Чтобы яснее представлять процесс термообработки, необходимо немного познакомиться с теорией термической обработки металлов и сплавов, а затем, применяя эту теорию на практике, изготавливать качественные резцы по дереву и другой важный для себя инструмент.
В металловедении сталью называют сплав железа с углеродом и другими элементами, причем содержание углерода может доходить до 2,14 %. Структура стали определяется в основном содержанием углерода и видом его соединения с железом. Само железо может существовать в двух модификациях: в форме α (альфа-железо) при температуре ниже 911 °C и в форме γ (гамма-железо) при нагреве от 911 до 1392 °C. Эти две формы различаются состояниями критической решетки.
Железо способно растворять углерод и легирующие элементы, образую твердые растворы.
Твердый раствор углерода в α-железе называют ферритом, а в γ-железе аустенитом. Феррит прочнее и тверже, но менее вязок, чем аустенит. Железо с углеродом образует химическое соединение — карбид железа, называемый цементитом. Он имеет высокую твердость и очень хрупок.
Пересыщенный твердый раствор углерода в γ-железе называют мартенситом. Эта структура образуется из аустенита при очень сильном охлаждении. Мартенсит является основной структурой закаленной стали, так как твердость ее может достигаться 60–65 HRC. Любое изменение состава сплава в зависимости от температуры и концентрации отображают графически — диаграммой состояния. Диаграммы состояния строятся экспериментально на основе данных, полученных в результате термического анализа исследуемых металлов и сплавов.
В термообработке сталей и сплавов, для определения температуры нагрева при закалке и отпуске, используют часть диаграммы железо-цементит (рис. 1).
Рис. 1.Содержание углерода. Диаграмма состояния железо-цементита для определения температуры нагрева сталей при ковке и термической обработке:
А — аустенит; Ф — феррит; Ц — цементит; П — перлит; Тн — температура нагрева сталей в начале копки; Тк — температура конца ковки
По оси ординат нанесена температура сплава, а по оси абсциссе — концентрация углерода в сплаве. Зная марку стали, а значит, и содержание углерода, легко по диаграмме вычислить температуру закалки или отпуска.
Экспериментально установлено, что сталь с содержанием углерода до 0,25 % в результате закалки свои свойства почти не изменяет, поэтому эти стали и не закаливают. Они нашли широкое применение для художественной ковки в кузницах, потому что обладают повышенной пластичностью. Доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,28 до 0,8 % при закалке нагревают выше линии GS на 30–50 °C (рис. 1).
При таком нагреве исходная структура (феррит + перлит) превращается в аустенит, а при охлаждении с высокой скоростью в воде образуется мартенсит. При содержании углерода в сталях от 0,28 до 0,32 % твердость закаленной стали может составлять 35 HRC, а при содержании углерода от 0,4 до 0,5 % твердость может быть около 50 HRC.
Вот почему резцы, изготовленные из низкоуглеродистых сталей, не обладают хорошими режушими свойствами, в том числе из рессорно-пружинных сталей 5 °CГ; 65Г.
Заэвтектоидные стали (в основном инструментальные) нагревают выше линии SK на 30–50 °C, и она составляет 760–790 °C. При таком нагреве перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной. После быстрого охлаждения в воде, аустенит превращается в мартенсит. Структура такой стали после охлаждения состоит из мартенсита и цементита, что придает инструментальной стали высокую твердость и износостостойкость. Твердость такой стали может составлять 62 HRC.
Легированные инструментальные стали перед закалкой нагревают несколько выше, чем углеродистые до 800–870 °C. Это объясняется тем, что легирующие элементы изменяют эвтектоидную температуру (положение точек Ас1 и Ас3), увеличивая устойчивость аустенита. С другой стороны, легирующие элементы уменьшают критическую скорость закалки, что позволяет в качестве охлаждающей среды применять масло. Это уменьшает вероятность коробления готового инструмента и его растрескивание.
Быстрорежущие стали (Р9; Р18; Р6М5) для закалки нагревают до 1240–1280 °C. Такая высокая температура необходима для растворения части карбидов и получения высоколегированного аустенита и мартенсита после охлаждения, что обеспечивает большую теплостойкость стали.
Для исключения появления трещин во время нагрева быстрорежущую сталь нагревают ступенчато в соляных ваннах (первый нагрев 400–500 °C, второй — 800–850 °C). При охлаждении в масле аустенит превращается в мартенсит, но не весь — часть его (25–30 %) сохраняется в виде остаточного аустенита. При отпуске (550–570 °C), обычно трехкратном с интервалом в один час, происходит выделение карбидов, а остаточный аустенит превращается в мартенсит закалки, в связи с чем твердость повышается до 64 HRC. Режимы термообработки некоторых инструментальных сталей даны в табл. 4.
