47560

Принципи та технології легування, спеціальні сталі

Книга

Производство и промышленные технологии

Спеціальні сталі – це сталі властивості яких на відміну від звичайних вуглецевих сталей обумовлені як способом виробництва так і способом обробки та хімічним складом. В останньому випадку сталі називають легованими і вони є найбільш розповсюдженими спеціальними сталями....

Украинкский

2013-12-12

198.5 KB

3 чел.

                     МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ  І  НАУКИ  УКРАЇНИ

 НАЦІОНАЛЬНИЙ  ТЕХНІЧНИЙ  УНІВЕРСІТЕТ  УКРАЇНИ

            “КИЇВСЬКИЙ  ПОЛІТЕХНІЧНИЙ  ІНСТИТУТ”

 

«Теорія та практика термічної обробки

вуглецевих та легованих сталей»

Модуль 2 “Леговані сталі”

«Принципи та технології легування, спеціальні сталі»

                            

МЕТОДИЧНІ  ВКАЗІВКИ

до лабораторних робіт

для студентів напрямку 050403 “Інженерне матеріалознавство”

спеціальностей 6.090104 «Металознавство» та  7.090102 „Фізичне матеріалознавство”  інженерно- фізичного факультету

                                               Київ

                                               2010

Вступ

Спеціальні сталі – це сталі, властивості яких на відміну від звичайних вуглецевих сталей, обумовлені як способом виробництва, так і способом обробки та хімічним складом. В останньому випадку сталі називають легованими і вони є найбільш розповсюдженими спеціальними сталями. Легування є найголовнішим засобом впливу на той чи інший процес, що відбувається в сталі  в напрямку досягнення необхідних властивостей.

Цикл лабораторних робіт з курсу “Спеціальні сталі і сплави” сприяє закріпленню і поглибленню теоретичного матеріалу, надає студентам уміння використовувати ДСТУ (ГОСТ), узагальнювати одержані експериментальні данні шляхом складання таблиць, побудови графіків та діаграм, а також встановлення закономірностей будови і змінення властивостей металу в процесі термічної обробки.

Лабораторна робота № 1

ВИВЧЕННЯ КЛАСИФІКАЦІЇ ЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ

Мета роботи – вивчити принципи класифікації легованих сталей за структурою у відпаленому та нормалізованому станах.

В основу класифікації легованих сталей покладені мікроструктурні ознаки. В залежності від того, яка структура  утворюється в сталі, попередньо нагрітої до аустенітного стану, після уповільненого (разом з піччю) або прискореного             ( у спокійному повітрі) охолодження зразків невеликого перетину, відрізняють слідуючи класи сталей (після нормалізації): перлітний, аустенітний, мартенситний та бейнітний. В той же час у відпаленому стані ці сталі можливо класифікувати, як доевтектоїдні та заевтектоїдні. Це обумовлено впливом легуючих елементів на процеси ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту.

Наряду з цим існують високолеговані сталі (л.е.8-10%), які відносяться до ледебуритного і феритного класів.

Сталі ледебуритного класу – це високолеговані сталі, леговані значною кількістю карбідоутворюючих елементів (л.е.6-8%). Це штампові сталі Х12, Х12М, швидкорізальні сталі Р6М3, Р6М5, Р12 та інші.

В сталях феритного класу не відбувається при нагріві фазовий перехід  і мікроструктура такої сталі складається із фериту. До таких сталей відносяться корозійностійкі сталі та трансформаторні.

Обладнання :

Нагрів проводять в електропечі камерної з автоматичним регулюванням температури. Робоча температура 800-1100°С

Вимірювання твердості проводять на Твердомірі ТК

Візуальне вивчення та фотографування мікрошлифів виконували використовуючи мікроскопи  МІМ7 або  “Neophot–21»

Порядок виконання роботи. Взяти по два зразка декількох марок сталі різного рівня легування (марки сталі визначає викладач) та помістити у піч, що нагріта до 830-9000С, для проходження повного перетворення вихідної структури в аустеніт. Після 15-хвилинної витримки по одному зразку кожної марки сталі вилучити з печі та охолодити на повітрі (нормалізація). Одночасно виключити живлення печі та зразки, що залишились в ній, охолодити разом із піччю. Після охолодження зразки зачистити на шліфувальному кругу для зняття окалини та зневуглецеваного шару, провести вимірювання твердості на твердомірі ТК, заповнити (табл.1) та виготовити мікрошліфи. Вивчення мікроструктури сталей провести при збільшенні не менше ніж у 500 раз.

У висновках до роботи необхідно визначити класи сталей у нормалізованому і відпаленому станах та пояснити вплив легування на стійкість аустеніту до розпаду.

      

Таблиця 1  Мікротвердість зразків в залежності від марки сталі та виду термічної обробки

Марка сталі

Твердість  зразків після нормалізації, НV

Твердість зразків після відпалу, НV

Контрольні питання.

  1.  За якими принципами проводиться класифікація сталей?
  2.  За яких умов проводиться класифікація?
  3.  На які класи поділяють сталі за структурою після нормалізації?
  4.  Які сталі відносяться до ледебуритного класу?
  5.  Які сталі відносяться до феритного класу?

Лабораторна робота №2

ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ ЛЕГУЮЧИХ ЕЛЕМЕНТІВ НА

СХИЛЬНІСТЬ   ДО ЗРОСТАННЯ АУСТЕНІТНОГО ЗЕРНА

ПРИ НАГРІВІ СТАЛІ

Мета роботи – вивчити вплив легуючих елементів та вуглецю на зростання зерна аустеніту при нагріві сталі.

