Разработка технологического процесса термической обработки матрицы из стали 5ХНМ

Значительная роль в развитии машиностроительной промышленности принадлежит термической обработке. Она является одной из основных, наиболее важных операций общего технологического цикла обработки, от правильного выполнения которой зависит качество (механические и физико-химические свойства) изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции.

Операция термической обработки деталей является важнейшим этапом технологического процесса, включающим изменение структурно-чувствительных свойств деталей под действие различных температурно-временных режимов.

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. От термической обработки зависят качество и стойкость деталей и инструмента.

Основные режимы термической обработки деталей — это температура и время, которые изменяются при заданном законе температуры печи. При этом имеется ряд дополнительных характеристик, определяющих структурное состояние нагреваемого объекта. Например, максимальная температура, до которой нагревается объект; время выдержки объекта при одной или нескольких температурах, скорости нагрева объекта и скорости его охлаждения.

Основной целью термической обработки деталей является получение необходимой структуры и свойств материала. При термической обработке под действием температур происходят не только структурные превращения, но изменяются деформационные характеристики детали. В результате этого в детали возникают внутренние трещины, образование которых связано с тепловой энергией, затрачиваемой на нагрев, приводящий к неоднородному распределению температуры в различных точках объема детали.

Проблемам управления процессами термической обработки деталей посвящено большое количество работ. При этом ключевым вопросом является оптимизация выбора температурных режимов с учетом конкретного материала и конкретной конфигурацией детали. В классической теории нагрева различают нагрев тонких и массивных тел, используя при этом критерий Био, являющийся отношением количества тепла, полученного поверхностью объекта, и количеством тепла, отведенного внутрь. При больших значениях критерия Био процесс теплопередачи на поверхность от среды происходит интенсивнее, чем отвод тепла внутрь объекта. При этом возникают большие градиенты между температурами поверхности и температурами внутренних точек объекта. При малых значениях критерия Био температурный градиент уменьшается, а значит, уменьшаются температурные напряжения в процессе термической обработки.

Термическую обработку стальных деталей производят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо, наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.

Целью моего курсового проекта является разработка технологического процесса термической обработки матрицы из стали 5ХНМ.

1. Условия эксплуатации и требования предьявляемые к материалу для изготовления матрицы

1.1 Условия эксплуатации матрицы. Оценка воздействия технологических факторов на свойства материалов

Основные технологические операции горячего деформирования можно разделить на несколько групп: объемная штамповка (прессование, высадка, калибровка, чеканка и др.), формовка, гибка, резка, свободная ковка на молотах. Наиболее «жесткое» температурно-силовое воздействие в процессе эксплуатации, как правило, испытывают рабочие части штампов объемного деформирования, поэтому основное внимание будет уделено именно этой группе инструментов. Примеры нагрузок штампов можно рассмотреть на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Механические и термические нагрузки штампов (И_nax = (0,5+0,68)И нагрева заготовки): а — гидравлический пресс; б — фрикционный пресс; в — свободно падающий молот.

При горячей объемной штамповке используется оборудование, которое характеризуется как отличительными конструктивными признаками, так и скоростью деформирования (гидравлические, кривошипные, фрикционные и гидровинтовые прессы, молоты, горизонтально-ковочные машины и т. д.):

o Прессовые инструменты, которые работают в условиях сравнительно медленного нагружения (0,5 — 2,5 м/с), что приводит к длительному контакту с заготовкой и соответственно к значительному разогреву их поверхности;

o Молотовые штампы, работающие в условиях ударного нагружения (5 -8 м/с); при этом их поверхность вследствие кратковременного контакта инструментов с заготовкой разогревается до более низких температур, чем поверхность прессовых инструментов;

o Инструменты для высокоскоростного деформирования (нагружение до 30 м/с), претерпевающие высокие ударные нагрузки и удельные давления; для них характерна кратковременность теплового и силового воздействия (время деформирования на скоростных молотах и гидровинтовых прессах составляет 0,001−0,06 с, на штамповочных молотах — 0,012−0,014 с, на прессах — 0,1−0,4 с).

Общими для штампов указанного назначения являются следующие признаки:

1. Высокий разогрев штамповых инструментов в процессе работы. Средняя температура поверхностных слоев (толщиной до 0,6−1 мм) штампов, скоростных молотов и прессов в наиболее нагруженных участках гравюры при штамповке жаропрочных и других труднодеформируемых материалов может достигать 650−750?С. Основная масса штампа остается прогретой до 200−400?С, а контактные поверхности рабочих частей штампов толщиной в несколько микрометров во многих случаях разогревается до 900−1000?С. Максимальные температуры разогрева поверхностных слоев рабочих частей молотовых штампов составляют 500−650?С.

Значительное влияние на тепловой баланс штамповых инструментов и особенно их рабочих поверхностей оказывают тип и качество смазки, а так же метод и интенсивность охлаждения.

2. Одновременное воздействие циклически изменяющихся температур и давлений. Наложение «рабочих» (т.е. обусловленных сопротивлением деформированию) и термических напряжений в сочетании с конструктивно неизбежными (резкие переходы, местные углубления и т. п.) и технологическими (подрезы, риски) концентраторами напряжений способствует возникновению в теле штампа сложного напряженного состояния. Наличие значительных температурных градиентов по сечению инструментов, а также циклический характер теплового воздействия в сочетании с циклически изменяющимися напряжениями (вызывающими развитие пластической деформации в микрообъемах) способствуют значительному возрастанию скорости диффузионных процессов и существенно ускоряют тепловое разупрочнение и соответственно выход инструментов из строя.

