Режим термической обработки метчиков и плашек из стали У10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Назначить режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) метчиков и плашек из стали У10. Описать сущность происходящих процессов, превращений, структуру, твердость инструмента после термообработки.

термический метчик сталь термообработка

Введение

Метчик -- инструмент для нарезания внутренних резьб. Метчик представляет собой винт с прорезанными прямыми или винтовыми стружечными канавками, образующими режущие кромки. Метчик хвостовой частью крепится в вороток, рабочей частью вставляется в отверстие, в котором при проворачивании воротка возвратно-поступательными движениями нарезается резьба. Рабочая часть метчика имеет режущую и калибрующую части. Задняя поверхность для исключения трения её об обрабатываемую деталь выполняется затылованной (некруглой).

Плашка -- это металлорежущий инструмент, используемый для получения резьбы ручным способом или с помощью специальных машин. Плашки незаменимы при работах, связанных с изготовлением резьбы, вне зависимости от объемов производства. Данный инструмент прост в своей конструкции и при этом имеет высокую надежность, проверенную временем. От метчика плашка отличается типом нарезаемой резьбы - резьба наносится снаружи. С помощью плашки достигается получение резьбы нужного размера, высоты и шага, а по сути, она является закаленной гайкой с отверстиями по осям, которые образуют кромки для резки.

Метчики и плашки относятся к режущим инструментам, к которым необходимо предъявить следующие требования:

1. Высокая твердость (HRC 60-62 для метчиков и HRC 59-61 для плашек) - для того, чтобы срезать стружку;

2. Значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания.

3. Режущая часть инструмента должна иметь большую износостойкость в условиях высоких давлений и нагрева.

4. Важным требованием является также достаточно высокая прочность инструментального материала, так как при недостаточной прочности происходит выкрашивание режущих кромок, либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.

5. Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, то есть легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента, а также быть сравнительно дешевыми.

Для изготовления данных изделий предложена сталь У10, применяемая для инструментов, не подвергающихся сильным ударам при максимальной твердости не режущей грани, например металлорежущий инструмент - сверла, метчики, развертки, резцы, фрезы, монетные штемпели, бурильный инструмент, медицинский инструмент, ножи для резки бумаги и кожи и др.

Сталь У10

Сталь У10 относится к классу заэвтектоидных углеродистых инструментальных сталей пониженной прокаливаемости.

Инструментальными называются углеродистые и легированные стали высокой твёрдости (примерно 60-65 HRc) в режущей кромке, значительно повышающей твёрдость обрабатываемого материла, а так же высокой прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и износостойкостью, необходимой для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании. Именно благодаря этим свойствам, стали этого класса используются при изготовлении различного инструмента. Чаще всего инструментальные - это заэвтектоидные стали со структурой после закалки и низкого отпуска - мартенсит и избыточные карбиды.

Углеродистые инструментальные стали пониженной прокаливаемости имеют небольшую прокаливаемость (около 10-15 мм) вследствие неустойчивости переохлаждённого аустенита. Именно поэтому эти стали применяют для изготовления инструментов небольших размеров.

Химический состав стали У10

ГОСТ 1435-99

Углеродистые стали используют для инструментов диаметром 10-30 мм.

В исходном состоянии (после отжига) заэевтектоидная сталь У10 имеет структуру зернистого перлита[Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистый перлит, следовательно, нагрев до невысокой температуры (для заэвтектоидной стали ниже Ас3) приводит при охлаждении к образованию зернистого перлита. Вероятно, оставшиеся не растворенными в аустените частицы, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации, способстввуют образованию зернистого цементита.], при этом ее твёрдость составляет около 170-180 НВ.

Механические свойства при Т=20°С в состоянии поставки

ГОСТ 1435-99

Структура заэвтектоидной стали. Перлит + сетка цементита, x450:

а - травление 4 %-ой азотной кислотой; б - травление пикратом натрия

Температура закалки углеродистой стали У10 - 760-780°С. Она лежит в интервале температур между Ас1 и Ас3(выше Ас1 на 30-50°С) для того, чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита.

Температуры критических точек стали У10

ГОСТ 1435 - 99

Мелкий инструмент, такой, каким являются метчики и плашки из стали У10, применяют ступенчатую закалку для выравнивания температуры по всему сечению изделия и уменьшения остаточных напряжений.

В закаленной стали тетрагональность мартенсита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость, поэтому после закалки отпуск является обязательной операцией. Температура отпуска определяется величиной рабочей твердости, которой должен обладать инструмент.

Проводят низкий отпуск при 150-170°С для сохранения высокой твёрдости (62-63 HRС), поскольку цементитный карбид, выделяющийся при отпуске, начинает коагулировать при относительно низком нагреве (200-250°С), что приводит к снижению твердости стали уже при нагреве до этих температур.

