Розглянуто загальну характеристику досліджу вальних сталей 5ХНМ і ШХ15, їхній переділ з рідкого металу до готового виробу. Наведені режими термічної обробки обох сталей. Ці режими назначено за діаграмами, які дозволяють прослідкувати структуроутворення і час протікання процесів, що за це відповідають.

Описано фазові та структурні перетворення при нагріві і охолодженні із зазначенням структур сталей і властивостей, які при цьому отримуються. Запропоновано вдосконалення технологічних процесів; виявлено вплив температур на фазові і структурні перетворення, вплив легуючих елементів на ці перетворення; визначено взаємозв'язок між структурою, що отримується і властивостями сталей.

Галузь застосування: результати роботи можуть бути використані при розробці режимів термічної обробки близьких за хімічним складом сталей.

ВІДПУСК, ГАРТУВАННЯ, ВІДПАЛ, ЗЕРНО, ХІМІЧНИЙ СКЛАД, СТАЛЬ, ПЕРЕТВОРЕННЯ, ТВЕРДІСТЬ, МІКРОСТРУКТУРА, ДІАГРАМА, ФАЗА

Вступ

Термічна обробка металів і сплавів є сукупністю технологічних операцій, пов'язаних з нагрівом, витримкою і охолодженням.

Технологічний процес термічної обробки - це сукупність послідовно і одночасно виконуємих технологічних операцій (допоміжних, основних, додаткових).

Мета термічної обробки - зміна в потрібному напрямі механічних, физико-хімічних і технологічних властивостей без зміни основних розмірів і форми деталей або заготовок.

Термічною обробкою можна в широкому діапазоні змінювати міцність, жароміцність, пластичність, в'язкість, технологічні властивості (ковкість, штампуемість, оброблюваність різанням, шлифуемость, зварюваність, прогартованість, теплостійкість), магнітні, електричні, корозійні, теплові і оптичні властивості.

Номенклатура деталей, що піддаються термічній обробці, вельми велика - від мініатюрних деталей в прецизійних приладах до крупних відливань і поковок. Термічна обробка робить істотний вплив на трудомісткість і собівартість суміжних операцій виробництва.

Основою технологічних процесів термічної та комплексної обробок є закономірності структурно-фазових перетворень під час нагріву і охолодження сплавів. Вони необхідні не тільки для пояснення процесів, які протікають, а також для розробки нових сплавів і технологій змічнюючих та роззмічнюючих обробок, більш економічні існуючих і конкурентоспроможних на світовому ринку [1].

В курсовій роботі розглянуто фазові-структурні перетворення в сплавах на прикладі конструктивної сталі ШХ15 і інструментальної сталі 5ХНМ, які протікають під час аустенітизації, дифузійному і мартенситному перетворенні під час охолодження пересиченого твердого розчину і встановлення шляхів подолання недоліків діючих технологічних процесів.

1. Термічна обробка сталі 5ХНМ. Фазові та структурні перетворнння при ній

1.1 Загальна характеристика сталі 5ХНМ

Сталь марки 5ХНМ є інструментальною, якісною, середньолегованою, напівтеплостійкою, підвищеної в'язкості і високої прогартованості. Її хімічний склад наведено в таблиці 1.1 (дані за ГОСТом 5950-73) [2].

Таблиця 1.1 - Хімічний склад сталі 5ХНМ, %

С	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	P	S	Cu
0,5 - 0,6	0,1 - 0,4	0,5 - 0,8	0,5 - 0,8	0,15 - 0,30	1,4 - 1,8	0,030	0,030	0,3

Сталь 5ХНМ постачається в наступних видах: сортовий прокат, в тому ж числі фасонний, калібрований пруток, а також серебрянка, полоса, проволока, поковки і ковані заготовки.

Сталь має наступне призначення - це виготовлення молотових штампів, пароповітряних і пневматичних молотів з масою частин, що падають більше, ніж 3 тони, пресові штампи машинної швидкісної штамповки під час горячого деформування легких кольорових сплавів, блоки матриць для вставок горизонтально-кувальних машин [3].

Температури критичних точок для сталі 5ХНМ наведено в таблиці 1.2 (за ГОСТ 5950-73) [2].

Таблиця 1.2 - Температури критичних точок, єС


730	780	610	640	230

Для досліджувальної сталі 5ХНМ однією з головних вимог є підвищена в'зкість в повздожних і поперечних напрямках перерізу. 5ХНМ - це штампова сталь для деформування в гарячому стані.