3. Высокие удельные давления на поверхностные слои. Величина удельного давления на инструмент при горячей штамповке зависит от вида штампуемого материала, температуры нагрева, конфигурации детали, качества смазки, степени удаления окалины, величины износа штампа и т. д. При деформировании на прессах средние значения q могут колебаться от 100−200 МПа (углеродистые и низкоуглеродистые стали) до 300−500 МПа (нержавеющие и жаропрочные стали, сплавы титана), возрастая в 1,5 — 3 раза в наиболее нагруженных участках гравюры вследствие концентрации напряжений. Воздействие еще более высоких удельных давлений (до 1000−1500 МПа при обработке специальных материалов) испытывают рабочие поверхности молотовых штампов (вставок), что обусловлено возрастанием сопротивления деформированию вследствие затрудненности протекания рекристаллизационных процессов в сталях (сплавах) при увеличении скорости нагружения.

1.2 Требования, предъявляемые к стали для штампов горячего деформирования

Штамповые стали горячего деформирования должны обладать определенным комплексом эксплуатационных и технологических свойств; помимо этого, к ним предъявляют соответствующие требования экономического характера. К эксплуатационным относят свойства материала готового инструмента после окончательной обработки; эти свойства должны обеспечивать необходимую работоспособность штампов в заданных условиях эксплуатации. Анализ причин выхода из строя показывает, что стали, предназначенные для изготовления штампов горячего деформирования, должны обладать следующими эксплуатационными свойствами в диапазоне температур и времени работы:

o высокой теплостойкостью, которая характеризует способность стали сохранять без значительных изменений структуру и свойства (Сталь 5ХНМ: T=590⁰С, время = 4ч, HRC_э=37);

o высоким сопротивлением пластической деформации (Сталь 5ХНМ: Х_0.2 =600 МПа);

o высокой износостойкостью;

o высокой разгаростойкостью или термоусталостным сопротивлением (сопротивлением термической усталости) в условиях циклических температурно-силовых воздействий;

o высоким сопротивлением хрупкому разрушению, с помощью которого оценивают прочность стали при динамическом нагружении или в условиях высокой неравномерности приложения нагрузки (вязкость сталей для горячего деформирования должна быть не ниже 30−35 Дж/см2 (при температуре 20 °С) и 50 Дж/см2 (при температуре эксплуатации) при твердости 46 HRC) .

Иногда к эксплуатационным свойствам стали для штампов горячего деформирования условно относят также такие показатели, как твердость, сопротивление малой пластической деформации, сопротивление усталости, сопротивление смятию, теплопроводность, коэффициент термического расширения, окалиностойкость, устойчивость против адгезии, величину зерна стали, температуры критических точек и др.

Некоторые из этих показателей косвенно характеризуют основные эксплуатационные свойства штамповочных сталей. Так, например, твердость и сопротивление смятию характеризуют прочность и сопротивление пластической деформации штамповых сталей, пластичность — сопротивление хрупкому разрушению, окалиностойкость и устойчивость против адгезии — сопротивление окислительному износу и износу схватыванием второго рода и т. д. В то же время величина зерна, температуры критических точек, коэффициент термического расширения основное влияние оказывают при обработке инструмента, а не при его эксплуатации, поэтому их следует отнести к технологическим свойствам.

К технологическим относят свойства материала для штампов горячего деформирования, обеспечивающие возможность обработки инструмента с заданными эксплуатационными свойствами при минимальных затратах. Стали для штампов горячего деформирования должны обладать следующими технологическими свойствами:

· закаливаемостью; закаливаемость определяет способность стали получать мартенситную структуру и сообщать инструменту высокие твердость и прочность;

· прокаливаемостью; это свойство оценивает способность стали получать необходимую структуру и свойства по сечению инструмента определенных размеров (сталь 5ХМН прокаливается полностью в сечениях до 400−500 мм);

· способностью обеспечивать минимальную деформацию инструмента при термической обработке;

· устойчивостью против перегрева при термической обработке; это свойство штамповой стали способствует получению мелкого зерна, а, следовательно, высоких вязкости, разгаростойкости и сопротивления хрупкому разрушению;

· устойчивостью против окисления и обезуглероживания при термической обработке; при этом обеспечивается получение бездефектного поверхностного слоя гравюры штампа;

· устойчивостью против образования трещин при закалке и шлифовании;

· ковкостью, способностью к формоизменению в процессе изготовления штамповых заготовок;

· хорошей обрабатываемостью, обеспечивающей минимальные затраты при изготовлении гравюр, высокое качество их поверхностного слоя после финишных операций.

При изготовлении штамповочного инструмента с использованием литья, наплавки, химико-термической обработки, выдавливания и других специфических технологических процессов круг требований, предъявляемых к штамповым материалам, расширяется. Так, например, стали для литых штампов должны иметь хорошую жидкотекучесть и малую склонность к трещинообразованию в отливках; малую стойкость к трещинообразованию должны иметь и стали для штампов с наплавляемыми рабочими участками гравюры.