Зростання зерна аустеніту при нагріві сталі вище критичних точок Ас3 або Аcm є природнім і довільним процесом. Стимулом для зростання зерна є термодинамічний фактор, який визначає прагнення системи до зменшення вільної енергії за рахунок скорочення поверхні зерен. Процес зростання супроводжується розвиненням окремих зерен за рахунок поглинення сусідніх дрібних зерен, які мають більш низьку термодинамічну стійкість.

Основна причина зростання зерна визначається впливом легуючих елементів на швидкість дифузії атомів заліза та інших елементів розчинених в аустеніті, а також на поверхневу енергію меж зерен. Горофільні елементи сконцентровані  в поверхневому шарі зерна можуть як підвищувати (В, Р), так і знижувати (Mo, V, Ti, W) його поверхневу енергію, і, відповідно, сприяти або перешкоджати зростанню зерна аустеніту. Зростання зерна ефективно гальмують дисперсні включення карбідів, нітридів, продуктів розкислення сталі, які утворюються при взаємодії вуглецю та азоту з алюмінієм, титаном, ванадієм, ніобієм, танталом, цирконієм та іншими елементами. Процес розчинення їх при нагріві протікає дуже важко.

Зерно аустеніту, що утворилось при нагріві, може оточувати сітка:

а) оксидів, б)фериту, в)цементиту чи г) трооститу, і це забезпечує можливість виявлення зерна.

На зразках середньовуглецевих конструкційних сталей з невеликим вмістом легуючих елементів позитивні результати можливо одержати після нормалізації зразків, коли по границях зерен утворюється тонка сітка фериту.      В сталях з перлітною структурою, за складом близьких до евтектоїдних, величину зерна легше виявити за трооститною сіткою, яка утворюється при гартуванні із швидкостями охолодження, що лежать у міжкритичному інтервалі.

Обладнання :

Нагрів проводять в електропечі камерної з автоматичним регулюванням температури. Робоча температура 800-1100°С

Вимірювання твердості проводять на Твердомірі ТК

Візуальне вивчення та фотографування мікрошлифів виконували використовуючи мікроскопи  МІМ7 або  “Neophot–21»

Порядок виконання роботи:

  1.  Одержати у викладача по 3 зразка чотирьох марок сталей – двох середньовуглецевих ( 35, 40, 45, 40Х, 40ХФА, 40Г і т.і.) і двох інструментальних ( У8, 9Х, 8ХФ, 9ХС, ХВГ). По одному зразку кожної марки сталі помістити у піч, нагріту до температур 850, 950 і 10500С, та дати ізотермічну витримку протягом години. Після завершення витримки зразки середньовуглецевої сталі охолоджують у повітрі з метою одержання феритної сітки по межах зерен. Зразки інструментальних сталей гартують у воді для створення набору структур від мартенситу до перліту. Для цього вилучені з печі зразки опускають одним кінцем у воду на глибину 1-3 мм і держать їх до повного почорніння, тобто імітують торцеве гартування.
  2.  З усіх зразків виготовляють мікрошліфи і проводять мікроскопічне дослідження структури при збільшенні в 100 разів, шляхом визначення балу зерна згідно ГОСТ 5639-71 (табл.2). Мікроструктурному дослідженню піддають кожний зразок певної марки сталі після нагріву його до зазначених вище температур. Площу зерна визначають відповідно його балу по формулі:

                               F = 500 28-N,

де F – середня площа зерна, мкм2, яка відповідає певному балу нормативної шкали (номеру зерна, N).

За одержаними результатами будують два графіка в координатах “Температура нагріву – величина зерна”; перший – для середньовуглецевих сталей, другий – для інструментальних).

Таблиця 2 Вплив температури на бал зерна

Марка сталі

                   Т, °С

Бал зерна

850

950

1050

У висновках по роботі необхідно проаналізувати вплив легуючих елементів, у сталях що досліджувались, на зростання аустенітного зерна при нагріві, в тому числі вплив вуглецю, а також обґрунтувати хід кривих на графіках “Температура нагріву – величина зерна”.

Контрольні питання.

  1.  За яких температур відбувається зростання зерна аустеніту при нагріві сталі?
  2.  Назвіть основні фактори впливу на зростання аустенітного зерна
  3.  Чи впливає тип легуючого елементу на зростання аустенітного зерна?
  4.  Які існують методики визначення аустенітного зерна і в чому їх суть?

Лабораторна робота № 3

ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ ЛЕГУЮЧИХ ЕЛЕМЕНТІВ

НА СТІЙКІСТЬ ПЕРЕОХОЛОДЖЕНОГО АУСТЕНІТУ

Мета роботи - вивчити розпад переохолодженого аустеніту в перлітній та проміжних областях в вуглецевих та легованих сталях.

За характером впливу на перетворення переохолодженого аустеніту легуючі елементи поділяються на дві групи. Такі елементи, як кремній, нікель, мідь, кобальт, азот, фосфор вносять в діаграму ізотермічного розпаду аустеніту тільки кількісні змінення. Всі ці елементи, за виключенням кобальту, збільшують час до початку розпаду, а також тривалість самого розпаду. Різний характер впливу їх на стійкість аустеніту в перлітній  і проміжній областях проявляється в деякій зміні вигину кривих на діаграмі ізотермічного розпаду переохолодженого аустеніту.

Карбідоутворюючі елементи (хром, молібден, ванадій, вольфрам і інш.) крім кількісних вносять і якісні зміни в діаграму. Області перлітного і проміжного перетворень в сталі, що містять ці елементи, відокремлюються областю підвищеної стійкості аустеніту (рис.2).

Кінетику розпаду переохолодженого аустеніту вивчають за допомогою фізичних методів аналізу (магнітометричним, ділатометричним, тощо). Крім того, для вивчення кінетики розпаду можливо використовувати гартувально-структурний метод, в основу якого  покладено вивчення мікроструктури і твердості продуктів розпаду переохолодженого аустеніту. Суть методу полягає в наступному. Декілька зразків сталі нагрівають вище температур евтектоїдного перетворення (аустенізація), а потім швидко переохолоджують у ванні з розплавом легкоплавкого металу або солі до температур розпаду. Після цього, через певні інтервали часу по одному зразку вилучають із ванни та гартують. Побудував графік залежності твердості загартованих зразків від часу витримки можливо встановити час початку та кінця розпаду (рис.3).