Сталі для штампів гарячої деформації повинні володіти необхідним комплексом експлуатаційних і технологічних властивостей. Крім того, до них пред'являються відповідні вимоги економічного характеру. До експлуатаційних властивостей відносять: висока теплостійкість (до 600 - 700°С), що характеризує здатність сталі зберігати під час нагріву без значних змін структуру і властивості; опір пластичній деформації; висока в'язкість, що визначає високий опір сталі крихким руйнуванням після термічної обробки на твердість HRC 45-50; зносостійкість при підвищених температурах; опір термічній і термомеханічній втомі (разгаростійкость); опір крихкому руйнуванню, за допомогою якого оцінюють міцність сталі при дінамічнім навантаженні або в умовах високої нерівномірності додатку навантаження, окалиностійкість [3].

До технологічних властивостей належать: мінімальна деформованість при термічній обробці, стійкість проти зневуглення.

Іноді до експлуатаційним властивостей сталі для штампів гарячої деформації умовно відносять також такі показники, як твердість, опір малій пластичній деформації, опір втомі, теплопровідність, коефіцієнт термічного разширення, окаліностійкість, стійкість проти адгезії, величину зерна сталі, температуру критичних точок і інші.

До технологічних відносять властивості матеріалу, що забезпечують можливість обробки інструменту з властивостями, що задаються, при мінімальних витратах.

До економічних вимог, що пред'являються до сталей для штампів, відносять достатньо низьку вартість сталі і її недефіцитність [4].

1.2 Технологічний процес виготовлення штампу

Штамп є інструментом для обробки тиском, поверхня або контур однієї або обох частин якого відповідають обробленій деталі або заготівці. Конструкції штампів залежать від їх призначення (відрізні, прошивні, для об'много штампування, накатки, внсадочнне і ін.), засобу навантаження (молотові, пресові і ін.) і інших чинників. Штампи відрізняються великою різноманітністю і можуть бути вельми складними.

Штамповій інструмент для гарячої деформації працює в умовах одночасної циклічної дії високих температур і питомого тиску (до 300 - 900 МПа) при динамічному характері навантаження. Величина цих параметрів міняється в широких межах залежно від вживаного ковальсько-пресового устаткування, операції гарячої деформації і властивостей металу, що деформується. У найбільш важких умовах працює штамповий інструмент при пресуванні, висадці, точному штампуванні, а також при рідкому пресуванні мідних сплавів в прес-формах литва під тиском.

Штампи виготовляють цілісними і збірними. В останньому випадку з дорогих легованих сталей виготовляють лише відносно невеликі формоутворювальні деталі, що контактують з гарячим металом; кріпильні і установочні деталі (блок-штампи) роблять з більш дешевих сталей.

Основну масу штампів виготовляють в інструментальних цехах машинобудівних заводів в умовах штучного або дрібносерійного виробництва.

Штампи гарячої деформації працюють у вельми жорстких умовах, для яких характерні: високі діючі напруги, рівні яких наближаються до меж текучості штампових сталей; високі температури нагріву; циклічна дія напруги від знакозмінних зусиль при деформації; термічна напруга, визначувана умовами нагріву і охолоджування штампів; хімічна взаємодія, особливо що виявляється в процесі пресування і рідкого штампування [1].

Стійкість штампів залежить від багатьох чинників. Чинники, що визначають стійкість штампів, можна розділити на три групи.

До першої групи відносять деякі показники і характеристики технологічного процесу штампування: форму і масу поковки; ступінь деформації і умови перебігу металу, що деформується; його опір деформації; физико-хімічні і теплофізичні властивості; хімічний склад і температуру нагріву металу, що деформується; наявність і товщину окалини на заготівці; вид мастила; умови підігріву і охолодження штампів; необхідну точність розмірів поковки; часовий режим роботи штампу, кваліфікацію штампувача; пора року і тому подібне.

До другої групи входять параметри штампувального устаткування: швидкість деформації, робочий цикл і пов'язані з ним час контакту поковки і штампу під тиском, час знаходження поковки в штампі після закінчення штампування та інші, наявність виштовхувачів і особливості їх роботи.

До третьої групи відносять властивості штампової сталі: твердість, міцність, теплостійкість, опір зносу, розпалу та інші, а також мікрогеометрію і физико-хімічні властивості поверхневого шару гравюри, що впливають на умови тертя [4].

Основні причини, що призводять до втрати працездатності штампів - це знос, зминання, розпал, при якому маса і разміри поковки поступово виходять за допустимі межі. Швидкість протікання цих процесів визначається теплостійкістю застосовуємих сталей. Опір змину і зносу визначається не тільки вихохним рівнем властивостей сталі, але і швидкістю їх зміни в процесі експлуатації.

