Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10


ВВЕДЕНИЕ.

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

Плашка (круглая нарезная) – инструмент для нарезания (накатывания) наружной резьбы вручную или на станках. Нарезные плашки бывают круглые (лерки) , раздвижные (призматические) . Накатные плашки состоят из 2-х прямоугольных призм или роликов, рабочие части которых имеют профиль, противоположный профилю резьбы[1] .

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

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

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

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

Общие сведения об инструментальных сталях.

Инструментальными называются углеродистые и легированные стали высокой твердости ( примерно 60-65 HRc ) в режущей кромке, значительно повышающей твердость обрабатываемого материла, а так же высокой прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и износостойкостью, необходимой для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании. Именно благодаря этим свойствам, стали этого класса используются при изготовления различного инструмента. Чаще всего инструментальные – это заэвтектоидные или ледебуритные стали, со структурой после закалки и низкого отпуска – мартенсит и избыточные карбиды.

Все инструментальные стали подразделяются на три группы :

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

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

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

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

1. стали небольшой прокаливаемости ( углеродистые ) .

2. стали повышенной прокаливаемости ( легированные ) .

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

Сталь У10 . Характеристики, структура, термообработка.

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

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

Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого перлита, при этом твердость их не превышает 170-180 НВ. В этом состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием. Температура закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1 – 760-780°С, но ниже, чем Аст для того, чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворенную структуру вторичного цементита[2] .

Нетеплостойкие стали высокой твердости :

Марка ст.CMnSiCrНазначение
У10,У10А0,96-1,030,17-0,330,17-0,33< 0,20Штампы высадочные и вытяжные,
У11А, У111,06-1,130,17-0,330,17-0,33< 0,20Напильники, метчики для резания
У12А, У121,16-1,230,17-0,330,17-0,33< 0,20Мягких металлов
У13А, У131,26-1,40,3-0,60,15-0,350,4-0,7

Закалка и отпуск У10 .

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

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

Общие сведения о ступенчатой закалке:

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

При термической обработке углеродистых инструментальных сталей (точка М=200-250°) температуру ступеньки выбирают около 250°С (для смесей азотнокислых солей ) , 120-150°С – для щелочи или смеси азотнокислых солей, и около 100°С – для 50 % раствора NaOH в воде[3] .

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

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

Тверд. в исх. сост.Закалка, °СОхл. СредаОтпуск, °СПолуч. тверд.
170-180 НВ160-170KOH+NaOH+H2O(4%)150-17062-63 HRc

Твердость изделия до и после закалки. Структуры стали.

ВеличинаДо термообработ.После термообраб.
Твердость170-180 НВ62-63 HRc
СтруктураЗернистый перлитМартенсит и карб.

Общие сведения о процессах, происходящих при закалке стали У10.

В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру зернистого перлита ( Fea+Fe3 C ). При нагреве ее до температуры 760-780°С получаем структуру аустенита и цементита первичного ( Feg+Fe3 C ) . Происходит перестройка кристаллической решетки железа – кубическая объемноцентрированная решетка переходит в гранецентрированную.

– атом углерода. – атом железа.

Рис.1 с

с

А

а

с/a > 1

О. Ц. К. (Fea)a=2,8 A° (с/а=1)Г. Ц. К. (Feg) a=3,6 A° О. Ц. К. тетрагональная

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

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

При малых температурах скорость диффузии мала, следовательно превращение идет очень быстро. Атом углерода не может выйти из кристаллической решетки и вытягивает ее в объемноцентрированную.

Feg(C) Fea(C) ( Ау М)

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

Процесс кинетикоматренситного превращения протекает не до конца. При фактическом окончании процесса еще остается некоторое количество остаточного аустенита ( Аост. ) . Остаточный аустенит снижает твердость стали[4] .

Рис. 2

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

Мн 20°С Мк

T,°CРис. 3

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

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

Мк

Бездиффузионное мартенситное превращение.

Т,°СРис. 4Vкр. =( А1 – tm )/tm

A1 – 727°C

Tm – температура у изгиба С-образной кривойtm – время

Vкр. lg(t)

Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :

1. превращение происходит в интервале температур Мн – Мк.