Обладнання :

Нагрів проводять в електропечі камерної з автоматичним регулюванням температури. Робоча температура 600-1000°С та 400-700 0С.

Вимірювання твердості проводять на Твердомірі ТК

Візуальне вивчення та фотографування мікрошлифів виконували використовуючи мікроскопи  МІМ7 або  “Neophot–21»

Порядок виконання роботи.

Взяти до 15 зразків сталі У8 і легованої сталі, наприклад ШХ15, 9Х, 9ХС, ХГ, діаметром 15-18 мм і товщиною 2-3 мм та нагріти в печі до 850-9500С           (в залежності від марки сталі). При чому, зразки сталі У8 нагрівати до 8500С, а легованої сталі – до 920-9500С. Зразки слід закріпити на ніхромовому дроті діаметром 0,8-1,0 мм і довжиною 250-300 мм. Після нагріву і 10-хвилинної ізотермічної витримки, яка проводиться для гомогенізації аустеніту, по пять зразків кожної марки сталі помістити у печі  з температурами 400, 500, 6500С. Через певні інтервали часу (табл.3) по одному зразку кожної сталі загартувати у воді. Перенос зразків із печі в піч та гартування слід проводити з мінімальними витратами часу. Провести вимірювання твердості та за отриманими значеннями визначити час початку та завершення перетворення.

Таблиця 3. Терміни часу, за якими проводиться гартування зразків

Температура ізотермічної витримки, 0С

Марка сталі

Термін часу

Твердість, HRC

       400

У8

ШХ15, 9Х

9ХС, ХГ

1, 5, 20 с, 1; 1,5 хв.

1, 2, 5,10, 60 хв

2, 5, 10, 60, 90хв.

       500

У8

ШХ15, 9Х

9ХС, ХГ

1, 2, 3, 5 та 10 с.

1, 5,10, 30 та 60 хв

2, 5, 10, 60, 90хв.

       650

У8

ШХ15, 9Х

9ХС, ХГ

2, 5, 10 с, 1; 2 хв.

10, 20, 30 с та 1, 2 хв

20, 40 с, 1, 2, 5 хв.

У висновках до роботи необхідно пояснити, як впливають легуючі елементи на перлітне та проміжне перетворення. Проаналізувати, в якому інтервалі температур вплив елементів більш значний.

Контрольні питання.

  1.  Як впливає природа легуючого елементу на характер перетворень в переохолодженому аустеніті?
  2.  В чому полягає суть гартувально структурного методу аналізу розпаду переохолодженого аустеніту?
  3.  Як впливають легуючі елементи на тривалість розпаду переохолодженого аустеніту?

Лабораторна робота № 4

Вивчення впливу легуючих елементів на перетворення при відпусканняу легованих сталей

Мета роботи – вивчити вплив легуючих елементів на фазові перетворення, які відбуваються при відпусканні загартованої сталі.

В процесі нагріву загартованої сталі, структура якої в більшості випадків складається з мартенситу та залишкового аустеніту, протікає ряд перетворень.

При температурах до 2000С відбувається перше перетворення – виділення вуглецю з перенасиченого - твердого розчину з утворенням -карбідів, гратка яких має когерентний звязок з граткою мартенситу. При температурі нижче за 1500С в областях мартенситу  виділяються пластини - карбідів із розміром порядку 10нм. При температурах вищих за 1500С дифузія вуглецю вже достатня для забезпечення  зростання карбідних часток шляхом переносу атомів вуглецю через - твердий розчин. Тому відрізняють дві стадії першого перетворення: першу – до температур 1500С і другу, коли температура перевищує 1500С.

Перше перетворення продовжується і при температурах вищих за 2000С, але в інтервалі температур 200-3000С додається друге перетворення – розпад залишкового аустеніту. В залежності від температури і складу сталі залишковий аустеніт перетворюється в суміш перенасиченого - твердого розчину та пластин - карбіду або цементиту, тобто перетворюється у відпущений мартенсит чи нижній бейніт.

В інтервалі температур третього перетворення (300-4000С) проходить відособлення карбідів від - твердого розчину, перетворення - карбідів в цементит, знімаються внутрішні напруги в - розчині за рахунок протікання процесів повернення і рекристалізації, завершається виділення вуглецю з - розчину та починається коагуляція карбідів.

При температурі вище 4000С проходить сфероідізація та коагуляція цементиту, що часто трактується як четверте перетворення при відпусканні сталі.

Вплив легуючих елементів на процеси, які протікають при відпусканні сталі, в основному визначається швидкістю дифузії атомів легуючих елементів. Легуючі елементи, які утворюють тверді розчини заміщення , мають низьку дифузійну рухомість і при температурі до 5000С перерозподілення атомів легуючих елементів між фазовими складовими не відбувається. За цих причин на першу стадію перетворення  легуючі елементи суттєво не впливають. Карбідоутворюючі елементи ( хром, ванадій, вольфрам, титан, молібден та інші), а також кремній і кобальт суттєво задержують другу стадію першого перетворення внаслідок зниження термодинамічної активності вуглецю та металічних атомів у твердому розчині. При цьому карбідоутворюючі елементи, а також кремній і кобальт підвищують міцність міжатомних звязків у кристалічній гратці - твердого розчину, внаслідок чого ускладнюється перехід через межу     - розчин – карбід і, відповідно, гальмується розпад мартенситу. Якщо у вуглецевій сталі стан відпущеного мартенситу з притаманною йому високою твердістю може зберігатись тільки до 3000С, то у легованій сталі такий стан може зберігатись до 400-5000С. Температура залежить від природи легуючого елементу та його вмісту.