Основные виды термической обработки стали

Термической обработкой называется технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.

Термическая обработка может являться промежуточной операции для улучшения каких-либо отдельных механических свойств или применяться в качестве окончательной операции для придания металлу или сплаву необходимого комплекса механических, физических и химических свойств.

Основными факторами воздействия при термической обработке являются температура и время, следовательно, любой режим термообработки можно представить графиком в координатах t(температура)-ф(время).

Режим термической обработки характеризуется: температурой нагрева(максимальная температура, до которой нагревается сплав при обработке), временем выдержки сплава при нагреве, скоростью нагрева и скоростью охлаждения.

Различают следующие основные виды термообработки стали: отжиг, закалка, нормализация, отпуск.

Схема основных видов термообработки стали.

1) Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30-50°С выше температуры АС3 и АС1, для доэвтектоидной и заэвтектоидной (эвтектоидной) сталей соответственно, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростью, равной или превышающей критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки). В качестве среды, обеспечивающей подобные скорости охлаждения, используют воду, масло, растворы солей и щелочей.

После закалки получают мартенситную структуру, которая отличается повышенной твердостью. Закалку используют для придания твердости и износостойкости инструментальным сталям.

2) Отжиг - вид термической обработки, который заключается в нагреве сталей до температур выше фазового превращения с последующей выдержкой и медленным охлаждением сплава вместе с печью.

Отжиг приводит металл, который в результате предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, в более устойчивое состояние. Медленное охлаждение стали при отжиге способствует протеканию равновесных фазовых превращений и образованию перлита в эвтектоидной стали, перлита с избыточным ферритом или цементитом в доэвтектоидной и заэвтектоидной стали соответственно.

После отжига стали характеризуются высокой пластичностью, но пониженной прочностью и твердостью.

3) Если же после нагрева охлаждение происходит не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией.

Нормализацией называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30-50°С выше АС3, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.

Фазовая перекристаллизация при нагреве и последующее охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной смеси и приводит к образованию сорбита.

При образовании данной структуры возрастает прочность и твердость стали по сравнению с отожженной.

4) Отпуском называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температур, лежащих ниже критической точки АС1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки и выполняется для устранения и уменьшения напряжения в стали, повышения вязкости и понижения твердости.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска:

а) Низкий отпуск производится при температурах 150-250°С. В результате такой термообработки образуется структура, так называемый отпущенный мартенсит, являющийся гетерогенной смесью пересыщенного б-твердого раствора ( неоднородной концентрации ) и еще не обособившихся частиц метастабильного карбида, близкого по составу к Fe2C, сохранивших с исходной кристаллической решеткой когерентную связь

В результате низкого отпуска сталь сохраняет высокую твердость, а иногда твердость повышается за счет распада остаточного аустенита; устраняется закалочная хрупкость.

б) Средний отпуск проводится в интервале температур 400-480°С. С повышением температуры отпуска до 400°С в углеродистой закаленной стали полностью завершается процесс выделения углерода из мартенсита, Мелко-дисперсные частицы карбида - Fe2C преобразуется в Fe3C ; их когерентная связь с решеткой мартенсита нарушается. Структура стали будет состоять из феррита и цементита.

В результате среднего отпуска структура закаленной стали будет представлять мелкодисперсную смесь феррита и цементита, которая называется троостит отпуска.

в) Высокий отпуск выполняют при 500-680°С. Нагрев выше 500°C усиливает коагуляцию и сфероидизацию частиц цементита: зерна феррита еще больше укрупняются и приближаются к равноосным. В результате образуется структура, которая называется сорбитом отпуска.

Для полученной структуры характерно еще большее снижение твердости и повышение относительного сужения и особенной ударной вязкости, почти полное устранение всех внутренних напряжений.

Все перечисленные виды термической обработки основаны на 4-ех основных превращениях стали:

I. Превращение перлита в аустенит П>А

Данное превращение выше точки А1, выше температуры стабильного равновесия аустенит-перлит, поскольку при этих температур структура аустенит обладает минимумом свободной энергии.

II. Превращение аустенита в перлит А>П

Данное превращение протекает ниже точки А1.

III. Превращение аустенита в мартенсит А>М

Данное превращение происходит ниже температуры метастабильного равновесия аустенит-мартенсит. При данной температуре наиболее устойчивой фазой является перлит, но работа на образование мартенсита из аустенита, меньше, чем для образования перлита.

IV. Превращение мартенсита в перлит (феррито - карбидную смесь)

Данное превращение происходит при всех температурах, так как свободная энергия мартенсита больше свободной энергии перлита при любой температуре.

Ранее уже указывалось, что для стали У10 применяется ступенчатая закалка и низкий отпуск. Рассмотрим данные процессы подробнее.

