Обрабатываемость давлением

Пластичность инструментальных сталей — пониженная но сравнению с большинством конструкционных сталей и ухудшается с увеличением количества карбидов (интерметаллидов) и легированности стали, т. е. для заэвтектоидных и особенно ледебуритных сталей. Способность подвергаться деформации, в первую очередь горячен, определяет предел возможного легирования и повышения износостойкости и теплостойкости сталей.

Обрабатываемость в горячем состоянии При температурах интенсивной горячей деформации (1150— 1050 °С) предел текучести значительно понижен (30—50 МПа) и мало отличается у инструментальных сталей разного состава. Однако их пластичность возрастает и может сильно различаться, что является главной причиной, определяющей различия в поведении сталей при горячей деформации (ковкость). Пластичность при нагреве зависит от количества и условий распределения карбидов, величины зерна и легированности аустенита. Относительное удлинение у сталей с разным количеством карбидов, например, при 1100 С и для проката диаметром 25 -30 мм составляет у заэвтектоидной углеродистой стали У12 и лишь 65 % у ледебуритной быстрорежущей стали Р18. Пластичность стали одного состава также не одинакова; она заметно ниже для литого или слабодеформированного состояния; это различие сильнее для ледебуритной стали. Таким образом, обрабатываемость давлением (ковкость) целесообразно характеризовать по изменению пластичности; надежны ее определения в испытаниях на скручивание.

Между числом и поведением стали при горячей деформации существует достаточно надежная зависимость при соблюдении следующих условий: число оборотов следует определять не только при возрастающих температурах, но и после нагрева до определенной высокой температуры (отвечающей верхнему температурному интервалу ведения горячей деформации) и охлаждения до более низких температур, при которых продолжается деформирование первоначально нагретого металла. В процессе деформации при более низких температурах из аустенита выделяется часть растворенных ранее карбидов, что влияет на ковкость.

Это различие в пластичности при нагреве и при охлаждении больше для ледебуритных сталей, чем для заэвтектоидиых и особенно в тектоидных.

В зависимости от поставленной задачи образцы шюговляют и з литой, мало деформировании или сильно теформированной стали. Пластичность для этих разных структурных состояний не одинакова из-за отличий в распределении карбидов. Число оборотов можно изменять в зависимости от моделируемого процесса; при большем числе оборотов характеризуется поведение при прокатке, меньшем — при ковке и еще меньшем — при прессовании. Пластичность почти не изменяется при числе оборотов, меньшем 1000 в 1 мин [11 J. В большинстве случаев для получения сравнимых данных испытания выполняют при числе оборотов 100—500 в 1 мин. Для более длинных образцов (L = 50 мм) можно назначать большее число оборотов. Пластичность (ковкость) сильно деформированной стали удовлетворительная, если п больше 8 (для образца длиной 34 мм) и 9 (для образцов длиной 50 мм) в испытаниях при нагреве и соответственно 6—7 и 7—8 в испытаниях в процессе охлаждения. Сталь, отвечающая этим условиям, пригодна, в частности, для прокатки на сверла. Образцы нагревают и испытывают в защитной атмосфере. Перед испытанием нагретый или охлаждаемый образец выдерживают 5-6 мин.

Обрабатываемость в холодном состоянии Она определяется не только пластичностью (как при горячей деформации), то и прочностными свойствами, поскольку при низких температурах значения предела текучести и твердости сильно различаются в зависимости от состава и структуры стали. В этих условиях способность принимать обработку давлением больше зависит также от характера напряженного состояния, создающегося при деформировании. Пластичность удобно определять по величине относительного удлинения и сужения. У сталей с карбидами (кроме быстрорежущих) эти характеристики наибольшие после отжига; они возрастают при переходе от пластинчатого перлита к зернистому сначала значительно, а затем менее сильно при образовании перлита крупнозернистого и неоднородно распределенного (балла 5). Пластичность выше у эвтектоидных сталей, особенно легированных (сталь 6ХЗФС). Влияние прочностных свойств (при близких значениях пластичности) зависит прежде всего от вида напряженного состояния в деформируемой стали. В операциях, при которых происходит течение стали (вытяжка, прессование, высадка), лучшая обрабатываемость создается при низком пределе текучести и пониженном отношении. Деформация протекает в этом случае равномернее в результате упрочнения, протекающего в деформируемых участках. В таких условиях не требуется получать возможно низкий предел прочности (ав); следовательно, характеристика способности принимать деформацию только по твердости может быть не достаточно точной для ряда сталей. Она более надежна для сталей эвтектоидных и заэвтектоидных, так как снижение предела текучести этих сталей сопровождается почти таким же снижением предела прочности.

