METODAAA_33__33__33_0001

мало энергии. Если обработка происходит при больших скоростях резания или обрабатываются твёрдые материалы и стружка имеет большое сечение, то в этих случаях в единицу времени затрачивается много энергии. Механическая энергия в процессе резания превращается в тепловую энергию, что приводит к сильному нагреву (до красного каления) режущей кромки инструмента при столь тяжёлых условиях резания. Для такого инструмента главное требование - сохранение твёрдости при длительном нагреве (красностойкость), т.е. устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы.

Условия работы измерительного инструмента в известной мере приближаются к условиям работы режущего инструмента при лёгких режимах резания, различие составляют лишь значительно меньшие удельные давления на рабочие поверхно­ сти.

Для разных видов инструмента применяют стали разного типа. Инструмен­ тальные стали принято делить на три группы:

1) не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, со­ держащие до 3... 5% Сг);

2)полутеплостойкие (содержащие 0,6... 0,7 % С и 3... 18 % Сг);

3)теплостойкие (высоколегированные стали, (содержащие Сг, W, Mo, V, Со ледебуритного класса), получившие название быстрорежущих.

Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали облада­ ют высокой прокаливаемостью. Инструментальные стали, не обладающие тепло­ стойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повы­ шенной прокаливаемости (легированные).

Термическая обработка инструментальных углеродистых сталей

Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У (углеродистые), а следующая за ней цифра показывает среднее содержание углерода в десятых до­ лях процента. Буква А в конце маркировки указывает, что сталь высококачест­ венная.

Углеродистые инструментальные стали У7 (У7А), У8 (У8А), У9 (У9А), У10 (У10А), У11 (У11А), У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлаждённого аустенита имеют небольшую прокаливаемость, поэтому их применяют для инструментов небольших размеров.

Сталь У10 (У10А) - инструментальная углеродистая сталь (заменитель стали У11, У12) заэвтектоидная, у которой после термической обработки структура мартенсит + избыточный карбид.

Вид поставки - сортовой прокат, в том числе фасонный. Шлифованный пру­ ток и серебрянка, лента, поковки и кованые заготовки.

Назначение - инструмент, работающий в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки. Это могут быть: метчики ручные, рашпили, надфили, зенкеры, фрезы, пилы для обработки древесины, матрицы для холодной штамповки, глад­ кие калибры, топоры.

193

Температуры критических точек при нагреве и охлаждении для стали У10 представлены в табл. 2.7.1.

Стали У10, У11, У12 после прокатки или ковки могут иметь более или менее грубую цементитную сетку вследствие высокой температуры конца деформации и медленного охлаждения.

Стали данной группы должны закаливаться в воде, и инструмент из этих ста­ лей имеет, как правило, незакалённую сердцевину.

Термическая обработка углеродистой стали применяется для снижения твёр­ дости и улучшения структуры. С этой целью углеродистые стали подвергают от­ жигу.

Инструментальная углеродистая сталь (ГОСТ 1435-74) после отжига должна иметь твёрдость в соответствии с нормами и нормированную микроструктуру - зернистый перлит. Допустимые следы цементитной сетки не должны превышать 3-го балла.

Получение при отжиге структуры зернистого перлита особенно затруднитель­ но для сталей с содержанием углерода 0,7...0,9 %. Даже небольшое превышение температуры выше Ас\, несмотря на замедленное охлаждение после отжига, при­ водит к образованию пластинчатого перлита вследствие растворения при нагреве центров для формирования зернистого перлита.

В стали с содержанием углерода 1,0... 1,3 % отжиг на зернистый перлит не вы­ зывает затруднений и его можно производить в сравнительно широком интервале температур - 740... 780 °С.

Углеродистые стали склонны к обезуглероживанию и при обработке проката малых размеров, для которых допустимая глубина обезуглероживания значитель­ но меньше, чем для крупного, температура и продолжительность отжига должна быть минимальной; допустимая загрузка печи ограничена.