Легуючі елементи в той чи іншій мірі задержують та зсувають до більш високих температур (500-6000С) розпад залишкового аустеніту.

Елементи, які посилюють міжатомний звязок у гратці - розчину та зменшують швидкість дифузії вуглецю, гальмують процеси коагуляції карбідів. При температурах, що перевищують 400-4500С може відбуватись перерозподіл легуючих елементів між феритом і цементитом з утворенням спеціальних карбідів.

Обладнання :

Нагрів проводять в електропечі камерної з автоматичним регулюванням температури. Робоча температура 100-600 0С.

Вимірювання твердості проводять на Твердомірі ТК

Візуальне вивчення та фотографування мікрошлифів виконували використовуючи мікроскопи  МІМ7 або  “Neophot–21»

Порядок виконання роботи.

Загартувати по 7-8 зразків вуглецевих та легованих сталей типу 45, 40Х, У8, 9ХС, ХВГ (марки сталей уточнюються викладачем). Вуглецеві сталі гартують у воді з температури від 8500С. Враховуючи той факт , що вплив легуючих елементів визначається їх вмістом у твердому розчині, зразки легованих сталей нагрівають під час гартування до 10000С для повного розчинення спеціальних карбідів. Охолодження при гартуванні проводять у масло. Із кожної партії загартованих зразків відбирають по 6 зразків із приблизно однаковою твердістю і відпускають їх протягом 60 хвилин у печах з температурою 100, 200, 300, 400, 500, 6000С. Після цього їх охолоджують у воді. З метою зняття зневуглецеваного шару поверхню зачищають на шліфувальному кругу та вимірюють твердість на твердомірі ТК алмазним конусом при навантаженні 1500Н (150кгс) (табл..4).

За одержаними результатами будують графік у координатах “температура відпускання – твердість”.

У висновках по роботі необхідно пояснити хід кривих вимірювання твердості в залежності від температури відпускання та впливу легуючих елементів.

Таблиця 4 Вплив температури відпускання на твердість легованих сталей

Марка сталі

                   Т, °С

Твердість, HRC

100

200

300

400

500

600

Контрольні питання.

  1.  Скільки основних перетворень протікає при відпусканні легованої сталі?
  2.  В чому полягає основний вплив легуючих елементів на процеси при відпусканні?
  3.  Чи є різниця між впливом карбідо- та не карбідоутворюючих елементів на процеси при відпусканні сталі?
  4.  Чи впливає легування на змінення властивостей сталей після відпусканні, а якщо так, то як?

Лабораторна робота № 5

ТЕРМІЧНА ОБРОБКА МАРТЕНСИТНО- СТАРІЮЧОЇ СТАЛІ

Мета робот – вивчити механізми зміцнення мартенситно-старіючої сталі на різних етапах термічної обробки.

Мартеситностаріючі сталі – це нова група матеріалів з високою конструктивною міцністю, яка обумовлена високою межею міцності (в=1900-2200 Мпа) та великим опором крихкому руйнуванню (ан - 0,3-0,6 МДж/м2).

Такі високі характеристики міцності обумовлені старінням високолегованого безвуглецевого мартенситу. Сталі містять не більше  0,02-0,04%С та леговані нікелем (8-26%), який забезпечує мартенситне  перетворення. Для проходження процесу старіння мартенситу сталі додатково легують титаном, алюмінієм, молібденом, ніобієм. Посилює ефект старіння кобальт.

Найбільш широко використовується мартенситно-старіюча сталь 03Н18К9М5Т з гарантованою межею міцності 1900-2100 МПа. Крім неї знайшли використання сталі як із меншим вмістом нікелю (04Н12К8М3Г2, 04Х11Н9М2Д2ТЮ, 02Н12Х5М3) з межею міцності 1400-1600 МПа, так і з більш високим  (03Н25ТЮ, 03Н26ЮТ2Б та ін.) із межею міцності 2000-2200 МПа.

Сталі гартують у повітрі при температурі 850-9500С із послідуючим старінням при 480-5200С. В окремих марках сталі для більш повного протікання мартенситного перетворення перед старінням проводиться обробка холодом. Вироби значної товщини піддають багатократному гартуванню, при чому починається гартування при температурі 12000С, а закінчується при 8500С.

В роботі вивчається термічна обробка високонікелевої мартенситно-старіючої сталі (до 25% нікелю) із низьким положенням температури мартенситного перетворення.

Обладнання :

Нагрів проводять в електропечі камерної з автоматичним регулюванням температури. Робоча температура 400-1200 0С.

Обробку холодом проводять в охолоджувачі  з рідким азотом

Вимірювання твердості проводять на Твердомірі ТК

Візуальне вивчення та фотографування мікрошлифів виконували використовуючи мікроскопи  МІМ7 або  “Neophot–21»

Порядок виконання роботи.

Пять зразків мартенситно-старіючої сталі загартувати  шляхом охолодження у повітрі після нагріву до температур 9000С і вище. Чотири зразки піддати обробці холодом, шляхом охолодження у рідкому азоті, та три з них піддати старінню протягом  однієї години при температурах: 480, 520, 5500С. (табл..5). Провести вимірювання твердості на всіх 5-ти зразках, підготувати мікрошліфи та вивчити мікроструктуру при збільшенні у 1000 разів.

У висновках до роботи необхідно відобразити суть структурних змінень у сталі  та пояснити причини зміцнення, що ними викликаються.