Однако у быстрорежущих сталей величина предела текучести определяется, кроме того, особенностями распределения карбидов; изменение расположения некоторой части карбидов может снижать предел текучести без изменения предела прочности и твердости. Для операций, связанных с разрушением стали (вырубка, разрубка), необходимо снижение прочности и твердости. Для этих условий способность принимать деформацию можно оценивать по значениям твердости. Чистота поверхности, получаемая в результате деформирования, также является характеристикой поведения стали при холодной деформации. Она ухудшается при значительном возрастании пластичности. Однако такая высокая степень пластичности (которая может быть получена у некоторых конструкционных сталей) недостижима для быстрорежущих сталей; как правило, чистота поверхности инструментальных сталей при деформации удовлетворяет даже при наиболее высоких значениях пластичности.

Устойчивость против перегрева Прочность и вязкость снижаются в случае излишне высокого нагрева для горячей деформации и для закалки. Это вызывается ростом зерна.

Чувствительнее к перегреву эвтектоидные углеродистые и низколегированные стали. У заэвтектоидных и ледебуритных сталей рост зерна задерживается избыточными карбидами и смещается к более высоким температурам. Однако прочность и вязкость в результате перегрева снижаются больше из-за выделения части карбидов по границам зерен при последующем охлаждении. Чувствительность к перегреву в зависимости от состава стали и условий нагрева удобно определять по изменению горячей пластичности при нагреве до температур ковки и по величине зерна при нагреве для закалки при температурах, указанных соответственно в гл. V—XI.

Устойчивость против обезуглероживания, окисления и разрушения в поверхностном слое Эти дефекты возникают в поверхностном слое при нагреве для горячей деформации, отжиг а и закалки, выполняемом без применения защитных сред Они, естественно, сохраняются и сильно ухудшают качество инструментов, если слой, в котором возникли эти дефекты, не снимается при последующем шлифовании.

Обезуглероживание.

При относительно небольшом обезуглероживании заэвтектоидной стали — до 0,6—0,8 % — еще не происходит заметного снижения твердости, но уменьшается число избыточных карбидов Это создает условия для более интенсивного роста зерна в поверхностном слое при температурах закалки и снижает его прочностные характеристики Более сильное обезуглероживание, при котором содержание углерода в поверхностном слое снижается до 0,4—0,5 % и ниже, сильно уменьшает твердость закаленной и отпущенной стали и ухудшает стойкость инструментов Кроме того, это служит причиной образования трещин при закалке и усиливает налипание обрабатываемого материала на поверхность инструмента. Особенно опасно обезуглероживание эвтектоидных сталей, содержащих 0,2—0,3 % С; даже небольшая потеря углерода приводит к резкому снижению твердости.

Обезуглероженный слой характеризуют по этим причинам по суммарной толщине зоны полного (феррит) и переходной зоны частичного обезуглероживания. Развитие обезуглероживания зависит (при нагреве в одинаковой среде) от температуры и продолжительности нагрева, а также от состава стали. При относительно короткой выдержке в воздушной среде обезуглероживание наблюдается уже при 800—850 °С и резко усиливается с повышением температуры. У сталей с более высоким содержанием углерода (0,9— 1,0 %) отрицательное влияние обезуглероживания меньше, при нагреве потеря углерода возмещается диффузией, вызывающей приток углерода из сердцевины Кремний при содержании 0,8 -1,0 % , молибден и кобальт при содержании каждого 3 — 3,5 % усиливают обезуглероживание и смещают начало его развития к более низким температурам По этим причинам ограничивается степень обезуглероживания в поставляемых прокате и поковках. Допускаемую толщину обезуглероженного слоя — полного и частичного — устанавливают из учета, что этот слой а) снимается резанием и шлифованием при изготовлении инструментов и б) снижается с уменьшением толщины (диаметра) проката (за счет вытяжки при деформировании). Соответствующие нормы примерно одинаковы по техническим условиям разных стран. Для различных сталей они указаны в ГОСТ СССР.

Окисление Интенсивное окисление наступает при температуре выше 525 °С, т. е при более низких температурах, чем обезуглероживание Его развитие зависит от состава твердого раствора, главным образом от концентрации в нем хрома и от природы карбидной фазы. Окисление сталей с 0,2—0,4 % С (штамповых для горячего деформирования) значительно уменьшается: при 600—650 °С для сталей с 3—4 % Сг и при 700—750 °С для сталей с 8—9 % Сг. Наоборот, при увеличении содержания ванадия более 2,5—- 3 % и образовании карбидов МС окисление усиливается.

