49076

Расчет термической обработки стали марки 5ХНМ

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Если обрабатывается мягкий материал (дерево, пластмассы, цветные металлы) или при обработке стали и чугуна применяются малые скорости резания и стружка имеет малое сечение, то в единицу времени на процесс резания затрачивается мало энергии. Если обработка происходит при больших скоростях резания, обрабатываются твердые металлы и стружка имеет большое сечение

Русский

2014-01-07

275.5 KB

104 чел.

Оглавление

§1 Инструментальные стали…………………………………………………2

1.1 Общие положения………………………………………………………...2

1.2 Штамповые стали…………………………………………………………3

1.3 Характеристика материала 5ХНМ………………………………………...8

§2  Термическая обработка сталей…………………………………………10

2.1 Основы теории термической обработки………………………………10

2.2 Классификация видов термической обработки сталей………………12

2.3 Влияние вида отпуска на структуру стали……………………………14

2.4 Выбор термической обработки стали марки 5ХНМ…………………17

Литература………………………………………………………………...…21


§1 ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

1.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Основным требованием, предъявляемым к стали для режущего инструмента, является сохранение режущей кромки в течение длительного времени. В работе режущее лезвие инструмента тупится, изнашивается. В отличие от изнашивающихся частей деталей машин (валы, кулачки и т. д.) у режущего инструмента работает на износ очень тонкая полоска металла при значительных удельных давлениях на нее. Чтобы эта полоска металла была устойчивой против истирания, она должна иметь высокую твердость, как правило, выше HRC 60.

Если обрабатывается мягкий материал (дерево, пластмассы, цветные металлы) или при обработке стали и чугуна применяются малые скорости резания и стружка имеет малое сечение, то в единицу времени на процесс резания затрачивается мало энергии. Если обработка происходит при больших скоростях резания, обрабатываются твердые металлы и стружка имеет большое сечение, то в этих случаях в единицу времени затрачивается много энергии. Механическая энергия в процессе резания превращается в тепловую, режущая кромка инструмента сильно нагревается (до красного каления) при тяжелых условиях резания. Для такого инструмента главное требование - сохранение твердости при длительном нагреве, т. е. сталь должна обладать красностойкостью.

Условия работы измерительного инструмента в известной мере приближаются к условиям работы режущего инструмента при легких режимах резания, различие составляют лишь значительно меньшие удельные давления    на рабочие    поверхности.

Сталь в штампах испытывает значительные тепловые и ударные нагрузки, распределенные по сравнительно большой поверхности. Здесь большую роль играет вязкость. Наилучшей сталью является та, у которой при температурах, соответствующих условиям работы штампа, имеется наилучшее сочетание твердости и вязкости.

Для разных видов инструмента применяют стали разного типа. Инструментальные стали делятся на четыре категории:

1) пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые);

2) повышенной прокаливаемости (легированные);

3) штамповые;

4) быстрорежущие.

В особую группу инструментальных материалов входят так называемые твердые сплавы, применяемые для инструмента, работающего на особо высоких скоростях резания.

Углеродистые и легированные стали применяют для режущего инструмента при легких условиях   работы и для измерительного инструмента. Быстро режущие стали используют для изготовления режущего инструмента, работающего при повышенных режимах.

1.2 ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ

Для обработки металлов давлением применяют инструменты — штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д., деформирующие металл. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями (по виду наиболее распространенного инструмента).

Штамповые стали, делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в горячем состоянии. Условия работы стали при различных видах штамповки сильно различаются между собой.

При штамповке в горячем состоянии штампуемый металл под действием сближающихся половинок штампа деформируется и заполняет внутреннюю полость штампа. В работе внутренняя полость штампа («фигура»), которая деформирует металл, соприкасается с нагретым металлом, поэтому штамповая сталь для горячей штамповки должна обладать не только определенными механическими свойствами в холодном состоянии, но и достаточно высокими механическими свойствами в нагретом состоянии. Особенно желательно иметь высокий предел текучести (упругости), чтобы при высоких давлениях штамп не деформировался. Для кузнечных штампов большое значение имеет и вязкость, чтобы штамп не разрушился во время работы при ударах по деформируемому металлу. Устойчивость против износа во всех случаях очень важна, так как она обеспечивает сохранение размеров «фигуры» — долговечность работы штампа.