Закалка стали У10

При данном виде термической обработки происходят первое и третье основные превращения в стали.

При выполнении закалки ступенчатым способом сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуры несколько выше точки Мн (обычно 180-250°С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по всему сечению изделия. Данный вид закалки применим для изделий из углеродистых сталей диаметром не более 8-10 мм, поскольку скорость охлаждения более крупных изделий в среде с температурой выше Мн оказывается ниже критической скорости закалки. При этом аустенит претерпевает распад не на мартенситные продукты превращения.Для более купных изделий(диаметром 15-30 мм) применяют закалочные среды, имеющие температуру ниже точки Мн(110-160°С). Это обеспечивает большую скорость охлаждения.

Для стали У10 применяется: ступенчатая закалка в соляной ванне(KOH+NaOH) с температурой 160- 170°С с добавкой воды около 3-5 %. Эти цифры соответствуют закалке деталей из углеродистой инструментальной стали диаметром 10-15мм, которые удовлетворяют требованиям. [ По данным Гуляева А. П. “Термическая обработка стали”]

Температуру нагрева закалки - 760-780.°С - выбираем в соответствии с положением критической точки Ас1 (730+30-50°С). Окончательно температуру закалки принимаем равной 770°С.

Схема ступенчатой закалки стали У10.

При нагреве её до температуры 760-780°С получаем структуру аустенита и цементита вторичного. Сталь У10 имеет высокую критическую скорость охлаждения, поэтому для того, чтобы обеспечить скорость охлаждения выше критической и предотвратить распад аустенита на ферритно-цементитную смесь, применяют воду и различные водные растворы в качестве закалочной (охлаждающей) среды - соляную ванну (KOH+NaOH) с добавкой воды около 3-5%.

При переохлаждении стали до выбранных температур Г.Ц.К. решётка становится неустойчивой и диффузионные процессы становятся невозможными. Атомы углерода занимают поры в решетке б-железа и сильно ее искажают. В результате образуется мартенсит - пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в б-железо.

Процесс мартенситного превращения протекает не до конца при охлаждении на воздухе до комнатной температуры, вследствие чего сталь сохраняет некоторое количество остаточного аустенита (Аост).

Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями -термическими, т.к. охлаждение разбивается на два этапа и разновременность превращения в разных точках сечения уменьшается. Ступенчатая закалка значительно уберегает изделия от появления трещин. При данном виде закалки будем обеспечена необходимая твердость.

Итак, в результате закалки получим структуру мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды. Твердость изделия окажется равной порядка 60-62HRc.[В соответствии с ГОСТ 1435-99]

Микроструктура закаленной стали:

Заэвтектоидная сталь, правильная закалка (нагрев выше Ас1, ниже Ас3). Мартенсит+цементит. Х500

Отпуск стали У10

Для заданных изделий из стали У10 используется низкотемпературный отпуск с последующим охлаждением в воде.

Низкий отпуск проводят при нагреве до 250° С. При этом снижаются закалочные микронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь после низкого отпуска сохраняет твердость 58-63 HRC, а, следовательно, высокую износостойкость. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку. Продолжительность отпуска составляет обычно 1-2,5 часа.

Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180°С с последующим охлаждением в воде.

Низкий отпуск наряду с увеличением твёрдости, избавляет изделие от внутренних напряжений закалки, что необходимо в данном случае для повышения износостойкости изделия.

При нагреве до 200°С происходит первое превращение при отпуске - мартенсит закалочный превращается в мартенсит отпущенный.

Плашки, наряду с высокой твёрдостью и износостойкостью, должны обладать немного большей пластичностью, чем метчики. Это обусловлено тем, что плашки применяются для наружной нарезки резьбы и при излишней твёрдости могут “крошить” поверхность заготовки. Поэтому для плашек рекомендуется применять отпуск при температуре 220°-240°С - более высокой температуре, чем отпуск для метчиков. Полученная в результате отпуска твёрдость изделия будет равной 59-60 HRc .[ГОСТ 1435-99]

Окончательно принимаем для плашек из стали У10 низкий отпуск при 230°С со структурой после отпуска - мартенсит отпущенный.

Вывод

В результате назначенной термообработки - ступенчатая закалка при 170°С в соляной ванне с последующим отпуском при 180° (230°С для плашек) и охлаждении изделия в воде - достигнуты следующие результаты:

1. твёрдость после термообработки - 62-63 HRc.(59-61 HRc для плашек)

2. увеличение прочности и износостойкости .

3. структура из зернистого перлита трансформировалась в мартенсит отпущенный.

Вывод: изделия из стали У10, прошедшие термообработку, полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям (высокая твёрдость, износостойкость, прочность).

Размещено на Allbest.ru