Разработка методики приготовления шлифов из инструментальной стали для металлографического исследования

Металлография является начальным этапом исследования металлов и сплавов, а, в настоящее время, также и любых материалов методами оптической и растровой микроскопии.

Современная металлография - это комплекс качественных и количественных методов анализа структуры металлических материалов, использующих современное металлографическое оборудование, средства компьютерной техники и математической обработки экспериментальных данных. Актуальность металлографического анализа состоит в том, что внутреннее строение металлов, сплавов и материалов является одним из основных факторов, определяющих физико-химические и эксплуатационные свойства изделий.

Именно развитие металлографии и обусловило написание данной контрольной работы. инструментальная сталь шлиф

Предметом контрольной работы является раздел металловедения - металлография.

Целью контрольной работы является рассмотрение металлографии инструментальной стали.

Задачами контрольной работы является:

- характеристика инструментальной стали и ее применение;

- рассмотрение особенностей и трудностей пробоподготовки инструментальной стали;

- разработка рекомендаций по пробоподготовке инструментальной стали.

Контрольная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы.

1. Характеристика инструментальной стали и ее применение

2. Методика приготовления шлифов из инструментальной стали

Одним из первых этапов для всех металлографических исследований является изготовление шлифов, которые могут быть использованы для микроскопического исследования с помощью светового и электронного микроскопов, для определения микротвердости, а также количественного измерения структурных составляющих и электронно-зондового микроанализа. Микрошлифом называют небольшой образец металла, имеющий специально приготовленную поверхность для проведения анализа микроструктуры.

Правильное изготовление шлифов имеет чрезвычайно важное значение, поскольку от этого зависит правильность толкования микроструктур. Нельзя заранее предложить оптимальную методику изготовления шлифа, и ни одну из разработанных методик нельзя считать оптимальной.

Основным моментом при изготовлении металлографических шлифов является предотвращение повреждения поверхности шлифа, заключающегося в изменении микроструктуры поверхностного слоя материала в результате деформации или нагрева.

Целью всех стадий изготовления шлифа является последовательное создание поверхности требуемого качества. Таким образом, каждая следующая стадия процесса проводится с целью удаления повреждения поверхности, внесенного предыдущей обработкой.

Главные требования металлографического участка производства высококачественных легированных инструментальных сталей заключаются в следующем:

- эффективно справляться с большим объемом образцов, - использовать, если это возможно, одну стандартную методику для всех сталей,

- обеспечить хорошо отполированную поверхность с неповрежденными карбидными и другими включениями.

Это особенно важно при оценке структуры с карбидами и включениями из ультрачистой стали. Металлографические исследования образцов включают в себя оценку распределения и размера графитовых включений, выявление обезуглероженных и упрочненных участков, выявление микросегрегаций и оценку включений.

Изготовление и подготовка микрошлифов состоит из 5 основных операций:

1 Вырезка образца (не обязательно).

2 Закрепление образца или монтирование (не обязательно).

3 Шлифовка.

4 Полировка.

5 Травление (выявление микроструктуры).

Рассмотрим методику пробоподготовки высоколегированных инструментальных сталей:

1) Резка.

Большинство образцов обычно разрезают грубым механическим методом из слябов и блюмов на образцы стандартных размеров.

Тонкая резка термообработанных образцов контроля повреждения всегда осуществляется металлографическим отрезным станком. Высоколегированные инструментальные стали чрезвычайно чувствительны к тепловым повреждениям. Поэтому при резке должна быть принята особая осторожность в выборе соответствующего отрезного диска и обеспечено достаточное охлаждение. Рекомендуется использовать мягкие отрезные диски из оксида алюминия или кубического нитрида бора со смоляной основой

Рисунок 1 - Абразивно-отрезной станок

2) Заливка.

В зависимости от размера и количества образцов и необходимых данных о них, к образцам может быть применена холодная заливка или горячая запрессовка. Образцы с очищенной поверхностью, для которых важно хорошее удержание края следует подвергать горячей запрессовке с использованием дисперсно-армированный смолы (IsoFast, DuroFast). Образцы, для которых не требуется удержание края, можно оставить не залитыми, если их размеры подходят для держателя образца. Для стандартизации размера образцов, которая может быть удобна при их большом количестве, рекомендуется использовать холодную заливку в твердые силиконовые или полипропиленовые заливочные формочки (UniForm). Важно заметить, что смолы для холодной заливки имеют маленькую усадку, что позволяет избежать возникновения разряженного слоя между образцом и смолой.

Рисунок 2 - Автоматический гидравлический пресс

3) Шлифовка и полировка.

Главным требованием к подготовке высоколегированных инструментальных сталей является достоверное отображение формы, количества и размеров карбидов и сохранение неметаллических включений в недеформированной матрице.

Большое количество образцов из высоколегированной инструментальной стали лучше всего обрабатывать нам шлифовально-полировальном станке, который гарантирует быстрый и эффективный технологический процесс и воспроизводимые результаты.

Рисунок 3 - Автоматическая шлифовально-полировальная установка

Так как инструментальные стали достаточно твердые, то финальная шлифовка на алмазном абразиве более эффективна и экономически выгодна, чем шлифовка на карбидокремниевой бумаге. Иногда после шага алмазной полировки может быть применима финальная оксидная полировка для распознавания и идентификации карбидов.

Далее предложены методы подготовки на полуавтоматическом оборудовании. Эти методы основаны на опыте и приводят к превосходным воспроизводимым результатам. Чтобы обеспечить специфические требования и потребности, можно внести некоторые изменения.

В таблице на рисунке 4 предложен метод подготовки для 6 образцов, размером 65х30 мм, не залитых или после холодной заливки, с использованием автоматических систем MAPS или Abra- Plan/AbraPo.

