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 ст. C Mn Si Cr Назначение У10,У10А 0,96-1,03 0,17-0,33 0,17-0,33 Штампы высадочные и вытяжные , У11А , У11 1,06-1,13 0,17-0,33 0,17-0,33 напильники , метчики для резания У12А , У12 1,16-1,23 0,17-0,33 0,17-0,33 мягких металлов У13А , У13 1,26-1,4 0,3-0,6 0,15-0,35 0,4-0,7 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 исх. сост. Закалка , °С
Охл. Среда Отпуск , °С Получ. твёрд . 170-180 НВ 160-170 KOH+NaOH+H2O(4%) 150-170 62-63 HRc Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали . Величина До термообработ. После термообраб. Твёрдость 170-180 НВ 62-63 HRc Структура зернистый перлит мартенсит и карб . Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У10. В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру зернистого перлита ( Fea+Fe3C ). При нагреве её до температуры 760-780°С получаем структуру аустенита и цементита первичного ( Feg+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. (Fea) a=2,8 A° (с/а=1) Г. Ц. К. (Feg) 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 . Feg(C) Fea(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 )/tm A1 - 727°C tm - температура у изгиба С-образной кривой tm - время Vкр. lg(t) 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 - e-карбида , имеющего гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие этого концентрация углерода в начальной структуре начинает уменьшаться , а степень тетрагональности стремиться к единице . e-карбид - это гетерогенная смесь Fea 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 изделия Материал Режим закалки Режим отпуска Получ твёрдость Метчик У10 нагр. до 760°С с послед. 180°С , в воде 62-63 HRc Плашка У10 зак. в NaOH+KOH (160°C) 230°C , в воде 59-61 HRc 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” .