Обработка закаленной стали

Виды термической обработки и их влияние на сталь

Термическая обработка целенаправленно меняет микроструктуру стали, что напрямую отражается на ее твердости, прочности и вязкости. Каждый из этих параметров оказывает решающее влияние на процесс резания.

Отжиг

Процесс отжига представляет собой процесс нагрева с последующим медленным охлаждением в печи. Его основная цель — максимальное смягчение металла, снятие внутренних напряжений и улучшение обрабатываемости. Отожженная сталь имеет наименьшую твердость и пластичную структуру, что делает ее идеальной для последующей механической обработки, однако итоговые прочностные характеристики детали при этом низкие.

Нормализация

Нормализация, при которой сталь охлаждается на спокойном воздухе, обеспечивает более высокую скорость охлаждения, чем отжиг. Это приводит к формированию более тонкой и однородной структуры. Твердость нормализованной стали несколько выше, чем у отожженной, но обрабатываемость остается превосходной. Нормализация часто является подготовительной операцией, предназначенной для устранения негативных последствий предыдущих технологических процессов и создания однородной структуры перед последующей закалкой.

Закалка

Закалка, ключевой процесс упрочнения, заключается в резком охлаждении стали после нагрева до температур выше критических точек. Это создает чрезвычайно твердую, но хрупкую структуру — мартенсит. Обрабатываемость закаленной стали радикально ухудшается: материал становится абразивным и вызывает интенсивный износ инструмента.

Отпуск

Отпуск является обязательным дополнением к закалке и проводится путем нагрева уже закаленной стали до температур ниже критической точки с последующим охлаждением. Это снижает хрупкость и внутренние напряжения, частично жертвуя твердостью ради повышения вязкости. Именно от температуры отпуска зависит итоговый баланс между прочностью и обрабатываемостью стали, позволяя найти технологический компромисс для каждой конкретной задачи.

Сверление и фрезерование закаленной стали

Обработка закаленной стали, особенно с твердостью выше 45 HRC, требует коренного пересмотра подходов. Основными вызовами здесь являются абразивный износ инструмента, высокое тепловыделение и риск выкрашивания кромки из-за хрупкости материала заготовки.

Особенности сверления

При сверлении закаленной стали классические методы становятся неэффективными. Использование стандартных спиральных сверл из быстрорежущей стали приведет к их мгновенному выходу из строя. Необходимо применять твердосплавные сверла со специальной геометрией. Угол при вершине должен быть увеличен, часто до 135-140 градусов, для обеспечения лучшего центрирования и прочности режущей части. Подача должна быть снижена, но скорость резания часто повышают. Это делается для того, чтобы тепло генерировалось быстрее, чем успевало бы отводиться в тело заготовки, вызывая локальный разогрев и микро отпуск металла в зоне резания, что временно снижает его твердость и облегчает процесс.

Например, сверление отверстия диаметром 5 мм в стали твердостью 50 HRC требует использования твердосплавного сверла с покрытием, скорости вращения около 800-1000 об/мин и подачи не более 0,05 мм/об.

Обязательным условием является использование качественной СОЖ, подаваемой под высоким давлением непосредственно в зону резания для отвода тепла и вымывания стружки.

Особенности фрезерования

Фрезерование закаленной стали также имеет свои особенности. Прерывистый характер резания при фрезеровании создает ударные нагрузки на пластину, поэтому требуется использование стойких к ударам износостойких твердых сплавов. Стратегии обработки смещаются в сторону чистовых операций с небольшими припусками. Широкое распространение получила техника фрезерования с малой радиальной и большой осевой глубиной резания, когда инструмент работает своей концевой частью, что улучшает отвод стружки и тепла. Режимы резания выбираются с расчетом на высокие скорости и малые подачи на зуб.

Для фрезерования поверхности стали твердостью 55-60 HRC потребуется твердосплавная концевая фреза с физико-химическим покрытием, скорость резания около 120-150 м/мин и подача на зуб в районе 0,05-0,08 мм.

Выбор инструмента для термообработанной стали

Ключевым этапом при обработке термообработанной стали является правильный выбор режущего инструмента, который определяется тремя составляющими:

• материалом основы;
• геометрией;
• покрытием.

Материал инструмента

Материал основы инструмента должен иметь твердость, значительно превосходящую твердость заготовки.

• Для сталей с твердостью до 45 HRC могут применяться качественные быстрорежущие стали, но для более твердых материалов их использование недопустимо. Основным материалом становится твердый сплав, обладающий уникальным сочетанием твердости, теплостойкости и прочности.
• Для особо тяжелых условий, например, при обработке сталей с твердостью выше 60 HRC или при прерывистом резании, применяются современные керамические материалы. Эти сверхтвердые материалы сохраняют режущую способность при красном калении, но требуют жесткого технологического регламента.

Геометрия инструмента

• Для чистовой работы с твердыми материалами необходимы пластины с положительными передними углами и острой кромкой без фаски. Это позволяет резать материал, а не выдавливать его, что значительно снижает усилие резания и нагрев.
• Для черновой обработки или при нежестких условиях используются отрицательные геометрии и фаски для укрепления режущей кромки. Канавки сверл и фрез должны быть отполированы для обеспечения свободного выхода стружки, которая при обработке твердых сталей часто имеет иглообразную форму и склонна к спеканию.

Покрытие инструмента

Для обработки закаленных сталей применяются износостойкие покрытия:

• нитрид титана-алюминия;
• карбонитрид титана;
• алмазоподобные углеродные покрытия.

Эти тончайшие слои нанесены методом вакуумного напыления и обладают исключительной твердостью, низким коэффициентом трения и высокой термической стабильностью. Они работают как термический барьер, предотвращая передачу тепла в тело инструмента, и как защита от абразивного износа, многократно увеличивая стойкость между переточками.

Ошибки при обработке термообработанной стали

Существует ряд правил, нарушение которых гарантированно приводит к порче инструмента, заготовки и, возможно, оборудования.

1. Никогда не пытаться обрабатывать закаленную сталь инструментом, предназначенным для мягких материалов. Быстрорежущее сверло мгновенно затупится и сгорит, не оставив на поверхности заготовки даже заметной отметины.
2. Применение неподходящих режимов резания, в частности, работа с большой подачей на низких скоростях. Это приводит к возникновению колоссальных ударных нагрузок, выкрашиванию режущей кромки и вибрациям, которые делают процесс невозможным.
3. Обработка без подачи смазочно-охлаждающей жидкости. Тепло, генерируемое в зоне резания, не успевает отводиться и перегревает как инструмент, так и саму деталь. Это вызывает их диффузионный износ и разупрочнение, что может привести к локальному отпуску и изменению ее свойств в готовом изделии, создавая скрытый дефект
4. Работа с биением или нежестким закреплением инструмента и заготовки. Любой вибрационный процесс при контакте твердого инструмента с твердой заготовкой носит резонансный разрушительный характер, исключающий возможность точной и качественной обработки.

Работы требуют выбора инструмента согласно характеристикам заготовки. При несоблюдении регламента есть риск разрушения инструмента и заготовки.