Обработка инструментальных материалов

Что такое критическая скорость закалки? От чего она зависит и в чём её практическое значение?

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температуры выше А_С3 (для доэвтектоидной стали) или выше А_Cm (для заэвтектоидной стали), переохладить до температуры ниже А₁, то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение. Для описания кинетики превращения переохлажденного аустенита пользуются экспериментально построенными диаграммами изотермического превращения. Эти диаграммы строят в координатах температура превращения — время; обычно время откладывают на логарифмической шкале.

закалка чугун термический отжиг.

Приведенная на рисунке диаграмма характерна для эвтектоидной стали. На диаграмме нанесены две С-образные кривые, указывающие время начала и конца превращения переохлажденного аустенита. В области диаграммы, расположенной левее линии 1, существует переохлажденный аустенит; между линиями 1 и 2 находится область, в которой происходит превращение; правее линии 2.

Линии МН и МК — линии начала и конца мартенситного превращения.

Наименьшей устойчивостью аустенит обладает при температурах, близких к 550° С.

На диаграмму изотермического превращения аустенита нанесены кривые охлаждения с различной скоростью.

V₁ < V₂ < V₃ < V₄ < V_К < V₅

При небольшой скорости охлаждения кривая V₁ пересекает линии диаграммы изотермического распада аустенита при высоких температурах и малом переохлаждении, и продуктом превращения будет перлит. С увеличением скорости охлаждения кривые V₂ и V₃ пересекают линии диаграммы при более низких температурах и больших переохлаждениях, и продуктами превращений будут более мелкие феррито-карбидные смеси — сорбит и троостит. При ещё большей скорости охлаждения (кривая V₄) полного превращения аустенита в феррито-цементитную смесь не происходит, а часть его переохлаждается до точки М_Н (начало мартенситного превращения), в результате чего образуется структура, состоящая из троостита и мартенсита. При очень большой скорости охлаждения (кривая V₅) превращение аустенита в феррито-цементитную смесь не происходит, весь аустенит переохлаждается до температуры точки М_Н и превращается в мартенсит.

Кривая охлаждения V_К (касательная к выступу изотермической кривой) характеризует минимальную скорость охлаждения, при которой образуется мартенсит без продуктов перлитного распада, и называется критической скоростью закалки.

Следует отметить, что даже при охлаждении со скоростью V₅, превышающей критическую скорость закалки, не всегда можно получить в структуре чистый мартенсит. В структуре может наблюдаться остаточный (непревращенный) аустенит.

Величина критической скорости закалки неодинакова для разных сталей и зависит от устойчивости аустенита. Чем больше его устойчивость (а следовательно, чем правее расположены линии превращений на диаграмме изотермического распада аустенита), тем меньше критическая скорость закалки. Критическая скорость закалки углеродистой стали в зависимости от содержания углерода, марганца и кремния, величины зерна (температуры аустенитизации) может колебаться в широких пределах 100—600° С/с. Чем крупнее зерно (т. е. чем выше температура нагрева), тем меньше критическая скорость закалки.

Так, сталь, содержащая 0,4% С и 0,6% Мn, со средним размером зерна имеет критическую скорость закалки 450, а с крупным зерном 250° С/с.

Критическая скорость закалки тем меньше, чем больше в аустените легирующих элементов (за исключением кобальта).

Молибден в количестве около 0,2% уменьшает критическую скорость мелкозернистой стали, содержащей 0,4% С и 0,6% Мn, до 120° С/с. Наиболее сильно критическая скорость закалки снижается при одновременном введении нескольких легирующих элементов. Мелкозернистая сталь, содержащая 0,4% С, 1,5% Мn и 1% Сг, имеет критическую скорость закалки около 40° С/с.

У многих высоколегированных сталей критическая скорость закалки не превышает 5 -20° С/с.

Наличие в аустените нерастворимых частиц (например, карбидов) уменьшает устойчивость аустенита и повышает критическую скорость закалки.

Диаграммы изотермического распада аустенита лишь качественно характеризуют превращения, протекающие при непрерывном охлаждении. Показано, что продолжительность минимальной устойчивости аустенита при непрерывном охлаждении в 1,5 раза больше, чем при изотермическом распаде. Отсюда в первом приближении величина критической скорости закалки, ^сС/с, может быть определена по формуле:

V_К =.

