7

Режим термической обработки изделий из стали У10 .

ВВЕДЕНИЕ .

Метчик - инструмент для нарезания внутренней резьбы - цилиндрический валик с режущими кромками на конце . Различают ручные и машинные метчики .

Плашка (круглая нарезная) - инструмент для нарезания (накатывания) наружной резьбы вручную или на станках . Нарезные плашки бывают круглые (лерки) , раздвижные (призматические) . Накатные плашки состоят из 2-х прямоугольных призм или роликов , рабочие части которых имеют профиль , противоположный профилю резьбы¹ .

В зависимости от области применения , метчики и плашки изготавливают из инструментальной углеродистой и быстрорежущей стали . Для изготовления ручных метчиков и плашек обычно применяют углеродистую (легированную) инструментальную сталь .

Метчики и плашки ручные применяют для нарезания внутренней и внешней резьбы вручную , поэтому принимаем скорость резания незначительно малой . При малых скоростях резания не происходит перегрев режущего инструмента , что очень существенно при выборе марки стали .

Требования , предъявляемые к материалам изделий : высокая твёрдость , износостойкость, прочность .

Для изготовления вышеперечисленных изделий предлагается сталь У10 - инструментальная углеродистая высокопрочная нетеплостойкая небольшой прокаливаемости .

Общие сведения об инструментальных сталях .

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 изготовления различного инструмента . Чаще всего инструментальные - это заэвтектоидные или ледебуритные стали , со структурой после закалки и низкого отпуска - мартенсит и избыточные карбиды .

Все инструментальные стали подразделяются на три группы :

1. нетеплостойкие ( углеродистые и легированные с содержанием легирующих элементов до 3-4 % ) .

2. полутеплостойкие до 400-500С , с содержанием углерода до 6-7 % , а хрома около 4-18 % .

3. теплостойкие до 550-650С . Это в основном высоколегированные стали ледебуритного класса , содержащие Cr , W , V , Mo , Co . Их ещё называют быстрорежущими .

Одной из важнейших характеристик инструментальных сталей является прокаливаемость . Из всех инструментальных сталей высокой прокаливаемостью обладают только высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали . Инструментальные стали , которые не обладают теплостойкостью , делят на две группы :

1. стали небольшой прокаливаемости ( углеродистые ) .

2. стали повышенной прокаливаемости ( легированные ) .

Маркируются инструментальные углеродистые стали буквой “У” , следующая за буквой цифра обозначает среднее содержание углерода в десятых долях процента .

Сталь У10 . Характеристики , структура , термообработка .

Предложенная для изготовления метчиков и плашек сталь У10 относится к углеродистым сталям небольшой прокаливаемости , необладающим теплостойкостью . Углеродистые инструментальные стали этого класса имеют небольшую прокаливаемость вследствие неустойчивости переохлаждённого аустенита . Именно поэтому эти стали применяют для изготовления инструментов небольших размеров .

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента , только тогда , когда процесс резанья происходит при малых скоростях . Это обусловлено тем , что их высокая твёрдость сильно снижается при нагреве выше температуры 190-200С .

Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого перлита, при этом твёрдость их не превышает 170-180 НВ . В этом состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием . Температура закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1 - 760-780С , но ниже , чем Астдля того , чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита² .

Нетеплостойкие стали высокой твёрдости :

Марка ст.

C

Mn

Si

Cr

Назначение

У10,У10А

0,96-1,03

0,17-0,33

0,17-0,33

 0,20

Штампы высадочные и вытяжные ,

У11А , У11

1,06-1,13

0,17-0,33

0,17-0,33

 0,20

напильники , метчики для резания

У12А , У12

1,16-1,23

0,17-0,33

0,17-0,33

 0,20

мягких металлов

У13А , У13

1,26-1,4

0,3-0,6

0,15-0,35

0,4-0,7

Закалка и отпуск У10 .

По данным Лахтина Ю. М. “Металловедение” , мелкий инструмент , такой , например , каким являются метчики и плашки , из стали У10 закаливают в воде или в водных растворах солей , а охлаждают в горячих средах , то есть применяется ступенчатая закалка .

Отпуск проводят при 150-170С для сохранения высокой твёрдости ( 62-63 HRc).

Общие сведения о ступенчатой закалке:

При ступенчатой закалке изделие охлаждают в закалочной среде , температура которой выше , чем мартенситная точка данной стали . Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивают передачу температуры закалочной ванны во все точки сечения закаливаемого изделия . После этого следует окончательное медленное охлаждение . Именно во время этого охлаждения и происходит закалка - аустенит превращается в мартенсит .

