Лабораторная работа 2 Расчет температурного поля штампов

Цель работы – расчет температурного поля по сечению штампов из стали 5ХНМ в различных средах. Выбор закалочной среды обеспечивающей получение требуемого структурного состояния в указанном сечении изделия.

Задачи исследования: с использованием учебной программы «Термолаб» выполнить расчет температурного поля по сечению штампов при охлаждении с температуры аустенитизации в воде, масле, на воздухе (привести соответствующие графики) и определить на основании их анализа (обработки) скорости охлаждения металла центра и поверхности изделия.

Объект исследования – штампы, изготовленные из стали 5ХНМ размерами 200х250х300мм и 350х400х450 мм.

Теоретическая часть

Охлаждение является важным этапом всех процессов термической обработки стали. Тип охлаждающей среды и скорость охлаждения сами по себе не определяют однозначно вида термической обработки, для этого основным является характер фазовых и структурных превращений в металле, что зависит как от характера изменения температуры во времени при охлаждении, так и от состава стали. Поэтому в зависимости от состава стали одинаковая интенсивность охлаждения приводит к реализации различных видов термической обработки.

Охлаждение при закалке должно обеспечивать получение определённых структур по сечению изделия, т.е. определённую их прокаливаемость, и вместе с тем не должно вызывать закалочных дефектов – трещин, коробления, деформации и повышенного уровня остаточных напряжений. Для этого нужно с большой ответственностью относиться к выбору охлаждающей среды для металлоизделий.

Задачей технологии термической обработки является выбор условий охлаждения для осуществления заданных превращений в металле с целью достижения требуемых свойств в поверхностных слоях и по сечению изделий. Основой для решения этой задачи является сопоставление температурного поля охлаждаемых изделий с устойчивостью переохлажденного аустенита данной стали, представляемой обычно в виде изотермических и термокинетических диаграмм.

Кинетические диаграммы фазовых превращений дают наиболее полные данные о зависимости структуры и твердости от таких параметров, как температура и время термической обработки отдельных марок стали.

Термокинетические диаграммы важны для операций термической обработки, выполняемых при непрерывном охлаждении.

Кинетика превращений аустенита, т. е. вид диаграммы распада, зависит от множества факторов и прежде всего от химического состава аустенита и имеют различные разновидности.

Для стали 5ХНМ, содержащих карбидообразующие элементы — хром и молибден диаграмма распада имеет две четко разделенные между собой области перлитного и промежуточного превращений, для каждой из которых характерны свои С-образные кривые. Перлитное превращение сдвинуто вправо по отношению к бейнитному превращению. Перлитное и бейнитное превращения разделены областью устойчивого аустенита.

Для выбора закалочной среды, обеспечивающей наилучшее распределение структуры по сечению металла изделия полученные при расчете температурных полей кривые охлаждения в различных средах наносят на термокинетическую диаграмму распада переохлажденного аустенита стали.

При охлаждении в воде, масле и на воздухе рассматриваем скорости охлаждения поверхности и центра.

Для правильного выбора охлаждающей среды, способа охлаждения и других параметров, обеспечивающих заданное структурное состояние металла и его свойства необходимо знание критической скорости охлаждения при закалке.

Расчет критической скорости охлаждения производим по формуле:

Vкрит =(А₁-t_M) / _М (2.1)

где А₁ – температура критической точки при охлаждении, ºС;

t_M – температуру минимальной устойчивости аустенита, ºС.

_М – время до момента достижения аустенитом минимальной устойчивости, с

Сталь 5ХНМ по характеру легирования и сочетанию основных свойств, приобретаемых после окончательной термической обработки, относится к группе сталей умеренной теплостойкости и повышенной вязкости. К этой группе относятся стали, предназначенные в основном для изготовления молотовых штампов, работающих в условиях ударного нагружения и относительно небольшого разогрева гравюры в процессе штамповки (до 500—550°С). Сталь обладает повышенной вязкостью и прокаливаемостью при умеренной теплостойкости. Повышенная вязкость и дает возможность использовать ее для изготовления штамповых кубиков и вставок для молотовых штампов. После закалки и высокого отпуска приобретают твердость НRС 43 – 45.

Химический состав стали представлен в табл. 2.1.

Таблица 1.1 - Химический состав стали 5ХНМ, % ГОСТ 5950-2000 [2]

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	Cu
0.5 - 0.6	0.1 - 0.4	0.5 - 0.8	1.4 - 1.8	≤ 0.03	≤ 0.03	0.5 - 0.8	0.15 - 0.3	≤ 0.3

Таблица 2.2 - Температуры критических точек стали 5ХНМ [2]

Критическая точка	°С
Ac1	730
Ac3	780
Ar3	640
Ar1	610
Mn	230