Одній з основних причин вихода з ладу штампів для гарячої деформації конструкційних сталей є також розвиток процесів термомеханічної втоми, що привоздять до появлення сітки тріщин «розпалу». Це погіршує поверхню заготовок, затрудняє їх витягання з штампу і полегшує знос і крихке руйнування штампу. В процесі роботи поверхневі шари штампу піддаються дії робочої напруги, що деформують заготівку, і знакозмінної теплової напруги унаслідок чергування нагрівів і охолоджувань.

Випадки передчасного виходу з ладу інструмента можуть бути пов'язани з помилками в конструкції, неправильною експлуатацією, термічню обробкою, дефектами матеріала тощо.

У зв'язку з ускладненням технології штампування і зростанням виробництва виробів з труднодеформируемих матеріалів все більш часто інструмент виходить з ладу із-за крихкого руйнування, обумовленого змінами структури, міцності і пластичності штампових сталей в процесі деформації [1].

Присутність молібдена підвищує теплостійкість, прогартованість, а також зменшує прихильність до зворотної відпускної крихкості, яку неможливо ліквідувати швидким охолодженням для великих штампів.

Виробництво штампів є складним технологічним процесом: як правило, потрібна підвищена точність виготовлення окремих деталей. Тому устаткування для виготовлення штампів повинне бути різноманітним і точним, а кваліфікація робочих - високою.

Виготовлення штампу починається з розробки технологічної документації: креслень штампу і його окремих деталей, маршрутно-технологічних карт на виготовлення деталей штампу, специфікації заготівок.

Технологічний процес для виготовлення штампу повинен забезпечити необхідну послідовність операцій, з тим щоб отримати необхідну точність штампу, чистоту його робочих і настановних поверхонь за умови оптимального завантаження наявного обладнання і робочої сили, мінімальній витраті матеріалів, інструменту і електроенергії [4].

Зазвичай механічну обробку штампів майже повністю проводять до термічної обробки. Після термічної обробки виконують лише доведення струмків штампу [5].

На рисунку 1.2 наведено технологічну схему металургійного переділу рідкого металу безпосередньо у даний виріб.

Рисунок 1.1 - Схема технологічного переділу сталі 5ХНМ

Виплавку сталі 5ХНМ здійснюють в електродуговій печі ДСП - 100. Ці печі порівняно з іншими плавильними агрегатами мають переваги: можливість швидкого нагрівання і підтримка необхідної температури в печах до 200єС; можливість створення окислювальної, відновлювальної або нейтральної атмосфери, а також вакууму. Це дає змогу виплавляти в електропечах сталі та інші сплави з мінімальною кількістю шкідливих домішок, із оптимальним вмістом компонентів, які відзначаються високими якостями та спеціальними властивостями.

Дугова сталеплавильна піч являє собою стальний циліндр зі скошеним або сферичним днищем, футерований зсередини вогнетривкою цеглою. Зверху піч має склепіння з отворами для графітизованих електродів. У стінці корпуса є завантажувальне вікно. За допомогою механізму піч може нахилятися для завантаження або зливання сталі та шлаку. Маса плавки печі становить 100 тон.

Джерелом тепла в таких печах є електрична дуга, яка виникає між електродами діаметом 370 мм і шихтою. На електроди подається струм напругою 200-600 В і силою 1-10 кА [6].

Сталь 5ХНМ виплавляється методом окислення домішок.

Останньою операцією в сталеплавильному процесі є розливання сталі. Виплавлену в електропечі сталь виливають у розливний ковш і мостовим краном переносять до місця розливання в зливки. Ємкість ковша визначається ємкістю печі і становить 100 тон.

Сталь 5ХНМ розливають сифонним засобом (знизу).

Зливки після їхнього витягання із виливниць уповільнено охолоджують у колодязях, що не опалюються, до температури 150-250 єС.

Зливки штампованої сталі 5ХНМ для гарячого деформування далі йдуть на вироблення з них індивідуальних поковок куванням на гідравлічних пресах.

Основну масу формоутворювальних деталей штампів для гарячої деформації виготовляють із заготовок, що заздалегідь проковують. Кування проводять для отримання необхідних розмірів заготівки і підвищення якості металу за рахунок виправлення ряду металургійних дефектів: ликваційної неоднорідності, карбідній смужчатості, анізотропії структури і властивостей і ін.

Кування дрібних і середніх заготівок часто виконують безпосередньо на машинобудівних заводах; крупні заготівки, як правило, поставляють машинобудівним заводам у вигляді термічно оброблених викованих кубиків, прямокутних або смугових заготівок.