К экономическим требованиям, предъявляемым к штамповым сталям, относят достаточно низкую стоимость стали и ее недефецитность. Экономическая эффективность применения различных марок штамповой стали во многом зависит от стойкости и конструкции инструмента, а также характера кузнечно-штамповочного производства; в связи с этим стоимость штамповой стали может играть и второстепенную роль.

Вместе с тем следует отметить, что в ряде случаев при назначении штамповой стали некоторые технологические свойства выступают как второстепенные. Так, например, могут быть снижены требования к обрабатываемости стали резанием стали в том случае, если простые гравюры штампов можно изготовить с помощью твердосплавного или алмазного металлорежущего инструмента, а сложные гравюры — путем электроэрозионной обработки. При соответствующем оборудовании термических участков можно свести до минимума окисление и обезуглероживание штампов. За счет применения специальных технологических мер (нарезание гравюры в штампе после окончательной термической обработки, использование ступенчатой или изотермической закалки и т. п.) можно значительно уменьшить коробление штампового инструмента.

Особенно важно учитывать технологические свойства штамповых материалов при повышенных требованиях к качеству изготовления штампов; последнее характерно для технологических процессов точной горячей штамповки: закрытой штамповки и выдавливания, автоматической и высокоскоростной штамповки. Кроме того, при изготовлении крупногабаритного штампового инструмента мощных молотов и прессов особое внимание уделяют таким технологическим свойствам, как прокаливаемость, ковкость, обрабатываемость резанием и т. п.

Эксплуатационные свойства стали для штампов, предназначенных для выполнения различных технологических процессов горячего деформирования, из-за разнообразия температурно-силовых условий эксплуатации штампов не могут быть общими. Более того, дифференцированный выбор марки стали и режима ее термической обработки необходим даже для различных частей и деталей одного штампа: пуансона, матрицы, рабочих вставок, знаков, выталкивателей и т. д.

Срок службы штамповой оснастки можно существенно повысить за счет придания материалу штампов соответствующих эксплуатационных свойств. Так, для уменьшения интенсивности изнашивания штампов сталь, применяемая для изготовления штамповой оснастки, должна обладать высокой износостойкостью и теплостойкостью, для уменьшения пластической деформации (смятия) штампов — высокими прочностью и теплостойкостью, для предотвращения поломок или образования крупных трещин — высокими сопротивлением хрупкому разрушению и прочностью, наконец, для уменьшения числа и размеров разгарных трещин — высокой разгаростойкостью.

Одним из основных свойств стали для штампов горячего деформирования является теплостойкость. Выбор теплостойкости для штампов различного назначения производят в зависимости от температуры нагрева поверхностного слоя штампа и продолжительность теплового воздействия. Чем выше температура нагрева и длительность теплового воздействия на штамп, тем большей теплостойкостью должен обладать штамповый материал.

2. Теоретическое обоснование выбора марки стали для изготовления пуансона-матрицы

2.1 Формирование перечня марок сталей и сплавов для изготовления пуансона-матрицы

Качество и необходимую термообработку стали, используемой для изготовления какого-либо инструмента, определяют нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации инструмента. Эти нагрузки и их воздействие зависят от технологического процесса формообразования, например методы горячего деформирования и литья.

Инструментальные стали имеют много общих свойств, но можно отметить и много различий. К тому же свойства сталей данного типа можно изменить в широких пределах изменением параметров термической обработки. Благодаря этому становится возможным быстро заменять одни стали другими, так как некоторые свойства (например, износостойкость, твердость, вязкость и т. д.) противоположны друг другу и усиление одного из них может происходить за счет ослабления другого. Задача состоит в том, чтобы ответить на вопрос: при использовании какой стали или благодаря какой термической обработке можно достичь состояния, более всего соответствующего требованиям данной стали.

Необходимо выбирать такую сталь, механические, физические, технологические и другие свойства которой наиболее полно соответствуют коэффициенту полезного действия, который может быть достигнут данным инструментом. Такой вид стали при относительно больших возможностях выбора можно подобрать довольно легко. Естественно, при выборе нужно учитывать экономическую целесообразность и др. Экономически можно добиться не только при использовании недорогих сталей, но и при применении более дорогих сталей высокого качества, так как стойкость (производительность) изготовленных из них инструментов значительно выше.

Если есть потребность в большом количестве такого инструмента, то эффективность от его применения особенно значительна. В этом случае следует определить, каковы затраты на инструмент в расчете на одну изготовленную деталь. Часто выгоднее использовать даже нелегированные и низколегированные инструментальные стали и совершенно необоснованно применение значительно более дорогих высоколегированных сталей. И, наконец, следует решить, упроститься ли дальнейшая обработка, и какой точности и качества поверхности можно достичь, применяя инструмент из стали. Одним из наиболее просто определяемых свойств инструмента является твердость (таблица 2.1); она находится во взаимосвязи с другими свойствами материала, такими как износостойкость, вязкость и др.

Таблица 2.1. Рекомендуемая твердость материала штампов для обработки горячей деформацией.

