Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10

Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10

ВВЕДЕНИЕ .

Метчик - инструмент для нарезания внутренней резьбы -

цилиндрический валик с режущими кромками на конце . Различают ручные и

машинные метчики .

Плашка (круглая нарезная) - инструмент для нарезания (накатывания)

наружной резьбы вручную или на станках . Нарезные плашки бывают круглые

(лерки) , раздвижные (призматические) . Накатные плашки состоят из 2-х

прямоугольных призм или роликов , рабочие части которых имеют профиль ,

противоположный профилю резьбы[1] .

В зависимости от области применения , метчики и плашки

изготавливают из инструментальной углеродистой и быстрорежущей стали .

Для изготовления ручных метчиков и плашек обычно применяют углеродистую

(легированную) инструментальную сталь .

Метчики и плашки ручные применяют для нарезания внутренней и

внешней резьбы вручную , поэтому принимаем скорость резания

незначительно малой . При малых скоростях резания не происходит перегрев

режущего инструмента , что очень существенно при выборе марки стали .

Требования , предъявляемые к материалам изделий : высокая

твёрдость , износостойкость, прочность .

Для изготовления вышеперечисленных изделий предлагается сталь У10

- инструментальная углеродистая высокопрочная нетеплостойкая небольшой

прокаливаемости .

Общие сведения об инструментальных сталях

.

Инструментальными называются углеродистые и легированные стали

высокой твёрдости ( примерно 60-65 HRc ) в режущей кромке , значительно

повышающей твёрдость обрабатываемого материла , а так же высокой

прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента

в процессе работы и износостойкостью , необходимой для сохранения

размеров и формы режущей кромки при резании . Именно благодаря этим

свойствам , стали этого класса используются при изготовления различного

инструмента . Чаще всего инструментальные - это заэвтектоидные или

ледебуритные стали , со структурой после закалки и низкого отпуска -

мартенсит и избыточные карбиды .

Все инструментальные стали подразделяются на три группы :

1. нетеплостойкие ( углеродистые и легированные с содержанием легирующих

элементов до 3-4 % ) .

2. полутеплостойкие до 400-500(С , с содержанием углерода до 6-7 % , а

хрома около 4-18 % .

3. теплостойкие до 550-650(С . Это в основном высоколегированные стали

ледебуритного класса , содержащие Cr , W , V , Mo , Co . Их ещё

называют быстрорежущими .

Одной из важнейших характеристик инструментальных сталей является

прокаливаемость . Из всех инструментальных сталей высокой

прокаливаемостью обладают только высоколегированные теплостойкие и

полутеплостойкие стали . Инструментальные стали , которые не обладают

теплостойкостью , делят на две группы :

1. стали небольшой прокаливаемости ( углеродистые ) .

2. стали повышенной прокаливаемости ( легированные ) .

Маркируются инструментальные углеродистые стали буквой “У” ,

следующая за буквой цифра обозначает среднее содержание углерода в

десятых долях процента .

Сталь У10 . Характеристики , структура , термообработка .

Предложенная для изготовления метчиков и плашек сталь У10

относится к углеродистым сталям небольшой прокаливаемости , необладающим

теплостойкостью . Углеродистые инструментальные стали этого класса имеют

небольшую прокаливаемость вследствие неустойчивости переохлаждённого

аустенита . Именно поэтому эти стали применяют для изготовления

инструментов небольших размеров .

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего

инструмента , только тогда , когда процесс резанья происходит при малых

скоростях . Это обусловлено тем , что их высокая твёрдость сильно

снижается при нагреве выше температуры 190-200(С .

Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого

перлита, при этом твёрдость их не превышает 170-180 НВ . В этом

состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием . Температура

закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1 - 760-780(С ,

но ниже , чем Аст(для того , чтобы в результате закалки получить

мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую

структуру вторичного цементита[2] .