Кування - це процес деформування нагрітої заготівки між верхнім і ніжнім бойками молота за допомогою універсального інструмента. Ковані заготівки для наступної обробки називають поковками.

Вихідні заготівки під кування відрізають на ножовочних, відрізних та абразивно-відрізних верстатах. Якість металу обрізаних чи відрубаних заготівок контролюється зовнішнім оглядом, а розміри - за допомогою універсальних вимірюваль6них засобів. Заготівки з тріщинами, розслоїнням та іншими порушеннями до кування не допускаються.

Температурний режим кування визначає отримання поковок з якісною макро- і мікроструктурою, з поверхнею без дефектів, з мінімальним угаром і зневугленням. Крім того, температурний режим кування повинен забезпечити мінімальні енергетичні витрати на кування і максимальну продуктивність устаткування. Раціональні температурні інтервали кування і штампування металевих матеріалів зазвичай вибирають по комплексу властивостей, який об'єднує характеристики пластичності і опір деформації металів. При цьому намагаються обрати область температур, в якій пластичність найбільш висока, а опір деформації найбільш низький. Верхню межу температурного інтервалу обирають з розрахунку запобігання зниженню пластичності під час нагріву в зоні перегріву і перепалу. Вона на 50 - 80єС нижче за температуру, при якій починається знижуватися пластичність в результаті перегріву. Нижню межу температурного інтервалу кування призначають з урахуванням збереження достатньої пластичності і забезпечення дрібнозернистої будови сталі в результаті останніх операцій деформації і подальшої рекристалізації.

Нагрівання заготівок під кування здійснюють в електричних печах, які підігрівають попередньо до температури 700 єС, витримують протягом однієї години. Потім нагрівають до температури 900-950 єС із максимальною швидкістю до температури кування 1150-1180 єС. Завершують процес кування при температурі 850-880 єС. Після цього необхідне повільне охолодження, підстуження на повітрі до температури 700-650 єС, потім повільне охолодження до температур 200-100 єС.

Охолодження поковок штампових сталей після завершального процесу кування є дуже важливою операцією, від якої залежить якість готової продукції. Під час охолодження можуть виникати напруження, що з'явилися в поковці в результаті неоднорідної пластичної деформації. При прискореному охолодженні трапляються випадки перевищення сумарними напруженнями межі міцності сталі, в результаті чого на поковках з'являються тріщини. Охолодження кубиків зі штампової сталі для гарячого деформування 5ХНМ, що передбачає спеціальну протифлокенну обробку, поєднують, як правило, з відпалом.

Найбільш розповсюдженою схемою кування зливків є каліброване кування зі зміною операцій витяжки й осадки, що забезпечує більш рівномірну структуру. Осадка зливків (збільшення поперечного перерізу вихідної заготівки за рахунок зменшення її висоти) як проміжна операція використовується для виготовлення поковок призначеної форми великого розміру. Ці поковки називають кубиками, які виготовляють зі штампованих сталей для гарячого деформування, коли однобічною протяжкою неможливо досягнути мінімально допустимого ступеня укування (рисунок 1.3). Ступінь осадки звичайно приймають 50%. Для виготовлення кубиків використовують восьмигранні зливки масою 4,8 тони. При цьому мінімальна ступінь укування повинна бути не менш трьох (за ГОСТом 7831 -71) [4].

Виробництво штампів є складним технологічним процесом, який включає попередню термічну обробку, механічну обробку, остаточну термічну обробку, зачистку гравюри і шліфування по опорних і настановних поверхнях. Штампи для гарячої деформації виготовляють на спеціалізованих штампових ділянках інструментальних цехів або разом з іншими видами технологічного оснащення - на механічних і слюсарних ділянках. Підготовку заготівок для штампів здійснюють на заготовчих ділянках, а термічну обработру - на термічних ділянках.

Спочатку штампи обробляють однаково незалежно від маси і конфігурації поковки. Для транспортування в заготівці свердлять отвори за допомогою радіально-свердляного верстата. Після чого стругають площини і хвостовики. Потім клеймують марку сталі, умовний номер штампа і поковок.

Підготовлені таким чином штампи передають на термічну обробку (попередню - відпал), після чого виготовляють безпосередньо гравюру. Для обробки крупних штампів застосовують токарно-карусельний верстат. Також до універсальних верстатів, які застосовують для виконання фрезерувальних робіт, відносять вертикально-фрезерувальний верстат, на якому фрезують заготівельні ручаї. Обробку ручаїв на таких верстатах здійснюють за розміткою і за допомогою шаблонів. Першою операцією при обробці ручаїв штампу є чорнове фрезерування. Його проводять для видалення основної маси металу з порожнини ручаїв. Чистове фрезерування проводять з високою точністю фрезами з профілем, який дозволяє забезпечити необхідну конфігурацію ручаїв.