Таблиця 5 Вплив режиму термічної обробки на твердість мартенситно – старіючої  сталі

Марка сталі

                                             

Вид термічної обробки

Твердість, HRC

Гартування

Гартування та обробка холодом

Гартування та обробка холодом з наступним старінням при 480°С

Гартування та обробка холодом з наступним старінням при 520°С

Гартування та обробка холодом з наступним старінням при 550°С

Контрольні питання

  1.  Які легуючі елементи входять до складу мартенситно-старіючих сталей?
  2.  Чим обумовлена висока міцність та ударна вязкість цих сталей?
  3.  Пояснити необхідність обробки холодом перед операцією старіння.
  4.  Як впливає нікель на властивості мартенситно-старіючих сталей?
  5.  З яких температур проводять гартування?

Лабораторна робота № 6

ТЕРМІЧНА ОБРОБКА ВИСОКОХРОМИСТОЇ СТАЛІ Х12М

Мета роботи – вивчити вплив температури нагріву при гартуванні на структуру і властивості штампової сталі Х12М.

Високохромисті інструментальні сталі, які містять 6-18% хрому, відносяться до напівтеплостійких сталей. Вироби з них зберігають високі експлуатаційні характеристики при нагріві до 400-5000С.

Найбільшу групу складають сталі з 12% хрому, які представлені марками Х12, Х12М, Х12Ф1, Х12ВМ. Вміст вуглецю в цих сталях коливається від 1,25-1,45% (в сталі Х12Ф1) до 2,0-2,2% (в сталі Х12 та Х12ВМ). Сталі відносяться до ледебуритного класу, внаслідок того, що структурі є евтектика, а у відпаленому стані існує ще 13-20% надлишкових карбідів типу Ме23С6 та Ме7С3. Температура А1 для цих сталей розташована в інтервалі 790-8000С. Вміст вуглецю в аустеніті при нагріві під гартування залежить від температури нагріву. При нагріві до 9500С концентрація вуглецю в аустеніті складає 0,2%, а з підвищенням температури нагріву до 12000С зростає до 0,9%. Відповідно зростає і вміст хрому від 3 до 11%.

Сталі можливо загартовувати в широкому інтервалі температур від 950 до 11500С. Твердість сталі зростає з підвищенням  температури гартування до 10500С, після чого починає знижуватись внаслідок збільшення кількості залишкового аустеніту.

Внаслідок того, що інструменти із цих сталей (штампи для холодної штамповки, протяжки великої довжини, рубаночні та фуговочні ножі, інший інструмент для обробки деревини та неметалевих матеріалів, який повинен мати теплостійкість до 4000С) призначені для роботи в різних умовах, можуть використовуватись слідуючи варіанти термічної обробки:

  •  гартування на первинну твердість;
  •  гартування на вторинну твердість;
  •  гартування  на мінімальну деформацію.

Гартування на первинну твердість проводиться від 1000-10700С з послідуючим відпусканням при 150-1700С. Гартування на вторинну твердість надає червоностійкість з достатнім опором зносу. В цьому випадку нагрів сталі проводиться  до 1100-11400С, а відпускання призначається багатократним (від 3 до 5 разів) з нагрівом до 500-5200С.

Для мінімальної деформації вироби нагрівають до 1040-11000С і охолоджують в розплаві солі при температурі 400-4750С, а потім у повітрі. За рахунок збереження відносно великої кількості залишкового аустеніту вироби трохи зменшуються у розмірах у порівнянні із вихідним станом. Для доведення  їх до необхідних розмірів вироби відпускають при температурах 475-5000С.

В окремих випадках (у силікатному виробництві) сталі , що містять 12 % хрому, використовують в метастабільному стані із аустенітно-мартенситною структурою (до 80% аустеніту) замість сталі 110Г13, внаслідок поганої оброблюваності останньої. Гартування проводиться у масло від температур 1180-12000С.

Обладнання :

Нагрів проводять в електропечі камерної з автоматичним регулюванням температури. Робоча температура 900-1200 0С.

Вимірювання твердості проводять на Твердомірі ТК

Візуальне вивчення та фотографування мікрошлифів виконували використовуючи мікроскопи  МІМ7 або  “Neophot–21»

Порядок виконання роботи.

Взяти пять зразків сталі Х12М і чотири із них загартувати в масло від температур: 950, 1025, 1100 і 11750С, тобто через кожні 750С. При виконанні роботи необхідно врахувати, що сталь Х12М має значну схильність до зневуглецювання, і тому після досягнення зразками температури печі витримка для розчинення карбідів та гомогенізації аустеніту повинна бути мінімальною.    З цієї ж причини товщина зневуглецеваного шару, який підлягає зніманню на абразивному кругу, повинна бути не менше 0,5 мм.

Після вимірювання твердості на твердомірі ТК із зразків виготовляють мікрошліфи і вивчають структуру при  збільшенні  не менше ніж у 500 разів. Мікроструктури необхідно замалювати. На “сирих” зразках вивчають карбідну неоднорідність при збільшенні у 100 разів шляхом порівняння її з шкалою ГОСТу 5959-73.

За результатами вимірювання твердості будують криву змінення твердості в залежності від температури нагріву під гартування.

У висновках по роботі необхідно відобразити суть структурних змінень, які обумовлюють відповідне змінення твердості, з підвищенням температури гартування.

Таблиця 6 Вплив режиму термічної обробки на твердість мартенситно – старіючої  сталі

Марка сталі

                                             Вид термічної обробки

Твердість, HRC

Вихідний зразок

Гартування при температурі 950°С

Гартування при температурі 1025°С

Гартування при температурі 1100°С

Гартування при температурі 1175°С

Контрольні питання.

  1.  До якого класу за призначенням відноситься високохромиста сталь Х12М?
  2.  До якого класу за структурою відноситься високохромиста сталь Х12М?
  3.  Які варіанти термічної обробки використовуються для цієї сталі?
  4.  Обґрунтуйте температурні інтервали нагріву під гартування сталі Х12М?
  5.  З якою метою проводиться багатократний відпускання цієї сталі?