Нетеплостойкие стали высокой твёрдости :

|Марка | C | Mn | Si| Cr|Назначение |

|ст. | | | | | |

|У10,У10|0,96-1,|0,17-0,|0,17-0,|( 0,20 |Штампы высадочные и |

|А |03 |33 |33 | |вытяжные , |

|У11А , |1,06-1,|0,17-0,|0,17-0,|( 0,20 |напильники , метчики для|

|У11 |13 |33 |33 | |резания |

|У12А , |1,16-1,|0,17-0,|0,17-0,|( 0,20 |мягких металлов |

|У12 |23 |33 |33 | | |

|У13А , |1,26-1,|0,3-0,6|0,15-0,|0,4-0,7| |

|У13 |4 | |35 | | |

Закалка и отпуск У10 .

По данным Лахтина Ю. М. “Металловедение” , мелкий инструмент ,

такой , например , каким являются метчики и плашки , из стали У10

закаливают в воде или в водных растворах солей , а охлаждают в горячих

средах , то есть применяется ступенчатая закалка .

Отпуск проводят при 150-170(С для сохранения высокой твёрдости (

62-63 HRc).

Общие сведения о ступенчатой закалке:

При ступенчатой закалке изделие охлаждают в закалочной среде ,

температура которой выше , чем мартенситная точка данной стали .

Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивают передачу температуры

закалочной ванны во все точки сечения закаливаемого изделия . После

этого следует окончательное медленное охлаждение . Именно во время этого

охлаждения и происходит закалка - аустенит превращается в мартенсит .

При термической обработке углеродистых инструментальных сталей

(точка М=200-250() температуру ступеньки выбирают около 250(С (для

смесей азотнокислых солей ) , 120-150(С - для щёлочи или смеси

азотнокислых солей , и около 100(С - для 50 % раствора NaOH в воде[3] .

По данным Гуляева А. П. “Термическая обработка стали” принимаем

для стали У10 : ступенчатая закалка в соляной ванне с температурой 160-

170(С (KOH+NaOH) с добавкой воды около 3-5 % . Эти цифры соответствуют

закалке деталей из углеродистой инструментальной стали диаметром 10-15

мм , которые вполне удовлетворяют требованиям , предъявляемым к

назначенным деталям . В том случае , если деталь превышает допустимые

значения ступенчатой закалки , вполне может быть применена закалка с

“подстуживанием” ( закалка в воде с предварительным недолгим охлаждением

на воздухе , Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” . ) . Так как

предельные размеры назначенных деталей не заданы , то расчёт проводим с

тем условием , что они не выходят за пределы 10-15 мм , и основным

способом закалки изделий остаётся первый .

Значения закалки , нагрева и отпуска для изделий из стали У10 :

(нагрев- 760-780(С)

|Твёрд. в |Закалка , (С|Охл. Среда |Отпуск , (С |Получ. твёрд|

|исх. сост. | | | |. |

|170-180 НВ | 160-170 |KOH+NaOH+H2O| 150-170 |62-63 HRc |

| | |(4%) | | |

Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали .

| Величина |До |После |

| |термообработ|термообраб. |

| |. | |

|Твёрдость |170-180 НВ |62-63 HRc |

|Структура |зернистый |мартенсит и |

| |перлит |карб . |

Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У10.

В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру

зернистого перлита ( Fe(+Fe3C ). При нагреве её до температуры 760-780(С

получаем структуру аустенита и цементита первичного ( Fe(+Fe3C ) .

Происходит перестройка кристаллической решётки железа - кубическая

объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную .

- атом углерода . - атом железа .

Рис.1 с

с

а

а

с/a

( 1

О. Ц. К. (Fe() a=2,8 A( (с/а=1) Г. Ц. К. (Fe() a=3,6 A( О.

Ц. К. тетрагональная

При переохлаждении аустенита Г. Ц. К. решётка становится

неустойчивой . Несмотря на то , что скорость диффузии при низких

температурах мала , происходит

обратное перестроение кристаллической решётки без выделения углерода

(бездиффузионный процесс) . То есть процесс , показанный на рис. 1 идёт

в обратном направлении : Г. Ц. К. О. Ц. К. ( большая степень

тетрагональности ).