Своеобразный вид окисления по границам зерен, называемый иногда разрушением в поверхностном слое, наблюдается и в высокохромистых сталях с 1—2 % С. Микроанализ показывает интенсивную травимость пограничных слоев и появление в них надрывов. Как следствие — снижаются износостойкость и усиливается выкрашивание рабочей кромки. Дефект возникает при нагреве в расплавленных солях при температурах выше 1000 СС. Способы предупреждения обезуглероживания и окисления практически одинаковы.

Выбор защитной среды При нагреве для ковки или отжига обезуглероживание и окисление наиболее полно предупреждают применением тех же контролируемых атмосфер, которые используют для конструкционных сталей.

Для отжига тонкой ленты и проволоки, особенно из быстрорежущей стали, рекомендуются продукты пиролиза керосина с осушкой газа, например, алюмогелем и с удалением С02 (пропусканием через 35 %-ный водный раствор NaOH). Газ должен содержать не более 0,1—0,5 % С02 при 10—15 % СО и 6—15 Н2 с температурой точки росы —30 (—40 °С). Для нагрева ленты из углеродистой стали пригоден газ состава, %: до 0,5 С02; 2— 4 СО; 1—2 Н2 и остальное азот. При отсутствии контролируемых атмосфер отжиг выполняют в закрытых ящиках: с чугунной стружкой при нагреве 825 °С и с отработанным карбюризатором, применявшимся два-три раза для цементации, при нагреве 825 °С. При нагреве для закалки используют контролируемые атмосферы, расплавленные смеси и вакуум. Кроме того, у сталей, закаленных с не очень высоких температур (900—950 °С), обезуглероживание и окисление меньше при высокочастотном нагреве. Контролируемые атмосферы и вакуум целесообразны главным образом при длительном нагреве, т. е. для крупных инструментов. Штампы горячего деформирования нагревают в атмосферах, используемых и для конструкционных сталей.

При отсутствии контролируемых атмосфер применяют смеси, указанные выше для нагрева при отжиге. В этих случаях для улучшения стойкости многих штампов предпочтительно небольшое науглероживание. При нагреве до 850—900 °С рабочую поверхность штампа засыпают на 15—20 мм отработанным карбюризатором (или смесью сухой чугунной стружки п 5 % отработанного карбюризатора), закрывают асбестом и смазывают слоем шамотной глины и асбестом. Вместо этого можно устанавливать штамп рабочей поверхностью на слой отработанного карбюризатора, тогда облегчается немедленное охлаждение для закалки.

Сложнее защита при нагреве до 1000—1100 °С; рабочую поверхность покрывают тонким слоем отработанного карбюризатора и закрывают защитным колпаком из листового железа. Мелкие штампы, нагреваемые в течение 20—30 мин, накрывают только железным (и даже картонным) колпаком. Для защиты крупных штампов применяют защитные обмазки из 50 % стеклянного порошка, 10 % талька и 40 % огнеупорной глины. Их наносят слоем толщиной 3 мм и просушивают при 150 °С. Такие обмазки сохраняются до 1000—1050 °С.

Для менее крупных инструментов целесообразен нагрев в расплавленных солях. При правильном выборе состава и тщательном раскислении соли обеспечивается вполне удовлетворительная защита. Рекомендуется использовать хлористые соли. Состав их выбирают в зависимости от температуры нагрева. При нагреве до 750—950 °С хорошими защитными свойствами обладает смесь, состоящая из 70% ВаСb и 30 % NaCl; температура плавления 640 °С. Менее эффективна, особенно для сталей, легированных кремнием, более дешевая смесь из 56 % КС и 44 % NaCl.