Лабораторна робота № 7

ТЕРМІЧНА ОБРОБКА ШВИДКОРІЗАЛЬНИХ СТАЛЕЙ

Мета роботи - вивчити вплив режимів гартування та відпускання на мікроструктуру і твердість швидкорізальної сталі.

Характерною особливістю швидкорізальних сталей є їх червоностійкість, яка проявляється у стійкому  збереженні твердості та різальних властивостей при нагріві до 500-6000С. Звичайні вуглецеві та низьколеговані інструментальні сталі розміцнюються вже при нагріві за 2000С. В сьогоденні використовується приблизно 30 марок швидкорізальних сталей, з яких найбільш розповсюдженими є пять марок сталей нормальної червоностійкості (Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6М3). Хімічний склад зазначених сталей наведений у таблиці 1.

Примітка: в силу дефіцитності вольфраму чисто вольфрамові сталі Р18, Р12, Р9 в сучасності використовуються обмежено, а до широко поширених відносяться сталі Р6М5 і Р6М3.

Таблиця 1. Хімічний склад швидкорізальних сталей

Марка

сталі

                      Вміст елементів, % , масс.

    С

    W

     Cr

       V

  Mo

Р18

0,7-0,8

17,0-18,5

3,8-4,4

1,0-1,4

1,0

Р12

0,7-0,9

12,0-13,0

3,1-3,6

1,5-1,9

0,5

Р9

0,85-0,95

8,5-10,0

3,5-4,4

2,0-2,6

1,0

Р6М5

0,8-0,88

5,5-6,5

3,8-4,4

1,7-2,1

5,0-5,5

Р6М3

0,85-0,95

5,5-6,5

3,0-3,6

2,0-2,5

3,0-3,6

В литому стані сталі характеризуються невисокими механічними властивостями внаслідок неоднорідності будови та наявності грубої, “скелетного” виду евтектики, присутності в сталі різних за розміром і формою карбідів.

В процесі гарячої механічної обробки відбувається подрібнення евтектики, карбідів, посилюється однорідність їх розподілення в евтектоїді, хоча карбідна неоднорідність зберігається (сітка евтектики усувається майже повністю тільки після ступеня деформації більше 90%). Властивості сталі після механічної обробки покращуються, хоча карбідна неоднорідність значно впливає на якість інструменту, особливо з тонкою різальною кромкою. Згідно з ГОСТ 19265-73 у швидкорізальних сталей карбідна неоднорідність оцінюється за 8-бальною шкалою, а вибір сталі для інструменту різного розміру проводять в залежності від бала карбідної неоднорідності. Наприклад: для плашок, червячних фрез, протяжок карбідний бал не повинен перевищувати №4 для прутків діаметром до 60 мм або №5 – для прутків діаметром від60 до 80 мм.

Високі різальні властивості та червоностійкість швидкорізальної сталі одержують тільки після правильно виконаної термічної обробки. Оптимальний режим термічної обробки цих сталей, який був розроблений у 1935-1936 р.р., складається із гартування з послідуючим багатократним відпусканням (рис.1).

Згідно нормативних вимог, наприклад, сталь Р12 необхідно нагрівати до 1240-12600С, а сталь Р6М5 – до 1210-12300С. Високі температури нагріву необхідні для більш повного розчинення карбідів та одержання високолегованого аустеніту з достатнім вмістом вуглецю, тому що аустеніт, який утворюється в області температур 800-8500С (малий перегрів відносно А1), низьковуглецевий і містить біля 0,2% С.

Внаслідок малої теплопровідності сталі нагрів під гартування проводять ступнево з метою запобігання виникнення тріщин: спочатку вироби підігрівають в печі при температурі 800-8700С, а вже потім здійснюють завершальний нагрів. Витримка при високій температурі (1210-12800С) повинна бути достатньою для розчинення карбідів, але в той же час не дуже великою з метою збереження дрібного зерна аустеніту. Інструменти діаметром або товщиною 15-20 мм витримують при температурі нагріву під гартування у соляній ванні 3-6 хвилин; в електропечах – 5-8 хвилин.

Охолодження виробів найчастіше проводять у маслі. Структура загартованої сталі складається із мартенситу, карбідів, що не розчинились, і значної кількості (іноді до 25-30%) залишкового аустеніту.

Після гартування швидкорізальні сталі піддають відпусканню (як правило 3-кратному) при 550-5700С. В процесі витримки, яка продовжується 1 годину при 550-5700С, із аустеніту виділяється частина вуглецю та легуючих елементів, що приводить до підвищення точки Мн. і, відповідно, перетворенню залишкового аустеніту у мартенсит при подальшому охолодженні. Одночасно з цим знімаються внутрішні напруження та відбувається дисперсійне твердіння мартенситу, яке забезпечує червоностійкість сталі. Для більш повного перетворення залишкового аустеніту  у мартенсит та зняття внутрішніх напружень відпускання проводять трьохкратно. Якщо після гартування проводять обробку холодом при (-800С), відпускання може бути одноразовим для усунення напружень та дисперсійного твердіння мартенситу.

Обладнання :

Нагрів проводять в електропечі камерної з автоматичним регулюванням температури. Робоча температура 540-580°С та 1230-1280 0С.

Вимірювання твердості проводять на Твердомірі ТК

Візуальне вивчення та фотографування мікрошлифів виконували використовуючи мікроскопи  МІМ7 або  “Neophot–21»

Порядок виконання роботи.

