-15 часов. Затем сталь охлаждают со скоростью 30-60 ^оС/час до 720-750⁰С. Выдержка при 720-750 ^оС для выравнивая температуры и завершения перлитного превращения должна быть не менее 4-6 часов. После этого сталь охлаждают в печи до 600-650 ^оС со скоростью 40-50 ^оС/час, а затем на воздухе.

Структура отожженной быстрорежущей  стали – мелкозернистый (сорбитообразный) перлит и карбиды, мелкие эвтектоидные и более крупные первичные. Количество карбидов около 25 %. Твердость 23-25 HRC. Сталь с такой структурой хорошо обрабатывается резанием. Подавляющее количество легирующих элементов находятся в карбидной фазе. Для получения оптимальных свойств стали в готовом инструменте необходимо при термической обработке обеспечить максимальное насыщение мартенсита легирующими элементами.

2.2 Закалка

 

Закалка на мартенсит – термическая обработка металла или сплава, при которой главным является мартенситное превращение высокотемпературной фазы.

 

Рисунок 2.3 – Зависимость температур начала и конца мартенситных превращений  от содержания углерода в системе  Fe-C

 

Особенности мартенситного  превращения:

1. Мартенситное превращение протекает при быстром охлаждение с температуры выше точки А₁, когда подавлен диффузионный распад аустенита на смесь феррита и цементита. Поэтому после превращения концентрация углерода в мартенсите равна концентрации углерода в исходном аустените. В отличие от перлитного превращения мартенситное превращение бездиффузионное.

2. Превращение аустенита в мартенсит начинается с определенной для каждой марки стали температуры М_н или М_s, которую невозможно подавить даже при больших скоростях охлаждения. Превращение идет в интервале температур М_н-М_к, М_s-М_f.

3. При температуре М_н  превращение только начинается, появляются первые кристаллы мартенсита, чтобы оно продолжало развитие, необходимо непрерывное охлаждение в интервале М_н-М_к. В любом случае после превращения остается некоторое количество остаточного аустенита.

4. В отличие от перлитного мартенситное превращение не имеет инкубационного периода.

5. Мартенсит образуется в форме игл, растущих с громадной скоростью (порядка 1 км/с). После мгновенного образования мартенситная пластина не растет, а количество мартенсита увеличивается не вследствие подрастания уже образовавшихся пластин, а в результате «мгновенного» возникновения все новых и новых пластин.

6. Между решетками кристаллов мартенсита и исходного аустенита имеется определенное ориентационное соотношение, закономерная ориентировка решетки мартенсита по отношению к решетке аустенита.

7. При мартенситном превращении на плоской полированной поверхности образуется характерный рельеф, свидетельствующий об изменении формы превращения объема аустенита. Такой рельеф служит главным внешним признаком мартенситного превращения.

Вообще, мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe, с содержанием в нем углерода 2,14%.

Кристаллы мартенсита имеют  форму пластин утоненных к  краям. В результате пересечения  этих пластин мартенсит имеет  в микроскопе характерную игольчатую структуру, в результате сильного искажения в решетке α-Fe, внедренными в нее атомами углерода. Мартенсит обладает высокой твердостью и низкой пластичностью, причем, его твердость пропорциональна содержанию углерода.

Механизм мартенситного  превращения сводится к перестройке  ГЦК в ОЦК решетку. Для этой перестройки достаточно, чтобы атомы  в решетке смещались друг относительно друга на расстояние, не превышающее  межатомного. Таким образом, при  данном превращении происходит только изменение кристаллической решетки  без выделения углерода из твердого раствора.

Огромная скорость роста  кристаллов мартенсита при температуре  ниже 240 ^оС (ниже точки М_Н) объясняется тем, что превращение протекает за счет малой величины смещения атомов при сохранении когерентных решеток аустенита и мартенсита.

Из-за различия удельных объемов  аустенита и мартенсита и сохранения когерентных границ, появляются и  растут кристаллы мартенсита, приводящие к возникновению упругой энергии. Поэтому рост мартенситного кристалла  происходит до тех пор пока данная упругая энергия не вызовет пластическую деформацию, и тем самым нарушается когерентность кристаллических  решеток. На этом рост кристаллов мартенсита прекращается и дальнейшее превращение происходит в результате образования новых пластин.

После мартенситного превращения  в структуре остается остаточный аустенит и его количество будет  тем больше, чем больше содержание углерода в аустените.

При нагреве под закалку  необходимо обеспечить максимальное растворение  в аустените труднорастворимых  карбидов вольфрама, молибдена и  ванадия. Такая структура увеличивает  прокаливаемость и позволяет получить после закалки высоколегированный мартенсит с высокой теплостойкостью. Поэтому температура закалки стали Р6М5 очень высокая и составляет 1230-1250 ^оС.

