Новые упрочняющие технологии инструментальных сталей

Повышение эксплуатационных свойств инструментальных сталей возможно при использовании способов поверхностного упрочнения – индукционной закалки, ХТО, нанесения покрытий. Преимущество этих способов в сравнении с объемным упрочнением является достижение требуемых высоких значений износостойкости только в относительно тонком поверхностном слое, в то время как сердцевина инструмента может оставаться мягкой и пластичной. Тем самым создаются возможности для получения композиционного инструментального материала с повышенным уровнем вязкости разрушения. Известные способы поверхностного упрочнения приводят к резкому охрупчиванию поверхностного слоя и не позволяют в полной мере использовать преимущества композиционных инструментальных материалов.

Качественно новый уровень эксплуатационных свойств инструментальных материалов достигается при обработке высококонцентрированными источниками нагрева (ВКИН) – лазерным и электронным лучами, плазменной струёй. Благодаря локальному и сверхскоростному тепловому воздействию создаются возможности получения более высоких значений твердости, прочности, вязкости в сравнении с объёмной обработкой или традиционными способами поверхностного упрочнения. Процессы фазовых и структурных превращений при плазменном упрочнении инструментальных сталей в состоянии поставки исследованы с использованием оптической и электронной микроскопии, рентгеновского структурного анализа. Установлено, что твердость углеродистых и низколегированных сталей после плазменного упрочнения на 100…200 HV превышает твердость после объёмной обработки. Это связано с образованием мартенсита преимущественно пластинчатой морфологии со сверхвысокой степенью дисперсности в упрочненной зоне. Поверхностная обработка инструментальных сталей мощной высококонцентрированной плазменной струей приводит к образованию в закаленном слое остаточных напряжений, которые на границе закаленного слоя скачкообразно уменьшаются, изменяют знак и переходят в растягивающие. Образование внутренних напряжений при плазменной закалке вызвано поверхностными термическими эффектами и не связано с фазовым и структурным превращениями. Неоднородный характер расположения остаточных напряжений по глубине зоны плазменного воздействия положительно влияет на вязкость разрушения упрочненных сталей: трещины от внешних нагрузок прекращают рост на границе закаленного слоя по так называемому механизму «ветвления» траектории.

Наряду с комплексным объёмно-плазменным упрочнением, эффективным способом повышения эксплуатационных свойств инструментальных сталей является комбинированное индукционно-плазменное упрочнение, сочетающее предварительную закалку токами высокой частоты и плазменную обработку. Установлено, что при последовательном индукционном и плазменном упрочнении уровень твердости и износостойкость рабочей поверхности инструмента соответствует объемно-плазменному упрочнению, а вязкость разрушения может быть значительно повышена благодаря образованию многослойного упрочнённого покрытия с мягкой внутренней зоной отпуска и двукратного торможения трещины на границах внутренних слоев. Комбинированное упрочнение значительно расширяет номенклатуру упрочняемого инструмента.

Перспективным методом комплексного упрочнения инструмента является использование плазменной обработки в сочетании с предварительной электродуговой наплавкой. Эта обработка позволяет повысить работоспособность режущего и деформирующего инструмента, снизить расход инструментальных материалов.

Также применяется для упрочнения инструмента термическая обработка в вакууме. Термообработка сталей в вакуумных печах с охлаждением в инертном газе обеспечивает следующие преимущества: отсутствие загрязнения окружающей среды; повышение качества термической обработки (получения высоких стабильных свойств, более равномерного прогрева изделия по сечению, медленного нагрева в интервале аустенитного превращения); снижение стоимости термообработки; существенное улучшение условий труда; большую гибкость в эксплуатации: вакуумные печи можно использовать для различных технологических процессов термической обработки. Также можно применять борирование. Изучение процессов борирования с дополнительным легированием никелем, медью и хромом углеродистых и низколегированных инструментальных сталей показало, что с увеличением содержания углерода глубина борированных слоев уменьшается. Однако морфология их остается для всех углеродных сталей одинаковой и характеризуется ветвистым строением боридов и рыхлостью боридных слоев. Фазовый состав боридных слоев во всех сталях одинаковый и состоит из боридов FeB. Но при формировании боридного слоя в легированных сталях по ряду с основными боридами FеВ и Fе₂В могут наблюдаться и бориды легирующих элементов типа Сг_хВ_у и др., что объясняется встречной диффузией в легирующих элементов из матричного a – твердого раствора в поверхностный диффузионный слой. Роль дополнительного легирования Ni, Cr, Cu состоит в пластифицирующем эффекте, заключающемся в некотором снижении общей твердости и монофазных боридных слоев при одновременном увеличении склонности к хрупкому разрушению. Поверхностное комплексное борирование в виброкипящем слое позволяет значительно снизить общее время ХТО в 1,5–2 раза по сравнению с традиционными способами.

Применяется также лазерная обработка из сталей ХВГ И У8 с хромовым покрытием. Проведены результаты экспериментальных исследований термообработки инструментов из сталей с хромовым покрытием толщиной 2–4; 4–6; 6–8 мкм лазерными пучками прямоугольной формы и пучками, сформированными в прямоугольный контур. Выявлены особенности лазерной термообработки и определены оптимальные технологические режимы. Энергия, необходимая для термообработки хромированной поверхности, выше для деталей из стали У8 на 1 Дж по сравнению с аналогичными инструментами из стали ХВГ. Микротвердость поверхности с хромовым покрытием у сталей У8 и ХВГ примерно одинаковая и составляет 920–1000 кг/мм². Энергия импульса, необходимая для обработки хромированных поверхностей, по сравнению с термообработкой предварительно закаленных сталей У8 и ХВГ возрастает на 14 Дж при одинаковых размерах пятна.