Для забезпечення якості молотових штампів під час їх виготовлення, необхідно дотримуватись певних технічних умов.

Після термічної обробки штампу, його площини грубо шліфують. Шершавість непрацюючих поверхонь встановлюється за 4-5 класами шершавості поверхні згідно до ГОСТу 2789-73. На дзеркалі штампу і поверхнях, не зайнятих ручаями, допускають окремі дефекти у вигляді забоїн, слідів окалини та ін. Дефекти слід зачистити. Чорнові та чистові ручаї шліфують і полірують до 8 класу шершавості, при цьому на поверхні не повинно бути задирів, рисок, прижогів, вибоїн, які викривляють конфігурацію ручаїв. Тобто шліфування - це одна з важливіших операцій механічної обробки штампів, що забезпечує отримання високого класу шершавості поверхні і точних розмірів. Шліфування використовують в якості попередньої і кінцевої обробки. Широко застосовують плоскошліфовальні і круглошліфувальні верстати загального призначення. Плоску шліфовку можна здійснювати переферієй і торцем круга, а круглу - його переферієй. Для кінцевої обробки верстати повинні забезпечувати швидкість обертання круга в межах 25-45 м/с, можливість автоматичної подовжньої і поперечної подачі на глибину. Вони повинні мати систему охолодження, систему, що відсасує пил і високу жорсткість шпінделя, подовжувачів. Рідина для охолодження знижує температуру нагріву деталі, що обробляється. Це знижує місцеві напруження, які можуть призвести до появи тріщин і сколів. Також після кінцевої термічної обробки проводять шліфування спеціальними кругами з синтетичних алмазів або ельбора. Чистота поверхні при обробці інструмента з ельбора може досягати 11-12 класу шершавості [4].

1.3 Режими термічної обробки сталі 5ХНМ

Виходячи зі схеми технологічного переділу рідкого металу у готовий вироб, зазначимо ті місця, де необхідно проводити термічну обробку.

Термічна обробка включає нагрівання, витримку та охолодження. Умови, за якими здійснюється цей процес, називається режимом. До параметрів режиму термічної обробки належать температура і швидкість нагріву та час витримки.

Швидкість нагрівання повинна забезпечувати необхідні перетворення у сплаві та максимальну продуктивність нагрівального обладнання. Разом з тим у деталі не повинні виникати внутрішні напруження, короблення та тріщини.

Витримка за тієї чи іншої сталої температури залежать від виду обробки та умов одержання необхідної структури.

Підготовка до термічної обробці включає:

- зовнішній огляд стану поверхні штампа (відсутність забоїн, іржі, слідів масла та ін.);

- підбір штампів з однієї марки сталі близьких типорозмірів для комплектування садіння (одночасно в піч для нагріву під гартування можна завантажувати до 10 комплектів штампів);

-упаковку з метою захисту гравюри штампу від окислення і зневуглецювання (при використанні печей без захисної атмосфери).

Під час підготовки до термічної обробки необхідно захищати гравюри від окислення зневуглення. Оскільки печі із захисною атмосферою для нагріву під гартування штампів майже не використовують, то їхні гравюри захищають від окислюючого впливу атмосфери печі за допомогою таких засобів: на гравюру насипають захисний шар, який складається з карбюризатора, зверху його обмазують вогнетривкою глиною з азбестом або накривають металевим листом. Кращій результат забезпечує засіб, при якому встановлюється гравюрою донизу на спеціальний піддон, в якому засипаний захисний склад. При застосуванні цього засобу захисту покращуються умови нагріву шпампа. Крім того, з'являється можливість використовувати стійкі до теплової дії литі піддони із жаростійкої сталі, зменшуються час і витрати на упаковку (рисунок 1.4). Кращим таким складом дя захисту є дерев'яне вугілля або відпрацьований карбюризатор разом зі свіжим (до 30%) або з перепаленою сухою чавунною стружкою (до 20%). Товщина захисного шару становить 20-30 мм; проміжки між стінками піддону і бічними гранями штампу обмазують вогнетривкою глиною або засипають сухим піском. Кришки (піддони) виготовляють з листової маловуглецевої або корозійностійкої сталі товшиною 2 - 4 мм [1].

