6

Лисицын О.Г. РК5-41

Задание №202А

Для изготовления инструмента для холодной обработки давлением в зависимости от размера, формы, давления, условий работы, толщины заготовки и других параметров применяют различные инструментальные и конструкционные углеродистые и легированные стали.

1. Подобрать марку стали для изготовления формовочного штампа небольшого размера и простой формы, работающего при небольшом давлении при деформировании металла небольшой толщины. Указать режим термообработки этой стали (на твердость 50…55 HRC), построить график термообработки в координатах «температура-время».

2. Описать структурные превращения, происходящие при термообработке.

3. Привести основные сведения об этой стали: ГОСТ, химический состав, свойства, достоинства и недостатки, требования, предъявляемые к сталям для холодной пластической деформации, другие стали, применяемые для аналогичного инструмента.

Отчет.

• Введение

Основные свойства, которыми должны обладать стали для штампов и других инструментов холодной обработки давлением, - высокие твердость, износостойкость, прочность, сочетающиеся с удовлетворительной вязкостью. При больших скоростях деформирования, вызывающих разогрев рабочей кромки инструмента до 450 С, от сталей требуется достаточная теплостойкость.

Для изготовления формовочного штампа небольшого размера и простой формы возможно применение как высоколегированных инструментальных штамповых сталей холодного деформирования Х12, Х12М, Х12Ф1, низколегированных инструментальных 6ХС, 9ХС, ХВГ, ХВСГ, 6ХЗМФС так и широко распространенных в промышленности углеродистых инструментальных сталей марок У10, У10А, У11, У12, У12А.

Так как данный инструмент будет работать при сравнительно небольших давлениях, не подвергаясь сильным ударам и толчкам, т.е. при небольших ударных нагрузках наиболее целесообразно применение углеродистых заэвтектоидных сталей марок У10, У11, У12 ввиду их относительной дешевизны и соответствия механических свойств заданным. Данные стали из-за несквозной прокаливаемости имеют твердый износостойкий слой и вязкую сердцевину, что обеспечивает работоспособность при небольших вибрациях и ударах. Из-за низкой прокаливаемости эти стали пригодны для некрупных инструментов или инструментов с относительно небольшим диаметром поперечного сечения.

• Термообработка.

Для заданного инструмента рассмотрим применение стали У10 (ГОСТ 1435-90) (заменители: стали У11, У12, У12А).

Общие сведения для различных видов термообработки стали У10 приведены в таблице:

Состояние поставки, режим термообработки	HRCэ поверхности	НВ
Отжиг		207
Закалка 770-800 С, вода.	Св. 63
Сечение до 10-12 мм. Закалка 800 С, масло или расплав солей при 190 С. Отпуск 160-200 С.	57-61
Сечение до 8 мм. Закалка 800 С, масло или расплав солей при 190 С. Отпуск 380-480 С. (рекомендуется для пружин и деталей пружинного типа)	44-50
Сечение до 66 мм. Закалка 770 С, вода или 5-10 %-ный раствор NaCl. Отпуск 170 С.	59-63
Пружины. Изотермическая закалка 800 С в расплаве солей с водой. Температура изотермы 280-360 С. Отпуск 280-360 С.	44-52
Поверхностная закалка с индукционным нагревом. Отпуск 160-200 С.	59-63
Закалка 760-780 С, вода. Отпуск 160-200 С.	63-65
Закалка 760-780 С, вода. Отпуск 200-300 С.	57-63
Закалка 760-780 С, вода. Отпуск 300-400 С.	49-57
Закалка 760-780 С, вода. Отпуск 400-500 С.	40-49

Инструменты, изготовленные из такой стали, для достижения заданной твердости 50…55 HRC подвергают неполной закалке и низкому отпуску при 150-180С на мартенсит с включениями цементита.

