2.1 Характеристика стали 9хс

Сталь 9ХС - інструментальна низьколегована. Вона належить до групи сталей, що азотуються, для різальних інструментів. За хімічним змістом сталь є заевтектоїдною. Після термічної обробки і лазерного загартування сталь 9ХС забезпечує високу міцність, високу твердість і зносостійкість поверхні.

Мал.1 Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту сталі 9ХС

Опис впливу легуючих елементів на структуру і властивості

вибраного матеріалу

Вуглець міститься в сталі у кількості 0,9 %. Сталь, містить вуглецю більше 0.8%, в стані, що відпалює, складається з карбідів і перліту. Вуглець сильно впливає на властивості сталі, навіть при незначній зміні його змісту. Хром збільшує міцність зв'язку атомів вуглецю з атомами твердого розчину, знижує термо-динамічну активність (рухливість) атомів вуглецю, сприяють збільшенню його концентрації в мартенситі, тобто зміцненню. Є карбідоутворювальним елементом Cr₂₃C₆. Кремній, якщо він міститься в сталі в невеликій кількості, особливого впливу на її властивості не чинить. При підвищенні змісту кремнію значно покращуються пружні властивості, магнитопроницаемость, опір корозії і стійкість проти окислення при високих температурах.

3. Вибір операцій термічної обробки і визначення режимів операцій

Початковою заготівкою для протягання є прокат Ø 55мм, довжина заготівлі ℓ=610 мм.

Перед основною термічною обробкою деталь відпалюють для зняття залишкової напруги. Внутрішня напруга в металі може виникати в результаті різних видів обробки. Це може бути термічна напруга, що утворилася в результаті нерівномірного нагріву, різній швидкості охолодження окремих частин деталі після гарячої деформації, литва, зварювання, шліфовки і різання. Можуть бути структурними, тобто що з'явилися в результаті структурних перетворень, що відбуваються усередині деталі в різних місцях з різною швидкістю. Внутрішня напруга в металі може досягати великої величини і, складаючись з працюючими, тобто що виникають при роботі, можуть несподівано перевищувати межу міцності і призводити до руйнування. Усунення внутрішньої напруги виробляється за допомогою різних видів відпалу.

Відпал - одна з найважливіших операцій термічної обробки, в результаті якої знімається внутрішня напруга в сталі, подрібнюються зерна і знижується твердість.

Відпал іншого роду - це термообробка, яка полягає в нагріві сталі до температур вище за точку А_С1 . В результаті виходить майже рівноважний структурний стан сталі; у заевтектоїдній сталі 9ХС - цементит + перліт+ Cr₂₃C₆. Сталь виходить з низькою міцністю і твердістю при достатньому рівні пластичності. (HВ = 243) Оскільки наше завдання пом'якшити структуру для наступної механічної обробки, ми проводимо неповний відпал. Основні цілі неповного відпалу - усунення вад структури, що виникли при попередній обробці (литві, гарячій деформації або зварюванні), пом'якшення сталі перед обробкою різанням і зменшення напруги, для надання сталі певних характеристик. Неповний відпал полягає в нагріві заевтектоїдної сталі до температур на 30-50°C вище за температуру А_C1, але не перевищує А_сm (надмірне підвищення температури вище за цю точку приведе до зростання зерна аустеніту, що викличе погіршення властивостей сталі), витримці для повного прогрівання і завершення фазових перетворень в об' ємі металу і наступному повільному охолодженні. Для цієї сталі t_відп=А_С1+30÷50°С=770+30÷50°С=800÷820°С. Вибираємо t_відп=810°С. При неповному відпалі відбувається неповна фазова перекристалізація сталі. При нагріві вище точки А_С1 утворюється аустеніт + карбіди, що характеризується дрібним зерном, який при охолодженні дає дрібнозернисту структуру, що забезпечує високу пластичність і невисоку твердість . Структура заевтектоїдної сталі, після неповного відпалу складається із зернистого перліту (мал 2). Потім слідує токарна обробка, яка полягає в тому, що заготівку торцюють і проточують зовнішній діаметр до Ø 50 мм.

Мал.2 Графік неповного відпалу для сталі 9ХС

Після відпалу проводиться механічна обробка протяжки, яка включає токарну, круглошлифовальную, шлицефрезерную, фрезерну, зубофрезерную, слюсарну операції.

