 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Режимы термической обработки быстрорежущих сталей
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучить микроструктуру и свойства конструкционных легированных сталей ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ Металлографические микроскопы, коллекции микрошлифов легированных сталей, таблицы химических составов сталей. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Конструкционные легированные стали делят по назначению на: цементуемые и улучшаемые, широко используемые для изготовления деталей машин; строительные, применяемые в строительных и корпусных конструкциях; рессорно-пружинные и др.Кроме того их классифицируют по химическому составу. Например: хромистые, хромоникелевые. По ГОСТу 4543-71 принято обозначать хром – Х; никель – H; марганец – Г; кремний – С; молибден – М; вольфрам – В; алюминий – Ю; медь – Д; ниобий – Б; бор – Р; кобальт – К; титан – Т; ванадий – Ф. Цифра, стоящая после буквы, указывает среднее содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсутствует, то содержание легирующего элемента 1 %. Цифры в начале марки конструкционной легированной стали соответствуют содержанию углерода в сотых долях процента. Например, сталь 40ХН в среднем содержит 0,40 %C, 1 %Cr, 1 %Ni. Буквы в конце марки означают, что сталь высококачественная – A или особовысококачественная – Ш. Некоторые стали содержат дополнительные обозначения. Например, марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш. ЛЕГИРОВАННЫЕ ЦЕМЕНТУЕМЫЕ (НИТРОЦЕМЕНТУЕМЫЕ) СТАЛИ К легированным конструкционным сталям, упрочняемым в поверхностном слое цементацией и нитроцементацией относятся низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,2 %C по массе. В табл. 1 приведена массовая доля элементов (%) сталей этой группы. В равновесном состоянии они имеют феррито-перлитную структуру. На рис. 1а представлена схема микроструктуры стали 15X после отжига.
Рис.1. Схема микроструктуры стали 15Х а) после отжига б) после закалки и низкого отпуска Растворение хрома в феррите происходит путем замещения в решетке атомов железа атомами Cr, что вызывает изменение параметров кристаллической решетки феррита, его свойств и свойств стали в целом. Так добавление 1 %Cr приводит к увеличению пластичности и ударной вязкости стали и небольшому росту прочности. Сталь 15Х после отжига имеет низкую твердость, хорошо обрабатывается резанием. Готовую деталь подвергают упрочняющей химико-термической обработке – цементации или нитроцементации и последующей закалке и низкому отпуску. При этом, поскольку легирование способствует повышению прокаливаемости стали при закалке, сердцевина детали будет несколько упрочнена. Получаем структуру мартенсита отпущенного (рис. 1б). Твердость поверхности детали после такой обработки будет HRC 60, а сердцевины – HRC 15 – 20. В исходном отожженном состоянии свойства сталей этой группы практически одинаковы: σb = 500 – 600 МПа; σ0,2 = 350 – 450 МПа; δ = 30%; Ψ = 60 %. Поэтому основным критерием выбора марки стали для изготовления детали служит критический диаметр, определяющий размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь. После закалки и низкого отпуска прочность стали повышается, пластичность снижается незначительно. У стали 15Х: σb = 750 МПа; σ0,2 = 650 МПа; δ = 15 %; Ψ = 55 % – после закалки в масло и отпуска при 200 ºC. УЛУЧШАЕМЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ Улучшаемые(среднеуглеродистые) стали содержат 0,3 – 0,5 %C и до 5 % различных легирующих элементов. Стали этой группы подвергают обычно (улучшению) закалке в масле и высокому отпуску (600 ºC). Прокаливаемость стали при увеличении количества легирующих элементов в ней возрастает. На рис. 2 представлена схема микроструктуры стали 40Х, после отжига и после улучшения.
Рис. 2. Схема микроструктуры стали 40Х а) после отжига б) после закалки и высокого отпуска
Основным параметром, по которому выбирается марка улучшаемой стали является прокаливаемость (критический диаметр), так как механические свойства в случае прокаливаемости у сталей разных марок этой группы отличаются незначительно. В табл. 2 приведены массовые доли элементов (%) и назначение некоторых легированных улучшаемых сталей, критические диаметры и порог хладноломкости. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Название работы. 2. Цель работы. 3. Схема микроструктур исследуемых сталей с указанием структурных составляющих. 4. Химический состав заданных сталей, их механические свойства, термическая обработка и применение. 5. Выводы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Как классифицируют конструкционные легированные стали? 2. Каким образом маркируют легированные стали? 3. Какое количество углерода содержат цементуемые легированные конструкционные стали? 4. Какую микроструктуру они имеют? 5. Какие изменения происходят при легировании феррита? 6. Какой термической обработке подвергают цементуемые стали после цементации? 7. Как изменяются механические свойства в процессе термической обработки? 8. Что такое улучшение? 9. Какие легированные стали подвергают улучшению?