Для меньшего количества и более маленьких образцов полуавтоматические шлифовально- полировальные станки также дают хорошие воспроизводимые результаты.

В таблице на рисунке 5 предложен метод подготовки для 6 образцов, залитых в форму диаметром 30 мм, с использованием TegraPol-31/Tegra-Force-3 c TegraDoser-5.

Рисунок 4 - Метод подготовки высоколегированных инструментальных сталей на большом автоматическом оборудовании

Рисунок 5 - Метод подготовки высоколегированных инструментальных сталей на настольных полуавтоматических установках

4) Травление и интерпретация структуры.

Обычно образцы из инструментальной стали сначала исследуют нетравлеными, чтобы идентифицировать включения, а также размер и форму карбидов.

Для распознавания структуры применяют травление Ниталем или пикриновой кислотой различной концентрации. Например, для выявления распределения карбидов в нагартованной стали 10% раствор Ниталя окрашивает матрицу темным, в то время как первичные карбиды остаются белыми.

Для выявления тонкого глобулярного перлита необходимо быстро окунуть образец в пикриновую кислоту, а затем 2% раствор Ниталя обеспечивает хороший контраст и очищает от загрязнений.

Всегда при работе с химическими травителями необходимо соблюдать стандартные меры предосторожности.

Ниталь:

100 мл этилового спирта,

2-10 мл азотной кислоты (Внимание: не превышайте концентрацию 10%; взрывоопасно!).

Раствор пикриновой кислоты:

100 мл этилового спирта,

1-5 мл соляной кислоты 1-4 г пикриновой кислоты.

В основном, фазовый состав высоколегированных инструментальных сталей похож на обычные железо- углеродные сплавы: феррит, перлит, мартенсит и аустенит, но твердый раствор может поглощать точное количество легирующих элементов.

Углерод образовывает скопления карбидов некоторых легирующих элементов, таких как хром, вольфрам и ванадий. Кроме того, растворимость углерода в железе меняется: рост содержания легирующих элементов, таких как кремний, хром, вольфрам, молибден и ванадий увеличивает площадь альфа-фазы на диаграмме состояния железо - карбид железа, в то время как повышение никеля и марганца будет увеличивать площадь гамма-фазы. Эти характеристики влияют на критические температуры превращения, которое особенно трудно реализовать при термической обработке инструментальных сталей.

Исходная структура нагартованной инструментальной стали представляет собой ледебурит. Эта грубая структура при горячей прокатке или ковке переходит в феррито-перлитную матрицу с большими первичными карбидами (рисунок 6). При последующем полном отжиге образуются тонкие вторичные карбиды (рисунок 7).

Рисунок 6 - Нагартованная инструментальная сталь после первичной горячей штамповки, слегка различимы после финальной оксидной полировки, видны большие первичные карбиды в феритно-перлитной матрице

Рисунок 7 - Нагартованная инструментальная сталь после полной термообработки; видны очень мелкодисперсные вторичные карбиды и маленькие белые первичные карбиды

Термообработанные инструментальные стали в полностью термообработанном состоянии представляют собой мартенсит отпуска, содержащий очень тонкий глобулярный перлит (рисунок 8).

Рисунок 8 - Термообработанная инструментальная сталь,

травленная пикриновой кислотой и ниталем; глобулярный перлит

Важно то, чтобы сегрегация первичной структуры была настолько равновесной, насколько это возможно, поскольку нестойкие химические соединения могут вызвать проблему коррозии (рисунок 9).

Рисунок 9 - Термообработанная инструментальная сталь;

видны сегрегации карбидов

Сталь для пресс-форм - это коррозионно-стойкая инструментальная сталь, которая до термообработки представляет собой «аморфный» мартенсит с нитевидными карбидами (рисунок 10). После отжига они превращаются в мелкодисперсные карбиды (рисунок11).

Рисунок 10 - Сталь для пресс-форм; аморфный мартенсит с нитеобразными первичными карбидами

Рисунок 11 - Сталь для пресс-форм после отжига; видны очень мелкие карбиды

Равномерное распределение карбидов в инструментальных сталях может быть улучшено в процессе порошковой металлургии. При производстве порошка и последующем горячем изостатическом прессовании образуется гомогенная сталь, которая особенно подходит для неправильных геометрических параметров инструментов, которые изготавливать механическим методом было бы дорого (рисунок 12).

Рисунок 12 - Распределение карбидов в стали, изготовленной методом порошковой металлургии

На сегодняшний день любая крупная партия высоколегированной инструментальной стали производится под потребности заказчика. Для этого необходим очень чистый материал с очень специфическими механическими, физическими и металлургическими свойствами.

Металлографические исследования от исходной отливки и первой стадии формовки до полуготового термообработанного изделия является основным инструментом для контроля процесса производства и термообработки. Главная проблема, касающаяся металлографической подготовки, заключается в работе с большим объемом образцов и обеспечении прекрасно отполированной поверхности. Так как размер, форма и распределение карбидов и других включений являются основными качественными показателями инструмен-тальной стали, важно, чтобы они сохранялись при подготовке.

Хорошие и воспроизводимые результаты дает автоматическая шлифовка и полировка на алмазном абразиве. Использование одного метода подготовки для всевозможных типов инструментальных сталей делает обработку более простой и эффективной.

В контрольной работе рассмотрены особенности и трудности пробоподготовки инструментальной стали, даны рекомендации для более эффективного изготовления микрошлифов для проведения дальнейшего достоверного микроструктурного анализа.

Цель контрольной работы достигнута.

Размещено на Allbest.ru