где A₁ — температура, соответствующая равновесной точке, єС;

t_min — температура минимальной устойчивости переохлажденного аустенита, °С;

ф_min — время минимальной устойчивости аустенита в перлитной области, с.

Изобразите схематически различные формы графита в сером чугун. Как влияет форма графитных включений на механические свойства чугуна?

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода больше 2,14%, называются чугунами.

Структура чугуна состоит из металлической основы и графита, поэтому свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений.

Графит в чугунах может быть в четырех основных формах:

На рисунке представлены формы графита в чугуне.

Рис. Формы графита в чугуне:

а— пластинчатой (обычный серый чугун), Х100; б — шаровидной (высокопрочный чугун). Х200; в — хлопьевидной (ковкий чугун), X 100; г — серый вермикулярный чугун, х100.

• — Пластинчатый графит. В обычном сером чугуне графит образуется в виде прожилок, лепестков, такой графит называется пластинчатым.
• — Вермикулярный графит — в виде червеобразных прожилок.
• — Шаровидный графит. В современных, так называемых высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния (или церия), графит приобретает форму шара.
• — Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а потом, используя неустойчивость цементита, с помощью отжига разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную, но не круглую форму. Такой графит называют хлопьевидным или углеродом отжига. В практике чугун с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

Влияние формы графитных включений на механические свойства чугуна.

Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством пустот и трещин.

Естественно, что чем больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот (т.е. количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от их формы и расположения. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна. Самые низкие механические свойства получаются тогда, когда графитные включения образуют замкнутый скелет.

Такие же свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а также изгибу, кручению, в основном обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений; в данном случае свойства чугуна сильно отличаются от свойств стали.

Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере скругления графитных включений указанное отрицательное влияние графитных включений уменьшается.

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений, такие включения не являются «трещинами» и чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом — высокопрочный чугун). Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.

Таким образом, прочность чугуна определяется кроме строения металлической основы и формой графитных включений.

Наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой, стружка ломается, когда резец дойдет до графитного включения. Чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами благодаря смазывающему действию графита. Наличие графитных включений быстро гасит вибрации и резонансные колебания. Чугун нечувствителен к надрезам, дефектам поверхности, т.к. в связи с наличием большего количества графитных включений в чугуне, дополнительные дефекты на поверхности уже не могут иметь влияние, хотя бы в незначительной степени напоминающее то большое влияние, которое оказывают эти дефекты в стали.

Следует также отметить лучшие литейные свойства по сравнению со сталью. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают не только удобство в работе, но и лучшие жидкотекучесть и заполняемость формы.

По диаграмме состояний Fe — Fе₃С опишите, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода. Охарактеризуйте этот сплав. При ответе на вопрос необходимо начертить диаграмму состояния железо-цементит, отметить на ней заданный сплав. Рядом с диаграммой начертить график охлаждения данного сплава, показав связь критических точек на диаграмме и графике, и описать сущность превращений, происходящих в сплаве при медленном охлаждении.

Количество углерода 1,6%. Температура 830єС.

Диаграмма состояний Fe — Fе₃С (слева); кривая охлаждения сплава с 1,6% при медленном охлаждении из жидкого состояния. (справа) Диаграмма состояния железо-углерод представлена выше на рисунке. Линия ABCD является линией ликвидусом системы (первичная кристаллизация сплава начинается по достижении температур, соответствующих линии ликвидус), линия AHJECF — линией солидусом (первичная кристаллизация сплава заканчивается по достижении температур, соответствующих линии солидус).

Рассмотрим указанный сплав, содержащий 1,6% углерода.

Сплавы с содержанием углерода до 0,8% С относятся к доэвтектоидным, с содержанием углерода 0,8% С — к эвтектоидным, и с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%С — к заэвтектоидным.

Следовательно, сплав с содержанием углерода 1,6% относится — к заэвтектоидным.

Начало кристаллизации этого сплава определяется точкой 1, лежащей на линии ликвидус (ABCD). При последующем охлаждении происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава.

В точке 2 на линии солидус (AHJECF) количество жидкой фазы становится равным 0, процесс кристаллизации заканчивается. Сплав полностью приобретает строение г — твёрдого раствора углерода в железе (или аустенита).