При нагреве до 1000—1300 °С применяют ВаС12 (температура плавления 962 °С). Загрязнение ванны небольшими количествами NaCl усиливает испарение соли при 1200—1300 °С и затрудняет контроль за температурой. Испарение происходит, когда инструменты подогревают при 800—900 °С в смесях ВaCL и NaCI. Поэтому для сталей, закаленных с высоких температур, целесообразно понижать температуру первого подогрева до 550—600 °С, выполняя его в воздушной печи, и, наоборот, повышать температуру второго подогрева до 1050 °С в соли ВаС12. Лучшая защита достигается при нагреве в свежеприготовленной ванне. Расплавленные соли постоянно взаимодействуют с окружающей атмосферой и с окисной пленкой, имеющейся на поверхности инструментов, и насыщаются окислами (Fe203), вызывающими обезуглероживание. Через каждые 6—8 ч работы ванну необходимо раскислять веществами, связывающими окислы и способствующими их выпадению на дно Ванны с ВаС12 (78 %) и NaCI (22 %) раскисляют добавкой буры: 4—5 % от массы соли. Ванну с ВаС12 рекомендуется раскислять MgF2 [43] в количестве 5—6 % от массы соли. В этом случае обеспечивается почти полная защита даже чувствительных к обезуглероживанию молибденовых и кобальтовых быстрорежущих и штамповых сталей. При отсутствии MgF2 ванну раскисляют бурой (0,5—1 %) или ферросилицием (1—2 %). Однако бура усиливает выделение паров, а ферросилиций разрушает шамотную футеровку; поэтому лучше раскислять ванну одновременно ферросилицием и бурой, соответственно уменьшая долю каждой добавки. Из-за активного взаимодействия шлаков с огнеупорами необходимо применять тигли и чехлы для термопар из жаростойких сплавов (например, из стали Х24Н12С). Поэтому большее применение получил шлак АН-ШТ2 для нагрева углеродистых и легированных сталей. Нагрев инструментов в шлаках полностью предотвращает окисление и обезуглероживание, так как они(не реагируют с кислородом. Жидко-текучесть шлаков меньше, чем солей, и нагрев в них медленнее, в связи с этим выдержка в шлаках должна быть больше в два раза, чем в солях.

Поверхность инструментов, извлекаемых из ванны, равномерно покрывается тонкой (~1 мм) пленкой шлака. При охлаждении в воде или в масле пленка осыпается при 400—150 °С, а при охлаждении в расплаве щелочи растворяется. При охлаждении в селитре пленка частично сохраняется. При ее удалении возрастает скорость охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения; однако из-за отсутствия даже частичного обезуглероживания это не усиливает опасности образования трещин.

Окислы железа, имеющиеся на поверхности инструментов, растворяются в шлаковом расплаве, что уменьшает его жидкотекучесть и требует его частой смены.

Закаливаемость Закаливаемость - способность получать мартенситную структуру и высокую твердость при закалке — для заэвтектоидных и ледебуритных сталей зависит от большего числа причин, чем у доэвтектоидных. Она определяется: а) содержанием углерода в аустените (оно меньше его содержания в стали) и изменяющимся в зависимости от температуры закалки; б) количеством остаточного аустенита, которое также может изменяться и влиять на твердость в зависимости от легирования и температуры закалки и скоростью охлаждения, определяемой в свою очередь составом охлаждающей среды и сечением инструмента. Таким образом, увеличение содержания углерода для инструментальных сталей неоднозначно повышению закаливаемости. Она действительно возрастает с повышением его содержания у углеродистых и низколегированных сталей. Закаливаемость более легированных сталей в большой степени определяется условиями легирования; она может быть высокой и при меньшем содержании углерода. Поскольку назначаемые температуры закалки, как правило, должны обеспечить сохранение мелкого зерна и для каждой стали почти постоянные, то закаливаемость целесообразно характеризовать по среде охлаждения, при использовании которой обеспечивается получение максимальной твердости для инструмента, имеющего предельный диаметр или сторону (для этих условий охлаждения).

Закаливаемость, определяемая по этому признаку, зависит от устойчивости переохлажденного аустенита, что позволяет одновременно характеризовать и прокаливаемость. Кроме того, при использовании такой оценки закаливаемости возможно оценить другие важные технологические свойства: деформацию и чувствительность к образованию трещин, вызываемые закалкой. Чем выше закаливаемость, как способность получать высокую твердость в менее энергично охлаждающих средах, тем соответственно меньше деформация и опасность образования трещин.

Целесообразно различать стали: небольшой закаливаемости, получающие высокую твердость (60 HRC) только при большой скорости охлаждения в воде (или в водных растворах); она достигается при этом в образцах диаметром не более 30—35 мм (а в масле — до 5—10 мм). Таким же образом прокаливаются полностью в значительно меньших сечениях: 10—15 мм (при охлаждении в воде). К этой группе относятся углеродистые стали; повышенной закаливаемости, получающие указанную твердость при охлаждении в масле (20—50 °С) или в горячих средах (см. табл. 47) в образцах диаметром 40—80 мм. Предельный диаметр образца, прокаливающегося полностью, отличается уже меньше и составляет соответственно 25—70 мм. Меньшая закаливаемость (до 40—50 мм) у не теплостойких низколегированных и большая у более легированных; высокой закаливаемости, получающие твердость >60 HRC при охлаждении как на воздухе, так и в горячих средах в образцах диаметром более 80—90 мм. Твердость в поверхностном слое мало отличается от получаемой в сердцевине. В этом случае прокаливаемость и закаливаемость практически совпадает. К этой группе относятся стали с высокой устойчивостью аустенита в перлитной и бейнитной областях: не теплостойкие высоколегированные, закаливающиеся в образцах диаметром до 100—120 мм (см. п. 49), и более легированные полу-теплостойкие и теплостойкие стали, закаливающиеся в еще больших сечениях.