Выбранная сталь является углеродистой (С=0,96…1,03%), такое содержание углерода обеспечивает ей высокую твердость, однако затрудняет обрабатываемость резанием, а т.к. сталь заэвтектоидная, то необходимо предварительно подготовить её структуру к закалке. Для этого необходимо применить сфероидизирующий отжиг (сфероидизацию). Для заэвтектоидной стали сфероидизацию проводим в 2 этапа: сфероидизируем вторичный цементит, выделившийся в виде сплошных оболочек аустенитных зерен, нагревая сталь выше температуры Ac_cm для распада цементита с последующим охлаждением на воздухе.

Температура критических точек.

Критическая точка	°С
Ac1	730
Ac3	800
Ar1	700
Mn	210

Далее производим отжиг на зернистый перлит путем нагрева стали до температуры, выше, чем Ac₁ (~750-770C) и последующего медленного охлаждения.

Имеем структуру зернистого перлита- сталь с такой структурой имеет наименьшую твердость, что дает возможность её последующей обработки резанием на заготовку формовочного штампа заданной формы и размеров.

После сфероидизирующего отжига подвергаем сталь неполной закалке при оптимальной температуре (для углеродистой низколегированной стали Ac₁+3050C), т.е. нагрев производим до межкристаллических температур.

При простом погружении разогретой детали в воду возможно образование трещин или коробления поверхности. Это обусловлено большими остаточными напряжениями, возникающими при закалке. Основной источник напряжений- увеличение объема при превращении аустенита в мартенсит, что происходит из-за неодновременности мартенситного превращения по сечению.

Для предотвращения деформации детали или образования трещин на её поверхности применим способ закалки в двух средах.

После нагрева до температуры закалки переносим деталь в воду, в результате чего достигается быстрое прохождение температурного интервала минимальной устойчивости аустенита, затем переносим деталь в минеральное масло. После закалки сталь имеет структуру мартенсита и цементита.

Кристаллы цементита тверже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидная сталь имеет более высокую твердость, чем при полной закалке на мартенсит. Так как сталь предварительно подвергалась сфероидизации, то избыточные карбиды практически не вызывают снижения вязкости.

Для увеличения вязкости и пластичности стали проводим низкий отпуск при температуре 180-200 С. При этом из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного -карбида, имеющего химический состав, близкий к Fe₂C. Обеднение твердого раствора углеродом происходит неравномерно- вблизи карбидов остаются участки с исходным содержанием углерода. Превращение идет с очень малой скоростью.

График термообработки указан ниже:

График термообработки.

В ходе эксплуатации (испытания) твердость сильно снижается при нагреве свыше 200С:

Температура, °С	Время, ч	Твердость, HRCэ
150-160	1	55
200-250	1	51

• Основные данные. (по ГОСТ 1435-90)

Химический состав:

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.33
Марганец (Mn)	0.17-0.33
Медь (Cu), не более	0.25
Никель (Ni), не более	0.25
Сера (S), не более	0.028
Углерод (C)	0.96-1.03
Фосфор (P), не более	0.030
Хром (Cr), не более	0.20

Вид поставки

Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1435-74, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69. Калиброванный пруток ГОСТ 1435-74, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 1435-74, ГОСТ 14955-77. Лента ГОСТ 2283-79, ГОСТ 21997-76. Полоса ГОСТ 103-76, ГОСТ 4405-75. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1435-74, ГОСТ 4405-75, ГОСТ 1133-71.

Назначение

инструмент, работающий в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: метчики ручные, рашпили, надфили, пилы для обработки древесины, штампы для холодной обработки давлением, гладкие калибры, топоры.

• Литература

1. Материаловедение. Учебник для вузов. Под ред. Б.Н.Арзамасова, 2-е издание.

2. Выбор материала и технологии термической обработки. Учебное пособие. А. А. Зябрев, Г. Г. Мухин.

3. Марочник сталей и сплавов. Сорокин В.Г.

4. Инструментальные стали. Геллер Ю.А.

5. www.steels.h1.ru - электронный марочник сталей.