Для предотвращения образования  трещин и деформации инструмента  из–за низкой теплопроводности стали нагрев под закалку проводят с подогревом в расплавленных солях 750-800 ^оС. Для защиты от обезуглероживания, окончательный нагрев также проводят в соляной ванне (78% BaCl₂+22% NaCl) c очень малой выдержкой примерно 5-6 минут.

Охлаждение от температуры  нагрева до 550-600 ^оС должно быть ускоренным для предупреждения выделения карбидов, снижающего красностойкость и механические свойства.

В качестве среды охлаждения фрез из стали Р6М5 были выбраны соли NaNO₃+NaNO₂ или NaOH+KOH при 225-300 ^оС с выдержкой 30-40 мин.

В результате такой выдержки сталь сохраняет в закаленном состоянии повышенное количество остаточного  аустенита: до 40-50%, кроме того, значительно уменьшается деформация. Красностойкость стали не изменяется.

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3–0,4 % С, не растворенных при нагреве избыточных карбидов 15-20 %, и около 20–25 % остаточного аустенита. Последний снижает твердость, режущие свойства инструмента, ухудшает шлифуемость, и его присутствие нежелательно. Твердость после проведенной закалки составляет 62-65HRC.

Структура быстрорежущей  стали Р6М5 представлена на рисунке 2.4.

 

Рисунок 2.4 – Структура стали  Р6М5 после закалки

 

2.3 Отпуск

 

Отпуск – это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска стали  - снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности.

1. Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск проводится при температуре 150-200 ^оС. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые должны обладать высокой износостойкостью и твёрдостью.
2. При среднем отпуске нагрев производится до 350-450 ^оС. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при значительном увеличении упругости и сопротивляемости действию ударных нагрузок. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.
3. Высокий отпуск производится при 550-650 ^оС. При этом твёрдость и прочность снижаются значительно, но очень сильно возрастают вязкость и пластичность, однако создаётся оптимальный вариант для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей, которые подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей. Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей: чем они больше, тем длиннее выдержка. Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течении 0,5-2,5 часа. Для измерительных инструментов проводят более длительный отпуск до 10-15 часов.

Для фрез из стали Р6М5 проводят трехкратный отпуск при температуре 560 ^оС с выдержкой 1 час.

Отпуск при данной температуре  уменьшает содержание ванадия и  хрома в аустените и увеличивает  их концентрацию в осадке.

Многократный отпуск улучшает режущие  свойства и повышает стойкость инструментов.

Положительная роль многократного  отпуска прежде всего связана с влиянием на прочность. Первый отпуск снимает напряжения, созданные закалкой, что должно улучшать прочность. Однако мартенситное превращение остаточного аустенита, происходящее при охлаждении, вызывает новые напряжения. Этот процесс действует в обратном направлении, ухудшая прочность и уменьшая положительный эффект, достигаемый нагревом при отпуске. Второй отпуск снимает напряжения, созданные охлаждением при первом отпуске, и вызывает новые, но меньшие напряжения в результате превращения дополнительных порций остаточного аустенита. Снятие этих напряжений при третьем отпуске дополнительно повышает прочность. Поэтому для характеристики влияния кратности отпуска надо оценивать не только количество аустенита, которое может быть превращено при данном отпуске, но и количество неотпущенного мартенсита, которое было получено при предыдущем отпуске.

Кроме того, превращения остаточного  аустенита и дальнейшее уменьшение содержания углерода и легирующих элементов  в образовавшемся из него мартенсите при последующем отпуске дополнительно  улучшает теплопроводность по сравнению  с получаемой после первого отпуска. Однако из-за присутствия легирующих элементов теплопроводность многократно отпущенной быстрорежущей стали остается ниже теплопроводности эвтектоидных сталей.

Аустенит  при охлаждении от температуры отпуска  превращается в мартенсит отпуска, что вызывает прирост твердости. Увеличению твердости содействуют  и выделившиеся при температуре  отпуска мелкодисперсные карбиды  легирующих элементов. Максимальная твердость  достигается при температуре  отпуска 560 ^oС.

 

Рисунок 2.5 – Структура стали  Р6М5 после закалки

 

Нагрев  до температуры отпуска осуществляют в расплавленных солях 50 % CaCl₂, 30 % BaCl₂ и 20 % NaCl. Охлаждение производится на воздухе. Структура стали после однократного отпуска состоит из 50% М+ 20-25% А_ост+15-20% Карбидной фазы. После второго отпуска количество остаточного аустенита уменьшается до 5-6 %, после третьего отпуска количество остаточного аустенита снижается до 1-2 %, что допустимо. Твердость отпущенной стали составляет 62 HRC.