Таблица 1 Массовая доля элементов (%) в легированных цементуемых сталях
Таблица 2 Массовая доля элементов (%) в улучшаемых легированных сталях
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучить назначение, классификацию, маркировку и режимы термической обработки инструментальных сталей. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ Металлографические микроскопы, образцы инструментальных сталей, атлас микроструктур. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ: По назначению инструменты делятся на формообразующие и измерительные. Формообразующие инструменты подразделяются на режущие (резцы, фрезы, сверла, развертки), давящие (штампы, накатки) и ударные (зубила, пробойники). В свою очередь различают штампы холодного и горячего деформирования металлов («холодные» и «горячие» штампы). Режущие инструменты, работающие в условиях больших нагрузок, высоких температур и трения, должны удовлетворять ряду особых эксплуатационных требований: твердость материала режущей части инструмента должна значительно превышать твердость материала заготовки, высокая прочность обеспечивает сопротивляемость инструмента деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента позволяет ему воспринимать ударные динамические нагрузки, возникающие при обработке заготовок. Поскольку в процессе резания механическая энергия превращается в тепловую, режущая кромка инструмента нагревается до высоких температур. Сталь в штампах испытывает значительные тепловые и ударные нагрузки, распределенные по значительной поверхности. Здесь наилучшей сталью является та, у которой при температурах, соответствующих условиям работы штампа, наблюдается оптимальное сочетание твердости и пластичности. Условия работы измерительного инструмента приближаются к условиям работы режущего инструмента при легких режимах резания, различие состоит лишь в значительно меньших удельных давлениях на рабочие поверхности. Для разных видов инструмента применяют инструментальные стали разного типа. Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, применяемые для изготовления режущих, измерительных инструментов и штампов. Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), то есть устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы. Различают инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3 – 4 % легирующих элементов), полутеплостойкие (содержащие свыше 0,6 – 0,7 %C и 4 – 3 %Cr) и теплостойкие (высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие Cr, W, V, Mo, Co), получившие название быстрорежущих. Основным элементом, определяющим высокую износостойкость инструментальных сталей, является углерод, так как твердость, а следовательно и износостойкость инструмента после термообработки зависит от содержания углерода в мартенсите. Наличие легирующих элементов в значительной степени влияет на прокаливаемость стали, а также увеличивает стабильность мартенсита при нагреве закаленной стали. Углеродистые инструментальные стали (У7, У8Г, У12А, У8ГА) маркируют буквой У (углеродистая): следующая за ней цифра – средняя массовая доля углерода в десятых доля процента, буква Г говорит о повышенном содержании марганца в данной стали, А – высококачественная, т.е. более чистая по сере и фосфору сталь.
Рис. 1. Схема микроструктуры углеродистых инструментальных сталей а) Сталь У8 после отжига – перлит зернистый б) Сталь У8 после закалки и низкого отпуска – мартенсит отпуска в) Сталь У12 после отжига – перлит зернистый + цементит вторичный г) СтальУ12 после закалки и низкого отпуска – мартенсит отпуска + цементит вторичный Доэвтэктоидные и эвтектоидные инструментальные стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зернистого перлита (рис. 1). В структуре заэвтектоидных сталей дополнительно присутствует вторичный цементит. Стали с такой структурой имеют низкую твердость и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки у доэвтектоидных сталей должна быть выше верхней критической точки Ас3 (t = Ас3 + 20 – 40), ºС, а у эвтектоидных и заэвтектоидных выше нижней критической точки Ас1 (t = Ас1 + 20 – 40), ºС, чтобы в результате закалки сталь получила мартенситную структуру. У заэвтэктоидных сталей при этом сохраняется вторичный цементит. Закалку проводят в воде или в водных растворах солей. После закалки инструментальные углеродистые стали подвергаются низкому отпуску при 150 – 170 ºС (рис. 2), снимающего значительную часть закалочных напряжений при сохранении высокой твердости. Формируется структура мартенсит отпуска. У заэвтектоидных инструментальных сталей в структуре дополнительно присутствует вторичный цементит (рис. 1). Поскольку углеродистые стали обладают низкой прокаливаемостью, из них изготовляют в основном инструмент небольшой толщины (напильники, ножовочные полотна, хирургический инструмент).
