Рубрика: Термическая обработка
Стойкость режущего, штампового и мерительного инструмента в большей степени определяется термической обработкой, чем самой маркой стали. Одна и та же матрица из Х12МФ после правильной закалки отработает сотни тысяч ударов, а после перегрева выкрошится на первых сотнях. Инструментальные стали требуют более точного соблюдения режимов, чем конструкционные: узкие температурные интервалы закалки, многоступенчатый нагрев, защита от обезуглероживания, многократный отпуск. В статье разбираем, как устроена термообработка основных групп инструментальных сталей и на что обратить внимание при заказе.
Инструментальные стали принято делить по назначению и степени легирования. От группы зависит температура закалки, охлаждающая среда, режим отпуска и итоговые свойства.
| Группа | Примеры марок | Основные свойства | Назначение |
|---|---|---|---|
| Углеродистые | У7А, У8А, У10А, У12А | Высокая твердость, низкая прокаливаемость и теплостойкость | Простой инструмент, ручной инструмент, керны, пробойники |
| Низколегированные | 9ХС, ХВГ, ХВСГ, 9ХФ | Глубже прокаливаются, меньше коробятся | Метчики, плашки, развертки, протяжки, мерительный инструмент |
| Штамповые холодного деформирования | Х12МФ, Х12, Х12М, Х6ВФ | Высокая износостойкость, малое коробление | Вырубные и гибочные штампы, накатные ролики, ножи |
| Ударостойкие | 6ХВ2С, 5ХВ2СФ, 4ХС | Высокая вязкость | Ножи для рубки металла, пуансоны пробивки, зубила |
| Штамповые горячего деформирования | 5ХНМ, 4Х5МФС, 3Х2В8Ф, 4Х4ВМФС | Теплостойкость, разгаростойкость, вязкость | Молотовые штампы, пресс-формы литья под давлением, матрицы прессования |
| Быстрорежущие | Р6М5, Р18, Р6М5К5, Р9 | Красностойкость до 600–650 °C, высокая твердость | Сверла, фрезы, метчики, долбяки, резцы |
Независимо от группы, к термообработке инструмента предъявляются особые требования:
Стали У7А–У12А дешевы и хорошо шлифуются, но имеют низкую прокаливаемость: сквозная закалка возможна только в сечениях до 10–15 мм, а для получения твердости нужна интенсивная среда.
Режим термообработки:
Низкая прокаливаемость иногда используется как преимущество: инструмент получает твердую оболочку и вязкую сердцевину, что полезно для пробойников и кернов.
Легирование хромом, кремнием, вольфрамом и марганцем повышает прокаливаемость и позволяет закаливать в масле, что снижает коробление. Это основные стали для резьбонарезного инструмента, разверток и мерительных калибров.
Режим термообработки:
Сталь ХВГ характеризуется минимальным изменением размеров при закалке, поэтому ее выбирают для калибров, длинных метчиков и протяжек. Для мерительного инструмента после закалки дополнительно выполняют обработку холодом и стабилизирующий отпуск, чтобы исключить изменение размеров со временем. Мы изготавливаем и обрабатываем резьбонарезной инструмент — подробнее в разделе плашек.
Содержат около 12 % хрома и до 2 % углерода, образуют большое количество твердых карбидов хрома. Отличаются очень высокой износостойкостью и малой деформацией при закалке, что делает их основным материалом вырубных штампов и ножей.
На первичную твердость: закалка с 1020–1040 °C в масле или на воздухе, низкий отпуск 150–200 °C. Твердость 61–63 HRC, максимальная износостойкость, минимальное изменение размеров. Применяется для штампов холодной вырубки.
На вторичную твердость: закалка с 1100–1120 °C, многократный отпуск при 500–520 °C. Твердость 58–60 HRC, выше теплостойкость, поэтому режим используют для инструмента, нагревающегося в работе, и перед азотированием.
Нагрев ведут ступенчато — с подогревом при 600–650 °C и 850 °C. Сталь склонна к карбидной неоднородности в крупных сечениях, поэтому важно качество заготовки и правильная ковка. Регулированием температуры закалки можно управлять количеством остаточного аустенита и добиваться практически нулевого изменения размеров — это используют при изготовлении точных матриц.