При температуре окончания прокатки эвтектоидной и доэвтектоидной стали выше 800 °С образуется крупнозернистая структура. Для исправления этой струк­ туры необходим отжиг выше Ас\. Если крупное зерно сопровождается значитель­ ной карбидной или ферритной сеткой, то для улучшения структуры можно про­ вести нормализацию в камерных печах малыми садками: 800...820 °С, нижний предел - для эвтектоидной и доэвтектоидной сталей, верхний - для заэвтектоидной. Выдержка для полного прогрева - не более одного часа, охлаждение на воз­ духе. После нормализации сталь подвергают обычному отжигу. Равномерность распределения зернистого перлита достигается при закалке в масле с 780...800 °С и последующего отпуска при 700...720 °С в течение 6... 10 часов (для садки 1 ...3 тонны в малых камерных печах).

194

Для образцов толщиной 10... 12 мм нагрев под закалку осуществляется на 800 °С. Выдержка при температуре нагрева - 1 ...2 мин на 1 мм толщины образца. Охлаждение в масле или расплаве солей при 190 °С. Отпуск при 160...200 °С, охлаждение на воздухе.

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента для резания материалов с низкой твёрдостью и с малой скоростью, так как их твёрдость сильно снижается при нагреве выше 190...200 °С.

Термическая обработка быстрорежущих сталей

В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обла­ дают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твёрдость, прочность и изно­ состойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при больших скоростях резания. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве 600... 620 °С, поэтому применение их позволяет повысить скорость реза­ ния в 2-4 раза и стойкость инструмента в 10-30 раз по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечиваю­ щих их теплостойкость, являются, в первую очередь, вольфрам и молибден. Сильно повышают теплостойкость (до 640...650 °С) и твёрдость после термиче­ ской обработки (HRC 65... 70) кобальт и ванадий.

Наиболее распространённой и универсальной, относящейся к классу быстро­ режущих марок сталей является сталь Р18 (заменитель - сталь Р12).

Вид поставки - сортовой прокат, в том числе фасонный; калиброванный пру­ ток и серебрянка.

Назначение - резцы, сверла, фрезы, резьбовые фрезы, долбяки, развёртки, зен­ керы, метчики, протяжки для обработки конструкционных сталей с прочностью до 1000 МПа, от которых требуется сохранение режущих свойств при нагреве во время работы до 600 °С.

Температуры критических точек при нагреве и охлаждении для стали Р18 представлены в табл. 2.7.2.

В быстрорежущих сталях превращение П—»А (перлита в аустенит) происходит по одним источникам при 800 °С, по другим - в интервале температур 810... 860 °С.

195

очень продолжительной. Длительная выдержка вызывает превращения карбидной фазы, уменьшающие растворимость карбидов в аустените при последующем на­ греве под закалку. Это уменьшает легированность твердого раствора и понижает красностойкость быстрорежущей вольфрамовой стали. Снижение красностойко­ сти наблюдается после отжига в течение 15...20 часов при температуре выше

800°С. Повышение температуры отжига до 870...900 °С приводит к дальнейшему снижению красностойкости.

Продолжительность нагрева и выдержки определяется массой отжигаемого металла, поэтому не рекомендуется производить отжиг больших садок быстроре­ жущей стали.

Также рекомендуется делать выдержку в области температур перлитного пре­ вращения - 720...750 °С - для выравнивания температуры по всему объему садки

идля завершения перлитного превращения, при этом выдержка должна состав­ лять не менее 4...6 часов. После окончания выдержки сталь охлаждают в печи до

600...650 °С со скоростью 40...50 °С/ч, дальнейшее охлаждение на воздухе.

Структура стали после отжига - сорбитовый перлит и избыточные карбиды. Примерный режим отжига быстрорежущей стали, имеющий место на Златоус-

товском металлургическом заводе (ОАО ЗМЗ), представлен в табл. 2.7.3.

Закалка быстрорежущей стали

Для обеспечения красностойкости быстрорежущих сталей рекомендуется на­ грев под закалку производить до возможно более высоких температур.

Как известно, закалка состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно не­ устойчивого состояния сплава.

С повышением температуры нагрева под закалку увеличивается растворение карбидов и возрастает легированность аустенита.

Верхний предел температур закалки определяется ростом аустенитного зерна, образованием карбидной сетки по границам зерна, а затем и эвтектики с после­ дующим оплавлением границ и колеблется от 1240 °С - для низколегированных сталей и 1320 °С - для высоколегированных сталей с кобальтом. Кроме того, при содержании углерода в стали на нижнем пределе высокотемпературный нагрев может вызвать появление в структуре стали 8-феррита. Наличие крупного зерна, карбидной сетки, эвтектики, оплавления по границам зерна, 8-феррита в структу­ ре стали после закалки - всё это снижает прочность и пластичность стали. Темпе­ ратуру закалки стали Р18 принимают равной 1270... 1290 °С.