Однако выбор воздуха, как закалочной среды, определяется не только возможностью получения высокой твердости и устойчивостью переохлажденного аустенита, но и поведением карбидов. У сталей, легированных хромом, молибденом и вольфрамом, они частично выделяются из переохлажденного и пересыщенного аустенита уже на первых стадиях выдержки, что снижает вязкость у штамповых сталей и теплостойкость у быстрорежущих. Для предупреждения выделения карбидов необходимо более быстрое охлаждение в перлитной и бейнитной областях. Эти стали охлаждают в горячих средах (и даже в масле), а не на воздухе.

Деформация инструментов Деформация, вызывающая изменение линейных и угловых размеров, возникает: наибольшая при термической обработке, главным образом при закалке, и наименьшая по величине при некоторых условиях резания или холодной деформации. Изменения линейных размеров, вызванные закалкой, в свою очередь могут изменяться при последующем отпуске. Они уменьшаются при низкотемпературном отпуске (100— 200 °С), вызывающем частичный распад мартенсита, но еще без превращения остаточного аустенита, т. е. у инструментов из не теплостойких и полутеплостойких сталей высокой твердости; в этом случае изменения, возникающие при закалке, в некоторой степени обратимы.

Линейные размеры возрастают при высокотемпературном отпуске (500—600 °С) за счет превращения остаточного аустенита, т. е. у теплостойких сталей с карбидным упрочнением, и не изменяются при выделении упрочняющих фаз, т. е. при дисперсионном твердении, особенно сталей с интерметаллидным упрочнением (у которых нет превращения остаточного аустенита). Изменение размеров — следствие пластической деформации, вызываемой напряжениями, возникающими неоднородно по времени в различных участках охлаждаемого или обрабатываемого изделия. Величина и распределение напряжений, а следовательно, величина и направление деформации зависят как от строения и состава обрабатываемой стали, формы и размеров инструмента, так и от технических приемов выполнения термической обработки. Влияние технических приемов обработки разнообразно.

Оно значительнее для длинных и тонких инструментов. Распределение напряжений зависит от условий размещения инструментов в печи и особенно от условий охлаждения. При полном погружении в закалочный бак полого цилиндра увеличивается его наружный диаметр. Внутренний диаметр чаще также увеличивается, но он может уменьшаться при охлаждении изнутри струей воды. Значительное коробление могут вызывать случайные удары при падении в закалочный бак, разгрузке или сборке еще не остывших инструментов и т. п. В этом состоянии сталь имеет пониженное сопротивление пластической деформации. Кроме того, чувствительность к короблению длинных и тонких инструментов сохраняется в течение 10—30 дней и после низкого отпуска (при 100—130 °С), т. е. в условиях, когда еще не закончились релаксационные процессы. Многообразие этих факторов, различно влияющих на величину и знак напряжений, затрудняет установление зависимостей, которые позволили бы заранее указать величину деформации тел сложной формы.

Важны механизация и автоматизация процессов обработки инструментов. Соблюдение одинаковых условий нагрева и охлаждения позволяет обеспечить одинаковую деформацию однотипных инструментов, а следовательно, определить ее величину и особенности и на основе этих данных установить величину припуска и проводить мероприятия, уменьшающие деформацию. Рассматриваемые ниже закономерности справедливы главным образом для этих условий выполнения термической обработки.

Деформация при термической обработке Наиболее значительна деформация при закалке. Она возникает преимущественно в результате объемных изменений в стали во время охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения и в меньшей степени температурным градиентом.

Влияние исходной структуры Различия в исходной структуре металлической основы (перлит, сорбит, мартенсит) меньше других причин влияют на деформацию. Она уменьшается, если структура перлита более однородная. Большее влияние оказывает карбидная фаза; у сталей с большим количеством карбидов, в первую очередь, у ледебуритных, наблюдается анизотропия деформации, выражающаяся в неодинаковом изменении линейных размеров в продольном и в поперечном направлениях. Это обусловлено тем, что коэффициент термического расширения карбидов легирующих элементов отличается от коэффициента расширения металлической основы (см. рис. 36). Карбиды, расположенные в виде строк вдоль направления прокатки, усиливают удлинение вдоль этих строк и способствуют сжатию или меньшему удлинению в перпендикулярном направлении.

