CC BY
22
УДК 621.791.927.55
Самотугин С.С., Нестеров О.Ю., Кирицева Т.А.
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБЪЕМНОЙ ЗАКАЛКИ НА
СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ПЛАЗМЕННОМ
УПРОЧНЕНИИ
Требуемый комплекс эксплуатационных свойств инструментальных сталей достигается за счет правильно выбранного режима объемной термической обработки, включающей закалку и отпуск.
Закалка режущих инструментов должна обеспечивать требуемую высокую твердость, высокие механические свойства и минимальную деформацию. Выбор температур закалки инструментальных сталей зависит от положения критических точек Aci и Асз-
В настоящей работе исследованы углеродистая сталь эвтектоидного состава У8 и быстрорежущая вольфрамо-молибденовая Р6М5. Согласно современным представлениям [1,2] оптимальной температурой закалки дня стали У8 является Асi ±50-70 "С. Из-за опасности роста зерна увеличение температур нагрева под закалку не рекомендуется. Нагрев ниже точки Aci не вызывает структурных изменений, следовательно, твердость при этом не повышается.
При нагреве стали под закалку происходит растворение избыточных карбидов и, как следствие, рост зерна. Структура правильно закаленной углеродистой стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита и оставшихся первичных карбидов. Для высоколегированных быстрорежущих сталей оптимальная температура закалки на 300-400 °С выше точки Арз и составляет для стали Р6М5 1220±10°С. Такое значительное повышение температуры закалки, в отличие от углеродистых сталей, связано именно с необходимостью максимально полного растворения первичных тугоплавких карбидов вольфрама и молибдена н насыщения твердого раствора углеродом и легирующими элементами, что позволяет наряду с высокой твердостью, при последующем этапе термообработки - объемном отпуске получить высокий уровень другого важнейшего свойства для режущего инструмента - высокой теплостойкости за счёт выделения дисперсных вторичных карбидов (дисперсионного твердения).
Целью работы являлось исследование изменения твердости и теплостойкости сталей У8 и Р6М5 после закалки от разных температур и последующего плазменного упрочнения. Режим плазменной обработки плазмотроном косвенного действия с секционированной межэлектродной вставкой выбирался таким образом, чтобы обеспечивать достижение наиболее высоких значений твердости в упрочненной зоне без оплавления поверхности. Удельная тепловая мощность плазменной струи составляла 1,14 • 105 Вт/см2, скорость обработки: 20 ± 2 м/ч,
При объемной закалке стали У8 от температур ниже критической Aci твердость повышается незначительно (рис. 1), однако при переходе через критическую точку установлено резкое увеличение твердости. Оптимальная температура нагрева (800 °С) обеспечивает твердость HRC 60... 62, что соответствует требованиям к закаленному инструменту. Низкие значения твердости при недогреве обусловлены незавершенностью фазовых сх-у-превращений в исходной ферритно-перлитной структуре и структурной неоднородностью стали после закалки.
тоо ¿ос лж /л» те/терегуро Золем хм, *е
Рис.1 - Зависимость твердости инструментальной углеродистой эвтектоидного состава стали У8 от температуры под закалку (I» и последующей плазменной обработки:
1 - объемная закалка;
2 - объемная закалка (03) и последующая плазменная обработка (ПО).
хю /аоа лт м» гзао
темперогуро*
Рис.2 - Зависимость твердости инструментальной быстрорежущей стали Р6М5 от температуры под закалку (Т3) и последующей плазменной обработки:
1 - объемная закалка;
2 - объемная закалка и последующая плазменная обработка.
Твердость после плазменного упрочнения практически не зависит от температуры предварительной закалки. Скоростной плазменный нагрев до температур, близких к температуре плавления, вызывает полную фазовую перекристаллизацию и повторную закалку с образованием высокодисперсной мартенситной структуры. Благодаря высоким значениям скорости нагрева и охлаждения и крайне малой длительности выдержки рост зерна аустенита не происходит. Полнота протекания а-у-преврагцения при плазменном нагреве углеродистых сталей от исходного состояния не зависит [3 ]. Карбидная фаза в стали У8 представлена цементитом БезС, который в условиях плазменного воздействия полностью растворяется. Поэтому степень завершенности превращений при предварительной объемной закалке от разных температур не оказывает влияния на структуру и твердость зоны плазменной закалки.
