Особенности термообработки быстрорежущей стали для режущего инструмента

Аннотация

Для достижения необходимой теплостойкости быстрорежущая сталь легируется сильными карбидообразующими компонентами – вольфрамом либо молибденом. После закалки получается высоколегированный твердый раствор, в котором затруднена диффузия углерода, благодаря которому и происходит распад мартенсита при температурах около 600 С0 . Из сильных карбидообразующих компонентов образуются собственные карбиды, которые обладают высокой устойчивостью против коагуляции при нагреве. Свойства быстрорежущей стали меняются в зависимости от режима термической обработки. Оптимальной считается закалка, которая обеспечивающая величину зерна аустенита 11-10 балла стандартной шкалы. Благодаря такой структуре быстрорежущая сталь имеет высокие значения твердости, теплостойкости и удовлетворительные значения прочности и вязкости. Однако в некоторых случаях на производстве наблюдается рост аустенитного зерна без перегрева стали и получению грубо-игольчатого мартенсита.Все это приводит к возрастанию склонности стали к хрупкому разрушению, снижению вязкости.

Структура, термическая обработка быстрорежущей стали.

Быстрорежущая сталь достигает высоких значений твердости и теплостойкости, когда происходит закалку в высоко ["1"]легированном твердом растворе, во время отпуска происходит интенсивное дисперсионное твердение. Раствор во время закалки содержит большое количество карбидов на основе вольфрама или молибдена, которые при температуре свыше 1200 С начинают интенсивно растворяется. При более низких температурах (1100 - 1150 С) растворяется карбид на основе хрома.

В структуре стали после закалки присутствуют не растворившиеся, избыточные карбиды. Как правило, растворение этих карбидов эвтектического происхождения возможно только в жидкой фазе. Их роль - сдерживать рост зерна при нагреве под закалку, которую от высоких температур необходимо выполнять.

Из-за высокой концентрации легирующих компонентов и углерода в аустените происходит снижение температур начала и конца мартенситного превращения. Однако температура конца лежит в области отрицательных температур, поэтому сохраняется до 30% количества остаточного аустенита в быстрорежущей закаленной стали. В итоге получаем структуру после закалки, которая состоит из карбидов, мартенсита закалки и остаточный аустенит.

Анализ пониженной теплостойкости быстрорежущей стали.

Известно, что для повышения свойств инструментальной стали необходимо провести оптимизацию режима термической обработки быстрорежущей стали, благодаря которой достигается максимальная теплостойкость режущего инструмента. Так же необходимо выявить причины несоответствия балла зерна аустенита с мартенситным баллом. Для улучшения свойств режущего инструмента были рассмотрены два опытных режима термообработки

После проверки на входном контроле инструмента из быстрорежущей стали типа Р12Ф2К8МЗ, Р6М5 и др. выяснилось, что некоторые экземпляры имеют пониженную теплостойкость и разнозернистость. В основном это явление возникает из-за особенностей металлургического передела этих сталей. При рассмотрении плавок можно заметить дефект в микроструктуре быстрорежущей стали, который заключается в том, что после закалки диаметр зерна аустенита оказывается меньше длины иглы мартенсита после отпуска. Это означает, что имеется несоответствие баллов аустенита и баллов мартенсита. ["2"].

Про существования подобного дефекта в научной литературе сведенья отсутствуют, хотя данный эффект описывался и ранее в научных статьях. Данный дефект противоречит основам теории мартенситного превращения, который утверждает, что мартенситная игла не может пересекать границу зерна аустенита. Полученное противоречие, скорее всего возникло по нижеперечисленным причинам.

1. В высоколегированных быстрорежущих сталях имеются места со значительной карбидной неоднородностью. При температуре нагрева меньше обычной на 15 °C в этих местах начинается рост зерна аустенита. Объясняется это тем, что при нагреве крупные карбиды плохо растворяются, а значит, зерна аустенита находящиеся рядом имеют большую склонность к росту и меньшую степень легирования. Если производить закалку с оптимальной температурой, то получим общий средний балл зерна в структуре аустенита 10—11, где отдельные зерна аустенита имеют балл 8—9, и расположены в местах скопления крупных карбидов. Разумеется, после отпуска быстрорежущей стали в крупных зернах аустенита будут видны иглы мартенсита, которые достигают 3-4-го баллов. В этом случаи игла мартенсита все-таки не пересекает границу зерна.

2. Возможно, определение мартенситной структуры проводилось после недостаточно качественного отпуска стали. В структуре быстрорежущей стали, содержится более 30% аустенита, поскольку мартенситная игла простирается через все зерно аустенита, то игла мартенсита смотрятся значительно крупнее. К нормальному дроблению мартенсита и получению более однородной структуры, по которой нужно определять балл мартенсита приводит только полноценный отпуск. Только после полноценного отпуска мартенсит начнет дробиться и сформируется нормальная структура, по которой и следует определять балл мартенсита.

3. Возможно, камерные печи не обеспечивают проведение полноценного отпуска закаленного инструмента. В этих печах отсутствует контроль скорости охлаждения, что является важным моментом при отпуске, особенно если сталь охлаждается ниже температуры Мн. Качественный отпуск закаленного инструмента можно провести нагревая его в соляной ванне, которая исключает недостатки камерных печей. Значит, нельзя говорить о несоответствии баллов аустенита и мартенсита, поскольку имеет место только неравномерность аустенитной структуры, возникающая из-за карбидной неоднородности, либо произведен некачественный отпуск.

Что бы уменьшить карбидную неоднородность нужно воспользоваться способом металлургического передела. Уменьшить карбидную неоднородность при помощи термической обработки стали сложно. В литературных источниках сказано, что можно уменьшить карбидную неоднородность посредством термоциклирования выше и ниже температуры А1. Согласно работе ["3"], можно выполнить 4 — 6 циклов с температурой в интервале 850 — 650 °C, а затем провести деформирование при температуре в интервале 880 — 920 °C в изотермических условиях со степенью деформации 40 — 50%. В литературе указанно, что применение этих способов позволяет более чем в два раза снизить балл карбидной неоднородности.

Автор в работе ["4"] проводил исследование образцов проката из быстрорежущей стали нормальной производительности Р6М5, Р18, из порошковой быстрорежущей стали Р6М5Ф3 и из стали с повышенной производительностью Р12Ф2К8МЗ. Исследуемые образцы были забракованы по баллу мартенсита и аустенита, в них зерно аустенита выявлялось после закалки по двум режимам: