6. Термическая обработка и термоупрочнение инструментов

1. Термическая обработка и термоупрочнение инструментов

2.

3.

• Термическая обработка разделяется на
предварительную термическую
обработку заготовок инструмента,
основную термическую его обработку и
упрочняющую (поверхностную химикотермическую)

4.

5. Предварительная термическая обработка.

Отжиг
Заготовки инструмента, получившие
неудовлетворительную структуру в
результате сварки, ковки, штамповки,
прокатки или недостаточную твердость
после закалки, подлежат отжигу.
Твердость заготовок после отжига
должна быть не больше, чем твердость
металла инструмента в состоянии
поставки.

6.

7.

• Сварные заготовки и детали
после штамповки подвергаются
отжигу в конвейерных (при
массовом производстве),
шахтных или камерных печах с
электрическим нагревом, а при
циклическом отжиге — в
соляных ваннах с
электрическим нагревом

8.

9.

Высокий отпуск
• Производят перед окончательной
термической обработкой для снятия
внутренних напряжений после
механической обработки заготовок или
после проката.
• Высокому отпуску обычно подвергают
сверла из быстрорежущих сталей,
изготовляемых методами пластической
деформации (секторным прокатом).

10.

11.

Нормализация.
• Служит для некоторого повышения твердости и
частичного устранения цехментитной сетки на границах
зерен в целях улучшения обрабатываемости заготовок
метчиков, плашек, напильников.
Улучшение.
• Используют взамен нормализации для улучшения
обрабатываемости резанием. Обеспечивает получение
более равномерной твердости, устранение цементитной
сетки.
Карбидный отпуск.
• Производят в целях повышения пластичности
заготовок, подвергающихся обработке холодной
пластической деформацией и вырубкой.
(карбидный отпуск — отпуск быстрорежущей стали при 720-760 °С,
сопровождаемый частичным растворением карбидов; обеспечивающий
повышение деформируемости и обрабатываемости стали.)

12.

13.

14. Основная термическая обработка.

• Включает, как правило, закалку
и последующий отпуск.
Обеспечивает получение
требуемых свойств по
прочности, твердости,
теплостойкости инструмента.

15.

16. Закалка.

• Условно можно выделить два вида основной
термической обработки инструментальных
сталей:
• 1) закалка с низким отпуском (структура
стали — мартенсит отпуска);
• 2) закалка на мартенсит с последующим
высоким отпуском для дисперсионного
твердения (структура стали — мартенсит
первичный, мартенсит отпуска, остаточный
аустенит).

17.

18.

• Первый вид применяется при
термической обработке
инструментальных углеродистых и
легированных сталей с достаточно
высоким содержанием углерода (У7—
У13; 9ХС; 11ХФ; 13Х; В2Ф; ХВ4; ХВСГ;
ХВГ; 6ХС; Х12Ф; Х12М; 5ХНМ и др.);
второй вид — при обработке
быстрорежущих, штамповых (4ХЗВМФ,
ЗХЗМЗФ и др.), мартенситно-стареющих
сталей и сплавов с интерметаллидным
упрочнением (В11М7К23 и др.).

19.

20.

• Нагрев инструмента при закалке
осуществляется различными
способами: в соляных или
свинцовых ваннах, электро- или
газовых печах с защитной
атмосферой, в вакуумных печах,
токами высокой частоты.
Наибольшее распространение
получил нагрев в соляных ваннах и
вакуумных печах.

21.

22.

• Соляные и свинцовые ванны представляют собою печитигли, нагреваемые электричеством. В свинцовых
ваннах детали могут нагреваться от 330 до 850°, в
соляных — от 150 до 1350°, в зависимости от состава
солей. Эти печи применяются как для нагрева под
закалку и отпуск, так и для охлаждения при
изотермической закалке.
• Соляные и свинцовые ванны имеют ряд преимуществ
перед печами. К их числу относятся быстрота нагрева
изделий, отсутствие окисления и обезуглероживания
изделий с поверхности, точность регулирования
температуры нагрева. Однако эти печи-ванны
применимы преимущественно для малых деталей.

23.

• Инструмент из быстрорежущих и
высокохромистых сталей (кроме
протяжки) проходит ступенчатое
охлаждение в горячих средах с
температурой 400—550 °С (обычная
ступенчатая закалка) или 610—650 °С
(высокоступенчатая закалка). Время
выдержки при охлаждении инструмента
из быстрорежущей стали принимается
равным времени аустенитизации,
дальнейшее охлаждение до комнатной
температуры осуществляется на
воздухе.

24.

25.

Отпуск.
• Весь инструмент из быстрорежущих
сталей подвергается двух- или
трехкратному отпуску. Обычно отпуск
производят при температурах 550—570 °С
с выдержкой в течение 1 ч. Однако
довольно распространен и сокращенный
отпуск, осуществляемый при более
высоких температурах и уменьшенной
выдержке. В последнем случае следует
тщательно контролировать режим отпуска
(температуру и время выдержки).

26.

Пассивирование —создание тонкой пленки окислов на поверхности
металлов с целью предохранения их от коррозии.

27.

Цианирование.
• Получило наибольшее распространение.
Представляет собой процесс химикотермической обработки инструмента из
быстрорежущих сталей, при котором
поверхностный слой насыщается углеродом
и азотом. Твердость поверхностного слоя при
этом повышается до 1100 HV. Перед
цианированием инструмент должен быть
закален и отпущен, его поверхность должна
быть очищена от солей, окислов, продуктов
травления, грязи и масла. На режущих
кромках не допускается наличие
обезуглероженного слоя, прижогов.

28.

29.

15.11. Разновидности химико-термической обработки
инструмента
Назначение, свойства
поверхностного слоя
Особенности технологического процecса
Азотирование
(низкотемпературное)
Обработка
инструмента из
быстрорежущих и
штамповых сталей.
Твердость 1000—
1100 HV
Насыщение поверхностного слоя азотом и
углеродом при температуре 560— 580 °С в
расплаве соли NaCN (KCN). Время 5—30
мин То же, но в расплаве солей 70 % KCNO +
30 % К..СО, или 55 % CO(NH2)2 -f 45 % К2СО3
Азотирование
газовое
Обработка
инструмента из
быстрорежущих и
штамповых сталей.
Твердость 1100—
1200 HV,
толщина слоя
0,02—0,03 мм (0,080,2 мм для штамповых
сталей) Обработка
инструмента из
быстрорежущих и
штамповых сталей.
Твердость 1000—
1100 HV
Температура 520—540 °С при степени
диссоциации аммиака 25—30 % или
540—580 °С при степени диссоциации
35—40 % . Время 0,5—2 ч для инструмента из
быстрорежущих сталей и 8— 12 ч — из
штамповых
Насыщение поверхностного слоя азотом и
углеродом при температуре 560— 580 °С в
смеси аммиака и науглероживающего газа.
Время 1—2 ч
Вид обработки

30.

Азотирование в
тлеющем разряде
Обработка
инструмента из
быстрорежущих и
штамповых сталей.
Твердость 1100—
1200 HV,
толщина слоя
0,02—0,03 мм
(0,08—0,2 мм для
штамповых сталей)
Атмосфера азотирующая, разреженная от 133
до 665 Па, рабочее напряжение 350—550 В.
Время в 3—4 раза меньше, чем при газовом
азотировании
Сульфоцианирование
Обработка
инструмента из
быстрорежущих
сталей для
повышения
твердости
Насыщение
поверхностного
слоя
углеродом, азотом, серой. Процесс тот же, что
при цианировании, но в состав добавляется 2 %
K2S или 25 % Na2SO4 и 5% Na^Os
Обработка
перегретым паром
Повышение
стойкости
инструмента из
быстрорежущих
сталей. Улучшение
внешнего вида
Температура пара 550—570 °С, давление
0,02—0,03 МПа. Нагрев предварительно до
300—400 °С, выдержка 30 мин, затем нагрев
до 555 °С и выдержка 1 ч. Охлаждение в масле
(Россия) или специальных средах (на
предприятиях иностранных фирм)

31.

32. Термическая обработка твердых сплавов.

• Обеспечивает повышение прочности, ударной
вязкости, твердости, износостойкости
инструментов, оснащенных твердым сплавом группы
В К. Заключается в закалке спеченных
твердосплавных заготовок или их отжиге при
температуре 600—1250 °С в течение нескольких
часов (до 100).
• Наибольшее распространение получила закалка
заготовок. В процессе закалки заготовки нагревают
со скоростью 10— 15°С /с до температуры 1150—
1200 °С (сплавы с содержанием кобальта до 15 %
или до 1000 °С (сплавы с содержанием кобальта
более 15 %), а затем охлаждают в масле, нагретом
до 40 °С.

33. Дополнительная обработка и упрочнение инструментов

34.

• Упрочнение инструментов в настоящее
время становится одним из важнейших в
повышении долговечности инструмента и
производительности труда.
• Условно можно выделить операции,
осуществляемые в процессе изготовления
инструмента (химико-термическую
обработку и механическое и некоторые
другие виды упрочнения), и операции,
которые могут производиться как в
процессе изготовления инструмента, так и
при его переточках.

35. Нанесение износостойких покрытий.

• Процесс не требует больших затрат,
обеспечивает резкое повышение обработки и
получает широкое распространение как у
изготовителей инструмента, так и у его
потребителей. Существует ряд способов
нанесения покрытий: электроискровой
(установки типа «Искра»), плазменный,
детонационный и др. Наиболее широкое
применение получили способы газофазного
осаждении и катодного напыления с ионной
бомбардировкой.

36.

37. 1. Газофазный способ.

• С помощью этого способа наносят пленку
карбида титана на многогранные
твердосплавные пластины. Толщина слоя,
насыщенного карбидом титана, составляет 3—
10 мкм. Для нанесения покрытий используют
специальные установки, в которых на
поверхность помещенной в камеру детали
осаждаются из газовой фазы карбида титана.
Процесс происходит при высокой температуре
(до 1000 °С), поэтому покрытию подлежат
изделия, не теряющие своих свойств при этой
температуре. Метод освоен на предприятиях
Минцветмета. Используется он и на некоторых
машиностроительных предприятиях.

38.

39. 2. Способ катодного напыления.

• Основан на нанесении тонких пленок карбидов,
нитридов, окислов металлов IV—VI групп таблицы
Менделеева на поверхность изделия в вакууме
(1,33 · 10-7—1,33 · 10-9 Па). Процесс заключается в
следующем: под действием напряжения, возникающего
между анодом (изделием) и катодом (металломиспарителем) металл с катода испаряется, образуя
ионное поле. Инструмент нагревается до температур
300—600 °С.
• При прокачке через камеру азота или другого газа,
содержащего азот, ионы испарившегося металла
(молибдена, титана), взаимодействуя с ионами азота,
образуют нитриды и осаждаются на поверхность анода,
создавая тонкую пленку (2—12 мкм).

40.

41.

• При наличии нескольких испарителей из
различных металлов можно чередовать их
работу, нанося различные слои покрытия
(многослойные покрытия), различной
толщины, с помощью чего повышать
прочность сцепления покрытия с
материалом-основой, а на поверхности
использовать материалы с высокой
абразивной стойкостью. Известны различные
комбинации покрытий: TiC + TiN, TiC + TiN +
А12О3 и др. При этом число слоев достигает
13 и выше.

42.

• Существует ряд разновидностей процесса и
созданных на их основе установок. К их числу
относятся установки типов «Булат», «Пуск»,
«Юнион», «Мир» и др. В инструментальной
промышленности используется
разновидность процесса, совмещающего
катодное напыление с ионной
бомбардировкой поверхности изделия в
целях дополнительной ее очистки. Процесс
осуществляется на специальных установках.
Покрываются инструменты из легированных
и быстрорежущих сталей, твердых сплавов.

43. Модернизированная установка для нанесения износостойких покрытий

44.