Инструмент горячей штамповки и литья под давлением работает в условиях циклического нагрева и охлаждения, поэтому требует не столько максимальной твердости, сколько сочетания теплостойкости, вязкости и разгаростойкости — сопротивления образованию сетки термических трещин.
Для пресс-форм литья алюминиевых сплавов дополнительно применяют азотирование рабочих поверхностей, повышающее стойкость к налипанию и эрозии.
Быстрорежущие стали Р6М5, Р18, Р6М5К5 сохраняют высокую твердость при нагреве режущей кромки до 600–650 °C. Это свойство — красностойкость — достигается только при правильной термообработке, которая заметно сложнее, чем у других групп.
Двух- или трехступенчатый: при 500–550 °C и 800–850 °C. Снижает термические напряжения и время выдержки при окончательной температуре.
Р6М5 — 1210–1230 °C, Р18 — 1270–1290 °C. Выдержка короткая — секунды на миллиметр сечения, чтобы растворить карбиды, но не вырастить зерно.
В масле, в расплаве солей при 500–550 °C с последующим охлаждением на воздухе или в газе под давлением в вакуумной печи.
Трехкратный отпуск при 550–570 °C по одному часу с охлаждением до комнатной температуры. Превращает остаточный аустенит и дает вторичное твердение до 63–65 HRC.
Дополнительно применяют обработку холодом после закалки, сокращающую число отпусков, и финишное упрочнение — азотирование, паротермическое оксидирование или нанесение износостойких покрытий на готовый инструмент.
Выбор способа нагрева определяет состояние поверхности после закалки.
| Способ нагрева | Состояние поверхности | Применение |
|---|---|---|
| Соляные ванны | Без окалины, при раскисленной ванне — без обезуглероживания | Быстрорежущий и мелкий инструмент, быстрый равномерный нагрев |
| Вакуумные печи | Светлая чистая поверхность | Штампы, пресс-формы, точный инструмент без последующей доводки |
| Печи с защитной атмосферой | Минимальное окисление | Серийный инструмент средних размеров |
| Упаковка в контейнеры, фольгу | Небольшое окисление | Единичные штампы и крупный инструмент |
| Воздушная атмосфера без защиты | Окалина и обезуглероживание | Только при большом припуске на шлифование |
Причины — перегрев, отсутствие подогрева, острые углы и надрезы, интенсивное охлаждение, задержка с отпуском, а также шлифование с прижогами. Для профильного инструмента важно скругление внутренних углов и маркировка вне рабочей зоны.
Связана с недогревом, обезуглероживанием, повышенным остаточным аустенитом или неправильным отпуском. У высоколегированных сталей повышенный аустенит устраняется дополнительным отпуском или обработкой холодом.
Результат перегрева и крупного зерна, карбидной неоднородности или чрезмерной твердости для данных условий. Иногда решается повышением температуры отпуска на 20–50 °C ценой небольшого снижения твердости.
Особенно критично для мерительного инструмента и матриц. Управляется выбором стали, температуры закалки, обработкой холодом и стабилизирующим отпуском.
Инструмент и оснастку мы изготавливаем полным циклом — механическая обработка, термообработка, шлифование и электроэрозия. Подробнее — в разделе инструментов.
Термообработка инструментальных сталей требует точного соблюдения температур, ступенчатого нагрева, защиты поверхности и своевременного, а для высоколегированных марок — многократного отпуска. Углеродистые стали закаливают в интенсивных средах и используют для простого инструмента, низколегированные 9ХС и ХВГ — для точного резьбонарезного и мерительного инструмента, высокохромистые Х12МФ — для износостойких штампов с минимальным короблением, стали горячего деформирования — для оснастки, работающей при нагреве, быстрорежущие — для высокопроизводительного режущего инструмента. Правильно выбранный режим под конкретные условия работы увеличивает стойкость инструмента в разы и снижает затраты на переточку и замену.
Если нужно выполнить термообработку инструмента или штамповой оснастки, подобрать режим под условия работы или изготовить инструмент по чертежу, отправьте заявку — специалисты предложат оптимальную технологию.
