Стали высокой износостойкости
Особенности термической обработки
Окончательная термическая обработка сталей широкого назначения заключается в закалке и низком отпуске. Все стали в закаленном и отпущенном состоянии обладают низкой вязкостью. Поэтому при их упрочнении должны предприниматься все меры для сохранения того значения вязкости, которую можно получить у стали при идеальных условиях упрочнения.
Они следующие:
7. При нагреве необходимо строго выдерживать температурный режим. Завышение температуры ведет к росту зерна и потере вязкости.
8. Если в процессе эксплуатации инструмент выходит из строя не по причине износа, а в результате поломки, следует повысить температуру отпуска или увеличить длительность отпуска. Всегда полезно увеличение длительности отпуск, так как релаксация внутренних напряжений, полученных в процессе закалки, протекает медленнее, чем распад мартенсита при температурах ниже ~ 200 о С.
9. Исходная структура сталей перед закалкой должна представлять зернистый перлит с избыточными глобулярными карбидами. Не допускается наличие карбидной сетки по границам бывших зерен аустенита. Отступление от этого правила может вызвать повышенное коробление заготовки или ее разрушение при охлаждении.
|
|
10. По возможности следует применять ступенчатую закалку в расплавах солей или закалку в двух средах (вода – масло, масло – воздух). Такое охлаждение даёт меньшую вероятность разрушения и коробления заготовок.
11. При невозможности избавится от коробления необходимо изменять технологию закалки или заменить сталь на другую с большей прокаливаемостью, а не внедрять правку изделий в упрочненном состоянии.
12. Инструментальные стали склонны к обезуглероживанию. Поэтому заготовки с малым припуском необходимо защищать от обезуглероживания посредством применения защитных атмосфер или нагревать в расплавах солей.
Основной легирующий элемент этих сталей – хром ~ 12 %. Диаграмма состояний системы Fe – C – Cr при постоянном содержании хрома 13 % представлена на рис. 105. Хром с углеродом в железной матрице образует три карбида: Ме3С, Ме7С3 и Ме23С6. Твердость карбида растет с увеличением в нем относительного (Ст / Меп) содержания углерода. Чтобы в стали получить карбид Ме7С3, необходимо иметь ³ 12% хрома и 2 % С. Такой состав имеет сталь Х12, которая относится к штамповым сталям высокой износостойкости.
Износостойкость этой стали обусловлена большой объемной долей (около 26 %) карбидной фазы Me7C3. В литом состоянии она относится к ледебуритному классу, в катанном – к карбидному. Вязкость стали низкая. Она зависит от размеров карбидных включений, величина которых обусловлена степенью обжатия при прокатке. Тонкие профили имеют бóльшую вязкость, а толстые – меньшую.
|
|
Рис. 105. Диаграмма состояний системы Fe–Cr–C; вертикальный разрез при содержании хрома 13 %: К1 – (Cr, Fe)7C3, K2 – (Cr, Fe)23C6, K2 – Me3C |
Карбид Ме7С3 начинает растворяться при температурах ~ 950 о С. Это минимальная температура нагрева при закалке. В закаленном состоянии в стали остается ~ 20 % карбидной фазы. С повышением температуры нагрева при закалке более 975 о С растет аустенитное зерно, уменьшается содержание карбидной фазы и увеличивается содержание остаточного аустенита, при этом твердость снижается. Обработку стали от 950…975 о С называют закалкой стали на первичную твердость. При этом делают отпуск стали при 180…200 о С. Если сталь закалить от температур ~ 1175 ° С, то полученная твердость будет меньше, ввиду большого содержания остаточного аустенита (> 30 %). Последующий отпуск при температурах 480…520 о С приводит к повышению твердости до 60 HRC, в результате распада остаточного аустенита. Такую обработку называют закалкой на вторичную твердость.
Недостаток стали Х12, связанный с ее высокой хрупкостью, был частично ликвидируется следующим образом. Чтобы сохранить высокую износостойкость в сталь вводят ванадий (~ 0,8 %) или молибден с ванадием (~ 0, 5 % Мо + 0,25 % V). Добавки сильных карбидообразователей позволяют получить вместо карбида Ме7С3 карбид Ме23С6, который по износостойкости превосходит первый карбид. При этом содержание углерода было снижено до 1,3…1,6 %, что значительно снизило карбидную ликвацию. Доля карбидной фазы уменьшилась до 13…16 об. %. Получились новые стали Х12Ф1 и Х12М.
Стали Х12Ф1 и Х12М имеют менее выраженную карбидную ликвацию, за счет чего повысилась их вязкость при высокой их износостойкости. При этом возросла температура нагрева при закалке.