196

Температуру закалки назначают также в зависимости от размеров и конфигурации инструментов и условий их работы. Для инструмента небольшого сечения (свёрла, метчики d = 5... 10 мм), испытывающих в работе повышенные напряжения изгиба и кручения, назначают температуру закалки, обеспечивающую получение лучших механических свойств, а для более крупного инструмента - температуру, обеспечивающую повышенную теплостойкость.

Вследствие низкой теплопроводности быстрорежущих сталей нагрев под за­ калку рекомендуется производить с одним или двумя подогревами: 500...600 °С и 830...860 °С соответственно - это позволит предупредить появление трещин.

Для защиты от окисления и обезуглероживания окончательный нагрев под за­ калку лучше производить в расплавленной соли (ВаСЬ.), иногда под слоем чугун­ ной стружки.

Охлаждение от температуры нагрева под закалку до 550...600 °С должно быть ускоренным для предупреждения образования карбидной сетки, выделения из аустенита карбидов, что снижает теплостойкость стали.

Быстрорежущую сталь рекомендуется охлаждать в масле. Для уменьшения деформации и предупреждения образования трещин - инструмент сложной фор­ мы охлаждают в расплавленной соли KNO3 или NaNCb при 500...550 °С с вы­ держкой 2...5 мин и дальнейшим охлаждением на воздухе. Снижение температу­ ры выдержки до 200...300 °С позволяет получить более чистую поверхность зака­ ливаемого инструмента, выдержка при этом должна соответствовать 30...60 ми­ нут, дальнейшее охлаждение следует на воздухе.

Структура закаленной стали - мартенсит, аустенит и карбиды. Количество ос­ таточного аустенита может достигать 35.. .40 %.

197

Отпуск быстрорежущей стали

Наибольшая твердость, получаемая в быстрорежущих сталях после закалки и отпуска, составляет HRC 64... 67.

Отпуск быстрорежущей стали можно проводить по двум различным вариан­ там.

Первый режим состоит в том, что инструмент подвергают трехкратному от­ пуску при 560 °С с выдержкой в течение 1 часа. Отпуск уменьшает содержание W и V в мартенсите. Выделение мелкодисперсных сложных карбидов создает дис­ персионное твердение мартенсита и возрастание твердости.

Другой причиной повышения твердости является мартенситное превращение остаточного аустенита, происходящее в процессе охлаждения после нагрева на температуру отпуска. Однократный отпуск не приводит к превращению всего ко­ личества остаточного аустенита, в связи с чем проводят 2-4-кратный отпуск. По­ сле первого отпуска остается около 15 % остаточного аустенита, после второго - 3... 5 % и после третьего - 1... 2 %.

Образование новых количеств мартенсита при охлаждении создает дополни­ тельные напряжения. Последующий второй отпуск снимает эти напряжения, но вызывает новые, меньшие по величине, которые снимаются при третьем отпуске.

Трехкратный отпуск мало изменяет твердость стали по сравнению с однократ­ ным.

Основное преимущество многократного отпуска над однократным заключает­ ся в улучшении механических свойств.

Второй вариант отпуска состоит в том, что для превращения большей части остаточного аустенита в мартенсит достаточно немедленного охлаждения нор­ мально закаленной быстрорежущей стали до - 80 °С. Разрыв между закалкой и обработкой холодом должен быть минимальным, чтобы исключить стабилизацию остаточного аустенита, что не дает эффекта от обработки холодом.

Обработка холодом даёт повышение твёрдости стали на 0,5 ± 1 , 5 RC. После отпуска твёрдость стали, обработанной холодом, получает такие же значения, как и в стали, не обработанной холодом. Обработка холодом и последующий отпуск сокращают длительность технологического цикла обработки, но требуют допол­ нительного оборудования (холодильной камеры).

Режущие свойства и твёрдость инструмента, не подвергающегося переточке по всем граням (свёрла, развёртки, метчики, фрезы), можно повысить газовым или жидким азотированием при 550...560 °С.