Необходимый комплекс свойств штамповых сталей для горячего деформирования достигается легированием карбидообразующими элементами (хромом, молибденом вольфрамом и ванадием) при содержании углерода 0,8−0,6%. Более эффективным является комплексное легирование. Отдельные стали содержат также никель или марганец в пределах 1,0−1,5% для повышения прокаливаемости и кремний (до 1%) для увеличения окалиностойкости и прочности. С увеличением концентраций крбидообразующих элементов (особенно молибдена, вольфрама и ванадия) заметно возрастает теплостойкость стали. Однако при этом наблюдается существенное снижение ударной вязкости и пластичности, особенно в заготовках крупных размеров. Последнее обстоятельство связано с возрастанием неоднородности свойств по сечению (вследствие ликвационных процессов при кристаллизации) и влиянием легирующих элементов на чувствительность к скорости охлаждения при термической обработке. Для изготовления пуансона-матрицы используются штамповые стали, в том числе стали марок: 5ХНМ, 4ХМФС, 3Х2МНФ, 5Х2МНФ.

2.2 Принципы выбора материалов и критерии оценки эффективности его использования для изготовления штампа. Сравнительная оценка материалов по свойствам, стоимости и технологичности

Проведем сравнительный анализ наиболее распространенных марок штамповых сталей для горячего деформирования. Для сравнения возьмем следующие марки сталей: 5ХНМ — относится к классу сталей повышенной вязкости и невысокой теплостойкости; 4ХМФС, 3Х2МНФ, 5Х2МНФ — повышенной вязкости и средней теплостойкости.

В таблице 2.2 приведен химический состав выбранных сталей для горячего деформирования.

Таблица 2.2 Химический состав штамповых сталей для горячего деформирования (ГОСТ 5950−73).

Таблица 2.3 Механические свойства сталей в зависимости от температуры отпуска.

Таблица 2.4 — Механические свойства сталей в зависимости от температуры испытаний (в числителе для заготовок 15×15 мм, в знаменателе 500×500 мм).

Стали 3Х2МНФ и 5Х2МНФ обладают по сравнению со сталями 5ХНМ и 4ХМФС повышенной теплостойкостью.

Таблица 2.5 — Сопротивление термомеханической усталости штамповых сталей (15×15 мм)

Рисунок 2.4 — Окалиностойкость сталей 5ХНМ и 30Х2МФН при 550⁰С Рисунок 2.5 — Разгаростойкость штамповых сталей

1-образование сетки разгара, 2-образование продольных трещин Выбор марки стали определяется не только механическими свойствами, которые приобретает сталь после термической обработки, но и другими параметрами, такими как обрабатываемость резанием, шлифуемость, прокаливаемость, окалиностойкость и стоимость. В таблице 2.6, приведем некоторые из указанных свойств анализируемых сталей.

Таблица 2.6. Технологические свойства и стоимость сталей для штампов.

Теплостойкость у стали 5ХНМ и 4ХМФС невысокая. Она сохраняют твердость 45 HRC и предел текучести 900 МПа при нагреве до 350—375 °С, а некоторые — до 400—450 °С и сильно уступают теплостойким штамповым сталям 3Х2МНФ и 5Х2МНФ, сохраняющим эти свойства при 580—600 °С и выше.

Способы повышения теплостойкости подобных сталей хорошо известны, и, казалось бы, легко реализуемы, например, в результате увеличения содержания хрома до 3%, что не влечет существенного повышения стоимости стали. Однако выбор состава этих сталей обусловлен особенностями их применения. Чаще всего их используют для очень крупных штампов горячего деформирования (стороной до 800 —900 мм); молотовых, работающих с динамическими нагрузками; для контейнеров, матриц. Такие стали должны сохранять повышенную вязкость (>0,4 МДж/м² на образцах с надрезом) в крупных сечениях в продольном и в поперечном направлении. Для выполнения этого важнейшего требования приходится ограничивать содержание карбидообразующих элементов.

В стали 5ХНМ повышенная вязкость достигается легированием никелем, а высокая прокаливаемость — марганцем (никелем), хромом. Карбидная фаза — цементит и в не больших количествах карбид М₂₃С₆.

Вязкость штамповых сталей (в продольном направлении и на половине радиуса заготовки) при увеличении наименьшей стороны штампа с 40 до 250 мм снижается немного: с 0,5 до 0,45 МДж/м². Вместе с тем для ковки при несколько повышенном нагреве более прочных легированных сталей стойкость штампов, особенно чистовых из стали 5ХНМ, недостаточна. Для повышения теплостойкости и температур фазового превращения в новых штамповых сталях, прежде всего, понижается содержание углерода: до 0,45% в стали 4ХСМФ, используемых для очень крупных штампов и контейнеров.

Вследствие лучшей устойчивости против нагрева стойкость штампов из полутеплостойких сталей повышенной вязкости в более тяжелых условиях деформирования несколько выше.

Сталь 5ХНМ сочетает большую вязкость с высокой прокаливаемостью. Из-за влияния молибдена сталь 5ХНМ мало чувствительна к хрупкости второго рода, возникающей после отпуска при 500—560 °С, принимаемого для штампов, обрабатываемых на твердость 40—46 HRC.

Твердость стали 5ХНМ в середине блока размером 400×300×300 мм лишь на 1—2 HRC ниже, чем у поверхности, что связано с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита.

Проанализировав зависимости я сделал вывод, что для изготовления пуансона-матрицы нужна сталь 5ХНМ, так как она, во-первых, будет работать в условиях умеренных нагрузок и повышенная теплостойкость необязательна, во-вторых, закалка стали 5ХНМ проходит при 860⁰С что почти на 100⁰С меньше по сравнении с другими сталями, а это в свою очередь позволит экономить электроэнергию, в-третьих, 5ХНМ имеет высокую твёрдость при повышенной вязкости. Также эта сталь имеет самую низкую стоимость, а при оптимальных механических свойствах это делает её использование более выгодным.