• В зависимости от вида изделия, размеров и
конструкций камеры установки, взаимного
расположения испарителей и изделия оно в
процессе покрытия может оставаться
неподвижным, вращаться вокруг своей оси,
вокруг оси вращения приспособления или
ему может сообщаться еще и возвратнопоступательное движение.
• Качество покрытия зависит от качества
подготовки поверхности под покрытие,
чистоты используемых исходных материалов
(газов, испарителей) точности регулировки
температуры.

45.

Нанесение износостойких
нанокомпозитных покрытий
(моно-, 2D, 3D — типов) с
использованием технологии
несбалансированных
магнетронных распылительных
систем на:
1. Металлообрабатывающий
инструмент (токарный,
фрезерный, сверлильный,
расточной, резьбонарезной,
вспомогательный) из твердых
сплавов и быстрорежущий
(новый или перезаточенный).
2. Металлообрабатывающий
инструмент специального
назначения.
3. Штамповочный инструмент,
пресс-инструмент.

46.

47.

• При необходимости после
покрытия сохранить остроту
режущих кромок (чистовая
обработка) переднюю поверхность
покрытого инструмента доводят,
снимая незначительный слой
покрытия (2—3 мкм), что позволяет
повысить качество обработанной
поверхности, стойкость
инструмента.

48.

• Качество покрытия проверяют царапанием и
трением. Толщину покрытия можно замерять
на образцах-свидетелях или с помощью
приборов, например толщиномера модели МТ41НЦ при измерении покрытий на
ферромагнитных материалах.
• Повторное покрытие инструмента после его
переточек может осуществляться по
прошествии времени, равного одному или
двум периодам стойкости, так как после
первой переточки покрытий ранее инструмент
обладает еще повышенной стойкостью,
которую обеспечивает покрытие (на передней
грани и ленточках у сверл, на профиле резьбы
у метчиков), не снимаемое при переточках.

49. Современные покрытия твердосплавных пластин PVD и CVD

50. История развития инструментальных материалов

1994
1989
шт /час
1980
Градиентное
спекание
Покрытие
TiN-Al2O3-Ti(CN)
1969
СМП с
1957 покрытием
СМП
2000
МТ-CVD

51. Конструкция современной СМП

основа
покрытие
Конструкция современной СМП
- TiN - определение износа
- Al2O3 - хим. инертность и
термостойкость
- TiCN - износостойкость
Функциональный градиент
– сопротивление развитию
трещин
Карбиды - твердость и
сопротивление
пластической деформации

52. Покрытие PVD (Physical Vapor Deposition)

• Покрытие PVD менее
прочное чем CVD
• Небольшая толщина
< 2 мкм
• Острая режущая
кромка
• TiC, TiCN, TiN, TiAlN

53.

• Напыление конденсацией из паровой (газовой)
фазы (physical vapour deposition; сокращённо PVD)
обозначает группу методов напыления покрытий
(тонких плёнок) в вакууме, при которых покрытие
получается путём прямой конденсации пара
наносимого материала.
• Различают следующие стадии PVD-процесса:
• Создание газа (пара) из частиц, составляющих
напыление;
• Транспорт пара к субстрату;
• Конденсация пара на субстрате и формирование
покрытия;
• Материалами для напыления служат диски из
титана, алюминия, вольфрама, хрома и их сплавов;
ацетилен (для покрытий, содержащих углерод); азот.
• С помощью PVD-процесса получают покрытия
толщиной до 5 мкм, обычно после нанесения
покрытия поверхность не требует дополнительной
обработки.

54. Покрытие CVD (Chemical Vapor Deposition)

• Покрытие CVD работает
при более высоких
температурах и
скоростях
CVD
• Толщина 2-12 мкм
• MT CVD - улучшенная
адгезионная стойкость и
износостойкость
MT-CVD

55.

• CVD-процесс (Chemical vapor
deposition) - химический процесс,
используемый для получения
высокочистых твердых материалов. В
типичном CVD-процессе, подложка
помещается в пары одного или
нескольких веществ, которые, вступая в
реакцию и/или разлагаясь, производят
на поверхности подложки необходимое
вещество.

56.

Процесс нанесения покрытия
CVD
PVD

57.