Рисунок 1.4 - Схеми упаковки для захисту гравюри штампа під час нагріву под закалку: а - гравюрою вгору; б - гравюрою донизу; 1- кришка; 2 - захисна суміш; 3 - обмазка (вогнетривка глина з азбестом); 4 - штамп; 5 - плита; 6 - кулі; 7 - напрямна; 8 - піддон.

Відповідно до схеми технологічного переділу попередньою обробкою штампа зі сталі 5ХНМ є відпал, а кінцевою - гартування і відпуск.

Попередня термічна обробка передбачає зниження твердості поковок для поліпшення їх оброблюваності різанням, подрібнення зерна і забезпечення рівномірного розподілу структурних складових, зниження остаточних напруг і підготовку структури до подальшого гартування. Оптимальною структурою вважається зернистий перлит з равномерним розподілом фаз.

Операція відпалу полягає в нагрівання сталі на 20 - 40 єС вище т. , витримка при цій температурі до повного завершення фазових перетворень і повільному охолодженні для забезпечення розпаду аустеніту в області високих температур. Зменшення твердості і міцності штампової сталі під час відпалу досягається за рахунок обособлення в структурі карбідної фази. При цьому найчастіше під час відпалу штампової сталі за мету ставлять отримання структури зернистого перліту. Кінцева структура сталі після відпалу залежить від температури відпалу і швидкості охолодження. Чим менша швидкість охолодження, тим більше зростають глобули карбіду при розпаді аустеніту. Більш дрібнозернистий перліт характеризується підвищеною твердістю і міцністю [7].

Для сталі 5ХНМ назначаємо наступний режим попередньої термічної обробки: температура відпалу 760-790 єС; витримка із розрахунку 1год + 1,5хв на 1мм товщини становить близько 6 годин; уповільнене охолодження спочатку з піччю до температури 500-400 єС, потім у охолоджувальному пристрої (колодязі чи термостаті) до температури 250-150єС. В результаті отримуємо структуру зернистого перлиту з твердістю 197-241 HB. Режим попередньої термічної обробки наведено на рисунку 1.5.

Для попередньої термічної обробки поковок використовують універсальні камерні або прохідні електричні і газові печі з автоматичним регулюванням теплового режиму. Якість поковок повинна задовольняти вимогам ГОСТ 5950-73. При цьому контролюється відсутність дефектів поверхності, що виявляються виешним оглядом (тріщин, волосовини, заходів, полон і ін.), внутрішні дефект (ультразвуковим і іншими методами контролю), глибина зневуглецьованого шару, макроструктура (по зламу), твердість (НВ), макроструктура, карбідна неоднорідність.

Мета остаточної термічної обробки - отримання в готовому інструменті оптимального поєднання основних властивостей: твердості, міцності, зносостійкості (що забезпечують високий опір змину і стиранню гравюри штампу), в'язкості (для запобігання передчасному аварійному руйнуванню штампу) і теплостійкості [1].

Кінцева термічна обробка штампової сталі для гарячого деформування 5ХНМ - гартування і високий відпуск.

Гартування. Технологічний процес гартування складається з нагрівання сталі до температури вище за критичну т. на 30-50 єС, витримці при цій температурі протягом певного часу, охолодження зі швидкістю вище критичної швидкості гартування для утворення структури мартенситу.

Залежно від призначення штампа можливий вибір різних температур нагріву під гартування, гартувального середовища і засобів охолодження, температур відпуска. Крім того, необхідно враховувати, що при підвищенні температури нагріву під гартування, зростають теплостійкість і прогартованість сталі, але через укрупнення зерна знижується їх в'язкість [7].

Для нагріву крупних штампів під гартування використовують газові або електричні печі з подом, що висувається; іноді застосовуються печі з кулями на поду, по яких можна пересувати піддони з штампами. Після завантаження штампів (найбільш великі - ближче до задньої стінки печі) щілини у заслінки і висувного пода промазують вогнетривкою глиною. Крім того, можуть бути застосовані і полум'яні печі.

Обираємо наступний режим гартування: нагрівання для зменшення короблення і запобігання тріщин здійснюємо при температурі підігрівання 700-750 єС та остаточного нагрівання до температури 840-860 єС. Тривалість нагріву встановлюють з необхідності прогрівання штампів і достатньою насиченості аустеніту вуглецем і легуючими елементами. Недостатня витримка не забезпечує необхідної прогартованості і теплостійкості, надмірно тривала - викликає зростання зерна і додаткове зневуглення.

В таблиці 1.3 наведено тривалість нагріву (в полум'яній печі), витримки, охолодження штампов під час гартування.