2. превращение протекает путем образования все новых и новых кристаллов мартенсита, а не роста ранее образовавшихся.

Рис. 5

Зерно аустенита :

1. До нагрева,

2. После нагрева.

1.) А 2.) М + А

Игла мартенсита сжимает зерна аустенита.

3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур.

4.) превращение протекает не до конца. При фактическом завершении превращения еще остается некоторое количество остаточного аустенита.

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

При выбранном режиме закалки ( нагрев до 760 ° С с последующим ступенчатым охлаждением ( 160 ° С ) в соляной ванне KOH+NaOH+H 2 O(3-5 %) ) получаем структуру мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды (М+А ост. + Fe 3 C ) , твердость изделия – (56)[5] – 62 HRc.

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

Необходимо добавить так же, что при нагреве под закалку на 760°С и выше в изделиях из стали У10 появляются трещины при закалке в воде. Ступенчатая закалка значительно уберегает изделия от появления трещин. Это связано с тем, что более медленное охлаждение при ступенчатой закалке значительно расширяет безопасный интервал температур нагрева под закалку[6] .

T, °C

840

810

780

750

HRcРис. 6

65 60 55 80 70 60 50 40 30 20

Твердость, HRc Образцы с трещинами, %

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

Общие сведения о процессах, происходящих при отпуске стали У10.

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

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

Отпуск делится на три вида :

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

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

3. нагрев >500°С – высокий отпуск – возрастает удельная вязкость, следовательно падает прочность.

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

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

E-карбид – это гетерогенная смесь Feaи необособившихся частиц карбидов. Все это вместе составляет когерентно связанную кристаллическую решетку.

Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180 ° С с последующим охлаждением в воде – низкий отпуск (Лахтин Ю. М. “Материаловедение”). Низкий отпуск наряду с увеличением твердости, избавляет изделие от внутренних напряжений закалки, что необходимо в данном случае для повышения износостойкости изделия.

При нагреве до 200°С происходит первое превращение при отпуске – мартенсит закалочный превращается в мартенсит отпущенный.

Для плашек из стали У10 картина с отпуском обстоит несколько иначе. По специфике своего применения, плашки, наряду с высокой твердостью и износостойкостью, должны обладать немного большей пластичностью, чем метчики. Это обусловлено тем, что плашки применяются для наружной нарезки резьбы и при излишней твердости могут “крошить” поверхность заготовки. Поэтому для плашек рекомендуется применять отпуск при температуре 220 ° -240 ° С[7] – более высокой температуре, чем отпуск для метчиков. Полученная в результате отпуска твердость изделия будет равной 59-60 HRc.

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

ВЫВОДЫ из проделанной работы.

В результате назначенной термообработки – ступенчатая закалка при 170°С в соляной ванне с последующим отпуском при 180°С ( 230°С для плашек ) и охлаждении изделия в воде – достигнуты следующие результаты :

1. твердость после термообработки – 62-63 HRc.(59-61 HRc для плашек )

2. увеличение прочности и износостойкости.

3. структура из зернистого перлита трансформировалась в мартенсит отпущенный.

Вывод : изделия из стали У10 , прошедшие термообработку, полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям ( высокая твердость, износостойкость, прочность ) .

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

Название изделияМатериалРежим закалкиРежим отпускаПолуч твердость
МетчикУ10Нагр. до 760°С с послед.180°С, в воде62-63 HRc
ПлашкаУ10Зак. в NaOH+KOH (160°C)230°C, в воде59-61 HRc

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Геллер Ю. А. “Материаловедение”.

2. Гуляев А. П. “Металловедение” .

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

4. Лахтин Ю. М. “Материаловедение” .

[1] Данные : “Советский энциклопедический словарь” .

[2] По данным Лахтина Ю. М. “Материаловедение” .

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

[4] Материал подобран на основе лекций.

[5] Поданным лабораторной работы №7.

[6] Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” .

[7] По данным А. П. Гуляев “Металловедение” .



Зараз ви читаєте: Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10