Механічно оброблену деталь піддають термічній обробці: загартуванню і відпуску. Оскільки задана деталь повинна мати досить високу міцність і твердість призначаємо неповне загартування з низьким відпуском. Загартування - термічна обробка, полягає в нагріванні стали до температури вище критичної (А_С3 для доевтектоїдної і A_C1 - для заевтектоїдної сталей) або температури розчинення надлишкових фаз, витримці і наступному охолодженні з швидкістю, що перевищує критичну. Ця сталь заевтектоїдна, тому її нагрівають до температури на 30-50° С вище за точку А_С1 (мал. 3), тобто до 800 - 820°С. Оптимальним середовищем, що охолоджує, при загартуванні для цієї сталі являється масло, оскільки воно швидко охолоджує сталь в інтервалі температур мінімальної стійкості аустеніту і уповільнено в інтервалі температур мартенситного перетворення, тобто при охолодженні в маслі відбувається одночасне мартенситоутворення в усій деталі, і знижується можливість утворення гартівних тріщин. В результаті загартування міцність і твердість збільшуються, а пластичність і в'язкість знижується.

Мал. 3 Графік неповного загартування для сталі 9ХС

Щоб зменшити крихкість і напругу, викликані загартуванням, і набути необхідних механічних властивостей деталі, сталь після загартування обов'язково піддають низькотемпературній відпустці.

Відпуск - термічна обробка, при якій загартовану сталь нагрівають до температури нижче за температуру критичної точки A_C1, витримують необхідний час при цій температурі, а потім повільно охолоджують.

При такій обробці дещо зменшується внутрішня напруга, стабілізується структура сталі, знижується її твердість і збільшується в'язкість. При відпуску сталі відбуваються структурні перетворення, що полягають в тому, що мартенсит загартування і залишковий аустеніт розпадаються, утворюючи стійкіші структури.

При нагріві до 100°С помітних змін в структурі загартованої сталі не відбувається. При нагріві від 100 до 350°С відбувається розпад мартенситу з виділенням з нього дисперсних часток цементита. Цей розпад відбувається в дві стадії.

У першій стадії при 100 - 200°С спостерігається виділення з мартенситу найдрібніших карбідних включень пластинчатої форми і завтовшки в декілька атомних шарів. Одночасно з цим відбувається помітне зменшення об'єму сталі, пов'язане з утворенням мартенситу відпуску.

Друга стадія відпуска відбувається при 200-350°С. Вона зводиться до подальшого повільного виділення з мартенситу часток карбіду заліза. В цей час в сталі розвивається процес розкладання залишкового аустеніту і перехід його в мартенсит відпуску.

Задану сталь піддають низькому відпуску, тому його проводять в інтервалі температур 150-160°С (графік процесу представлений на мал. 4). При цих темпера-турах в сталі утворюється мартенсит відпуска і майже повністю зникає внутрішня напруга. Мартенситна структура забезпечує найкраще співвідношення міцності і твердості для цієї сталі.

Загартування з низьким відпуском підвищує межі міцності і твердості. Термічну обробку, що складається із загартування і низького відпуска, називають ізотермічним загартуванням.

Мал. 4 Графік низького відпуску для сталі 9ХС

Після механічній і термічній обробці проводимо лазерне поверхневе зміцнення, яке є остаточною операцією для інструменту.

Зміцнення різального інструменту проводиться імпульсним опроміненням робочих кромок інструменту на лазерній технологічній установці ЛТУ-2М. При цьому стійкість інструменту підвищується в 1,5 - 3 рази. Під впливом лазерного випромінювання відбувається швидкісний нагрів сталі 9ХС до 800-820°С (вище А_С1) без істотного оплавлення робочих кромок інструменту і наступне охолодження сталі. В результаті на поверхні утворюється шар завтовшки 60-80 мкм мікротвердістю 1100- 1200 Н/мм².

Зміцнений шар має особливо дисперсну аустенітно-мартенситну структуру. На межі зміцненого шару з основним металом є тонка зона відпуску з мікротвердістю, яка дещо нижче за мікротвердість основного металу.

Наявність такої зони позитивно позначається на стійкості інструменту. Товщина зміцненого шару в зоні лазерного імпульсного загартування залежить від щільності, потужності лазерного випромінювання і часу імпульсу.

Переваги технологічного процесу лазерного зміцнення: локальність зміцнення в місцях найбільшого зносу із збереженням початкових властивостей матеріалу в іншому об'ємі;

можливість зміцнення важкодоступних місць; відсутність деформації оброблюваних виробів, що дозволяє повністю виключити додаткову кінцеву обробку; можливість використання зміцненого інструменту після його переточування із збереженням стійкістних характеристик; можливість його проведення на повітрі; відсутність механічної дії на виріб, що обумовлює простоту його автоматизації; екологічна чистота.