При малых температурах скорость диффузии мала , следовательно

превращение идёт очень быстро . Атом углерода не может выйти из

кристаллической решётки и вытягивает её в объёмноцентрированную .

Fe((C) Fe((C) ( Ау

М)

Так как процесс бездиффузионный , концентрация углерода в

мартенсите будет такая же , как и в аустените .

Процесс кинетикоматренситного превращения протекает не до конца.

При фактическом окончании процесса ещё остаётся некоторое количество

остаточного аустенита ( Аост.) . Остаточный аустенит снижает твёрдость

стали[4] .

Рис. 2

Аат Аост. На температуру начала и конца мартенситного

превращения влияет состав стали , в частности

содержание углерода.

Мн 20(С Мк

T,(C Рис. 3

C увеличением концентрации углерода температура

начала мартенситного превращения понижается , а

температура конца мартенситного превращения при концентрации

углерода более 0,4 % переходит в

Мн область отрицательных температур .

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

Мк

Бездиффузионное мартенситное превращение.

Т,(С Рис. 4 Vкр. =( А1 - tm )/(m

A1 - 727(C

(m - температура у изгиба С-образной кривой

tm - время

Vкр.

lg(()

Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :

1. превращение происходит в интервале температур Мн - Мк .

2. превращение протекает путём образования всё новых и новых кристаллов

мартенсита , а не роста ранее образовавшихся .

Рис. 5

Зерно аустенита :

1. до нагрева ,

2. после нагрева.

1. А 2.) М + А

Игла мартенсита сжимает зёрна аустенита .

3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур .

4. превращение протекает не до конца . При фактическом завершении

превращения ещё остаётся некоторое количество остаточного

аустенита .

Тетрагональность мартенсита объясняется наличием в кристаллической

решётке углерода , она прямопропорциональна содержанию углерода .

При выбранном режиме закалки ( нагрев до 760(С с последующим

ступенчатым охлаждением ( 160(С ) в соляной ванне KOH+NaOH+H2O(3-5 %) )

получаем структуру мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды

(М+Аост.+Fe3C ) , твёрдость изделия - (56)[5] - 62 HRc .

* Прим.: при данном режиме закалки значительно увеличивается твёрдость и

прочность изделия в результате изменения структуры материала ( стали У10

) , хотя остаточный аустенит твёрдость снижает .

Необходимо добавить так же , что при нагреве под закалку на 760(С

и выше в изделиях из стали У10 появляются трещины при закалке в воде .

Ступенчатая закалка значительно уберегает изделия от появления трещин .

Это связано с тем , что более медленное охлаждение при ступенчатой

закалке значительно расширяет безопасный интервал температур нагрева под

закалку[6] .

T, (C

840

810

780

750

HRc Рис. 6

65 60 55 80 70 60 50

40 30 20

Твёрдость , HRc Образцы с трещинами , %

Ещё один плюс в пользу ступенчатой закалки в водном растворе солей

- это то , что при закалке в масле изделие не будет иметь необходимую

твёрдость , а лишь только закалка в масле может ещё заменить ступенчатую

закалку без потерь на качестве изделий и потерь на браке ( образование

трещин при закалке ) . Поэтому окончательно предлагается ступенчатая

закалка в водном растворе солей с указанными выше параметрами .

Общие сведения о процессах , происходящих при отпуске стали У10.

В закалённой стали тетрагональность мартенсита и внутренние

напряжения создают значительную хрупкость , поэтому после закалки

необходимо применить отпуск.

Операция отпуска заключается в нагреве закалённой стали ниже точки

Ас1 , выдержке её при заданной температуре с последующим охлаждением в

воде или на воздухе . Целью отпуска является снятие внутренних

напряжений после закалки и получение требуемых механических свойств .