При объемной закалке с перегревом (до 1100 °С) происходит более полное растворение карбидов. Твердость стали У8 при этом увеличивается на 1...2 НЯС, но перегрев вызывает значительный рост зерна и повышение хрупкости. Последующая плазменная обработка, как и в предыдущих случаях обеспечивает более высолю твердость (рис. 1) и образование мелкозернистой мартенситной структуры, следовательно плазменная закалка углеродистой стали позволяет устранить в поверхностном слое недостатки отклонений от оптимальных режимов объемной закалки: более полная степень превращений при обработке недогретой стали и устранение крупнозернистой хрупкой структуры при обработке перегретой под закалку стали У8. Структура быстрорежущей стали Р6М5 после объемной закалки от оптимальной температуры (1220 °С)
состоит из мартенсита, первичных карбидов и остаточного аустенита. Достигаемый уровень свойств таких сталей в закаленном состоянии определяется полнотой растворения карбидной фазы [2] (рис. 2, линия 1). При недогреве под закалку (Тз=1700 °С) твердость стали Р6М5 ниже требуемого уровня, а при перегреве (Тз = 1270 °С) и выше.
Однако, даже незначительное превышение температуры закалки (до 1235 °С) приводит к резкому падению пластических свойств, вызванному ростом размеров и охрупчиванием границ зерен [4],. а также к нестабильности эксплуатационных свойств из-за структурной неоднородности фазной степени завершенности полишнизационных и рекристаллизационных процессов в объемах крупных зерен [5].
Плазменное упрочнение стали Р6М5 после объемной закалки обеспечивает более высолю твердость [5,6]. Температура нагрева поверхности при плазменном воздействии значительно превышает оптимальные значения для объемной закалки, однако роста зерна
аустенита при этом не происходит из-за очень высокой скорости нагрева и охлаждения и малой длительности выдержки (по расчетным оценкам порядка 0,1..0,01 с). Более полное растворение карбидной фазы и насыщение твердого раствора углеродом и легирующими элементами способствует дополнительному повышению твердости (рис. 2, линия 2). Наиболее высокие значения твердости в зоне плазменной закалки достигаются при упрочнении после объемной закалки от оптимальных температур. Однако, использование плазменного упрочнения позволяет значительно расширить рекомендуемый интервал температур объемной закалки при условии достижения твердости НЯС = 65: Тз= 1120... 1270 °С.
О -при 03 от то "С •-прн 03 ОТ 1120 вС+ПО □-при 03 ОТ 1170аС ■-при 03 от 1170 *С + ПО Л-прн 03 от 1220 °С ▲нпрн 03 ог 1220 "С+ПО <> • при 03 от 1270 "С ♦ - при 03 от 1270 *С + ПО
—....... сттяарпшй
' боо SSO тоо-----уровень теплостойкости.
гслглерсгтура j *С Рис. 3 - Теплостойкость стали Р6М5 при различных температурах выдержки
Преимуществом плазменного нагрева быстрорежущих сталей по сравнению с объемным является возможность более полного растворения карбидной фазы без опасности роста зерна и охрупчивания [б, 7]. Степень растворения карбидной фазы и насыщение твердого раствора углеродом и легирующими элементами при объемной и плазменной закалке определяет теплостойкость быстрорежущей стали при последующем нагреве. Как видно из рис. 3, теплостойкость зоны плазменной закалки Кр458 на 60-80 °С выше по сравнению с объемной закалкой.
ВЫВОДЫ
1. Температура нагрева под объемную закалку углеродистой стали У8 не оказывает влияния на характер превращений и твердость при последующем плазменном упрочнении.
2. Температура объемной закалки быстрорежущей стали Р6М5 определяет степень растворения карбидов и твердость. С ее повышением твердость линейно возрастает. Плазменная обработка обеспечивает более полное растворение карбидов по сравнению с объемной закалкой и более высокий уровень твердости и теплостойкости. Использование плазменного упрочнения позволяет значительно расширить рекомендуемый интервал температур объемной закалки стали Р6М5: от 1170 до 1270 °С.
Перечень ссыпок
1. Гуляев А.П. Металловедение. - М. Металлургия, 1986. -144 с.
2. ГеллерЮ.А. Инструментальные стали. - М: Металлургия, 1983.-527 с.
3. Лещинский JI.K, Самотугин С. С., Пирч И.И., Комар В.И. Плазменное поверхностное упрочнение. - Киев: Техника, 1990. - 109 с.
4. Тойдорова.КС., Забшъский В.В., Кремнев JI. С. Зернограничное разрушение стали Р6М5 при
околосолцдусных температурах//Физика металлов и металловедение. -1992. - № 5.-С. 95-100.
5. Чибряков М.В. Рекристаллизация аустенита при нагреве стали Р6М5 //Известия Вузов. Черная
металлургия.-1997. -№ 10.-С. 64-66.
6. Упрочнение инструмента из быстрорежущих сталей, обработанного плазменной струей
/ Самотугин С.С., Ковалъчук A.B., Новохацкая О И. я др. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1994. - № 2. - С. 5-8.
7. Самотугин С. С. Плазменная обработка инструментальных материалов // Атоматическая
сварка,- 1996.-№ 8.-С. 48-51.