Для прессового инструмента, работающего без ударов, большое значение имеет износостойкость в горячем состоянии и относительно меньшее — вязкость. Поэтому для молотовых штампов и для прессового инструмента применяют стали различных марок.

Сталь для «горячих штампов» должна иметь как можно меньшую чувствительность к местным нагревам. В недостаточно вязкой (пластичной) стали, например в плохо отпущенной, местный нагрев может привести к образованию трещин.

Еще в более тяжелых условиях работы находится сталь в штампах (пресс-формах) для литья под давлением. Нагрев рабочей поверхности формы расплавленным металлом и охлаждение водой внутренних частей формы вызывают значительные тепловые напряжения. Сталь, применяемая для пресс-форм, должна быть также достаточно износостойкой, иметь высокие механические свойства в нагретом состоянии и хорошо сопротивляться  разъеданию поверхности  формы  расплавленным  металлом.

Кроме перечисленных свойств, от стали, из которой изготавливают штампы больших размеров, требуется повышенная прокаливаемость. Сталь, применяемая для штампов и пуансонов сложных конфигураций, должна мало деформироваться при закалке.

Ввиду многочисленных и разнообразных требований, предъявляемых к штампам в зависимости от их назначения, применяют стали различных марок, начиная от простых углеродистых и кончая сложнолегированными.

Переходим теперь к рассмотрению сталей, применяемых для изготовления горячих штампов, деформирующих металл в горячем состоянии. Металл, применяемый для горячих штампов, должен иметь определенный комплекс свойств.

Жаропрочность. Металл горячих штампов должен обладать высоким пределом текучести и высоким сопротивлением износу при высоких температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформирования элементов фигуры штампа, разогревающихся от соприкосновения с горячим металлом.

Красностойкость. Высокие жаропрочные свойства не должны снижаться под длительным воздействием температуры, металл горячих штампов должен устойчиво сопротивляться отпуску.

Термостойкость. Циклический нагрев и охлаждение поверхности штампа во время работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие поверхностных слоев приводят к появлению так называемых разгарных трещин. Материал штампа должен обладать высокой разгаростойкостью или, как чаще называют, термостойкостью или высоким сопротивлением термической усталости.

Вязкость. Деформирование металла при штамповке сопровождается ударными воздействиями этого металла на штампы, поэтому металл штампов должен обладать известной вязкостью - особенно при штамповке на молотах, когда приходится достигать нужного повышения вязкости даже за счет некоторого снижения жаропрочности.

Прокаливаемость. Многие штампы имеют весьма большие размеры (например, кубики ковочных штампов имеют размеры 500×500×1000 мм и т. п.). Для получения хороших свойств по всему сечению, в частности достаточной вязкости, сталь штампов должна глубоко прокаливаться.

Отпускная хрупкость. Так как быстрым охлаждением штампов крупных размеров нельзя устранить отпускную хрупкость, то сталь должна быть минимально чувствительной к этому пороку.

Слипаемость. При значительном давлении горячий металл может как бы прилипать к металлу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оно всякий раз частично разрушает его поверхность. Это явление разрушения будет тем сильнее выражено, чем сильнее адгезионное взаимодействие штампуемого металла и металла штампа. Поэтому подобное взаимодействие штамповой стали с металлом изделия должно быть минимальным.

Для штампов, работающих в легких условиях (к легким условиям работы следует отнести штамповку с малыми удельными давлениями на поверхность штампа, например штамповку при малых степенях деформации, штамповку деталей из мягких и пластичных сплавов) применяют углеродистые стали с содержанием углерода от 0,6 до 1,0%, т. е. стали марок У7, У8 и У9. Наибольшее применение при изготовлении штампов имеет сталь У7.

Следует, однако, отметить, что в современных условиях углеродистая сталь мало применима для штампов, так как штамповку проводят с большой интенсивностью, и штампы из углеродистой  стали  не  будут обладать достаточной  стойкостью  в работе.

Для более тяжелых условий работы применяют легированные стали. К тяжелым условиям работы штампа    следует   отнести    штамповку с большой производительностью, штамповку изделий больших размеров, а так же те случаи, когда выемка в штампе, образующая фигуру, глубока и имеет сложную конфигурацию.

Типичной наиболее распространенной и, пожалуй, наилучшей является сталь 5ХНМ. Остальные представляют собой стали-заменители, в которых никель (или молибден) заменен другими элементами, что несколько ухудшает качество.

Штамповые стали используются для изготовления инструмента, работающего без снятия стружки. 

Стали горячей штамповки делят на 3 группы:

1.  Стали с повышенной вязкостью.

2.  Стали с повышенной теплостойкостью и средней вязкостью.

3.  Стали с высокой теплостойкостью.

1.  Стали с повышенной вязкостью.

Эти стали предназначены для изготовления молотовых штампов.

Основные стали: 5ХНМ; 5ХГМ; 5ХВН.

Чтобы обеспечить высокую вязкость содержание углерода должно быть меньше 0,5%, должны быть легирующие элементы: Mn, Ni, Mo.

Термообработка должна обеспечивать максимальную вязкость: закалка 920-950ºС + отпуск 500-550º С. прокаливаемость 300-500 мм (более 500 мм обеспечивает сталь 5Х2МН7 после закалки 980-1020º С).

2.  Стали с повышенной теплостойкостью и средней вязкостью.

Данные стали предназначены для изготовления штампов, работающих на гидравлических прессах. Давление в штампе 2000-2500 мПа.

Требуются следующие свойства:

1.  Высокая теплостойкость.

2.  Высокая вязкость.

Основные стали: 4Х5МФС, 4Х4ВМФС, 4Х5В2ФС.

Термообработка: закалка 880-1050ºС + высокий отпуск 550-650ºС.

3.  Стали с высокой теплостойкостью.

Данные стали предназначены для штамповки жаропрочных, коррозионностойких титановых сплавов. Основная сталь: 3Х2В8Ф.

Повышения стойкости поверхности после горячей штамповки можно достичь методом ХТО (азотирование, хромирование, насыщение поверхности бором).

Матрицы, прошивные и формующие пуансоны небольшой длины и большого диаметра, меньше нагревающиеся в работе и воспринимающие меньшие давления, чем другие части прессового инструмента, изготавливают из стали 5ХНМ или из конструкционной стали ЗОХГС.

Для пуансонов и матриц, работающих при больших удельных давлениях и высоких температурах, следует применять сталь ЗХ2В8 и ей подобные. Когда по условиям работы возникают удары, то вместо стали ЗХ2В8 следует применять сталь типа 5ХНМ или 4Х5В2ФС, обладающую большей вязкостью, чем ЗХ2В8, и большей красностойкостью, чем 5ХНМ.

Следовательно, для прессового инструмента следует применять:

  1.  сталь ЗХ2В8 для частей, наиболее нагруженных в тепловом отношении;
  2.  стали типа 5ХНМ для деталей, подвергающихся ударным
    воздействиям при относительно умеренной тепловой нагрузке;
  3.  сталь 4Х5В2ФС для деталей, подвергающихся сравнительно высоким
    рабочим температурам и динамической нагрузке;
  4.  конструкционные стали типа ЗОХГС, 40ХН — для частей штампа, испытывающих только значительные механические нагрузки при слабом
  5.  разогреве (до 300° С).

1.3 ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛИ 5ХНМ

Марка: 5ХНМ

Заменитель: 5ХНВ,5ХГМ,4ХМФС,5ХНВС,4Х5В2ФС

Классификация: сталь инструментальная штамповая

Применение: молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов с массой падающих частей свыше 3 т, прессовые штампы и штампы машинной скоростной штамповки при горячем деформировании легких цветных сплавов, блоки матриц для вставок горизонтально-ковочных машин.

Химический состав стали 5ХНМ ГОСТ 5950-2000

Массовая доля элементов, %

С

Si

Mn

Cr

W

V

Mo

Ni

0,50-0,60

0,10-0,40

0,50-0,80

0,50-0,80

<0,20

<0,15

0,15-0,30

1,4-1,8

Механические свойства штамповых сталей при комнатной температуре могут быть оценены следующими цифрами (после закалки и отпуска при 550°С): σв=120-130 кгс/мм2, δ = 10-18%, ψ = 40-45 %, ан1 = 4-5 кгс·м/см2.

Более высоким комплексом механических свойств при 600°С обладает сталь 5ХНМ. Стали 5ХГМ и 5ХНСВ превосходят сталь 5ХНМ по горячей прочности, но уступают ей по вязкости (в этом сказалось влияние марганца и кремния). Сталь 5ХНТ не содержит молибдена или вольфрама (задерживающих процессы распада мартенсита) и имеет при 600°С пониженную прочность.

Механические свойства при Т=20oС материала 5ХНМ.

Сортамент

Размер, мм

Напряжение, МПа

Относитель- ное удлинение δ5, %

Относитель-ное сужение ψ, %

KCU, кДж/м2

Термообработка

σЕ

σт

Сталь

100-200

1570

1420

9

35

340

Закалка 8500С, масло, отпуск 460-5200С

Марка стали

σВ, кгс/мм2

σ0,2, кгс/мм2

Ψ, %

ан1, кгс·м/см2

5ХНМ

35

25

65

8

Механические свойства стали 5ХНМ при 600°С

Марка стали

Охлаждение после отпуска

Степень охрупчивания

быстрое

медленное

5ХНМ

7

6,2

0,8

Ударная вязкость стали 5ХНМ после отпуска при  500°С, кгс·м/см2

Физические свойства материала 5ХНМ.

Температура, ˚С

Модуль упругости Е·10-5, МПа

Коэффициент температур- ного расширения α·106, 1/˚С

Коэффици- ент теплопроводности λ,  Вт/(м·град)

Плотность ρ,  кг/м3

Удельная теплоем - кость С, Дж/(кг·˚С)

Удельное электро-сопротив-ление R·109,

Ом·м

20

100

38

300

200

12,6

40

250

300

42

200

400

42

160

500

44

600

14,2

46


Технологические свойства материала
5ХНМ:

Свариваемость - не применяется для сварных конструкций

Флокеночувствительность - чувствительна

Склонность к отпускной хрупкости - не склонна.

§2  ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

2.1   ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Термической обработкой называется технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.

Теория термической обработки рассматривает и объясняет изменения строения и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии, а также при тепловом воздействии в сочетании с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

 Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка применяется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо в качестве окончательной операции для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который сможет обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее изделие (конструкция), тем, как правило, в нем больше термически обработанных деталей.

Так как основными факторами любого вида термической обработки являются температура и время, то любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени (рис.1). Постоянная скорость нагрева или охлаждения изображается на графике прямой линией с определенным углом наклона. При этом угол наклона характеризует скорость нагрева или охлаждения (, ). Общая длительность термической обработки металла складывается из времени собственно нагрева до заданной температуры 1 времени выдержки при этой температуре (1 - 2) и времени охлаждения до комнатной температуры (3- 2).

Рис.1 График термической обработки сплавов.

В результате термической обработки в сплавах происходят структурные изменения. После термообработки металлы и сплавы могут находиться в равновесном (стабильном) и неравновесном (метастабильном) состоянии. При охлаждении деталей (изделий) вместе с печью в них практически полностью проходят процессы вторичной кристаллизации и связанные с ними диффузионные превращения в металле или сплаве, и металл оказывается в состоянии, близком к равновесному (стабильному). При охлаждении на воздухе в металле происходят превращения, близкие к равновесным. При быстром охлаждении (масло, вода и др.) в металле не успевают проходить диффузионные процессы и связанные с ними превращения, поэтому он оказывается в неравновесном (частично неравновесном) состоянии.

2.2  КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

 Современная классификация видов термообработки, определяемая типом фазовых и структурных изменений в металле охватывает все  многочисленные разновидности термической обработки черных и цветных металлов и сплавов.  

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-либо предшествующих воздействий в неравновесном состоянии, и приводящая его в более равновесное состояние, называется отжигом. Охлаждение после отжига производится вместе с печью.

Нагрев при отжиге может производиться ниже и выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига.

Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производятся с целью приведения его в однородное (равновесное) состояние за счет уменьшения (устранения) химической неоднородности, снятия внутренних напряжений и рекристаллизации, называется отжигом первого рода. Его проведение не связано с прохождением фазовых превращений. Он возможен для любых металлов и сплавов.

В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются существуют следующие разновидности отжига 1-го рода: гомогенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения отжиг.

Гомогенизационный (диффузионный) отжиг - это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации (химической неоднородности).

Рекристаллизационный отжиг - это термическая обработка деформированного металла, при которой главным процессом является рекристаллизация металла.

Классификация термообработки.

Отжиг, уменьшающий напряжения, - это термическая обработка, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений.

Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом второго рода или перекристаллизацией.

Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, то такой отжиг называется нормализацией которая является переходной ступенью от отжига к закалке.

Существует два вида закалки: закалка без полиморфного превращения и закалка с полиморфным превращением. Закалка без полиморфного превращения заключается в нагреве металла или сплава до температур растворения избыточной фазы, выдержке при этой температуре с целью получения однородного пересыщенного твердого раствора и в фиксации полученного пересыщенного твердого раствора за счет быстрого охлаждения в сильном охладителе (вода, масло и др.). В результате этого сплав имеет структурно неустойчивое состояние. Этот вид закалки характерен для сплавов алюминия с медью - дуралюминов.

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температур фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неравновесного состояния, называется закалкой с полиморфным превращением. Этот вид закалки характерен для сплавов железа с углеродом (стали). После закалки в стали образуется структура пересыщенного твердого раствора углерода в -железе, которая называется мартенситом.

Состояние закаленного сплава характеризуется особой неустойчивостью. Процессы, приближающие его к равновесному состоянию, могут идти даже

при комнатной температуре и резко ускоряются при нагреве. Термическая обработка, представляющая собой нагрев закаленного сплава ниже температур фазовых превращений (ниже Ac1) для приближения его структуры к структуре более устойчивого состояния, называется отпуском, Отпуск является операцией, проводимой после закалки стали (закалки с полиморфным превращением). Между отпуском и отжигом 1-го рода много общего. Разница в том, что отпуск - всегда вторичная операция после закалки. Самопроизвольный отпуск, происходящий после закалки без полиморфного превращения в результате длительной выдержки при комнатной температуре, или отпуск при сравнительно небольшом подогреве называется старением. При рассмотрении разных видов термообработки железоуглеродистых сплавов (стали, чугуны) используются следующие условные обозначения критических точек этих сплавов (рис.2). Критические точки А1 лежат на линии PSK (727 °С). Критические точки А2 находятся на линии MО (768 °С). Критические точки Аз лежат на линии GS, а критические точки Аcm- на линии SE. Вследствие теплового гистерезиса превращения при нагреве и охлаждении проходят при разных температурах. Поэтому для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении используются дополнительные индексы: буквы “с” в случае нагрева и “r”  в случае охлаждения. Например, Ac1, Ac3, Ar1, Ar3. 

Рис.2  Обозначение критических точек стали

2.3  Влияние вида отпуска на структуру стали

При закалке охлаждение сталей, предварительно нагретых до аустенитного состояния, со скоростью равной или более критической, приводит к резкому повышению предела прочности, предела текучести и снижению относительного изменения, ударной вязкости, что обусловлено образованием в материале структуры мартенсита.

Процесс образования данной структуры, сопровождающийся неравномерностью охлаждения поверхностных и внутренних слоев материала, возрастанием удельного объема структуры до максимального, искажением кубической решетки -железа из-за пересыщения углеродом до тетрагональной, вызывает появление высоких внутренних остаточных напряжений разного рода, что при значительной твердости мартенсита приводит к нежелательной хрупкости закаленных сталей. Поэтому для улучшения свойств закаленных сталей применяют последующую термическую обработку - отпуск, которая позволяет неравновесные структуры мартенсита и остаточного аустенита перевести в более устойчивое состояние - мартенситно-карбидные или феррито-цементитние смеси.

Таким образом, целью отпуска является получение более равновесной, необходимой структуры стали с требуемыми механическими свойствами и низкими внутренними напряжениями.

Отпуском  называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температур, лежащих ниже критической точки Ас1, в выдержке стали при заданной температуре и последующем охлаждении на воздухе.

Характер и скорость распада мартенсита и остаточного аустенита, конечная структура и свойства стали, уменьшение внутренних напряжений обусловлены конкретными температурами, определяющими четыре основных превращения в стали при отпуске, на основании которых

разработаны и применяются в практике машиностроения при термообработке закаленных сталей три вида отпуска: низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий).

Низкий отпуск, проводимый при температурах 150-250°С, несколько улучшает вязкость закаленной стали без заметного снижения твердости в результате изменения тетрагональности решетки -железа за счет частичного выхода элементарного углерода с последующим образованием мельчайших частичек карбидов железа Fe2С, еще полностью необособившихся от решетки мартенсита - когерентная связь. Для этого вида связи характерно наличие общих отдельных кристаллографических плоскостей, принадлежащих решетке мартенсита и решетке карбидов.                   

Образовавшаяся структура называется отпущенным мартенситом, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и наличием пластинчатых карбидных частиц, когерентно связанных с решеткой мартенсита.                             

Низкий отпуск обеспечивает твердость порядка 60НRС и высокую износостойкость поверхностных слоев стали; при этом  имеет место частичное снижение внутренних остаточных напряжении, повышение ударной вязкости, что уменьшает склонность стали к хрупкому разрушению.                                          

Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент; детали, прошедшие поверхностную обработку - закалку, цементацию; изделия, работающие в условиях трения сопряженных деталей.

При температуре 250-350°С происходит превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит, что приводит к значительному снижению ударной вязкости - появлению нежелательной хрупкости материала. Поэтому в интервале этих температур отпуск сталей, как правило, не производят.

Средний отпуск проводится в интервале температур 350-480 (500)С.

С повышением температуры до 400°С в углеродистой закаленной стали полностью завершается процесс выделения углерода из мартенсита. Мелкодисперсные частицы карбида –Fe2С преобразуются в Fe3С ; их когерентная связь с решеткой мартенсита нарушается. Структура стали будет состоять из феррита и цементита.

Последующий нагрев до максимальных температур этого вида отпуска приводит к росту частиц цементита и изменению их формы (начало процесса коагуляции и сфероидизации). Одновременно начиная с 400°С начинается укрупнение пластинок феррита. В результате среднего отпуска структура закаленной стали  будет представлять мелкодисперсную смесь феррита и цементита, которая называется троостит отпуска.

Полное выделение углерода из мартенсита обусловливает снятие внутренних напряжений, связанных со структурными превращениями при закалке, а начавшийся процесс укрупнения цементита и феррита, сопровождающийся снижением твердости (40-50 НRС) и, следовательно, повышением пластичности, предопределяет высокие пределы упругости и выносливости, релаксационную стойкость стали.

Средний отпуск применяют для деталей, работающих в режиме изменяющихся нагрузок: рессоры, пружины, торсионы, штампы.

Высокий отпуск выполняют при 500-680°С. Нагрев выше 500°С усиливает коагуляцию и сфероидизацию частиц цементита; образования феррита еще больше укрупняются и становятся равноосными. В результате образуется смесь сорбита отпуска. Для полученной структуры характерно еще большее снижение твердости (30-45 НRС), существенное повышение предела прочности при растяжении, относительного сужения и особенной ударной, вязкости, почти полное (90-95%) устранение всех внутренних напряжений (1-2 часа выдержки при 550-600°С).

Высокому отпуску подвергается большое количество наиболее нагруженных деталей машин, испытывающих знакопеременные и ударные нагрузки - валы, оси, зубчатые колеса, шатуны, элементы теплосилового оборудования. Высокий отпуск обеспечивает одновременно значительную пластичность конструкционной стали при повышенной, по сравнению с нормализацией и отжигом, прочности. Поэтому термическую обработку состоящую из закалки и последующего высокого отпуска называют улучшением, которому подвергают среднеуглеродистые стали для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений, снижения температуры порога хладноломкости.

При температурах, близких к Ас1(650-700°С), частицы цементита настолько укрупняются, что образуется крупнозернистая феррито-цементитная смесь – перлит отпуска (зернистый перлит). Для структур среднего и высокого отпуска (троостит, сорбит), с округлой зернистой формой цементита, характерна повышенная вязкость при почти одинаковой прочности с подобными структурами, которые сформировались в результате распада переохлажденного аустенита и имеют пластинчатую форму цементита.

Отпуск является единственным окончательным видом термообработки закаленной стали, температурные интервалы которого, обуславливая особенности превращения мартенсита и остаточного аустенита при нагреве, создают в материале комплекс свойств практической целенаправленности.

§3 Выбор термической обработки стали марки 5ХНМ

Свойства стали 5ХНМ иллюстрируются графиком, приведенным на рис.3, где видно влияние температуры отпуска на свойства этой стали, а также температуры испытания для стали, закаленной и отпущенной при 550°С (применен нормальный режим термической обработки штампов из этой стали). Из приведенного графика следует, что прочность снижается с повышением температуры отпуска, а пластичность и вязкость возрастают; повышение температуры испытания влияет в том же направлении.

Рис.3 Свойства    стали  5ХНМ   в   зависимости   от    температуры отпуска и  температуры  испытания   (М.   В.   Приданцев)

Температура критических точек материала 5ХНМ и принятые температуры нагрева под закалку

Марка стали

Критические точки

Температура нагрева подзакалку,0С

АС1

АС3

Мн

5ХНМ

720

820

210

820-860

Рис.4 «Кубики»    (молотовые   штампы)

По прокаливаемости стали располагаются в следующем нисходящем порядке: 5ХНСВ, 5ХНМ, 5ХНТ.

Молибден и вольфрам повышают термостойкость (по-видимому, вследствие измельчения зерна).

Из сталей этих марок изготавливают так называемые кубики (рис.4), т. е. поковки большого размера призматической формы (на одной из плоскостей которых вырезается фигура).

После ковки кубики отжигают по изотермическому режиму (аустенитизация 850—880°С, охлаждение до 600—650° С, выдержка до окончания распада аустенита.

После правильно проведенного отжига твердость должна составлять 3,9- 4,3 мм отпечатка Бринелля.

Закалка и отпуск штампа - весьма ответственные и сложные операции, особенно если принять во внимание большой размер изделия.

Нагрев для закалки проводят на 20—40°С выше точки Ас3, что видно из табл.

Кубики следует загружать в закалочную печь, нагретую до температуры не выше 650° С. После выдержки в течение 1—2 ч, температура в печи после нескольких часов поднимается до заданной, затем вновь следует выдержка продолжительностью несколько часов ( для кубиков высотой менее 400 мм возможна посадка их прямо в печь, разогретую до температуры закалки). Скорость подъема температуры и время выдержки зависят от размера штампа, его конфигурации, количества штампов в печи и конструкции печи (электрическая или газовая печь). Например, штамп размером 250×400×500 мм должен нагреваться с печью от 650 до 850°С в течение 7-8 ч и при 850° С необходимая выдержка 1,5-2 ч. Если штамп имеет длину вдвое больше (500×800×1000), то время подъема температуры возрастает до 20 ч, а время выдержки до 4-5 ч.

При таких значительных выдержках при высоких температурах должны быть приняты специальные меры, предохраняющие поверхность штампа от окисления и обезуглероживания (применяют специальные засыпки и обмазки). Штампы охлаждают в масле. Лучшие результаты дает ступенчатая закалка.

Размер (высота) штампа, мм

Температура отпуска, °С

Продолжительность отпуска, ч

Твердость НВ

250-300 

300-400 

400-600

480-510 

520-540

550-580

9-11

11-15

15-22

387-444 

363-387 

302-341

Температура отпуска и твердость молотовых штампов из стали 5ХНМ

Очевидно,  для термической обработки штампов цех должен быть оборудован соответствующими печами, большими закалочными баками, подъемными и транспортными средствами.

Сразу же после закалки, как только штамп охладился до 100—150°С, его переносят в печь для отпуска.

Режим    отпуска    и  соответствующую     рабочую     твердость выбирают   на   основании   практических данных о стойкости штампов,    отпущенных    при    разных температурах.   Как   правило,   чем меньше  размер  штампа,  тем   выгоднее иметь более высокую твердость. Можно ориентироваться на температуры отпуска   и значения твердости, приведенные в табл.

Продолжительность выдержки при отпуске, естественно, тем больше, чем больше размер штампа (чтобы прогреть насквозь штампы). Кроме общего отпуска, хвостовик штампа дополнительно отпускают при более высокой (выше примерно на 100° С) температуре, чтобы его твердость была ниже, чем твердость рабочей части, на НВ 60—90.


Литература

1. Гуляев А.П. Металловедение. Металлургия, 1977г. 647 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1980г. 493 с.