Отпуск делится на три вида :

1. нагрев до 200(С - низкий отпуск - применяется для снятия внутренних

напряжений ( структура : мартенсит отпущенный ) .

2. нагрев на 350(- 500(С - средний отпуск - повышает пластичность (

структура : мелкозернистая ферритно-цементитная смесь - троостит ) .

3. нагрев (500(С - высокий отпуск - возрастает удельная вязкость ,

следовательно падает прочность .

После закалки имеем структуру М + Аост. . После отпуска получаем

структуру с наибольшим удельным объёмом мартенсита и наименьшим удельным

объёмом аустенита остаточного .

Очевидно , что в результате изменения удельного объёма ведёт к

удлинению образца . Нагрев способствует выделению углерода из исходной

структуры в виде карбидной фазы Fe2C - (-карбида , имеющего

гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие этого концентрация

углерода в начальной структуре начинает уменьшаться , а степень

тетрагональности стремиться к единице .

(-карбид - это гетерогенная смесь Fe( и необособившихся частиц

карбидов . Всё это вместе составляет когерентно связанную

кристаллическую решётку .

Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180(С с последующим

охлаждением в воде - низкий отпуск (Лахтин Ю. М. “Материаловедение”).

Низкий отпуск наряду с увеличением твёрдости , избавляет изделие от

внутренних напряжений закалки , что необходимо в данном случае для

повышения износостойкости изделия .

При нагреве до 200(С происходит первое превращение при отпуске -

мартенсит закалочный превращается в мартенсит отпущенный .

Для плашек из стали У10 картина с отпуском обстоит несколько иначе

. По специфике своего применения , плашки , наряду с высокой твёрдостью

и износостойкостью , должны обладать немного большей пластичностью , чем

метчики . Это обусловлено тем , что плашки применяются для наружной

нарезки резьбы и при излишней твёрдости могут “крошить” поверхность

заготовки . Поэтому для плашек рекомендуется применять отпуск при

температуре 220(-240(С[7] - более высокой температуре , чем отпуск для

метчиков . Полученная в результате отпуска твёрдость изделия будет

равной 59-60 HRc .

Окончательно принимаем для плашек из стали У10 низкий отпуск при

230(С со структурой после отпуска - мартенсит отпущенный .

ВЫВОДЫ из проделанной работы .

В результате назначенной термообработки - ступенчатая закалка при

170(С в соляной ванне с последующим отпуском при 180(С ( 230(С для

плашек ) и охлаждении изделия в воде - достигнуты следующие результаты

:

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

2. увеличение прочности и износостойкости .

3. структура из зернистого перлита трансформировалась в мартенсит

отпущенный .

Вывод : изделия из стали У10 , прошедшие термообработку ,

полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям ( высокая

твёрдость , износостойкость , прочность ) .

Возможная замена : сталь У9 так же относится к классу

инструментальных сталей . Её состав и микроструктура схожи с составом и

микроструктурой стали У10, при назначенной термообработке её твёрдость

окажется равной 62 HRc , к тому же прочность и износостойкость

увеличатся , образование трещин при закалке незначительно ( по сравнению

со сталью У10 при предлагаемом режиме термообработки ) . Следовательно ,

при изготовлении метчиков и плашек для ручной резки возможна замена

стали У10 на сталь У9 без потерь на качестве изделий .

|Название |Матери| Режим закалки |Режим отпуска |Получ |

|изделия |ал | | |твёрдость |

|Метчик |У10 |нагр. до 760(С с|180(С , в воде|62-63 HRc |

| | |послед. | | |

|Плашка |У10 |зак. в NaOH+KOH |230(C , в воде|59-61 HRc |

| | |(160(C) | | |

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .

1. Геллер Ю. А. “Материаловедение”.

2. Гуляев А. П. “Металловедение” .

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

4. Лахтин Ю. М. “Материаловедение” .

-----------------------

[1] Данные : “Советский энциклопедический словарь” .

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

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

[4] Материал подобран на основе лекций .

[5] Поданным лабораторной работы №7.

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

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