Анизотропия деформации усиливается с увеличением количества карбидов и их полосчатости в структуре. Она, наоборот, уменьшается при однородном распределении карбидов (или при расположении в виде сетки в литой стали). Анизотропия выражена сильнее в условиях мартенситного превращения, т. е. при увеличении объема и возникновении растягивающих напряжений, и меньше при сжимающих напряжениях. Анизотропия под действием интерметаллидных фаз, как равномерно распределенных, значительно меньше. Влияние структуры, создаваемой закалкой Наибольшее влияние (при близком количестве карбидов) оказывают соотношение между мартенситом, как составляющей с наибольшим удельным объемом (особенно при повышенной концентрации в нем углерода) и остаточным аустенитом, как составляющей с наименьшим объемом.

У углеродистых и менее легированных сталей сильнее влияние мартенсита. Поэтому деформация для них больше. Изменения размеров возрастают с повышением температуры закалки. В этом случае за счет более полного растворения карбидов увеличивается тетрагональ- ность решетки мартенсита, тогда как количество аустенита возрастает менее интенсивно.

У более легированных теплостойких и полутеплосгойких сталей сильнее роль ос! аточного аустенита. Во-первых, за счет влияния легирующих элементов уменьшается концентрация углерода в исходном перлите, а следовательно, и в образующемся мартенсите. Во-вторых, в сталях сохраняется повышенное количество аустенита. Увеличение объема (но меньшее чем у малолегированных сталей) создается у сталей с высоким содержанием углерода. Наоборот, при низком содержании углерода наблюдается уменьшение размеров при закалке по сравнению с исходным состоянием. Влияние состава стали Имеется лишь небольшое число сталей, которые сохраняют при термической обработке почти неизменный объем и мало чув-ствительны к анизотропии деформации. К ним относятся: 1) стали, сохраняющие в закаленном состоянии повышенное количество аустенита (18-22), компенсирующего увеличение объема, вызываемого мартенситным превращением. К ним относятся: а) не-теплостойкие стали повышенной прокаливаемости 7ХГ2ВМ и 7ХГНМ. Возможность закалки с охлаждением на воздухе значительно уменьшает коробление; однако твердость сталей не превышает 59—60 HRC б) полу-теплостойкие высокохромистые стали, но при соблюдении очень узкого и не всегда достижимого интервала однако из-за большого количества карбидов стабильность размеров обеспечивается лишь в одном направлении: продольном или поперечном; 2) теплостойкие стали с безуглеродистым мартенситом и интерметаллидным упрочнением, содержащие <0,03 % углерода в мартенсите.

Стали с никелевым мартенситом получают сравнительно низкую твердость после закалки (40HRC) и в этом состоянии хорошо обрабатываются резанием. При последующем отпуске (дисперсионном твердении) их объем не изменяется. Для этих высоколегированных сталей по существу неприменимо понятие о деформации при термической обработке. Это оправдывает их использование для инструментов очень сложной формы и особенно длинных и очень тонких (микроинструментов).

Способы уменьшения деформации Увеличение количества аустенита. Способ пригоден преимущественно для ледебуритных сталей и лишь в ограниченных пределах. У этих сталей уже в результате небольшого повышения температуры, а следовательно, незначительного роста зерна сильно возрастает количество аустенита. В данном случае закаливаемые инструменты сохраняют неизменные размеры. Однако этот эффект создается в одном направлении, так как из-за роли карбидов анизотропия не устраняется. У других сталей повышение температуры закалки не сопровождается столь значительным ростом количества аустенита, но вызывает сильный рост зерна с ухудшением вязкости и прочности. Рациональнее увеличивать количество аустенита применением ступенчатой или неполной изотермической закалки без повышения температуры нагрева. Обработка применима для легированных сталей с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и позволяет уменьшить прирост размеров по длине или ширине и коробление инструмента. Ее успешно используют для штампов, режущих инструментов, в частности сверл. Однако ступенчатая (неполная изотермическая) закалка не устраняет анизотропии деформации и увеличивает внутренний диаметр отверстий. Кроме того, у нетеплостойких и твердых полутеплостойких сталей остаточный аустенит и повышенном количестве сохраняется после низкотемпературного отпуска, что снижает сопротивление пластической деформации.

Тепловая доводка. В основе способа лежит регулирование количества остаточного аустенита изменением температур закалки и отпуска. Он применим для штампов (но без отверстий), для которых допустимо снижение твердости до 58—60 HRC и которые изготовляют из высокохромистых сталей, как сохраняющих больше аустенита.