Между точками 2 и 3 фазовых превращений не происходит.

Превращение аустенита начинается в точке 3, когда из аустенита выделяется цементит (химическое соединение углерода с железом Fe₃C). Происходит это вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры.

При понижении температуры между точками 3 и 4 концентрация углерода в аустените изменяется по линии ЕS. Например, в точке 5, находящейся при 830 єС, концентрация аустенита определяется проекцией точки b. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. Концентрация углерода в нём 6,67%.

При дальнейшем охлаждении, в точке 4, то есть при 727? С на линии PSK, происходит эвтектоидная реакция:

А Ф + Ц

Перлит Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом. Это превращение происходит при постоянной температуре (горизонтальный участок 4 — 4ґ на кривой охлаждения).

В результате полного медленного охлаждения сплава с содержанием 1,5% С получается структура, состоящая из цементита, выделяющегося по границам зёрен в виде сетки, и перлита. Сплав относится к заэвтектоидным сталям.

Рассмотрим процесс охлаждения данного сплава с 1,6% С с температуры 830 °C. Сплав при данной температуре состоит из двух фаз — аустенита и цементита — точка 5, т. е. в сплаве при охлаждении идет процесс вторичной кристаллизации.

Данный процесс вторичной кристаллизации начался в точке 3, когда из аустенита начал выделяться цементит (химическое соединение углерода с железом Fe₃C). При выделении цементита аустенит обедняется углеродом в соответствии с линией ЕS, показывающей предельное насыщение аустенита углеродом. В точке 4 начинается превращение аустенита с концентрацией 0,8%С в перлит, которое происходит при постоянной температуре (данное превращение происходит при 727? С на линии PSK — эвтектоидная реакция). Точка 4 соответствует окончанию вторичной кристаллизации. Далее идет охлаждение сплава.

Какие виды термической обработки чугуна существуют? Какие изменения происходят в структуре чугуна при отжиге с целью графитизации?

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода больше 2,14%, называются чугунами.

Чугуны подвергают различным видам термообработки: отжигу, закалке и отпуску, старению, изотермической закалке, нормализации, закалке ТВЧ.

Назначение термообработки — термообработку проводят с целью снятия внутренних напряжений, возникающих при литье и вызывающих с течением времени изменение размеров и формы отливки, снижение твердости и улучшение обрабатываемости резанием, повышение механических свойств.

Рассмотрим основные виды термообработки.

1. Отжиг для снятия внутренних напряжений. Этому виду отжигу подвергают чугуны при следующих температурах: серый чугун с пластинчатым графитом при 500−570С, высокопрочный чугун с шаровидным графитом при 550−650С, низколегированный чугун при 570−600С, высоколегированный чугун — при 620−650С. Скорость нагрева составляет примерно 70−100С/час, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки и составляет от 1ч до 8 часов.

Охлаждение до температуры 200С медленное (для предупреждения возникновения термических напряжений), со скоростью 20−50С/час, что достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают на воздухе.

При этом отжиге снимаются внутренние напряжения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