В настоящее время, кроме обычной быстрорежущей стали, для режущего и штампового инструмента начинают использовать стали (сплавы, композиты) на основе системы F e - C o - W - M o с интерметаллидным упрочнением. Такого рода стали требуют более высокого нагрева под закалку для растворения интерметаллидов.

198

Порядок выполнения работы и обработка результатов

Измерение твёрдости образцов до термообработки и после

В данной работе испытанию на твёрдость подвергаются два образца: углеро­ дистая инструментальная сталь (У10, У11), быстрорежущая сталь (Р18). Числа твёрдости определяются каким-либо одним или двумя рассмотренными ранее способами, в зависимости от твёрдости и чистоты поверхности образцов (см. учебно-исследовательская работа № 5). В связи с разбросом данных измерений испытания на твёрдость повторяют 2-3 раза и берут средний результат.

Разработка технологии термической обработки стали

Разработать для представленных образцов углеродистой инструментальной стали и быстрорежущей возможные режимы термической обработки. Обосновать выбор температур, время изотермических выдержек и режим (среда) охлаждения.

Проведение термической обработки по разработанным режимам. Контроль твёрдости материалов после проведения термической обработки.

Оформление отчёта об исследовании

1.Измерение твёрдости исходных материалов до термообработки.

2.Охарактеризовать по данным твёрдости состояние материала и сделать вы­ воды о его механических и физических свойствах (по учебно-исследовательской работе № 5).

3.Проведение термической обработки стали по разработанным режимам (табл. 2.7.4).

Цель работы.

Тип, характеристика печи, вспомогательного оборудования.

Таблица 2.7.4

Режимы термической обработки

4.Измерение твёрдости материалов после термообработки.

5.Анализ влияния термической обработки на свойства стали (табл. 2.7.5).

Таблица 2.7.5

Влияние термической обработки на свойства стали

Марка стали Твёрдость до т/о Вид проводимой т/о Твёрдость после т/о Примечания

199

6. Зарисовать микроструктуры сталей до проведения термической обработки и после неё. Описать изменения, произошедшие в структуре стали.

Контрольные вопросы

1.Какие существую виды термической обработки, их характеристика?

2.Требования к инструментальным сталям, их классификация.

3.Как влияет температура нагрева на твёрдость и структуру углеродистой стали при закалке и отжиге?

4.В чём отличие быстрорежущих сталей от других инструментальных сталей, их характеристика?

5.Назначение и режим отжига быстрорежущих сталей.

6.Структура до- и заэвтектоидных сталей, закалённых с оптимальной темпе­ ратурой.

7.Из каких соображений назначается температура под закалку для быстроре­ жущих марок сталей?

8.Как влияет скорость охлаждения на структуру и твёрдость закалённой бы­ строрежущей стали? Какова критическая скорость закалки?

9.Назначение отпуска для быстрорежущих сталей, виды отпуска.

10.Варианты дополнительного повышения твёрдости при термической обра­

ботке.

11.Как влияет температура отпуска на структуру и механические свойства за­ каленной стали?

12.Твёрдость структур: феррита, перлита, аустенита, мартенсита, карбидной и интерметаллидной фаз.

13.Виды брака, возможные при термической обработке.

14.Неудовлетворительная твёрдость как следствие недогрева, перегрева, не­ равномерного прогрева заготовки, охлаждения при закалке - паровая рубашка и, как следствие, мягкие пятна, коробление заготовки, окисление и обезуглерожива­ ние.

15.Правила техники безопасности при проведении термической обработки сталей и сплавов.

2.8. Учебно-исследовательская работа № 8. Практика термообработки подшипниковых сталей

Цель работы

Данная работа предполагает:

-ознакомление с основными термическими процессами применительно к подшипниковым сталям;

-ознакомление и получение навыков работы с печным термическим обору­ дованием;

200

- получение навыков работы на контрольном и измерительном оборудова­

нии;

- получение навыков анализа и обработки результатов экспериментов.

Основные положения

Характеристика подшипниковых сталей

Подшипники работают в условиях качения шариков (или роликов) по наруж­ ному и внутреннему кольцам. Наиболее часто причиной отказа подшипников яв­ ляется излом, разрушение тел качения и рабочих поверхностей колец и, главным образом, усталостное выкрашивание рабочих поверхностей элементов подшипни­ ков.