3. Выбор режимов термической обработки пуансона-матрицы с описанием фазовых и структурных превращений

3.1 Предварительная термическая обработка

Для того чтобы измельчить зерно и получить низкую твердость, а также структуру перлит, как наиболее удовлетворяющей последующей закалке для штамповых сталей проводят высокий отпуск. По структурному признаку штамповые стали — близкие к эвтектоидным, структура после отжига (высокого отпуска) — пластинчатый и зернистый перлит. Стали, особенно для крупных штампов, проверяют на отсутствие флокенов. Сталь 5ХНМ подвергают высокому отпуску, а не отжигу, так как переохлажденный аустенит этой стали имеет особо высокую устойчивость, а температура его минимальной устойчивости весьма низкая. Эти факторы значительно увеличивают продолжительность отжига, снижают скорость коагуляции карбидов и поэтому затрудняют получение низкой твердости, а так же для улучшения обрабатываемости резанием и подготовки структуры к окончательной термической обработке с целью уменьшения обезуглероживания, сокращения цикла обработки и предупреждения (в вольфрамовых сталях) образования стабильного карбида вольфрама WC, который плохо растворяется при последующей закалке, целесообразно подвергать высокому отпуску, а не отжигу.

В данном курсовом проекте температура высокого отпуска стали 5ХНМ 650—690°С, после этого охлаждение 50 град/ч до 500⁰С, затем на воздухе. Твердость стали 5ХНМ после высокого отпуска 197—241 НВ. Структура после отжига — пластинчатый и зернистый перлит (с небольшими участками феррита), размер зерна перлита в пределах 1—2 баллов (ГОСТ 5950−73). Карбидная фаза, содержание которой (% (по массе)) не превышает 7—9%, представлена легированным цементитом и небольшими количествами (до 3%) специальных карбидов типа М₂₃С_6, М₆С. Температура критических точек для стали 5ХНМ следующая:

Таблица 3.2. Критические точки, ⁰С

Рисунок 3.1 — Структура стали 5ХНМ после высокого отпуска (карбиды, перлит) х500

3.2 Упрочняющая термическая обработка

В качестве упрочняющей термической обработки применяют закалку и отпуск для стали 5ХНМ.

Таблица 3.1 — Режим термической обработки стали 5ХНМ

3.2.1 Выбор параметров режима закалки стали

В данном курсовом проекте для того чтобы провести закалку, штампы помещают в печь, нагретую до рабочей температуры 830⁰С. Общая продолжительность нагрева ф_общ= ф_с.п+ф_и.в, где ф_с.п — продолжительность сквозного прогрева до заданной температуры, обусловлена формой и размером изделий, их расположением, типом печи и т. д.; ф_и.в — продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, которая не зависит от формы и размера изделия и определяется только составом и исходным состоянием стали.

Время нагрева легированной стали 5ХНМ составляет 50−75 сек. на мм сечения, диаметр пуансона-матрицы составляет 46 мм, следовательно время нагрева равно 31 минут. Выдержка составляет 25−40% от времени нагрева, и равна 9 мин.

ф_общ= ф_с.п. + ф_и.в.= 31+9 =40 мин.

Пониженная температура аустенитизации или недостаточная выдержка при этой температуре стали, легированной карбидообразующими элементами, приводит к образованию малоуглеродистого и низколегированного и поэтому малоустойчивого при охлаждении аустенита.

Кроме того, ускоренному распаду аустенита при охлаждении способствуют нерастворенные карбиды, оказывающие зародышевое влияние, повышается критическая скорость закалки и уменьшается прокаливаемость стали. Вследствие указанных изменений повышаются температуры мартенситных точек М_н и М_к и снижается твердость мартенсита — уменьшается закаливаемость стали из-за того, что значительное количество углерода находится не в аустените, а в нерастворившихся карбидах.

Повышение температуры нагрева под закалку приводит к растворению карбидов, укрупнению зерна и гомогенизации аустенита. Это способствует повышению устойчивости переохлажденного аустенита, особенно в районе температур перлитного превращения, и уменьшению критической скорости закалки и увеличению прокаливаемости стали. Однако чрезмерное повышение температуры нагрева для закалки увеличивает количество остаточного аустенита, что снижает твердость стали, приводит к сильному росту зерна и увеличению деформации обрабатываемых изделий.

Продолжительность нагрева при аустенитизации стали должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживание поверхностных слоев стали.

Для получения высокой прокаливаемости необходим полный прогрев штампа при температуре закалки. Нагрев и выдержку в пламенной печи можно определять по нормам, указанным в табл. 3.3. Их увеличивают на 30% при нагреве в электропечи.

Таблица 3.3 — Продолжительность нагрева (в пламенной печи), выдержки и охлаждения штампов при закалке.

Штампы простой формы можно нагревать быстрее чем указано в табл. 3.3., повышая температуру печи. Штампы со стороной до 250−300 мм, имеющие простую форму, охлаждают в масле, а сложной формы — на воздухе.