• 2. Смягчающий отжиг (отжиг низкотемпературный графитизирующий) проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышение пластичности. Его осуществляют длительной выдержкой при 680−700С (ниже точки А₁) или медленным охлаждением отливок при 760−700. Для серых чугунов время выдержки 1−4 часа, для ковких — до 60 часов. Охлаждение медленное для деталей сложной формы и ускоренное для деталей простой формы. В результате этого отжига в структуре увеличивается количество феррита.
• 3. Графитизирующий отжиг. Отжиг проводят в две стадии. Вначале отливки из белого чугуна нагревают в течение 20−25 часов до температуры 950−970С. Во время выдержки (15часов) при этой температуре протекает первая стадия графитизации, т. е. распад цементита, входящего в состав ледебурита. В результате распада цементита образуется хлопьевидный графит. Затем отливки медленно охлаждают (6−12ч) до температуры 720С. При достижении дают вторую длительную выдержку (30ч), при которой происходит распад цементита, входящего в состав перлита, на феррит и графит. Структура будет состоять из графита и феррита. Если вторую стадию графитизации не проводить, то получим ковкий чугун со структурой перлит +графит.
• 4. Нормализация (серого и ковкого чугуна). Производят при температуре 850−950 С. Время выдержки должно быть достаточным для насыщения аустенита углеродом и в зависимости от конфигурации детали составляет от 1 до 3 часов. Охлаждение ускоренное, чтобы аустенит смог превратиться в перлит и чаще всего проводится на воздухе. Для деталей сложной формы охлаждение с температуры 600−550С должно быть замедленным, чтобы уменьшить величину внутренних термических напряжений. В результате нормализации получается структура перлит + графит и повышается прочность и износостойкость. После нормализации для снятия внутренних напряжений проводят высокий отпуск при 650−680С с выдержкой 1−1,5ч.
• 5. Закалка и отпуск. Для закалки чугун нагревают до температуры 850−950С. Скорость нагрева изделий сложной формы меньше, чем изделий простой формы. Время выдержки определяется из массы садки, но должно быть достаточным для полного растворения углерода. Обычно оно составляет от 1 до 3 часов. Охлаждение проводят в масле или воде. При закалки аустенит превращается в мартенсит или троостит + графит. После закалки проводят отпуск при температуре 200−600С. В результате повышается твердость и прочность, износостойкость.
• 6. Изотермическая закалка. Отличается закалочной средой — охлаждение идет в расплаве соли при 250−400С. При этом происходит изотермический распад аустенита с образованием структуры игольчатый троостит (или бейнит) + графит. Повышается твердость и прочночсть, но и пластичность сохраняется.
• 7. Поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) или в электроли-те. Температура нагрева 900−1000С. Охлаждение в воде, масле или эмульсии. В поверхностном слое образуется мартенсит+ графит или троостит + графит. Затем проводят отпуск при температуре 200−600С.

В результате повышается твердость и прочность, износостойкость поверхностного слоя при наличии мягкой сердцевины.

8. Старение (естественное или искусственное). Проводят для стабилизации размеров, предотвращения коробления и снятия напряжений. При естественном старении детали вылеживаются на складе в течение 6−15 месяцев. При искусственном старении отливки загружают в печь, нагретую до 100−200С, нагревают до 550−570С со скоростью 30−60С, выдерживают 3−5 часов и охлаждают вместе с печью со скоростью 20−40С дот температуры 150−200С, затем на воздухе. Обычно старение проводят после грубой механической обработки.

Выберите режим термообработки детали из стали указанной марки для получения заданных свойств и обоснуйте его. Расшифруйте марку стали. Деталь метчик, марка стали У10, HRC 63.

Заданная марка стали относится к углеродистым инструментальным сталям. Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, обеспечивающей сохранение режущей кромки инструмента, достаточной прочностью и вязкостью. Режущие кромки инструмента могут нагреваться до 500 — 900 єС. В этих случаях основным свойством инструментальных материалов является теплостойкость, то есть способность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве. Этот комплекс свойств обеспечивается выбором стали и оптимальным режимом термической обработки. При этом важное значение имеет прокаливаемость стали. В зависимости от сечения инструмента его изготавливают из сталей небольшой, повышенной прокаливаемости или из быстрорежущей стали.

Заданная марка стали У10, из которой изготовлена деталь «метчик» относится к инструментальным углеродистым сталям низкой прокаливаемости. Критический диаметр прокаливаемости ее не превышает 15 мм. Изделия из данной марки стали можно подвергать закалке в воде, инструмент будет при такой закалке иметь незакаленную сердцевину. При закалке в воде необходимо принять меры против сильного коробления, при конструировании следует избегать острых углов и резких переходов сечений, что не всегда возможно. Поэтому, чтобы уменьшить опасность образования трещин, деформации и коробления, применяют при проведении термообработки углеродистой инструментальной стали ступенчатую закалку.

Исходя из вышеизложенного, выбираем следующий режим термообработки:

1. Отжиг.

Для снижения твердости и создания благоприятной структуры инструмент из стали У10 подвергаем предварительной термической обработке — отжигу. Поскольку сталь У10 заэвтектоидная, то наличие сетки вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инструмента, поэтому сталь У10 подвергают сфероидизирующему отжигу, нагревая инструмент, в данном случае «метчик», из стали У10 до температуры 750 — 780 є С. В результате такого отжига пластины цементита делятся, регулируя скорость охлаждения, можно получить глобули цементита различного размера.

2. Закалка.