Взяти пять зразків швидкорізальної сталі (марка сталі уточнюються викладачем). Чотири зразка помістити у піч нагріту до температури 8500С, витримати 10 хвилин, після чого перенести зразки у піч, нагріту до температури 1230-12800С ( в залежності від марки сталі.). Після досягнення зразками температури печі та витримки протягом 7-8 хвилин загартувати їх у маслі. Після гартування три зразки помістити у піч з температурою 5600С, видержати в печі 60 хвилин та охолодити у повітрі до кімнатної температури. Після цього для двох зразків повторити відпускання при 5600С протягом години і знову охолодити у повітрі. Один з двох зразків піддати відпусканню за визначеним режимом третій раз. Виміряти твердість усіх чотирьох зразків (табл.6), підготувати мікрошліфи та провести вивчення їх структури з використанням мікроскопічного аналізу.           

Таблиця 6 Вплив режиму термічної обробки на твердість швидкорізальної сталі

Марка сталі

                                             

Вид термічної обробки

Твердість, HRC

Вихідний зразок

Гартування

Гартування з наступним однократним відпусканням при температурі 560°С

Гартування з наступним двократним відпусканням при температурі 560°С

Гартування з наступним трикратним відпусканням при температурі 560°С

З вихідного зразка виготовити продольний шліф та згідно ГОСТ 19265-73 провести визначення балу карбідної неоднорідності.

У висновках по роботі необхідно пояснити суть структурних перетворень в сталі при термічній обробці та причини змінення твердості.

Контрольні питання.

  1.  Що таке червоностійкість сталі?
  2.  Як маркіруються швидкорізальні сталі?
  3.  Чому швидкорізальні сталі мають низькі механічні властивості у литому стані і як їх можливо підвищити?
  4.  Поясніть ступеневий режим нагріву під гартування цієї групи сталей.
  5.  Як впливає хімічний склад сталі на режими нагріву під гартування?

Лабораторна робота № 8

ТЕРМІЧНА ОБРОБКА КОРОЗІЙНОСТІЙКИХ СТАЛЕЙ

Мета роботи – вивчити особливості термічної обробки корозійностійких сталей перехідного класу.

Термічна обробка однофазних хромистих сталей феритного та мартенситного класів, а також хромонікелевих і хромомарганцевистих сталей аустенітного класів досить проста. Вона складається з гартування від 1050-11300С та відпускання (сталі аустенітного класу гартують без подальшого відпускання).

Сталі перехідного аустенітно-мартенситного класу, в яких за допомогою термічної обробки можливо змінювати кількість аустеніту та мартенситу і, відповідно, механічні властивості у великих межах, піддають більш складній термічній обробці.

Сталі 20Х13Н4Г9, 09Х15Н8Ю, 07Х16Н6, 09Х17Н7Ю, 09Х17Н7Ю1, 08Х17Н5М3 поєднують властивості аустенітних та мартенситних сталей і достатньо широко використовуються у машинобудуванні.

Нормалізація або гартування цих сталей від 950-10500С надає їм в основному структуру метастабільного аустеніту із невеликою кількістю (до10%) мартенситу і - фериту (в окремих марках сталей). У такому стані сталь пластична і допускає проведення холодної пластичної деформації. Якщо загартовану сталь відпустити при 745-7750С, то в аустеніті виділяються карбіди хрому типу (Cr,Fe)23С6 і стабільність аустеніту зменшується. При цьому температура початку мартенситного перетворення підвищується (точка Мн після нагріву до 7500С відповідає приблизно 1000С). Підвищенню мартенситної точки сприяє також легування сталі алюмінієм.

В процесі охолодження від температури відпускання нижче Мн аустеніт починає перетворюватись у мартенсит. Збільшенню кількості мартенситу сприяє уповільнення швидкості охолодження та зниження температури охолодження. Сталі охолоджують у повітрі до кімнатної температури та видержують при цій температурі біля 30 хвилин. Часто використовують обробку холодом при –700С із витримкою протягом 2 годин. Межа міцності в результаті мартенситного перетворення зростає з 900-950 МПа до 1050-1100 МПа. Подальше підвищення механічних властивостей досягається після старіння мартенситу.

Старіння проводять при температурі 400-6000С ( в залежності від складу сталі) протягом 0,5-3 годин (як правило 1 год.). В процесі старіння  із перенасиченого - розчину виділяються дисперсні частки інтерметалідів нікелю та алюмінію, внаслідок  чого   межа   міцності зростає до 1300-1400 МПа, а твердість – з 30 до 40-45HRC.

Обладнання :

Нагрів проводять в електропечі камерної з автоматичним регулюванням температури. Робоча температура 500-10500С.

Вимірювання твердості проводять на Твердомірі ТК

Візуальне вивчення та фотографування мікрошлифів виконували використовуючи мікроскопи  МІМ7 або  “Neophot–21»

Порядок виконання роботи.

Взяти чотири зразки корозійностійкої сталі та три з них помістити у піч з температурою 10500С. Після 30 хвилинної витримки охолодити зразки у повітрі. Після цього два зразки помістити у піч з температурою 7500С, видержати протягом 1,5 год., охолодити до кімнатної температури та видержати в охолодженому стані 30 хвилин. Один із двох зразків помістити в піч нагріту до 5000С, провести старіння протягом 30 хвилин, після чого охолодити у повітрі. Виміряти твердість усіх зразків ( вихідного, після аустенізації при температурі 10500С; нормалізації від 7500С; старіння при 5000С), виготовити мікрошліфи та провести вивчення мікроструктури  при збільшенні не менше ніж у 500 разів. Для виявлення мікроструктури використовується розчин “царської водки” із хлористою міддю.

6 Вплив режиму термічної обробки на твердість корозійностійкої сталі

Марка сталі

                                              

Вид термічної обробки

Твердість, HRC

Вихідний зразок

Гартування

Гартування з наступною нормалізацією від температури 750°С

Гартування з наступною нормалізацією від температури 750°С та старіння при температурі 500°С

У висновках по роботі необхідно відобразити суть структурних змінень, що відбуваються на кожній операції термічної обробки, та пояснити змінення твердості, що викликані термічною обробкою.

