Расчет параметров термической обработки
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Приобрести навыки в теоретическом определении критических точек инструментальных сталей и назначении режимов термической обработки инструмента.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
Термическая обработка является важной операцией на различных этапах технологического цикла изготовления инструмента. Сочетанием химического состава (марки) стали и выбором необходимого способа термической обработки можно достичь наиболее высоких механических свойств инструмента.
Термическая обработка состоит из трех циклов: нагрев материала до расчетной температуры, выдержка при этой температуре и охлаждение с заданной скоростью. В качестве упрочняющей термической обработки для инструмента используется закалка с последующим отпуском.
Закалка –это вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали выше критической точки (АС3 для доэвтектоидных и АС1 для заэвтектоидных сталей) на (30 – 50) 0С, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью равной или больше критической.
Критические точки стали – это температуры, при которых происходят фазовые и микроструктурные превращения. Доэвтектоидные стали имеют две критические точки АС1 и АС3, заэвтектоидные АС1 и АСm.
Критические точки АС3 и АС1 определяют по диаграмме «Железо-углерод» для углеродистых сталей и рассчитывают с помощью регрессионных уравнений (1 и 2) для легированных сталей.
A1=727-13Mn+(9+15Xс)Si+(-17-5Xc)Ni+(22-5Xc)Cr+(3,5+2Xc)XМо, (1)
A3=727+229Xc+(-13-30Xc)Mn+(9+66Xc)Si+(-17-22Xc)Ni+(22-70Xc)Cr+
+(3,5+5)XМо, (2)
Критическую скорость закалки обеспечивает охлаждающая среда вода (для углеродистых сталей) или масло (для легированных сталей). Основной структурой закаленной стали является мартенсит закалки, который образуется из аустенита при охлаждении с критической скоростью закалки. Мартенсит закалки – это пересыщенный твердый раствор углерода в Fe-α.
Превращение аустенита в мартенсит совершается с большой скоростью, но не сразу по всему объему. Поэтому, чтобы весь аустенит превратился в мартенсит, требуется некоторое время. Температура начала и конца превращения зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали. Для каждой марки стали превращение начинается всегда при одной и той же температуре (точка МН) и заканчивается при другой постоянной температуре (точка МК). Точки начала превращения (МН) и конца превращения (МК) аустенита в мартенсит определяются по уравнениям (3, 4).
Mн= 539 – 423 (0,8-Xc)-30,4Mn -17,7Ni -12,1Cr -7,5XМо, (3)
Mк= Mн - 215, (4)
Xc= |0,8 –C|, (5)
ХМо= 
(6)
где - Mn, C, Si, Ni, Cr, Mo, Xc, XМо - средняя концентрация элементов в стали, % (по массе.).
Для определения общего времени нагрева инструмента под закалку (t0) определяется по формуле (7, 8).
t0 = tн + tз (мин) (7)
где t0 – общее время нагрева, мин;
tн – время нагрева до заданной температуры, мин.;
tн = 0,1 х D х k1 х k2 х k3, (8)
где D – размерная характеристика изделия (минимальный размер максимального сечения), мм;
k1 – коэффициент среды: для газа (воздуха) – 2; соли – 1; металла - 0,5;
k2 – коэффициент формы: для шара – 1; цилиндра – 2; параллелепипеда – 2,5; пластины – 4);
k3 – коэффициент равномерности нагрева: всесторонний нагрев – 1; односторонний – 4).
tз = 1 мин. – для углеродистой стали и 2 мин. – для легированной стали.
Окончательной операцией термической обработки является отпуск. Он проводится после закалки для обеспечения требуемого уровня эксплуатационнных свойств и снятия закалочных напряжений.
В зависимости от температуры отпуска различают низкий, средний и высокий отпуск.
Низкий отпускпроводится при температуре 150 – 200 0С. При этом виде отпуска снижаются внутренние напряжения, повышается прочность и немного улучшается вязкость стали. Структура стали после низкого отпуска называется мартенситом отпуска. Твердость после этого вида отпуска HRC 58 – 63. При этом виде отпуска твердость наибольшая из всех видов отпуска. Низкому отпуску подвергается режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей.
Средний отпускпроводится при температуре 350 – 500 0С. Такой вид отпуска обеспечивает стали высокий предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура носит название троостит отпуска. Твердость после среднего отпуска HRC 40 – 50. Такому отпуску подвергают пружины, рессоры, ударный штамповый инструмент холодного деформирования.
Высокий отпускпроводится при температуре 500 – 650 0С. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Структура носит название сорбит отпуска. Твердость после высокого отпуска HRC 35 - 25.