3.2.2 Выбор охлаждающей среды

Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость закалки (/_охл. /_кр). Значение /_кр определим, воспользовавшись диаграммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита, рисунок 3.2.

Т_зак— температура закалки; Т_зак = 830 ^оС;

T_{изг.с-кр} — температура минимальной устойчивости аустенита; T_{изг.с-кр} = 630 ^оС;

ф_кр — критическое время; ф_кр = 1200с.

>

Сравним скорость охлаждения штамповой стали 5ХНМ с табличными данными (таблица3.4), полученная скорость охлаждения не превышает скорости охлаждения в масле. Поэтому в качестве закалочной среды применяем минеральное машинное масло, в котором скорость охлаждения в интервале температур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита — 630 °C составляет примерно 150°/_с, что больше /_кр. данной стали.

Для легированных сталей, обладающих более высокой устойчивостью переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло (чаще нефтяное).

Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества:

1) небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, таких как внутренние напряжения. При закалке в детали возникают значительные внутренние напряжения — термические и структурные.

Термические напряжения возникают от неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины детали. Сердцевина охлаждается медленнее поверхности, и разность температур Дt тем больше, чем ниже температура поверхности. Период охлаждения, когда разность температур достигает максимума, является наиболее вероятным для развития внутренних напряжений. В этот период охлаждения в поверхностных слоях детали будут возникать напряжения растяжения, а в сердцевине — напряжения сжатия. В процессе дальнейшего охлаждения происходит перераспределение напряжений и после окончания охлаждения: при температуре до 20 °C поверхностные слои детали будут испытывать напряжения сжатия, а сердцевина — напряжения растяжения. Эти напряжения называются остаточными напряжениями.

Структурные напряжения возникают в результате того, что превращение аустенита в мартенсит (связанное с увеличением объема) в разных местах детали происходит не одновременно. Температура мартенситного превращения сначала достигается в поверхностных слоях, в которых появляются временные сжимающие напряжения, а во внутренних слоях напряжения растяжения. Затем мартенситное превращение протекает во внутренних слоях и знак напряжений на поверхности и в сердцевине изменяется.

При закалке термические и структурные напряжения суммируются. В зависимости от условий охлаждения, сечения деталей, глубины закалки и других факторов суммарные остаточные напряжения могут быть различными.

Структурные напряжения опасны тем, что они возникают при появлении хрупкой структуры мартенсита. Если напряжения достигнут предела прочности, то образуются трещины. Наиболее опасными являются напряжения растяжения на поверхности, возникающие в основном вследствие структурных напряжений, которые надо при закалке уменьшать.

2) Постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20−150 °С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температура вспышки 165−300 °С), недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а также повышенную стоимость.

Температуру масла при закалке поддерживают в пределах 60−90 °С, когда его вязкость оказывается минимальной.

Рисунок 3.3 — Структура стали 5ХНМ после закалки (мартенсит закалки + карбиды и остаточный аустенит) матрица сталь пуансон обработка После закалки структура штамповых сталей для горячего деформирования представляет собой пересыщенный б-р аствор (мартенсит) и небольшое количество избыточных карбидов и остаточного аустенита. Содержание последнего зависит от суммарного легирования стали.

3.3 Обоснование параметров режима отпуска стали 5ХНМ

Для стали 5ХНМ проводим высокий отпуск, температура которого составляет 500−550⁰С.

Отпуск проводим в камерных печах. Выдержку при отпуске выбирают из расчета 100 — 150 с на 1 мм толщины (диаметра) инструмента, но не менее 1,5 — 2 часа. Охлаждение после отпуска — на воздухе. Структура стали после отпуска — троостосорбит (рисунок 3.5).

На рисунке 3.4 представлена зависимость температуры отпуска от твёрдости для стали 5ХНМ.

Рисунок 3.4 — Зависимость твердости от температуры отпуска Отпуск является окончательной операцией термической обработки и проводится для повышения пластичности, снижения или почти полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали, стабилизации структуры и размеров закаленных деталей. В зависимости от температуры нагрева отпуск делят на низкий, средний и высокий. После закалки штампы немедленно подвергают отпуску. Отпуск штампов снижает их твердость и уменьшает внутренние напряжения, возникающие в штампах в результате закалки.

Рисунок 3.5 — Структура стали 5ХНМ после отпуска (троостосорбит) Закалочные напряжения в штампах бывают настолько велики, что если штамп после закалки оставить без отпуска, то через некоторое время в нем образуются трещины. Если закаленный штамп поместить в печь, нагретую до температуры отпуска (500—600° С), то при быстром нагреве поверхностных слоев и значительной разнице между температурой поверхности и температурой сердцевины в штампе могут возникнуть трещины. Поэтому штампы после закалки помещают в отпускную печь, нагретую до температуры не выше 400 °C, а затем нагревают до заданной температуры от пуска. Температура отпуска и твердость после отпуска зависят от стали и размера штампа При нагреве для отпуска в структуре штампа может сохраняться много аустенита, особенно для крупных штампов. Поскольку он превращается в процессе выдержки и охлаждения, целесообразен двухкратный отпуск. Температура второго отпуска на 10—20°С ниже, а его продолжительность на 20—25% меньше, чем первого.