При термической обработке углеродистых инструментальных сталей (точка М=200-250) температуру ступеньки выбирают около 250С (для смесей азотнокислых солей ) , 120-150С - для щёлочи или смеси азотнокислых солей , и около 100С - для 50 % раствора NaOH в воде³ .

По данным Гуляева А. П. “Термическая обработка стали” принимаем для стали У10 : ступенчатая закалка в соляной ванне с температурой 160-170С (KOH+NaOH) с добавкой воды около 3-5 % . Эти цифры соответствуют закалке деталей из углеродистой инструментальной стали диаметром 10-15 мм , которые вполне удовлетворяют требованиям , предъявляемым к назначенным деталям . В том случае , если деталь превышает допустимые значения ступенчатой закалки , вполне может быть применена закалка с “подстуживанием” ( закалка в воде с предварительным недолгим охлаждением на воздухе , Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” . ) . Так как предельные размеры назначенных деталей не заданы , то расчёт проводим с тем условием , что они не выходят за пределы 10-15 мм , и основным способом закалки изделий остаётся первый .

Значения закалки , нагрева и отпуска для изделий из стали У10 : (нагрев- 760-780С)

Твёрд. в исх. сост.

Закалка , С

Охл. Среда

Отпуск , С

Получ. твёрд .

170-180 НВ

160-170

KOH+NaOH+H2O(4%)

150-170

62-63 HRc

Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали .

Величина

До термообработ.

После термообраб.

Твёрдость

170-180 НВ

62-63 HRc

Структура

зернистый перлит

мартенсит и карб .

Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У10.

В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру зернистого перлита ( Fe+Fe3C ). При нагреве её до температуры 760-780С получаем структуру аустенита и цементита первичного ( Fe+Fe3C ) . Происходит перестройка кристаллической решётки железа - кубическая объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную .

- атом углерода . - атом железа .

Рис.1 с

с

а

а

с/a  1

О. Ц. К. (Fe) a=2,8 A (с/а=1) Г. Ц. К. (Fe) a=3,6 A О. Ц. К. тетрагональная

При переохлаждении аустенита Г. Ц. К. решётка становится неустойчивой . Несмотря на то , что скорость диффузии при низких температурах мала , происходит

обратное перестроение кристаллической решётки без выделения углерода (бездиффузионный процесс) . То есть процесс , показанный на рис. 1 идёт в обратном направлении : Г. Ц. К. О. Ц. К. ( большая степень тетрагональности ).

При малых температурах скорость диффузии мала , следовательно превращение идёт очень быстро . Атом углерода не может выйти из кристаллической решётки и вытягивает её в объёмноцентрированную .

Fe(C) Fe(C) ( Ау М)

Так как процесс бездиффузионный , концентрация углерода в мартенсите будет такая же , как и в аустените .

Процесс кинетикоматренситного превращения протекает не до конца. При фактическом окончании процесса ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита ( Аост.) . Остаточный аустенит снижает твёрдость стали⁴ .

Рис. 2

Аат Аост. На температуру начала и конца мартенситного превращения влияет состав стали , в частности содержание углерода.

Мн 20С Мк

T,C Рис. 3

C увеличением концентрации углерода температура начала мартенситного превращения понижается , а температура конца мартенситного превращения при концентрации углерода более 0,4 % переходит в Мн область отрицательных температур .

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 %C

Мк

Бездиффузионное мартенситное превращение.

Т,С Рис. 4 Vкр. =( А1 - tm )/m

A1 - 727C

m - температура у изгиба С-образной кривой tm - время

Vкр. lg()

Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :

1. превращение происходит в интервале температур Мн - Мк .

2. превращение протекает путём образования всё новых и новых кристаллов мартенсита , а не роста ранее образовавшихся .

Рис. 5

Зерно аустенита :

1. до нагрева ,

2. после нагрева.

1. А 2.) М + А

Игла мартенсита сжимает зёрна аустенита .

3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур .

4. превращение протекает не до конца . При фактическом завершении превращения ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита .

Тетрагональность мартенсита объясняется наличием в кристаллической решётке углерода , она прямопропорциональна содержанию углерода .

При выбранном режиме закалки ( нагрев до 760С с последующим ступенчатым охлаждением ( 160С ) в соляной ванне KOH+NaOH+H2O(3-5 %) ) получаем структуру мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды (М+Аост.+Fe3C ) , твёрдость изделия - (56)⁵ - 62 HRc .