Таблиця 1.3 - Тривалість нагріву (в полум'яній печі), витримки, охолодження штампов під час гартування [2]

Операція	Тривалість операціі, год.-хв. для штампов, з найменшою стороною, мм
	350
Витримка після завантаження в піч	0 - 30
Нагрів до температури гартування	10 - 00
Витримка при температурі гартування	2 - 10
Підстуження на повітрі	0 - 15
Охолодження в маслі	0 - 50

Штампи охолоджують по засобу перивистого гартування, підстуживая на повітрі до температури 750 - 780єС. Основним середовищем для охолодження штампу є мінеральне масло з температурою 40-70 єС. Штамп з піддоном витягують з печі, знімають з піддона, очищують поверхню гравюри від карбюризатору, закріплюють штампи на піднімаючому пристрої і опускають у масло, спочатку похитуючи їх, а потім залишаючи висіти за допомогою спеціального пристосування в маслянном баку при включеній циркуляції масла.

Структура сталі після гартування складається з мартенситу і залишкового аустеніту. Сталь 5ХНМ характеризується невисокою стійкістю проти росту зерна аустеніту, тому що її карбідна фаза представлена в основному легкорозчинними частинками типу МС. Твердість після гартування становить 56-60 HRC. Режим гартування і структура, яка отримується після ньго наведено на рисунку 1.6.

Відпуск. Оскільки тріщини виникають не лише під час охолодження, але й через деякий час після нього, відпуск проводять для зняття напружень і зменшення тетрагональності гратки мартенситу. Підвищення температури відпуска, як правило, знижує твердість і підвищує в'язкість сталі, але знижує її міцність та зносостійкість. У зв'язку з цим для збереження зносостійкості і твердості сталі 5ХНМ температуру відпуска обирають пониженою, однак не нижче температури розігрівання штампа під час експлуатації.

Відпуск штампу проводять відразу ж після завершення гартування, але не пізніше, як через 2 години після гартування. Найчастіше використовують подвійний відпуск: спочатку штамп відпускають у камерній печі до отримання заданої твердості гравюри, а потім його встановлюють хвостовиком в спеціальну піч і витримують для отримання заданої нижчої твердості хвостовика; при цьому твердість гравюри не змінюється [1].

Зниження твердості штампової сталі 5ХНМ з вихідною загартованою структурою можна досягнути шляхом відпуска при високій температурі, близької до критичної т. Ас. Високий відпуск є економічною і простою операцією, піч час якої сталь нагрівають до температури, що лежить дещо нижче т. А, витримують до повного прогрівання і завершення дифузійних процесів, потім охолодження на спокійному повітрі. Витримка під час відпуска приймається з розрахунку 2 години + 1,5 хвилини на 1мм товщини.

В таблиці 1.4 наведено режим відпуска штампів з найменшею стороною 350 мм.

Таблиця 1.4 - Режим відпуска штампів з найменшею стороною 350 мм (в полум'яній печі) [2].

Нагрів до температури відпуска, год. - хв	Температура нагріву, єС	Витримка під час відпуска, год. - хв	Твердість, HRC
10 - 30	530 - 560	2 - 10	38 -40

Тривалість нагріву і витримки в електрічній печі збільшують на 20%.

Хвостовик штампу повинен володіти високою вязкістю. Це досягається додатковим зниженням його твердості. Після відпалу, штампи встановлюють хвостовиком на плиту і нагрівають до температури 580 - 610 єС. При цьому твердість знижується до 30-37 HRC. Оскільки під час нагрівання для відпуска в структурі штампа залишається багато аустеніта і він перетворюється під час відпуска, доцільно проводити двохратний відпуск. Температура другого відпуска приймають на 10-20 єС нижче, а його тривалість на 20-25% менше, ніж першого відпуска, тобто t = 530 - 560єС. Після відпуску знижується міцність сталі внаслідок протікання безворотніх структурних перетворень, тому що її карбідна фаза складається з цементиту, а також підвищується пластичність і ударна в'язкість.

Заключною операцією технологічного процесу термічної обробки є контроль якості. Для штампів горячого деформування він складається з візуального огляду і виміру твердості. Візуальним оглядом перевіряють відсутність тріщин, забоин, вм'ятин і окалини на гравюрі штампу, а також твердість гравюри і хвостовика. Твердість перевіряють на спеціально зачищених (бормашиною або наждачним папером) ділянках поверхні поблизу гравюри. Використовуються спеціальні стаціонарні прилади Брінеля, оснащені рольгангом і підйомним столом з черв'ячним механізмом [1].