Рис. 106. Изменение твердости сталей с 12 % хрома от температуры закалки |
На рис. 106 показаны кривые изменения твердости закаленной стали от температуры закалки.
Молибден и ванадий в сталях Х12М и Х12Ф1 способствуют сохранению мелкого зерна. Сталь Х12Ф1 имеет несколько большую прочность и вязкость при немного меньшей твердостипо сравнению со сталью XI2M, а сталь XI2M – большую прокаливаемость. Вследствие влияния молибдена сталь XI2M закаливается при охлаждении на воздухе в больших сечениях заготовки.
С повышением температуры закалки с 950 до 1200 о С количество избыточных карбидов уменьшается с 9 до 1 %, а концентрация углерода и хрома в растворе возрастает от 0,2 и 3,0 до 9 и 11 % соответственно. Температура Мн снижается при этом с +300 до 50 о С (закалка при 1250 о С), а количество аустенита возрастает с 10 до 50%).
Твердость стали XI2M достигает максимального значения (61…63 HRC) после закалки с 1000…1040 о С. При этом в мартенсите содержится 0,4…0,45% С и в стали сохраняется 15…20% аустенита. Указанная концентрация углерода в мартенсите стали Х12М меньше, а количество аустенита больше по сравнению с заэвтектоидными сталями. Твердость сталей с 12 % Cr при этом несколько ниже, чем у заэвтектоидных. При таком нагреве сохраняется мелкое зерно (балл 10).
Дальнейшее повышение температуры нагрева приводит к снижению твердости до 50 HRC из-за указанного уже увеличения количества остаточного аустеннта. Прочность с повышением температуры нагрева более 1000 – 1030 о С также снижается вследствие роста зерна.
Вязкость сталей изменяется более сложно. У низкоотпущенной стали (150…250 ° С) она возрастает в результате небольшого повышения температуры закалки (до 1000 о С), вызывающего растворение дисперсных карбидов из пограничных зон зерна. При дальнейшем повышении температуры нагрева на 30 – 40 о С вязкость снижается из-за роста зерна. Однако она вновь возрастает в результате закалки с еще более высоких температур (1100 – 1025 о С) в результате резкого увеличения количества остаточного аустенита и при этом устраняется мартенситный ”скелет“. После более высокого отпуска, вызывающего снижение доли остаточного аустенита, вязкость снижается.
|
|
Сталь Х12Ф1 часто обрабатывают на вторичную твердость. При этом для полноты превращения остаточного аустенита делается трехкратный отпуск при температуре ~ 500 ° С.
Изменение твердости стали Х12Ф1 от температуры закалки и отпуска показано на рис. 107. Видно, что твердость после трехкратного отпуска получается ниже. Однако после такой обработки сталь приобретает теплостойкость ~ 520 о С. Это бывает важным, если производится штамповка нагретого металла или когда в результате интенсивной работы инструмент нагревается до температур выше 250 о С (рис. 107).
Рис. 107. Твердость стали Х12Ф1 в зависимости от температуры закалки и отпуска: а – однократный отпуск; б – трехкратный отпуск при 520 °С |
При термической обработке сталей типа Х12 необходимо соблюдать следующие требования:
1. Так как стали ледобуритного класса имеют низкую теплопроводность их следует нагревать при закалке в два этапа – первый подогрев в печи с температурой 600…650 о С, выдержка до полного выравнивания температуры, окончательный нагрев в расплаве соли или в печи. Этот режим предупреждает коробление детали и возможное её разрушение.
2. Охлаждение деталей следует производить в подогретом до 60…80 о С масле умеренной вязкости. После охлаждения в масле до 200…180 о С деталь можно вынуть из ванны и далее охладить на спокойном воздухе.
3. Лучшие результаты дает ступенчатая закалка в расплавах солей с выдержкой до выравнивания температуры по сечению детали при 180 о С.
4. Стали склонны к обезуглероживанию и интенсивному окислению. Их желательно нагревать в расплавах солей или в защитных атмосферах.
5. Хорошие результаты дает обработка холодом при температуре –70 о С. После обработки холодом достаточно одного отпуска.
|
|
6. В высокохромистых сталях проявляется эффект ”нафталинистого излома”. Поэтому между горячей обработкой (например, ковкой) и последующей закалкой необходимо производить смягчающий отжиг по режиму: нагрев 800…830 о С, выдержка не менее 2-х часов, охлаждение до 700…720 о С со скоростью 30…40 град. в час, выдержка 2…3 часа при 700…720 о С, дальнейшее охлаждение с печью до 600…650 о С, а затем на воздухе.