Штампы закаливают с несколько повышенных температур (на 15—20 °С), что увеличивает количество аустенита и может уменьшать размеры. После закалки измеряют размеры. Если они меньше исходных, то штампы отпускают при 450—480 С для превращения части аустенита и увеличения размеров. Если размеры надо увеличить еще больше, то температуру отпуска повышают на 10—20 °С или выполняют его вторично. Если наоборот после накалки, выполняемой с более низкой температуры или оказавшейся пониженной для стали данной плавки, размеры увеличились по сравнению с исходными, выполняют отпуск при более низкой температуре. Тепловая доводка не устраняет анизотропии деформации и создает неизменные размеры лишь в одном направлении. Закалка с охлаждением на воздухе применима лишь для нетеплостойких сталей высокой закаливаемости. Тепловые и фазовые напряжения тем меньше, чем ниже температуры закалки (из-за меньшего температурного градиента). Вследствие более равномерного охлаждения и меньшего перепада температур по сечению инструмента уменьшается также и концентрация напряжений в отдельных объемах. По этой причине при воздушной закалке снижается коробление, в том числе инстру-ментов сложной и прямоугольной (коробчатой) формы.

Охлаждение на воздухе мало применимо для теплостойких сталей, несмотря на их высокую закаливаемость. При замедленном охлаждении с высоких температур усиливается: а) окисление поверхности и б) выделение карбидов из пересыщенного аустенита, что снижает теплостойкость и ухудшает вязкость и прочность. Закалка для получения структуры бейнита и остаточного аустенита. Ее применяют для тех штампов холодной деформации и слесарно-монтажных инструментов, для которых допустимы меньшие твердость (52 — 56 HRC) и сопротивление пластической деформации. Инструменты обрабатывают по режиму, указанному в п. 53. Деформация сильно уменьшается, так как в стали не протекает мартенситное превращение (в отличие от обычной закалки с последующим отпуском на структуру). Закалка из меж критической области. Она дает наибольший эффект по сравнению с другими способами обработки и применима для всех инструментальных сталей. При ее использовании уменьшаются: прирост линейных размеров в 2—4 раза для более легированных сталей и в 4—5 раз.

Предварительная обработка в некоторых случаях может оказывать большое влияние на структуру и приводить после окончательной закалки к уменьшению размеров вместо их увеличения, т. е. вызвать деформацию противоположного знака («минусовую»). Это может наблюдаться у сталей, получающих меньшие объемные изменения при обычной закалке. В таких случаях следует понижать примерно на 10 °С температуры закалки из межкритической области по сравнению с указанными в рис. 54, 73, 97.

Закалка из межкритической области целесообразна для инструментов сложной формы диаметром или толщиной стенки до 40—50 мм. Она менее удобна для инструментов сравнительно простой формы (например, для сверл), обрабатываемых большими партиями. В таких случаях технологи-чески проще ступенчатая или неполная изотермическая закалка.

Поверхностная закалка. С уменьшением толщины слоя, испытывающего мартенситное превращение, снижаются и объемные изменения. Однако это не сопровождается пропорциональным уменьшением деформации; важна не только толщина закаленного слоя, но и перепад твердости между этим слоем и не закалившейся сердцевиной. Большие напряжения возникают при резком перепаде твердости и получении тонкого закаленного слоя; они вызывают, например, растяжение металла в метчиках (диаметром 20—30 мм) из углеродистой стали.

Поэтому повышение в определенных пределах толщины закаленного слоя и уменьшение перепада твердости увеличивают общую прочность инструмента и снижают деформацию. Отсюда следует, что для сталей небольшой прокаливаемое уменьшение деформации наблюдается при повышении температуры закалки и охлаждении в более резких охладителях, чем в водных растворах солей. Прирост линейных размеров и коробление снижаются при закалке с индукционным нагревом из-за возможности точно регулировать толщину закаленного слоя в разных партиях однотипных инструментов.

Закалка в штампах (использование эффекта кинетической пластичности). Сталь приобретает повышенную способность к пластической деформации при протекании мартенситного превращения при закалке (включая охлаждение при температуре ниже 0 °С), частичного распада мартенсита при отпуске и превращения аустенита при отпуске. Способность к деформации пропорциональна относительному объему превращающейся фазы и при значительной доле этой фазы она больше, чем у стали с аустенитной или ферритно-карбидной структурой. Отсюда следует, что деформацию охлаждаемых инструментов следует предупреждать не в зоне высоких температур, когда сталь еще находится в аустенитном состоянии, а в интервале мартенситного превращения.