Для маловідповідальних штампів твердість може бути оцінена по методу Польді за допомогою переносних приладів (навантажених пружиною або ударом молотка, відлік твердості - по еталону) або по методу Шора (по величині відскоку індентора). Застосовують також переносні прилади ТПП-2 для вимірювання твердості по методу Віккерса. Ці прилади мають магнітне захоплення, яке дозволяє проводити вимір твердості на штампі, встановленому на будь-якій ділянці, стенді або верстаті. Необхідна лише ретельна зачистка поверхні для виміри твердості і подвод електроенергії напругою 220В. Точність виміру HV5, маса приладу з магнітним захопленням 5,4кг. Розрахунок твердості виконують по ГОСТ 2999 - 75 [4].

1.4 Фазовові і структурні перетворення під час нагріву сталі 5ХНМ

Відповідно до діаграми стану Fe - C, при зміні концентрації вуглецю в сплаві або температури один стан є більш стійким, ніж інший. Цим і викликані фазові перетворення, які протікають в сталі.

Відобразимо схему розташування досліджувальної сталі 5ХНМ на діаграмі стану Fe-C [7] (рисунок 1.8) і прослідкуємо, що буде відбуватися при нагріванні до кінцевої температури, тобто які фазово-структурні перетворення розвиваються під час аустенітизацї.

Аустенітизація - це процес отримання аустенітної структури при нагріванні в аустенітну область. Процес аустенітизації спостерігається під час відпалу та гартування сталі 5ХНМ. Утворення аустеніту під час нагріву є дифузійним процесом і підкоряється основним вимогам теорії кристалізації. У досліджувальній марці сталі 5ХНМ (0,5% С) під час нагрівання до кінцевої температури 840-860 єС відбуваються наступні перетворення. Маємо вихідну Ф-К структуру. До речі, швидкість перетворення Ф-Ц структури в аустенітну, окрім температури нагріву, залежить від її вихідного стану. Попередня сфероїдизація цементиту уповільнює процес утворення аустеніту. Тому початок перетворення Ф-К структури в аустенітну буде відповідати температурі трохи вище за т. Ас (730 єС для сталі 5ХНМ). Після перетворення перліту в аустеніт отримується двохфазна структура - аустеніт і ферит. При подальшому нагріві в інтервалі температур Ас - Ас ферит поступово перетворюється в аустеніт. При температурі Асферит зникає, а концентрація вуглецю в аустеніті відповідає його вмісту в сталі.

Зародиши аустеніту будуть утворюватись біля глобулів цементиту. Процес аустенітизації ускладнюється перетворенням структурно-вільного ферита в аустеніт. Під впливом градієнта концентрації відбувається дифузія атомів вуглецю в аустеніті. В результаті розчинення карбідів в аустеніті відбувається його стабілізація. Ріст дільниць аустеніту протікає внаслідок поліморфного > перетворення і дифузії вуглецю. Після перетворення фериту в аустеніт в структурі сталі залишається ще деяка кількість карбідів і для їх розчинення в аустеніті тривалість ізотермічної витримки повинна бути збільшена. Аустеніт, який утворився, є неоднорідним за складом і для його гомогенізації потребується додатковий час [7].

Для описання переходу Ф-К структури в аустенітну використовуємо діаграму ізотермічного утворення аустеніту, що дає уяву про перетворення при різних температурах (рисунок 1.9). Використовуємо діаграму ізотермічного утворення аустеніту найближчу до досліджуємої сталі 5ХНМ - це діарама для сталі з 0,7% С з вихідною структурою пластинчатого (рисунок 1.9, а) і зерністого перлиту (рисунок 1.9, б). Чим бідьше в сталі вуглецю, тим швидше протікає процес аустенітизації, що пояснюється збільшенням кількості цементиту. Тому для сталі 5ХНМ лінії діаграми будуть розташовуватись вище і проворуч від ліній використовуємої діаграми, через те, що процес аустенітизації буде протікати повільніше.

Із діаграми ізотермічного утворення аустеніту можна помітити, що при підвищенні температури перетворення Ф-К суміші в аустеніт протікає набагато швидше.

Згідно до діаграми з вихідною структкрою зернистого перліту маємо вихідну перед нагрівом Ф-К структуру. Під час нагріву до температури 780 єС (при якій проводимо відпал) у перші 1,1с витримки утворюються зародиші аустеніту. При подальшому збільщенні тривалості витримки зародишів аустеніту стає більше. Цей процес продовжується до 40с, під час якого відбувається перетворення Ф-К суміші. Від 40с до 2000с структура складається з А-К суміші. При витримці більше 2000с аустеніт стає однорідним.

Страницы: 1, 2