Фазовые превращения в быстрорежущих сталях

Высокие служебные свойства инструмента из быстрорежущей стали достигаются после термической обработки. Рассмотрим фазовые превращения, которые протекают при этом, на примере сталей Р18 и Р6М5.

Превращения при нагреве стали под закалку связаны с аустенитизацией и переходом в твердый раствор легирующих элементов из карбидной фазы.

По достижении температуры 1000 – 1100 ^оС в обеих сталях весь хром переходит полностью из карбида в аустенит. Однако при этой температуре растворение карбидов Ме6С и МеС невелико. Наиболее активно процессы растворения карбидов Ме6С протекают при температурах 1200 – 1240 ^оС в стали Р6М5 и еще при более высоких температурах 1270 – 1300 ^оС в стали Р18, что вызывает существенное обогащение аустенита вольфрамом (Р18) и вольфрамом и молибденом (Р6М5). Растворение карбидов МеС также происходит при высоких температурах и почти предельное количество ванадия растворяется в стали Р6М5 при 1200 – 1240 ^оС, а в стали Р18 – при 1260 – 1300 ^оС. Остальное количество элементов, содержащихся в стали, входит в состав нерастворенной (избыточной) карбидной фазы.

При температуре закалки 1200 – 1230 ^оС в стали Р6М5 обеспечивается мелкое зерно аустенита; содержание остаточного аустенита составляет 20 – 25 % , достигается высокая твердость и красностойкость стали. Предел прочности при изгибе после закалки от 1240 ^оС резко снижается. Аналогичные свойства достигаются у стали Р18 после закалки от 1270 – 1290 ^оС.

Высоколегированный аустенит, образовавшийся при высокотемпературном нагреве обладает весьма высокой устойчивостью к распаду, вследствие чего быстрорежущие стали могут закаливаться даже при охлаждении на воздухе. Однако при этом, как видно из диаграммы возможно выделение из переохлажденного аустенита при температурах 800 – 550 ^оС специальных карбидов, что приводит к обеднению твердого раствора легирующими элементами и к уменьшению красностойкости. Поэтому инструмент из быстрорежущей стали обычно охлаждают в масле или в расплаве солей или щелочи.

В интервале температур 350-600 ^оС имеется зона высокой устойчивости аустенита, что позволяет проводить ступенчатую закалку инструментов. Выдержка в интервале температур 400 – 500 ^оС не вызывает выделения карбидов, распада аустенита и не влияет на температуру мартенситного превращения. Однако ступенчатая закалка в низкотемпературной соляной (щелочной) ванне позволяет выровнять температуру по сечению инструмента перед мартенситным превращением и тем самым значительно уменьшить возникающие при закалке напряжения, а следовательно, снизить коробление инструмента и возможность образования в нем закалочных трещин.

Также возможно проведение изотермической закалки с кратковременной выдержкой в области бейнитной ступени, что приводит к понижению температуры мартенситного превращения, увеличению количества остаточного аустенита и еще более существенному уменьшению коробления и склонности к трещинообразованию.

Таким образом, фазовый состав быстрорежущих сталей после закалки следующий: нерастворенных карбидов – 7-15 %, остаточного аустенита – 20-30 %, остальное – мартенсит. В сталях с кобальтом количество остаточного мартенсита – 35- 40 %.

Превращение при отпуске быстрорежущей стали заключается в выделении специальных карбидов из мартенсита и превращении остаточного аустенита в мартенсит. Благодаря этим процессам достигаются высокие свойства стали и инструмент приобретает необходимые эксплуатационные характеристики. Уменьшение твердости стали происходит при отпуске до температур 400 ^оС. Отпуск при 400 – 500 ^оС приводит к увеличению твердости и снижению прочности при изгибе до минимальной. Максимальная твердость достигается при отпуске 540 – 560 ^оС.

Интенсивное выделение карбидов ванадия происходит при отпуске 560 ^оС, однако при этой температуре в твердом растворе сохраняется высокое содержание вольфрама. Последний интенсивно выделяется из твердого раствора в виде карбида Ме6С при температурах отпуска выше 600 ^оС, что обусловливает потерю красностойкости при этих температурах.

Кроме процесса карбидообразования на свойства стали существенно влияет превращение остаточного аустенита в мартенсит. При нагреве закаленной стали до температур 500 – 600 ^оС и изотермиче5ской выдержке при ней из остаточного аустенита выделяются специальные карбиды. Вследствие этого повышается мартенситная точка и остаточный аустенит частично превращается в мартенсит. Практически полное превращение остаточного аустенита в мартенсит можно осуществить лишь после нескольких циклов нагрева и охлаждения, т.е. после 2-4 –кратного отпуска.

Существенный эффект достигается при многократном отпуске. После первого отпуска количество остаточного аустенита снижается с 25 до 10 %. При этом мартенсит, полученный при закалке, отпускается, но образуется новый неотпущенный мартенсит из остаточного аустенита. При втором отпуске количество остаточного аустенита снижается с 10 до 5 %, отпускается мартенсит, полученный при первом отпуске, но опять появляется новый неотпущенный мартенсит. После третьего отпуска количество остаточного аустенита составляет лишь 1-2 % и практически весь мартенсит отпущен. Многократный отпуск приводит к росту твердости по сравнению с закаленным состоянием, т.е. к явлению вторичной закалки или вторичной твердости.

Также вместо проведения многократных отпусков возможна обработка холодом. Обработка холодом заключается в том, что сразу после закалки сталь охлаждают до температуры – 80 ^оС. Такое охлаждение вызывает дополнительное превращение в мартенсит 10 -20 % остаточного аустенита. После обработки холодом достаточно проведения одного отпуска. Однако значительное увеличение напряжений при обработке холодом повышает коробление и возможность образования трещин в инструменте.

Таким образом, фазовый состав быстрорежущих сталей после многократного отпуска: специальные карбиды – 20-25 %; остаточный аустенит – 1-2 %, остальное – отпущенный мартенсит (в т.ч. 3-4 % неотпущенного).