Рис. 2. График термической обработки заэвтектоидной инструментальной стали. Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с низкой твердостью и с малой скоростью резания, так как при нагреве выше 190 – 200 ºС их твердость резко снижается. Легированная инструментальная сталь (X, 9X, 9XC, 6XBГ) производится в основном высококачественной, поэтому буква А в конце марки не ставится. Цифра в начале марки показывает среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента. Если содержание углерода около 1 %, то цифра обычно отсутствует. Буквы означают легирующие элементы: А (внутри марки) – азот, В – вольфрам, Г – марганец, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром. Цифры, стоящие после букв, показывают среднюю массовую долю легирующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры после буквы означает, что содержание этого легирующего элемента находится в пределах от 0,1 до 1 %. Легированные инструментальные стали подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания относительно мягких материалов с небольшой скоростью. Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200 – 250 ºС. Легированные стали обладают большей прокаливаемостью, чем углеродистые. Низколегированные стали (11Х, 13Х) рекомендуются для инструментов диаметром до 15 мм, а стали повышенной прокаливаемостью (9ХС, ХВСГ) имеют большую теплостойкость (250 – 280) ºС, хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Их используют для изготовления инструментов диаметром 60 – 80 мм. Окончательная термическая обработка легированных сталей состоит из неполной закалки и низкого отпуска, подобно углеродистым (рис. 2). При неполной закалке изделие нагревают до t = Ас1 + (30 – 50) ºС, выдерживают и быстро охлаждают в масле или горячих средах, что уменьшает их коробление по сравнению с углеродистыми, охлаждаемыми в воде. Низкий отпуск проводят при температуре 150 – 180 ºС. Структура инструментальных легированных сталей после окончательной термической обработки состоит из отпущенного легированного мартенсита и легированного зернистого цементита, т.е. она качественно подобна структуре углеродистой заэвтектоидной инструментальной стали после аналогичной термообработки (рис. 1). Быстрорежущая сталь маркируется буквой Р, а следующая за ней цифра указывает среднюю массовую долю главного легирующего элемента быстрорежущей стали – вольфрама (Р18, Р6М5, Р10К5Ф5). Среднее содержание других легирующих элементов обозначается цифрой после соответствующей буквы. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается. Кроме того, не указывается содержание молибдена до 1 % по массе и ванадия, если его содержание меньше, чем молибдена. В быстрорежущих сталях теплостойкость достигается легированием карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600 – 650 ºС, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2 – 4 раза) и стойкость инструмента (в 10 – 30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью. Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Их фазовый состав в отожженном состоянии представляет собой легированный феррит и карбиды Cr7C3, Fe3W3C6, VC, в которых также растворен ванадий. В феррите растворена большая часть хрома: почти весь вольфрам, молибден и ванадий находятся в карбидах. Количество карбидной фазы в быстрорежущих сталях достигает 22 – 30 %.
Рис. 3. Схема микроструктуы быстрорежущих сталей. а) Литая и отожженная – сорбитообразный перлит + карбиды + ледебуритная эвтектика б) Горячедеформированная и отожженная – сорбитообразный перлит + карбиды в) Закаленная – мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды г) Отпущенная – мартенсит отпуска + карбиды.
В структуре литой бысторежущей стали присутствует сложная эвтектика, напоминающая ледебурит. В результате горячей механической обработки (ковки) сетка ледебуритной эвтектики дробится (рис. 3). Для снижения твердости, улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 800 – 860 ºС. Для придания теплостойкости стали инструменты подвергают закалке и многократному отпуску (рис. 4).
Рис. 4. График термической обработки быстрорежущей стали. Режимы термической обработки инструментальных сталей приведены в табл. 1, 2, 3. Температура закалки быстрорежущей стали принимают в интервале 1200 – 1290 ºС. Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Это обеспечивает получение после закалки мартенсита, обладающего высокой теплостойкостью. Однако даже при очень высоком нагреве растворяется только часть карбидов, примерно 30 – 60 % от имеющихся у различных марок быстрорежущих сталей. Высоколегированный аустенит, полученный при нагреве под закалку, обладает большой устойчивостью, поэтому быстрорежущие стали имеют малую критическую скорость охлаждения (закалки) и могут закаливаться на воздухе. Однако на практике в качестве охлаждающей среды применяется масло. Структура быстрорежущей стали после закалки представляет высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3 – 0,4 %С, нерастворенные избыточные карбиды и высоколегированный остаточный аустенит, составляющий 25 – 35 %. Поскольку остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, его присутствие в готовом инструменте недопустимо. После закалки следует отпуск при 550 – 570 ºС, вызывающий превращение остаточного легированного аустенита в легированный мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения карбидов (рис. 3), что сопровождается увеличением твердости. Чтобы весь остаточный аустенит перевести в мартенсит и произошел отпуск вновь образовавшегося мартенсита, применяют многократный (чаще трехкратный) отпуск при 550 – 570 ºС. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1.Название работы. 2. Цель работы. 3. Схемы микроструктур исследуемых сталей. 4. Режимы термической обработки сталей. 5. Выводы. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какими основными качествами должен обладать инструмент? 2. Наличие каких элементов в составе инструментальных сталей обеспечивает высокую твердость инструмента после закалки? 3. Какое основное назначение Cr, W, V, Mo в инструментальных сталях? 4. Как подразделяются стали по теплостойкости? 5. Что такое теплостойкость стали? 6. Какие инструменты требуют сплошной прокаливаемости? 7. Какие основные преимущества имеют легированные инструментальные стали перед углеродистыми?
Таблица 1 Режим термической обработки инструментальных углеродистых сталей
Таблица 2 Режимы термической обработки инструментальных легированных сталей
Таблица 3 Режимы термической обработки быстрорежущих сталей
|