20


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46434. Способы заключения договора 15.59 KB
  Способы заключения договора. даты заключения договора. Для факсимильной связи доказательствами будут являться: для оферента оригинал проекта договора его же факсимильный экземпляр с отметкой о его подписании с протоколом разногласий а также факсимильный экземпляр самого протокола с оригинальными своими подписью и печатью причем в протоколе обязательно указывается дата. Для акцептанта факсимильный экземпляр проекта договора с отметкой о его подписании с протоколом разногласий и оригинальными своими...
46435. Conjunctions 15.59 KB
  There re coordinting nd or but s well s bothnd not onlybut lso eitheror neithernor lso furthermore moreover similrly besides nd subordinting conjunctions clssified ccording to the cluses they introduce: object: tht if whether; time – fter s s long s s soon s since until till while when; cuse: s becuse for; condition: if on condition provided providing supposing unless; purpose: lest in order tht; mnner: s s if s though sotht suchtht; comprison: s s not sos thn; result: so tht therefore thus...
46436. Разграничение языка и речи. Проблема выделения языка, как научного объекта на теоретическом уровне 15.66 KB
  Разграничение языка и речи. Проблема выделения языка как научного объекта на теоретическом уровне. Разграничение языка и речи. Точки зрения с которых рассматривается язык: язык как универсальное средство общения общественное явление основа национального общественного сознания Разграничение понятий язык и речь впервые в четкой форме было выдвинуто и обосновано швейцарским лингвистом Фердинандом де Соссюром затем понятия эти были глубже разработаны другими учеными в частности академиком Л.
46437. The category of aspect 15.67 KB
  In generl the ctegory of spect shows the wy or mnner in which n ction is performed tht is whether the ction is perfective совершенное imperfective несовершенное momentry мгновенное однократное itertive многократное повторяющееся inchotive зачинательное durtive продолженное длительное etc.In English the ctegory of spect is constituted by the opposition of the continuous spect nd the common spect.The opposition the continuous spect the common spect is ctulized in the following contrsting pirs of forms: Continuous Common...
46438. Оппозитивные группировки лексики в языке: явление синонимии, омонимии и антонимии в языке 15.68 KB
  Синонимия тип семантических отношений языковых единиц заключающийся в полном или частичном совпадении их значений. Синонимия свойственна лексической фразеологической грамматической словообразовательной системам языка. Синонимия отражает в языке свойства объективного мира. Различаются два основных типа синонимии; семантическая идеографическая и стилистическая синонимия выражаемая словами с одинаковой предметной отнесённостью имеющими различную стилистическую характеристику: верить веровать книжн.
46439. Получение счетов на оплату товаров – заключительный этап выполнения договора 15.77 KB
  Форма расчетов: если иное не предусмотрено договором расчеты должны осуществляться платежными поручениямибанковский перевод Срок оплаты: если в договоре не указан срок оплаты и не предусмотрена предварительная оплата то платеж должен быть совершен сразу после получения товара. Безналичные расчеты между субъектами хозяйствования: Расчеты платежными поручениями. Расчеты по аккредитиву. Расчеты по инкассо Расчеты чеками .
46440. Ремонт деталей класса «Валы». Восстановление шлицевых и шпоночных пазов 15.79 KB
  В процессе эксплуатации у валов и осей изнашиваются посадочные шейки шпоночные канавки и шлицы повреждаются резьбы поверхности валов центрирующие отверстия а также происходит изгиб валов. Характерные дефекты валов: 1 износ повти трения в опорах; 2 износ сопрягаемых повтей с подшипниками качения; 3 разруше или смятие шпоночных пазов; 4 изгиб оси вала; 5 повреждение или износ резьбовых соединений; 6 продольный изгиб вала. Особое внимание при дефектовке уделяют контролю коленчатых валов. Шейки валов имеющие царапины риски и...
46442. Классификация объектов интеллектуальной собственности 15.81 KB
  К объектам промышленной собственности относятся: изобретения; промышленные образцы; полезные модели; товарные знаки; знаки обслуживания; наименование мест происхождения товара. Сделка может заключаться как по одному так и по нескольким патентам на изобретения. Беспатентными являются изобретения на которые поданы патентные заявки но не получены патенты на изобретения; изобретения не патентуемые изобретателями в целях сохранения секретности а также некоторые изобретения не подлежащие патентованию например в таких областях...