Закалка в сочетании с высоким отпуском называется термическим улучшением. Улучшение в значительной степени повышает конструкционную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости стали. Такому отпуску подвергаются молотовые штампы и прессовый инструмент, работающие при больших удельных давлениях и высоких температурах.
Продолжительность выдержки при отпуске устанавливают с таким расчетом, чтобы обеспечить стабильность свойств стали. При низком отпуске инструментов продолжительность его, чаще всего, составляет 0,5 – 2 часа в зависимости от сечения инструмента. Продолжительность отпуска увеличивается до 10 – 15 часов, если температура низкого отпуска не превышает 100 - 120 0С. В этом случае, например, когда падение твердости не желательно, такой продолжительный отпуск позволяет исключить объемные изменения в процессе эксплуатации инструмента. Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет от 1 до 2 часов для инструмента небольшого сечения и от 3 до 8 часов инструмента большой массы.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1.Изучить теоретический раздел настоящей практической работы.
3.2. Выбрать вариант индивидуального задания по таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Варианты задания
| № | Марка стали | Вид инструм. | Размер сечения инструм., мм | Форма инструм. |
| ХВСГ | сверло | Ø 10 | цилиндр | |
| 5ХНМ | штамп гор. штамповки | 400х400 | параллелепипед | |
| Х | измерительный калибр | Ø 20 | цилиндр | |
| 6ХС | зубило | Ø 22 | цилиндр | |
| 7ХФ | стамеска | Ø 15 | цилиндр | |
| ХВГ | плашки | Ø 40 | цилиндр | |
| 9ХФ | стамеска | толщина 8 | пластина | |
| 7НГ2ВМ | штамп хол. штамповки | 100х100 | параллелепипед | |
| 5НГМ | штамп ковочный | 550х550 | параллелепипед | |
| ХВСГ | матрица штампа | Ø 20 | цилиндр | |
| 4ХС | нож | толщина 10 | пластина | |
| 12. | 11ХФ | метчик | Ø 8 | цилиндр |
| 13. | ХВГ | плашка | толщина 10 | цилиндр |
| 14. | 7Х3 | матрицы для горячей высадки | 50х50 | параллелепипед |
| 15. | 5ХНСВ | молотовые штампы | 450х450 | параллелепипед |
3.3. Для заданной марки стали выписать химический состав по таблице А13 приложения А.
3.4. Рассчитать критические точки АС1, АС3, МН, МК по регриссионным уравнениям 1,2,3,4,5,6. Результаты занести в таблицу 3.2.
3.5. Назначить режим упрочняющей термической обработки инструмента. Результаты занести в таблицу 3.2.
3.6. Назначить температуру нагрева стали под закалку и отпуск в зависимости от рассчитанных критических точек. Результаты занести в таблицу 3.2.
3.7. Выбрать охлаждающую среду. Результаты занести в таблицу 3.2.
3.8. Рассчитать общее время нагрева инструмента по уравнениям 7,8. Результаты занести в таблицу 3.2.
3.9. Определить микроструктуру стали после закалки и отпуска. Результаты занести в таблицу 3.2.
3.10. Построить графики термической обработки заданного инструмента в координатах «Температура- время нагрева» с указанием исходной структуры стали, структуры при нагреве и после охлаждения.
3.11. Охарактеризовать свойства инструмента после проведенной термической обработки.
Таблица 3.2 – Режим термической обработки инструмента или детали исследуемой марки стали
| Объект исследования | Инструмент | |
| Критические точки | АС1 | |
| АС3 | ||
| МН | ||
| МК | ||
| Вид термообработки: | ||
| -нагрев под закалку, 0С - нагрев под отпуск 0С | ||
| Время нагрева под закалку, мин | ||
| Охлаждающая среда: -закалка -отпуск | ||
| Микроструктура: -закалка -отпуск |
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
4.1. Наименование работы.
4.2. Цель работы.
4.3. Химический состав заданной марки стали.
4.3. Таблица 2. - Режим термической обработки инструмента или детали исследуемой марки стали.
4.4. Графики термической обработки заданного инструмента в координатах «Температура- время нагрева» с указанием исходной структуры стали, структуры при нагреве и после охлаждения.
4.5. Описание окончательных свойств заданного инструмента.
4.6. Выводы по работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1. Что такое критические точки и каково их практическое значение?
5.2. В чем заключается режим окончательной термической обработки инструмента?
5.3. Как выбирается температура нагрева стали под закалку?
5.4. Для какой цели проводится расчет критических точек МН и МК?
5.5. Какова структура стали после закалки?
5.6. Что такое отпуск?
5.7. Какие виды отпуска существуют?
5.8. Какова структура и свойства стали после различных видов отпуска?
5.9. От чего зависит время нагрева стали до заданной температуры под закалку?
5.10. Как определить общее время нагрева инструмента под закалку?
Практическая работа