Сталь. Вариант 9 Сталь Саша Власкин. Список использованной литературы
 Скачать 482.67 Kb.
|
 А — аустенит; Ф — феррит; П — перлит; Ц — цементит Рисунок 7 – Температурный интервал закалки углеродистых сталей Следовательно, после закалки сталь будет иметь структуру мартенсита и цементита. Такая закалка называется неполной. Если доэвтектоидную сталь подвергнуть неполной закалке, т. е. нагреть до температуры выше точки Ас1 но ниже точки Ас„, в ее структуре наряду с аустенитом появится феррит. После закалки структура такой стали будет состоять из мартенсита и мягкого феррита. Наличие в закаленной стали феррита приведет к снижению не только ее твердости и прочности, но и пластических свойств. Заэвтектоидная сталь после неполной закалки имеет в своей структуре твердый цементит, который не только не снижает ее твердость, но даже не снижает износостойкость. Полная же закалка этой стали, т. е. нагрев ее до температуры выше точки Аст, не только не требуется, но и опасна. Твердость стали при этом не увеличится, зато создадутся благоприятные условия для перегрева, возникновения закалочных трещин и обезуглероживания стали. Время выдержки при температуре закалки зависит от химического состава стали и вида нагревающей среды. Оно должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить образование однородного аустенита по всему сечению изделия. Чем больше толщина и масса изделия, тем продолжительнее должна быть выдержка, но большая выдержка может привести к росту зерен аустенита. Режим отжига стали У8 определяется следующими факторами: -способом укладки заготовок на под термической печи; -соотношением высоты и толщины заготовок; -температурой нагрева; -типом нагревательной печи.  График отжига Экспериментально установлено, что наиболее эффективным режимом отжига является укладка заготовок в один слой на теплоизоляционных подставках из асбеста, при расстоянии между смежными заготовками не менее 3D (под D следует понимать максимальный габаритный размер сечения в плане). Тогда для нагрева до нужной температуры (1000…1200 °С) потребуется: для сечения до 20 мм – 5…6 мин; для сечения до 30 мм – 8…10 мин; для сечения до 40 мм – 9…12 мин; для сечения до 50 мм – 12…15 мин; для сечения до 75 мм – 15…18 мин; для сечения до 100 мм – 19…25 мин. Поскольку с увеличением продолжительности нагрева возникает опасность поверхностного науглероживания, то отжиг обычно ведут в печах с контролируемой атмосферой, либо в среде инертных газов (двуокиси углерода или даже аргона). При иных способах укладки скорость нагрева уменьшается на 15…20%. Лучшее качество отжига получается, если его проводить поэтапно. Вначале выполняется предварительный нагрев, для чего заготовки помещают в печь, которая уже имеет температуру в рабочей зоне до 500…550 °С, а потом постепенно нагревают изделия до требуемой температуры, не допуская скорости нагрева большей, чем 100 °С в час. По достижении требуемого температурного диапазона, отжигаемую продукцию выдерживают в печи не менее 30% от общей продолжительности операции, а потом отключают печь. Аллотропические превращения возникают в структуре кристаллической решетки некоторых металлов при изменении температуры. Они представляют собой перегруппировку атомов и переход одного вида кристаллической решетки в другой, Существование одного металла в нескольких кристаллических формах называется аллотропией, или полиморфизмом, а процесс перехода из одной кристаллической формы в другую - аллотропическим превращением. Различные кристаллические формы металла называются аллотропическими, или полиморфными, модификациями и обозначаются начальными буквами греческого алфавита а, р, у и т. д. Буква ос обозначает модификацию металла, существующего при самой низкой температуре. Следующие буквы относятся к модификациям с более высокой температурой. Процесс аллотропического превращения происходит при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации при охлаждении (или поглощением при нагреве). Вследствие этого аллотропическое превращение отмечается на кривой охлаждения горизонтальной линией. Например, железо может существовать в нескольких модификациях. До температуры 911 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. При 768 °С на кривой охлаждения получается ступенька, связанная не с перестройкой решетки, а с потерей магнитных свойств До этой температуры телезо магнитно и называется а-железо, а выше указанной температуры желе-80 теряет магнитные свойства и до температуры 911 °С называется железо. В интервале температур 911-1392 °С железо образует гране-центрированную кубическую решетку и называется v-железо. Высокотемпературная модификация железа устойчивая, при температурах от 1392 °С до 1539 °С, имеет объемно-центрированную кубическую решетку а-железа и в отличие от него называется 3-железо. Аллотропические превращения различных металлов имеют свои особенности. Знание их необходимо для практического использования при получении сплавов, а также для проведения термической пли химико-термической обработки. Признаки аллотропического превращения следующие: 1. Изменяется тип кристаллической решетки; 2. Наблюдается тепловой эффект; 3. Свойства изменяются скачком Таким образом в железе наблюдается два аллотропических превращения (при температурах 911 и 13900). С изменением типа кристаллической решетки железа резко изменяется растворимость в нем углерода. Так максимальная растворимость углерода в aFe 0,02% (при t=7230), а в gFe 2,14% (при t=11300). Это черезвычайно важно для понимания процессов происходящих при термической обработке стали. Процессы происходящие при нагреве мартенсита для стали У8 графически показаны на рис.8. В легированных сталях при нагреве мартенсита указанные температурные интервалы могут существенно смещаться в сторону более высоких температур. В некоторых сталях при этом могут выделяться кроме цементита специальные карбиды и нитриды (например,VC,VN и т.п.). Особо подчеркнем, что при повышении температуры нагрева мартенсита твердость и временное сопротивление разрыву снижаются, но зато растет сопротивление ударным нагрузкам (KCU).  Опишите процесс термической обработки быстрорежущей стали Р18. Укажите температуры нагрева и охлаждающих сред в процессе проведения термической обработки. Ответ: Сталь инструментальная быстрорежущая (по ГОСТ 9373-60) предназначается для изготовления металлорежущего инструмента с большим сопротивлением изнашиванию и сохранением механических свойств в условиях повышенной температуры до 600-700оC. Основные сведения: ГОСТ 19265-73, другие марки: Р9,Р12,Р9Ф5,Р6М5К5,Р9М4К8,Р9К5,Р10К5Ф2 и др. Химический состав:
Механические свойства: Механические свойства в зависимости от температуры отпуска.