Подшипниковые стали обладают высокой твёрдостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. К подшипниковым сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений и карбидной ликвации, так как они вызывают преждевременное усталостное разрушение. При­ чина заключается в том, что нагрузка в подшипнике является локальной, и если в точке касания шарика (ролика) и кольца в загрязнённой или неоднородной стали окажется то или иное включение, то может произойти местное разрушение (вы­ крашивание), а вследствие этого долговечность работы подшипника резко сни­ зиться. Поэтому согласно ГОСТ 801-60 каждая плавки в любом профиле проката тщательно контролируется на наличие пористости, неметаллических включений, на карбидную ликвацию, строчечность, сетку. Для этих дефектов составлены шкалы (четырёх- и пятибалльные системы), по которым оценивается пригодность стали. Подшипниковая сталь - одна из сталей, для которых впервые была приме­ нена количественная оценка содержания неметаллических включений металло­ графическим методом.

Особенно недопустимы твёрдые неметаллические включения, например, нит­ риды титана, которые существенно ухудшают полируемость стали.

Электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплавы существенно уменьшают количество неметаллических включений (сульфидов, оксидов и др.), тем самым повышая долговечность подшипников.

Стали изготавливают в виде прутков, труб и проволоки. После отжига стали, получают структуру мелкозернистого перлита. Такая структура обеспечивает удовлетворительную обрабатываемость резаньем и достаточную пластичность при холодной штамповке шариков и роликов.

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сечений обычно используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15 (0,95... 1,05 % С и 1,30... 1,65 % Сг), а для больших сечений - хромомарганцевокремнистую сталь ШХ15СГ (0,95... 1,05 % С; 0,90.. 1,20 % Мп; 0,40...0,65 % Si и 1,30... 1,65 % Сг), прокаливающуюся на большую глубину.

Рекомендуется шарики и ролики диаметром до 13,5 и 10 мм изготавливать из стали ШХ9, шарики диаметром 13,5...22,5 мм и ролики диаметром 10... 15 мм из

201

стали ШХ12 и, наконец, шарики диаметром 22,5 мм и ролики диаметром 15...30 мм из стали ШХ15. Из этой же стали следует изготавливать кольца всех размеров за исключением очень крупных; ролики диаметром свыше 30 мм и кольца с толщиной стенки свыше 15 мм следует изготавливать из стали ШХ15СГ.

Для изготовления деталей подшипников качения, работающих при высоких динамических нагрузках, т.е. крупные роликовые подшипники диаметром от 0,5 до 2 м, применяют цементируемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ. После газовой це­ ментации на очень большую глубину 3...5 мм, высокого отпуска, закалки и от­ пуска при 160... 170 °С детали подшипников из стали 20Х2Н4А имеют на поверх­ ности твёрдость HRC 58... 62, а в сердцевине 3 5... 45.

Детали подшипника качения из стали 18ХГТ подвергают цементации или циа­ нированию на глубину 1...2 мм. После закалки низкого отпуска они имеют твёр­ дость HRC 61 ...65.

В последние годы разработан и внедрён в массовое производство процесс объ­ ёмно-поверхностной закалки колец тяжелонагруженных роликов подшипников для букс железнодорожных вагонов. Для изготовления этих деталей применяют высокоуглеродистую сталь ШХ4 (0,95... 1,05 % С; 0,15...0,30 % Si; 0,15...0,30 % Мп; 0,35...0,50 % Сг) с регламентируемой прокаливаемостью, имеющую перед закалкой структуру зернистого перлита.

Кольца и тела качения подшипников, работающих в агрессивных средах

Сталь марки ШХ15 - подшипниковая сталь (заменитель стали ШХ9, ШХ12, ШХ15СГ).

Вид поставки - сортовой прокат, в том числе фасонный (ГОСТ 801-78, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71), калиброванный пруток (ГОСТ 7471-75), шлифованный пруток и серебрянка (ГОСТ 14955-77), а также полоса (ГОСТ 103-76), проволока (ГОСТ 4727-83).

Назначение - шарики, ролики подшипников с толщиной стенки до 15 мм, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны и др. детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Температуры критических точек при нагреве и охлаждении для стали ШХ15 представлены в табл. 2.8.1.

Твёрдая высокоуглеродистая хромистая подшипниковая сталь отличается в за­ калённом состоянии высокой прочностью, твёрдостью, износоустойчивостью, вы-

202