Контрольні питання.

  1.  На які класи поділяються корозійностійкі сталі за структурою?
  2.  Які властивості мають сталі перехідного класу після нормалізації та гартування?
  3.  Які процеси відбуваються, якщо відпускання проводиться при температурі 745-7750С?
  4.  З якою метою проводиться обробка холодом?
  5.  При яких температурах і з якою метою проводиться старіння корозійностійких сталей?

Література:

  1.  Специальные стали. – М.:Металлургия, 1999, 408с. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г.
  2.  Металловедение и термическая обработка стали. Справочник./Под ред. Бернштейна М.Л. – М.: Металлургия, 1983, 368с.
  3.  Астафьев А.А. О рациональном легировании хромоникелевых конструкционных сталей. - Металловедение и термическая обработка металлов, 1982, №3,с.11
  4.  Филиппов М.А. Метастабильные аустенитные хромомарганцевые стали. - Металловедение и термическая обработка металлов, 1982, №11, с.2.
  5.  Косович Г.А. Современные бысторежущие инструментальные стали.- Металловедение и термическая обработка металлов, 1972, №4, с.12
  6.  Попандапуло А.Н., Жукова Л.Г. Термическая стабилизация аустенита в вольфраммолибденовых бысторежущих сталях. - Металловедение и термическая обработка металлов, 1984, №8, с.28-32.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75446. Анализ хозяйственной деятельности в системе 1С: Предприятие 23.5 KB
  Анализ хозяйственной деятельности в системе 1С: Предприятие Конфигурация Универсал: Анализ Хозяйственной Деятельности для 1С: Предприятия 8. Анализ себестоимости основного и вспомогательных производств по произвольно организованным статьям калькуляции. Анализ расхода материалов на производство по произвольно организованным номенклатурным группам. Специфические формы отчетности для сельскохозяйственного производства: анализ движения сельскохозяйственных животных птицы анализ работы автопарка и машиннотракторного парка МТП.
75447. Издержки, классификация и учет в ИС Project Expert 46.5 KB
  Подобный же принцип используется для сглаживания колебаний накладных расходов. Учет накладных расходов К накладным расходам относят все издержки производства которые невозможно прямо включить в состав стоимости продукции. Для включения данных издержек производства в состав себестоимости изделий применяют различные методы пропорционального распределения разнесения накладных. Разнесение по единой ставке Данный метод заключается в том что для разнесения накладных расходов выбирается какаято единая для всего предприятия величина часто ...
75448. Принципы построения инфологических моделей данных 31.5 KB
  Основными конструктивными элементами инфологических моделей являются сущности связи между ними и их свойства атрибуты. Необходимо различать такие понятия как тип сущности и экземпляр сущности. Понятие тип сущности относится к набору однородных личностей предметов событий или идей выступающих как целое. Экземпляр сущности относится к конкретной вещи в наборе.
75449. Схема учета производственных и непроизводственных затрат в ИС Project Expert 32 KB
  Схема учета производственных и непроизводственных затрат в ИС Project Expert Производственные и непроизводственные затраты Важнейшим принципом учета издержек в рыночной экономике является разделение затрат costs и издержек expenses. Если бы все товары производимые в отчетный период в тот же период и продавались то этих двух понятий было бы достаточно для определения полученной прибыли: прибыль = доход затраты. Тогда прибыль за отчетный период составит Прибыль = Доход Себестоимость проданной продукции Расходы за период Как же...
75450. Реляционная структура данных, реляционные базы данных 53 KB
  Реляционная структура данных реляционные базы данных В конце 60х годов появились работы в которых обсуждались возможности применения различных табличных даталогических моделей данных т. возможности использования привычных и естественных способов представления данных...
75451. Основные методы разнесения накладных расходов в ИС Project Expert 31 KB
  Основные методы разнесения накладных расходов в ИС Project Expert Учет накладных расходов К накладным расходам относят все издержки производства которые невозможно прямо включить в состав стоимости продукции. Для включения данных издержек производства в состав себестоимости изделий применяют различные методы пропорционального распределения разнесения накладных. Разнесение по единой ставке Данный метод заключается в том что для разнесения накладных расходов выбирается...
75452. Финансовый анализ в рамках системы 1С 23.5 KB
  Финансовый анализ в рамках системы 1С Управленческий и финансовый учет Комплексная конфигурация позволяет вести одновременно два вида учета торговой деятельности: управленческий и финансовый учет. Финансовый учет ведется для правильного отражения деятельности всех фирм составляющих компанию в бухгалтерском учете. Управленческий и финансовый учет существуют как бы параллельно . Для этого у документов существует специальный реквизит Тип учета который может принимать значения Управленческий Финансовый Общий .
75453. Состав таблицы реляционной БД 23 KB
  Состав таблицы реляционной БД Реляционная база данных – это совокупность отношений содержащих всю информацию которая должна храниться в БД. Иначе говоря в каждой позиции таблицы на пересечении строки и столбца всегда имеется в точности одно значение или ничего. Строки таблицы обязательно отличаются друг от друга хотя бы единственным значением что позволяет однозначно идентифицировать любую строку такой таблицы. Столбцам таблицы однозначно присваиваются имена и в каждом из них размещаются однородные значения данных даты фамилии целые...
75454. Организация бухучета в системе 1С 28 KB
  Организация бухучета в системе 1С На крупных предприятиях бухгалтерский учет организуется по двухуровневой системе управления управленческий и финансовый учет. Сметы нормативы калькуляции оптимальные соотношения затрат и результатов – объекты управленческого учета. Информация управленческого учета имеет четко выраженную внутреннюю направленность. Информация финансового учета широко используется внешними потребителями инвесторами кредиторами и другими организациями и предприятиями.