Технологические свойства: Температура ковки: Начала 1200, конца 900. Охлаждение в колодцах при 750-800 0С. Свариваемость: при стыковой электросварке со сталью 45 и 40Х хорошая. Шлифуемость: повышенная (ГОСТ 19265-73). Температура критических точек:
Физические свойства:
Красностойкость:
Основные свойства (достоинства и недостатки): повышенная износостойкость, узкий интервал закалочных температур, повышенная пластичность при горячей пластической деформации, пониженная шлифуемость. Назначение: Резцы, сверла, фрезы, резьбовые фрезы, долбяки, развертки, зенкеры, метчики, протяжки для обработки конструкционных сталей с прочностью до 1000 МПа, от которых требуется сохранение режущих свойств при нагревании во время работы до 600 °С, заменитель сталь Р12. Основное свойство быстрорежущих сталей -высокая теплостойкость. Она обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами: молибденом, ванадием, хромом. W и Mo в присутствии Cr связывают углерод в специальный труднокоагулируемый при отпуске карбид типа Ме6С и задерживают распад мартенсита. Выделение дисперсных карбидов, которое происходит при повышенных температурах отпуска (500-600 оC), вызывает дисперсионное твердение мартенсита( явление вторичной твердости). Особенно эффективно вторичная твёрдость и теплостойкость повышаются при введении нескольких сильных карбидообразователей, например вольфрама (одного или совместно с молибденом) и ванадия. При отпуске ванадий, выделяясь в виде карбидов, усиливает дисперсионное твердение, а вольфрам (молибден), сохраняясь в мартенсите, задерживает его распад. Добавление ванадия усиливает действие вольфрама и молибдена. Увеличению теплостойкости способствует также кобальт. Он не образует карбидов, но, повышая энергию межатомных сил связи, затрудняет коагуляцию карбидов и увеличивает их дисперсность. Основное же назначение углерода - повышенная твердость. В результате комплексного легирования инструменты из быстрорежущих сталей сохраняют высокую твёрдость до 560-6400С и допускают в 2-4 раза более производительные режимы резания, чем инструменты из углеродистых и низколегированных сталей. Основные свойства быстрорежущей стали марки Р18 (первичная термическая обработка). Температура ковки: 1200-900 оC Температура отжига: 840-860 оC НВ (не более): 255 Массовая доля карбидной фазы: 28% Быстрорежущие стали, к которым относится сталь марки Р18, - наиболее характерные для режущих инструментов. Они сочетают высокую теплостойкость (600 - 650оγ) - превращения (Со, Аl), и применением специальной термической обработки, заключающейся в закалке с высоких температур (1200 - 1300Cв зависимости от состава и обработки ) с высокими твердостью ( до HRC68 - 70 ), износостойкостью при повышенных температурах и повышенным сопротивлением пластической деформации. Высокие режущие свойства быстрорежущих сталей обеспечиваются легированием сильными карбидообразующими элементами (W,Mo,V), элементами, повышающими температуру (α оC) и в отпуске, вызывающем дисперсионное твердение (первичная термическая обработка). Подобная термическая обработка приводит к карбидной неоднородности. Избыточные карбиды быстрорежущих сталей входят в состав эвтектики, образующейся по границам зерен аустенита и δ-феррита. Литая сталь из-за присутствия эвтектики имеет высокую хрупкость и низкую прочность. Режимы окончательной термической обработки и свойства быстрорежущей стали марки Р18. Температура закалки: 1270-1290 оC Температура отпуска: 550-570 оC HRC: 61-65 σ и : 2600-3000 Мпа Существенное улучшение структуры и прочностных свойств данных сталей достигается в ходе особой термической обработки. Рассмотрим ее на примере быстрорежущей стали марки Р18 . Углерод в быстрорежущей стали, как и во всякой другой стали, является важным элементом, под влиянием которого сталь приобретает способность закаливаться на высокую твердость. Χρом в количестве около 4% настолько сильно понижает критическую скорость закалки, что сталь становится «самозакаливающейся», т. е. закаливается на воздухе. При содержании хрома выше нормы резко увеличивается количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали. Вольфрам в быстрорежущей стали - основной легирующий элемент. Благодаря высокому содержанию Wи его карбидов закаленная сталь не теряет режущей способности при 560 - 600° С. Вольфрам придает красностойкость быстрорежущей стали. Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и создает прочные карбиды, которые затрудняют рост зерна при нагреве под закалку и уменьшают склонность стали к перегреву. Под влиянием ванадия увеличивается красностойкость быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при отпуске. Высокопрочные карбиды ванадия, равномерно распределенные в структуре быстрорежущей стали, повышают сопротивление инструмента истираемости и улучшают режущие свойства стали.  