Структура штамповой стали после отжига состоит из троостосорбита и избыточных карбидов. Способствуя усилению дендридной и зональной ликвации, такие элементы, как хром, молибден и другие, увеличивают неоднородность литого металла, что приводит при последующем переделе к образованию полосчатых структур, ориентированных в направлении деформации. Характерными примерами могут служить карбидные полосчатость и ликвация, а также раздробленная сетка или строки первичных карбидов. Неоднородное распределение карбидной фазы является одной из причин существенного снижения эксплуатационных и технологических свойств штамповых сталей.

3.4 Виды брака. Контроль качества термической обработки. Способы предупреждения и устранения брака. Планировка участка контроля качества изделий

Условия термической обработки штампов, выбираемые в зависимости от состава сталей и габаритных размеров штампов, определяют, в свою очередь, возможные дефекты при обработке и влияют на окончательную стойкость штампов. В связи с этим большое значение имеют меры предупреждения и контроля возможного брака при термической обработке К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали, относятся трещины в изделии — внутренние или наружные, деформации и коробление.

Трещины. Трещины возникают при закалке в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжения I рода превышают сопротивление стали отрыву. Трещины образуются при температурах ниже точки М_к, чаще после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали содержания углерода до 0,8% с повышением температуры закалки и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.

Трещины — неисправимый дефект. Для предупреждения их образования рекомендуется: при конструировании изделий избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от толстых сечений к тонким и т. д.; закалка с возможно более низких температур для деталей, прокаливающихся полностью; медленное охлаждение в мартенситом интервале температур, достигаемое закалкой в двух средах и ступенчатой закалкой; изотермическая закалка и выполнение отпуска немедленно после закалки.

Поэтому решающее значение в предупреждении брака имеют: правильный выбор стали, проверка ее качества в состоянии поставки и тщательное соблюдение режимов горячей механической и термической обработок, прежде всего температур нагрева, состояния нагревающих сред и условий охлаждения. Лучшие результаты достигаются при механизации и автоматизации технологического процесса.

Деформация и коробление. Деформация, т. е. изменение размеров и формы изделий, происходит при термической обработке в результате термических и структурных напряжений под действием неоднородных объемных изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми превращениями.

Несимметричную деформацию изделий в практике называют короблением (поводкой). Оно наблюдается при неравномерном и чрезмерно высоком нагреве под закалку, неправильном положении детали при погружении в закалочную среду и высокой скорости охлаждения в мартенситном интервале температур. Устранение этих причин значительно уменьшает коробление.

Коробление труднее устранить в длинных и тонких изделиях. Для уменьшения его такие детали охлаждают при закалке в зажатом состоянии (в штампах, прессах и приспособлениях); при мартенситном превращении сталь разупрочняется; в таком состоянии она легко правится в штампе.

Размеры изделия после закалки даже при отсутствии коробления не совпадают с исходными значениями. Вызываемую этими изменениями деформацию можно уменьшить подбором стали соответствующего состава и условий термической обработки.

Кроме того, трещины образуются в изделии из-за концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местные вырезки, углубления, выступы и т. д.).

Перегрев при закалке, определить по твердости нельзя (она может остаться высокой). Микроанализ отчетливее выявляет более значительный перегрев. Устраняется нормальным отжигом (высоким отпуском) для измельчения зерна и новой закалкой.

Эрозия матриц обусловлена усталостью, возникающей вследствие повторяющихся сжатий остаточной деформации, хрупкого излома, вызываемого динамическим характером действия сил, износом, вызываемым истечением материала матрицы и колебанием температур. Места образования характерных дефектов показаны на рисунке3.6.

Рисунок 3.6 — Места характерных дефектов матрицы:

1-термическая усталость

2-усталость

3-износ Таблица 3.7 — Виды брака при термообработке, меры его предупреждения и исправления.

Контроль качества изделий.

Контроль качества изделий в цикле производственного процесса изготовления деталей имеет важное значение, так как термическая обработка часто является последней операцией, меняющей качество выпускаемой продукции.

Разработан ряд комплексных систем организации управления качеством продукции, связывающих технические и экономические мероприятия (ГОСТ 15.895—77). При их внедрении значительно сокращаются потери от брака, повышается качество продукции, увеличивается количество изделий, аттестуемых знаком качества, снижается стоимость обрабатываемых изделий. Основными документами управления качеством являются требования ГОСТ, ОСТ, а для новых видов продукции, на которые нет стандартов, — технические условия (ТУ), заключаемые между поставщиком и потребителем.

С целью повышения качества выпускаемой продукции и усиления ее конкурентоспособности на международном рынке, кроме ОТК, вводится Государственная приемка продукции.

В термическом цехе осуществляется текущий контроль качества продукции, который сводится к определению твердости, структуры и обнаружению наружных и внутренних дефектов. Проверка механических свойств деталей, технологических свойств сплавов, химический и подробный металлографический контроль сосредотачиваются в центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ).

Методы определения твердости.

Твердость как характеристика механических свойств представляет собой способность материалов сопротивляться местной упругой или пластической деформации при воздействии (вдавливании, царапании, падении и отскоке) более твердых тел. Твердость, определяемая по отскоку характеризует упругие свойства; твердость, определяемая царапанием (твердость по Моосу), сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза); твердость, определяемая вдавливанием (твердость по Бринеллю, по Виккерсу, по Роквеллу), сопротивление пластической деформации. Методом вдавливания также определяется микротвердость — твердость микроскопических объемов материала, как правило, отдельных фаз или структурных составляющих.