• Метод химического осаждения (CVD)
практически не имеет ограничений по
химическому составу покрытий. Все
присутствующие частицы могут быть
осаждены на поверхность материала. Какие
покрытия при этом образуются, зависит от
комбинации материалов и параметров
процесса. Если процесс протекает при
заполнении пространства реакционноспособным газом (кислородом, азотом или
углеводородами), в результате химической
реакции между атомами осаждаемых
металлов и молекулами газа происходит
нанесение оксидных, нитридных и карбидных
покрытий. Состав покрытия зависит от
парциального давления газа и скорости
осаждения покрытия.

58. Современные твердосплавные инструменты

59.

• MT-CVD (средне-температурное химическое
покрытие) и в настоящий момент он получил
массовое распространение в инструментальной
промышленности. Покрытия, нанесенные методом
MT-CVD, отличаются от традиционных лучшей
адгезией первого слоя TiCN к поверхности твердого
сплава и отсутствием включений хрупкой
пограничной эта-фазы на границе твердый сплав –
износостойкое покрытие. Кристаллы карбонитрида
титана выращенные методом МТ-СVD имеют более
равномерную вертикальную структуру и потому
данный вид покрытий отличается значительно
большей устойчивостью к отслаиванию и
выкрашиванию режущей кромки связанному с
потерей защиты. Поверхность МT-CVD покрытий
также удается сделать более гладкой, что снижает
склонность к образованию нароста и позитивно
сказывается на качестве обработки.

60. Градиентное спекание

Кобальт
Карбиды
вольфрама
Разные
карбиды
(ТiC, TaC, NbС)
Усиление режущей кромки из-за
отсутствия хрупких карбидов

61.

Градиентное спекание
Al2O3
TiN
TiCN
WC
TaC,
NbC,
TiC
Co
Обычное
спекание
Градиентное
спекание

62.

• Данная технология позволяет создать на
поверхности твердосплавной пластины,
непосредственно под покрытием, тонкий,
упругий и вязкий слой (порядка 10-25 мкм),
обогащенный кобальтом и карбидом
вольфрама и практически полностью
лишенный сложных карбидов ТiC, TaC и NbС.
В результате сплавы изготовленные новым
методом спекания получили повышенную
устойчивость к хрупкому растрескиванию,
потому что рост трещин, зародившихся в
износостойком покрытии, эффективно
останавливался в градиентном слое.

63.

Покрытия твердосплавных
пластин
Однослойные
покрытия
Двухслойные
покрытия
Трехслойные
покрытия
Две цели применения многослойных покрытий:
Слои выполняют разные функции – износостойкость, теплостойкость,
индикация
Подкладные слои обеспечивают прикрепление рабочего слоя к
поверхности

64. Лазерная термическая обработка поверхностей инструмента

• Обеспечивает повышение твердости, прочности
инструмента из различных инструментальных
материалов, в том числе твердых сплавов
сверхтвердых материалов, минералокерамики.
Тепловой удар, осуществляемый за чрезвычайно
короткий период времени, создает на поверхности
изделий тонкие пленки с измененной структурой и
свойствами. Процесс осуществляется на установках
«Квант-16» и «Квант-18», диаметр пятна 16 или 18
мм соответственно.
• Поверхность инструмента может обрабатываться
лучом лазера как полностью, так и на отдельных
участках передней или задней поверхности.

65.

66. Механическое упрочнение.

• Осуществляется при изготовлении
твердосплавного инструмента и инструмента
из минералокерамики. Заключается в
обработке режущих клиньев песком, дробью
или в вибрационной обработке с
наполнителем, В процессе обработки
режущие кромки инструмента округляются до
нужного радиуса, «тренируются», что
снижает остаточные растягивающие
напряжения, создает в поверхностном слое
сжимающие напряжения. Наибольшее
распространение получила вибрационная
обработка режущих пластин из твердого
сплава минералокерамики.

67.

• Литература:
1. (В.Г. Шипша) «ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ
СТАЛИ.ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ.»
2. Автор: к.т.н. доцент Виноградов Д.В.
Презентация по материалам кафедры
«Инструментальная техника и
технологии» МГТУ им.Н.Э.Баумана,
фирм Sandvik и Iscar