Рисунок 9. График термической обработки быстрорежущей стали Р18: I - растворение карбидов в аустените, II - выделение карбидов из остаточного аустенита, III-мартенситное превращение Термическая обработка быстрорежущей стали имеет особенности, обусловленные ее химическим составом. Для более полного растворения карбидов в аустените и получения красностойкого мартенсита нагрев при закалке производят до высокой температуры (1260- 1280° С). Оптимальная температура нагрева под закалку быстрорежущей стали Ρ18 для тонких деталей (5-8 мм)1260° С, для деталей толщиной более 10-15 мм 1280° С, а для инструментов простой формы, например резцов, 1300° С. Для стали Р9 температура нагрева под закалку составляет 1230-1250° С. Быстрорежущая сталь обладает малой теплопроводностью и склонна к образованию трещин, изделия из нее нагревают до 820-850° С медленно, чтобы не вызвать тепловых напряжений, а затем быстро до 1260-1280° С. Окончательный нагрев лучше всего производить в соляных ваннах, так как при этом можно избежать обезуглероживания стали. Выдержка при температуре закалки зависит от сечения инструмента и измеряется долями минуты. Охлаждение быстрорежущей стали производится в масле. Быстрорежущая сталь после закалки обязательно должна подвергаться отпуску при температурах 580° С для стали Ρ18 и 560° С для стали Р9. В структуре закаленной быстрорежущей стали содержится от 30 до 40% остаточного аустенита; твердость такой стали значительно ниже, чем при однородной мартенситной структуре. Поэтому для наиболее полного превращения остаточного аустенита в мартенсит применяют многократный отпуск с выдержкой по 1 часу (I, II , III,... и т. д., рис. 1). Во время выдержки при отпуске из аустенита выделяются карбиды, а при охлаждении аустенит превращается в мартенсит. В результате твердость и износостойкость стали повышаются. Структура быстрорежущей стали после отпуска - мартенсит отпуска, высокодисперсные карбиды и небольшое количество остаточного аустенита. Для снижения твердости сталь, прежде всего, отжигают.В литом виде она имеет ледебуритную эвтектику, которую устраняют горячей деформацией путем измельчения первичных карбидов. Ковкастали - ответственная операция. При недостаточной проковке возникает карбидная ликвация- местное скопление карбидов в виде участков неразрушенной эвтектики. Карбидная ликвация снижает стойкость инструмента и увеличивает его хрупкость. Деформированную сталь для снижения твердости (до 207 - 255 НВ) подвергают изотермическому отжигу. Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перлита, вторичных и более крупных первичных карбидов. Общее количество карбидов в стали Р18 составляет примерно 28%. Основным карбидом стали Р18 является сложный карбид вольфрама переменного составаFe3W3C(Me6C), который растворяет в себе часть ванадия и хрома. В карбидах содержится 80-95% (WиV)и 50%Cr. Остальная часть легирующих элементов растворена в феррите. Высокие эксплуатационные свойства инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и трехкратного отпуска. Из-за низкой теплопроводности быстрорежущие стали при закалке нагревают медленно с прогревами при 450 и 850 оC, применяя соленые ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Особенность закалки быстрорежущих сталей - высокая температура нагрева(температура закалки стали Р18 1270-12900С,температура отпуска 550-5700С). Она необходима для обеспечения теплостойкости – получения после закалки высоколегированного мартенсита в результате перехода в раствор максимального количества специальных карбидов. Степень легирования аустенита (мартенсита) увеличивается с повышением температуры нагрева. При температуре 1300 оC достигается предельное насыщение аустенита - в нем растворяется весь хром, около 8%W, 1%Vи 0,4-0,5%С. Легирование аустенита происходит при растворении вторичных карбидов. Первичные карбиды не растворяются и тормозят рост зерна аустенита, поэтому при нагреве, близком к температуре плавления, в быстрорежущих сталях сохраняется мелкое зерно. Быстрорежущие стали по структуре после нормализации относятся к мартенситному классу. От температуры закалки мелкие инструменты охлаждают на воздухе, крупные- в масле. Сложные по форме инструменты (фрезы и т.д) для уменьшения деформаций подвергают ступенчатой закалке с выдержкой в горячих средах при 500-5500С. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||