Наибольшее применение получили методы измерения твердости путем вдавливания более твердых тел, заключающиеся во вдавливании под большой нагрузкой наконечника из более твердого материала. Геометрические характеристики отпечатка (площадь, глубина) и используемая нагрузка являются исходными для определения твердости металлов.

Измерение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012−73) заключается во вдавливании в испытываемый образец индентора в виде стального шарика определенного диаметра под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени, получении отпечатка диаметром и определении значения твердости НВ, как отношения приложенной нагрузки Р, Н, к площади сферической поверхности (шарового сегмента) отпечатка.

Для измерения твердости по Бринеллю применяют специальные приборы: прессы электромеханического и гидравлического действия.

Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013−59) заключается во вдавливании в испытываемый образец индентора в виде алмазного (твердосплавного) конуса или стального шарика диаметром 1,588 мм под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной и основной.

Измерение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999−75) заключается во вдавливании в испытываемый образец индентора в виде четырехгранной алмазной пирамиды с углом U = 136° при вершине между противоположными гранями под действием нагрузки Р в течение определенного времени (обычно 10−15 с для черных и 30с для цветных металлов), получении четырехгранного отпечатка и определении значения твердости HV, как отношения приложенной нагрузки Р, Н к площади порченного отпечатка F, мм. Для измерения твердости по Виккерсу применяют специальные приборы — прессы электромеханического и гидравлического действия.

Визуальный метод контроля. Глаз человека исторически являлся основным контрольным прибором в дефектоскопии. Глазом контролируют исходные материалы, полуфабрикаты, готовую продукцию, обнаруживают отклонения формы и размеров, изъяны поверхности и другие дефекты. В процессе производства и эксплуатации такие дефекты как: остаточную деформацию, пористость поверхности, крупные трещины, подрезы, риски, надиры, следы наклёпа, раковины и т. д.

Однако возможности глаза ограничены, например, при осмотре быстро перемещающихся объектов или удалённых объектов, находящихся в условиях малой освещённости. Даже при осмотре предметов, находящихся в покое на расстоянии наилучшего зрения в условиях нормальной освещённости, человек может испытывать трудности из-за ограниченной разрешающей способности и контрастной чувствительности зрения.

Для расширения возможностей глаза используют оптические приборы. Они увеличивают угловой размер объекта, при этом острота зрения и разрешающая способность глаза увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько увеличивает оптический прибор. Это позволяет увидеть мелкие дефекты, невидимые невооружённым взглядом, или их детали. Однако при этом существенно сокращается поле зрения и глубина резкости, поэтому обычно используются оптические приборы с увеличением не более 20−30.

Визуальный контроль с использованием оптических приборов называют визуально-оптическим.

Визуально-оптический контроль и визуальный осмотрнаиболее доступный и простой метод обнаружения поверхностных дефектов деталей.

Основные преимущества этого метода — простота контроля, несложное оборудование, сравнительно малая трудоёмкость.

Металлографический анализ проводят по шкалам контроля соответствующих стандаратов, причем первые номера шкал соответствуют наилучшему качеству, а последние номера— худшему, при которых изделие бракуется. Эталоны микроструктур и карбидной неоднородности даны в ГОСТ 8233–56; неметаллических включений в ГОСТ 1778–70; величины зерна в ГОСТ 5639–82, а для цветных сплавов в ГОСТ 21 073–75; глубина обезуглероженного слоя в ГОСТ 1763–68, прокаливаемость стали в ГОСТ 5657–69, методы испытания и оценки макроструктуры представлены в ГОСТ 10 243–75. Однако при неоднородных свойствах изделий местный контроль структуры и контроль твердости на прессах не гарантируют полного выявления брака. Поэтому для проверки твердости, структуры, глубины обезуглероженных и закаленных слоев, наружных и внутренних дефектов применяют методы непрерывного неразрушающего контроля. Эти методы классифицируются в зависимости от физических явлений, положенных в их основу. По ГОСТ 18 353–79 они подразделяются на десять видов. Наиболее распространенными методами, используемыми в цеховых условиях, являются методы неразрушающего контроля: магнитные (коэрцитивной силы, магнитной индукции), электромагнитные (вихревых токов), радиационные (рентгеновский, гаммаи бета-излучений) акустические (ультразвуковые), оптические (лучем лазера), люминесцентные (течеискание), электрические и др.

Одним из распространенных является капиллярный метод. Этот метод неразрушающего контроля основан на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей (пенетрантов) в полости поверхностных и сквозных несплошностей материала объектов контроля и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом или с помощью преобразователя.

Капиллярный НК предназначен для обнаружения невидимых или слабовидимых невооруженным глазом поверхностных и сквозных дефектов в объектах контроля, определения их расположения, протяженности (для дефектов типа трещин) и ориентации по поверхности.

Этот вид контроля позволяет диагностировать объекты любых размеров и форм, изготовленные из черных и цветных металлов и сплавов, пластмасс, стекла, керамики, а также других твердых неферромагнитных материалов.

Капиллярный контроль применяют также для объектов, изготовленных из ферромагнитных материалов, если их магнитные свойства, форма, вид и месторасположение дефектов не позволяют достичь требуемой чувствительности магнитопорошковым методом или магнитопорошковый метод контроля не допускается применять по условиям эксплуатации объекта.