Из теории термообработки следует, что доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,3 до 0,7 % следует охлаждать при закалке в воде, что позволяет получить среднюю твердость от 30 до 55 HRC.
Для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей с содержанием углерода от 0,8 до 1,3 % закалку лучше проводить в двух средах: сначала в воде до температуры 200–300 °C, затем окончательно охлаждение проводят в масле. Это исключает коробление и растрескивание готового инструмента.
Стали легированные и быстрорежущие охлаждают только в масле.
Умельцы и мастера, занимающиеся изготовлением инструмента, для его нагрева под закалку используют самодельные горны, газовые горелки, паяльные лампы, муфельные печи. Температура нагрева инструмента обычно измеряется визуально по цветам каления. Этому легко научиться после некоторой тренировки:
темно-коричневый (заметен в темноте) — 530–560 °C;
коричнево-красный — 580–630 °C;
темно-красный — 650–730 °C;
темно-вишнево-красный — 730–770 °C;
вишнево-красный — 770–800 °C;
светло-вишнево-красный — 800–830 °C;
светло-красный — 830–900 °C;
оранжевый — 900-1050 °C;
темно-желтый — 1050–1150 °C;
светло-желтый — 1150–1250 °C;
белый — 1250–1300 °C;
ярко-белый — 1350 °C.
При охлаждении металла цвет каления изменяется в обратной последовательности.
После проведения закалки в металле образуются большие внутренние напряжения, которые делают инструмент очень хрупким Поэтому для режущего инструмента проводят низкий отпуск с нагревом до температуры 150–250 °C и охлаждение на воздухе. Твердость инструмента при низком отпуске практически не изменяется, а вот хрупкость стали снижается до допустимых пределов.
Для инструмента, подвергающегося ударным нагрузкам (молотки, зубила, керны), проводят средний отпуск с нагревом 300–450 °C и охлаждением на воздухе. Высокому отпуску подвержен инструмент из быстрорежущей стали (для повышения твердости), а также инструмент, твердость которого по условиям работы не может превышать 45 HRC (пилы ленточные, дисковые, рамные).
Температура инструмента при отпуске определяется по так называемым цветам побежалости, которые получаются в результате образования пленок окиси различных цветов, соответствующих определенным температурам нагрева. Деталь перед отпуском должна быть тщательно зачищена от окислов:
светло-желтый — 220 °C;
темно-желтый — 240 °C;
коричнево-желтый — 255 °C;
коричнево-красный — 265 °C;
пурпурно-красный — 275 °C;
фиолетовый — 285 °C;
васильковый — 295 °C;
светло-синий — 315 °C;
серый — 330 °C.
При более высокой температуре поверхность стали темнеет и остается такой до появления цветов каления. При отпуске легированных сталей необходимо помнить, что цвета побежалости появляются при более низких температурах.
Качество закалки режущего инструмента перед заточкой и доводкой контролируют напильником с мелкой насечкой, имеющего стандартную твердость 61–62 HRC.
Сталь с низким содержанием углерода, легко запиливается этим напильником. Средней твердости — запиливается с трудом, при сильном нажиме. На инструментальной стали высокой твердости напильник едва оставляет следы, даже при сильном нажиме. По быстрорежущей стали напильник легко скользит, не оставляя никаких следов, потому что твердость этой стали выше твердости напильника. Иногда для исправления твердости инструмента необходимо знать марку стали, из которой он изготовлен, чтобы успешно провести термообработку. Для этого используют корборундовый круг, зернистостью 35–40, вращающийся с окружной скоростью 25–30 м/сек. Испытуемый металл слегка и равномерно прижимают к наждаку. При этом от металла отделяются частицы, которые, сгорая, образуют светящиеся линии, заканчивающиеся вспышками в виде искр. Цвет, длина линий и вид искр для сталей с различным химическим составом неодинаковы. Это и позволяет определять марку стали.
Чтобы научиться правильно определять марку стали по искре, следует подобрать образцы известных инструментальных сталей, запомнить вид пучков, цвет и форму искр, чтобы сравнить их с испытываемой сталью.
Пробу на искру лучше проводить в затемненном помещении или оградить наждачный круг темным футляром. Некоторые группы сталей имеют следующий цвет искровых линий: углеродистые — светло-желтый; хромо-кремнистые — ярко-белый; быстрорежущие — темно-красный.
На рис. 2 приведены формы пучков искр наиболее распространенных марок сталей.
Рис. 2.Формы пучков искр некоторых марок сталей:
а — малоуглеродистая; б — углеродистая сталь (0,5 % углерода); в — инструментальная сталь У7-У10; г — инструментальная сталь У12; У13; д — хромистая сталь (40X13); е — быстрорежущая сталь с присадкой хрома и вольфрама (Р9; Р18);