Способ наиболее пригоден для предупреждения коробления инструментов простой формы: длинных и тонких (пилы, прорезные фрезы и т. п.). При закалке их предварительно замачивают в масле при 20—60 °С в течение 30—50 с или подстуживают в соли при 500—550 °С или на воздухе (теплостойкие стали), а затем охлаждают в специальном штампе либо под плитами или же между вращающимися роликами. Коробление, которое может остаться после закалки или возникнуть при нагреве для отпуска, окончательно устраняют выполнением отпуска в штампе (между плитами). Закаленные инструменты перед нагревом слегка прижимают, а при нагреве 150—200 °С зажимают плотно.

Применение многослойной стали. Способ предупреждает коробление очень длинных и тонких инструментов (ножей для резки фанеры, бумаги и т. д ) Из инструментальной стали изготовляют тонкую (толщиной 0,25—0,3 мм), а из пластичной — более толстую пластину. При закалке тонкая пластина, испытывающая мартенситное превращение, получается выпуклой (независимо от условий охлаждения). Последующий отпуск и правку выполняют в штампе, закалившаяся юна испытывает сжимающие напряжения, что облегчает правку, а мягкая зона легко воспринимает растягивающие напряжения. Коэффициенты теплового расширения инструментальной стали в рабочей части и в крепежной должны мало различаться. Кроме того, надо, чтобы сталь крепежной части: а) имела меньшие объемные изменения при закалке (или лучше не принимала закалки) и б) не получала крупного зерна и не охрупчивалась сильно при возможных высоких температурах закалки, принятых для инструментальной стали.

Этим условиям отвечают при использовании для рабочей части: не теплостойкие стали высокой твердости (X, В2Ф и др.) — низкоуглеродистая конструкционная сталь с 0,1—0,2 % С; полу-теплостойкие и теплостойкие стали — более легированные стали с пониженным содержанием углерода: 30Х2НМФ или ЗОХЗМЗФ. Для рабочей части лучше выбирать стали с более низкими температурами закалки, в частности сталь Х6ВФ из числа полу-теплостойких высокой твердости, низколегированные быстрорежущие и, наконец типа 4ХЗМФ из числа штамповых. Правку выполняют: для не теплостойкой стали при 140—175 °С, а для теплостойких сталей сначала при 250—280 °С (до развития дисперсионного твердения), а затем вторично при более высоких температурах отпуска.

Деформация при резании и холодной штамповке В этих случаях могут возникать напряжения на глубину до 0,05—0,1 мм. Средняя величина их не очень значительна (300—600 МПа), но они распределяются неоднородно и сильно отличаются локальными отклонениями от этих величин. У инструментов небольшого сечения и большой длины (диаметра) напряжения могут вызвать искривление. Такие инструменты после черновой обработки необходимо отпустить при 600— 400 °С и в зависимости от полученной деформации осторожно править, подвергнуть дополнительной чистовой обработке и лишь затем закаливать. У инструмента большего сечения (диаметром или толщиной 4—5 мм) и не очень длинных напряжения не вызывают деформации. Они практически полностью снимаются при нагреве для закалки. У крупных инструментов (например, штампов сложной конфигурации) напряжения могут вызывать деформацию при высоком нагреве для закалки в условиях неизбежного для таких изделий значительного температурного градиента по сечению. Такие инструменты также надо отпускать (при 600 -700°С, 2—4 ч) перед закалкой. Деформация при шлифовании. Шлифование длинных и тонких инструментов также вызывает деформацию; после первых операций шлифования необходимы правка и отпуск при температурах на 30—50 °С, а для теплостойких сталей на 100—125 °С ниже принятых при предшествовавшем отпуске. После этого инструменты окончательно шлифуют.

О правке инструментов Правку для устранения коробления, вызванного закалкой, лучше выполнять во время нагрева при отпуске (до 120—200 °С). В этом случае используется указанный выше эффект кинетической пластичности. Он создается частичным распадом мартенсита и превращением остаточного аустенита. Если необходима правка в холодном состоянии, то ее проводят для инструментов из теплостойких сталей после закалки (до развития дисперсионного твердения), а из остальных сталей — после отпуска, т. е. при большей пластичности. Правка после изотермической закалки, т. е. сталей с аустенитной и бейнитной структурой, затруднена. Определение влияния состава стали и термической обработки на деформацию Для предварительного определения влияния состава стали и условий термической обработки на деформацию целесообразно использовать образцы диаметром 10 и длиной 60—100 мм, т. е. с соотношением D: L = 1: 6 до 10 с торцами, затачиваемыми на конце, или с закруглением в вершине радиусом 0,25 мм.