Методы поверхностного упрочнения стали и инструмента: технологии и эффективность

Принципы и значение поверхностного упрочнения. Поверхностное упрочнение стали является ключевой технологией в современном машиностроении. Данный процесс позволяет получить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя детали при сохранении вязкой и пластичной сердцевины. Такой подход значительно повышает долговечность и усталостную прочность обработанных изделий. Многие современные методы отличаются высокой производительностью и эффективно заменяют традиционную объемную термическую обработку. Классификация современных методов упрочнения инструментального материала систематизирована и представлена на рисунке 9.1, где наглядно показаны различные технологические направления.

Рис. 9.1. Классификация способов упрочнения инструментальных материалов

Классификация методов упрочнения. Современные методы упрочнения подразделяются на несколько основных категорий. К объемным методам относят стандартную термическую обработку, микролегирование и ультразвуковую обработку, которые улучшают свойства материала по всему объему. Поверхностная упрочняющая обработка включает методы, изменяющие состояние основного материала: дробеструйный наклеп, лазерную поверхностную закалку и ионную бомбардировку. Отдельную группу составляют технологии нанесения покрытий из другого материала, которые вступают во взаимодействие с основой инструментального материала.

Критерии выбора и эффективность методов. Выбор оптимального метода упрочнения определяется маркой обрабатываемого материала, будь то углеродистая, инструментальная, быстрорежущая сталь, твердый сплав или керамика. Эффективным направлением является модификация поверхности соединениями типа карбидов, нитридов, карбонитридов и оксидов, обладающих исключительной твердостью и теплостойкостью. Внедрение этих технологий позволяет увеличить стойкость инструмента в 1.5–6 раз по сравнению с неупрочненными аналогами. Оптимальные скорости резания для упрочненного инструмента могут на 25–100% превышать показатели стандартного инструмента.

Преимущества для сложного инструмента и борьбы с наростообразованием. Особую значимость упрочняющая обработка имеет для сложнопрофильного инструмента, такого как червячные фрезы, долбяки, протяжки и метчики. Для этой категории инструмента применение упрочнения позволяет сократить расход на 30% за счет уменьшения количества переточек. Дополнительным технологическим преимуществом является возможность полного исключения процесса наростообразования при обработке мягких металлов. Это негативное явление характерно для инструментов из быстрорежущих сталей и существенно ухудшает точность и качество обрабатываемой поверхности.

Термические методы упрочнения. К термическим методам упрочнения относятся специализированные процессы: пайка-закалка быстрорежущего инструмента в соляных ваннах и вакууме, а также стандартная и вакуумная термообработка. В ОАО «ВНИИ инструмент» была разработана уникальная технология пайки быстрорежущего инструмента, совмещенная с его термообработкой. Эта инновация позволяет оптимизировать производственный цикл и повысить эксплуатационные характеристики готового инструмента.

Технология пайки-закалки и ее преимущества. Пайка-закалка с использованием припоев марки ПЖ60НХБ может осуществляться как в стандартных соляных ваннах, так и в современных вакуумных печах. Ключевые преимущества этой технологии включают экономию дорогостоящей быстрорежущей стали на 80–90% и значительное повышение стойкости инструмента. Процесс совмещает две операции – пайку и закалку – на стандартном термическом оборудовании, обеспечивая при этом высокую прочность соединения. Инструмент с напаянными элементами может эксплуатироваться до их полного предельного износа, что продлевает ресурс его службы.

Преимущества вакуумной термообработки. Вакуумная термообработка получила широкое распространение благодаря способности обеспечивать безупречное качество поверхности и товарный вид инструмента. Этот метод исключает такие дефекты, как науглероживание и обезуглероживание поверхностного слоя. Вакуумная обработка является экономически выгодной и экологически чистой технологией, поскольку не требует использования нейтрализующих механизмов для утилизации вредных отходов. Отсутствие воздействия агрессивных сред делает этот метод одним из наиболее прогрессивных в современном инструментальном производстве.