Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10
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
твёрдость , 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 твёрдости ( примерно 60-65 HRc ) в режущей кромке , значительно
повышающей твёрдость 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 ещё
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 переохлаждённого
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 твёрдость сильно
снижается при нагреве выше температуры 190-200(С .
Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого
перлита, при этом твёрдость 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 нерастворённую
структуру вторичного цементита[2] .
Нетеплостойкие стали высокой твёрдости :
|Марка | C | Mn | Si| Cr|Назначение |
|ст. | | | | | |
|У10,У10|0,96-1,|0,17-0,|0,17-0,|( 0,20 |Штампы высадочные и |
|А |03 |33 |33 | |вытяжные , |
|У11А , |1,06-1,|0,17-0,|0,17-0,|( 0,20 |напильники , метчики для|
|У11 |13 |33 |33 | |резания |
|У12А , |1,16-1,|0,17-0,|0,17-0,|( 0,20 |мягких металлов |
|У12 |23 |33 |33 | | |
|У13А , |1,26-1,|0,3-0,6|0,15-0,|0,4-0,7| |
|У13 |4 | |35 | | |
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 твёрдости (
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 щёлочи 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 расчёт проводим с
тем условием , что они не выходят за пределы 10-15 мм , и основным
способом закалки изделий остаётся первый .
Значения закалки , нагрева и отпуска для изделий из стали У10 :
(нагрев- 760-780(С)
|Твёрд. в |Закалка , (С|Охл. Среда |Отпуск , (С |Получ. твёрд|
|исх. сост. | | | |. |
|170-180 НВ | 160-170 |KOH+NaOH+H2O| 150-170 |62-63 HRc |
| | |(4%) | | |
Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали .
| Величина |До |После |
| |термообработ|термообраб. |
| |. | |
|Твёрдость |170-180 НВ |62-63 HRc |
|Структура |зернистый |мартенсит и |
| |перлит |карб . |
Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У10.
В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру
зернистого перлита ( Fe(+Fe3C ). При нагреве её до температуры 760-780(С
получаем структуру аустенита и цементита первичного ( Fe(+Fe3C ) .
Происходит перестройка кристаллической решётки железа - кубическая
объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную .
- атом углерода . - атом железа .
Рис.1 с
с
а
а
с/a
( 1
О. Ц. К. (Fe() a=2,8 A( (с/а=1) Г. Ц. К. (Fe() a=3,6 A( О.
Ц. К. тетрагональная
При переохлаждении аустенита Г. Ц. К. решётка становится
неустойчивой . Несмотря на то , что скорость диффузии при низких
температурах мала , происходит
обратное перестроение кристаллической решётки без выделения углерода
(бездиффузионный процесс) . То есть процесс , показанный на рис. 1 идёт
в обратном направлении : Г. Ц. К. О. Ц. К. ( большая степень
тетрагональности ).
При малых температурах скорость диффузии мала , следовательно
превращение идёт очень быстро . Атом углерода не может выйти из
кристаллической решётки и вытягивает её в объёмноцентрированную .
Fe((C) Fe((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 ещё остаётся некоторое количество
остаточного аустенита ( Аост.) . Остаточный аустенит снижает твёрдость
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,(C Рис. 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,(С Рис. 4 Vкр. =( А1 - tm )/(m
A1 - 727(C
(m - температура у изгиба С-образной кривой
tm - время
Vкр.
lg(()
Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :
1. превращение происходит в интервале температур Мн - Мк .
2. превращение протекает путём образования всё 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 зёрна аустенита .
3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур .
4. превращение протекает не до конца . При фактическом завершении
превращения ещё остаётся некоторое количество остаточного
аустенита .
Тетрагональность мартенсита объясняется наличием в кристаллической
решётке углерода , она прямопропорциональна содержанию углерода .
При выбранном режиме закалки ( нагрев до 760(С с последующим
ступенчатым охлаждением ( 160(С ) в соляной ванне KOH+NaOH+H2O(3-5 %) )
получаем структуру мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды
(М+Аост.+Fe3C ) , твёрдость изделия - (56)[5] - 62 HRc .
* Прим.: при данном режиме закалки значительно увеличивается твёрдость и
прочность изделия в результате изменения структуры материала ( стали У10
) , хотя остаточный аустенит твёрдость 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
HRc Рис. 6
65 60 55 80 70 60 50
40 30 20
Твёрдость , HRc Образцы с трещинами , %
Ещё один плюс в пользу ступенчатой закалки в водном растворе солей
- это то , что при закалке в масле изделие не будет иметь необходимую
твёрдость , а лишь только закалка в масле может ещё 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 закалённой стали тетрагональность мартенсита и внутренние
напряжения создают значительную хрупкость , поэтому после закалки
необходимо применить отпуск.
Операция отпуска заключается в нагреве закалённой стали ниже точки
Ас1 , выдержке её 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 объёмом мартенсита и наименьшим удельным
объёмом аустенита остаточного .
Очевидно , что в результате изменения удельного объёма ведёт к
удлинению образца . Нагрев способствует выделению углерода из исходной
структуры в виде карбидной фазы Fe2C - (-карбида , имеющего
гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие этого концентрация
углерода в начальной структуре начинает уменьшаться , а степень
тетрагональности стремиться к единице .
(-карбид - это гетерогенная смесь Fe( и необособившихся частиц
карбидов . Всё это вместе составляет когерентно связанную
кристаллическую решётку .
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 твёрдости , 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 твёрдостью
и износостойкостью , должны обладать немного большей пластичностью , чем
метчики . Это обусловлено тем , что плашки применяются для наружной
нарезки резьбы и при излишней твёрдости 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 твёрдость 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. твёрдость 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
твёрдость , износостойкость , прочность ) .
Возможная замена : сталь У9 так же относится к классу
инструментальных сталей . Её состав и микроструктура схожи с составом и
микроструктурой стали У10, при назначенной термообработке её твёрдость
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 |Матери| Режим закалки |Режим отпуска |Получ |
|изделия |ал | | |твёрдость |
|Метчик |У10 |нагр. до 760(С с|180(С , в воде|62-63 HRc |
| | |послед. | | |
|Плашка |У10 |зак. в NaOH+KOH |230(C , в воде|59-61 HRc |
| | |(160(C) | | |
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” . |