* Прим.: при данном режиме закалки значительно увеличивается твёрдость и прочность изделия в результате изменения структуры материала ( стали У10 ) , хотя остаточный аустенит твёрдость снижает .

Необходимо добавить так же , что при нагреве под закалку на 760С и выше в изделиях из стали У10 появляются трещины при закалке в воде . Ступенчатая закалка значительно уберегает изделия от появления трещин . Это связано с тем , что более медленное охлаждение при ступенчатой закалке значительно расширяет безопасный интервал температур нагрева под закалку⁶ .

T, C

840

810

780

750

HRc Рис. 6

65 60 55 80 70 60 50 40 30 20

Твёрдость , HRc Образцы с трещинами , %

Ещё один плюс в пользу ступенчатой закалки в водном растворе солей - это то , что при закалке в масле изделие не будет иметь необходимую твёрдость , а лишь только закалка в масле может ещё заменить ступенчатую закалку без потерь на качестве изделий и потерь на браке ( образование трещин при закалке ) . Поэтому окончательно предлагается ступенчатая закалка в водном растворе солей с указанными выше параметрами .

Общие сведения о процессах , происходящих при отпуске стали У10.

В закалённой стали тетрагональность мартенсита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость , поэтому после закалки необходимо применить отпуск.

Операция отпуска заключается в нагреве закалённой стали ниже точки Ас1 , выдержке её при заданной температуре с последующим охлаждением в воде или на воздухе . Целью отпуска является снятие внутренних напряжений после закалки и получение требуемых механических свойств .

Отпуск делится на три вида :

1. нагрев до 200С - низкий отпуск - применяется для снятия внутренних напряжений ( структура : мартенсит отпущенный ) .

2. нагрев на 350- 500С - средний отпуск - повышает пластичность ( структура : мелкозернистая ферритно-цементитная смесь - троостит ) .

3. нагрев 500С - высокий отпуск - возрастает удельная вязкость , следовательно падает прочность .

После закалки имеем структуру М + Аост. . После отпуска получаем структуру с наибольшим удельным объёмом мартенсита и наименьшим удельным объёмом аустенита остаточного .

Очевидно , что в результате изменения удельного объёма ведёт к удлинению образца . Нагрев способствует выделению углерода из исходной структуры в виде карбидной фазы Fe2C - -карбида , имеющего гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие этого концентрация углерода в начальной структуре начинает уменьшаться , а степень тетрагональности стремиться к единице .

-карбид - это гетерогенная смесь Fe и необособившихся частиц карбидов . Всё это вместе составляет когерентно связанную кристаллическую решётку .

Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180С с последующим охлаждением в воде - низкий отпуск (Лахтин Ю. М. “Материаловедение”). 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 .

Для плашек из стали У10 картина с отпуском обстоит несколько иначе . По специфике своего применения , 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С⁷ - более высокой температуре , чем отпуск для метчиков . Полученная в результате отпуска твёрдость изделия будет равной 59-60 HRc .

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

ВЫВОДЫ из проделанной работы .

В результате назначенной термообработки - ступенчатая закалка при 170С в соляной ванне с последующим отпуском при 180С ( 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 ) .

Возможная замена : сталь У9 так же относится к классу инструментальных сталей . Её состав и микроструктура схожи с составом и микроструктурой стали У10, при назначенной термообработке её твёрдость окажется равной 62 HRc , к тому же прочность и износостойкость увеличатся , образование трещин при закалке незначительно ( по сравнению со сталью У10 при предлагаемом режиме термообработки ) . Следовательно , при изготовлении метчиков и плашек для ручной резки возможна замена стали У10 на сталь У9 без потерь на качестве изделий .

Название изделия

Материал

Режим закалки

Режим отпуска

Получ твёрдость

Метчик

У10

нагр. до 760С с послед.

180С , в воде

62-63 HRc

Плашка

У10

зак. в NaOH+KOH (160C)

230C , в воде

59-61 HRc

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .

1. Геллер Ю. А. “Материаловедение”.

2. Гуляев А. П. “Металловедение” .

3. Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” .

4. Лахтин Ю. М. “Материаловедение” .

1^ Данные : “Советский энциклопедический словарь” .

2^ По данным Лахтина Ю. М. “Материаловедение” .

3^ Гуляев А. П. “ Термическая обработка стали ”.

4^ Материал подобран на основе лекций .

5^ Поданным лабораторной работы №7.

6^ Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” .

7^ По данным А. П. Гуляев “Металловедение” .