Сталь заэвтектоидная, поэтому температура закалки находится выше точки А_с1 на 50−70^оС.Температура закалки равна 780−800^оС. Деталь помещают в разогретую до технологической температуры Т=780−800^оС печь, выдерживают в течение определенного времени, время выдержки при заданной технологической температуры зависит от сечения детали и массы садки.

Закалку проводим в двух средах. Нагретую и выдержанную при технологической температуре деталь «метчик» охлаждаем в закалочной среде, имеющей температуру несколько выше точки М_н (температура начала мартенситного превращения). Для стали У10 температура начала мартенситного превращения примерно 240^оС.

Выбираем среду, имеющую температуру выше чем 245^оС. Обычно такой средой являются соли. Далее выдерживаем деталь в среде до выравнивания температуры по всему сечению. Выдержка не должна быть очень длительной, чтобы не вызвать превращения аустенита в бейнит, обычно это время определяется опытным путем.

Затем следует перенос детали во вторую среду, такой средой является воздух. Во время охлаждения на воздухе происходит превращение аустенита в мартенсит.

3. Отпуск.

Далее детали после закалки подвергают отпуску. В зависимости от требуемой твердости выбирается температура отпуска. Температура отпуска лежит в интервале 150⁰С-200⁰С (обычно применяют такую температуру отпуска.

В чём сущность азотирования железоуглеродистых сплавов?

Азотированием называется химико-термическая обработка, при которой поверхностный слой детали насыщается азотом. При этом увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается и коррозионная стойкость.

Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480−650 єС. При этих температурах по реакции.

2NH₃ 2N + 3H₂

выделяется атомарный азот, который проникает в поверхностные слои детали.

Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные стали, содержащие хром, молибден, ванадий, алюминий.

При азотировании легированных сталей азот образует с легированными элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость. Типовыми азотируемыми сталями являются 38ХМЮА и 35ХМЮА.

Азотирование — окончательная, завершающая операция при изготовлении детали. Детали подвергаются азотированию после окончательной механической и термической обработок — закалки с высоким отпуском. Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом.

Продолжительность процесса зависит от необходимой толщины слоя. Чем выше температура азотирования, тем меньше его продолжительность. Однако более высокие температуры приводят к снижению твердости азотированного слоя.

Азотирование подразделяется:

Азотирование изотермическое характеризуется выдержкой при одной температуре (обычно 500 — 520 єС). В этом случае получают слой толщиной до 0,5 мм за 24 — 90 часов.

Для ускорения процесса азотирования применяют двухступенчатый цикл. Вначале азотирование ведут при 500 — 520 єС, а затем температуру повышают до 580 — 600 єС. Это ускоряет процесс в 1,5 — 2 раза при сохранении высокой твердости азотированного слоя.

Азотирование газовое осуществляется путем нагрева стальных деталей в герметически закрытых муфелях или печах в присутствии аммиака.

Азотирование жидкостное осуществляется путем пропускания аммиака через соляную ванну с загруженными в нее деталями. Преимуществом жидкостного азотирования является резкое сокращение времени получения насыщенного слоя по сравнению с газовым азотированием (слой толщиной 0,10 — 0,20 мм получают за 1,5 — 3 часа).

При ионном азотировании деталь (катод) помещают в вакуумный контейнер (анод). В качестве насыщающей атмосферы используют аммиак, смесь азота с водородом или очищенный азот. При возбуждении тлеющего разряда к поверхности детали (катоду) устремляется поток положительно заряженных ионов азота. Преимущества ионного азотирования: меньшая продолжительность процесса, более высокое качество азотированного слоя.

Азотирование прочностное применяется с целью повышения износостойкости и предела выносливости деталей в результате образования нитридов и нитридных фаз и как следствие — резкого повышения твердости. Азотированию подвергаются такие стали как 18ХНВА, 18ХНМА.

Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвергаются изделия как из легированных, так и из углеродистых сталей. В этом случае процесс проводят при 650 — 700 єС. Продолжительность процесса сокращается до нескольких часов. На поверхности изделия образуется слой (0,01−0,03 мм), который обладает высокой стойкостью против коррозии.

• 1. С. Н. Полевой, В. Д. Евдокимов «Обработка инструментальных материалов», справочник. Киев, «Техника», 1988.
• 2. Под редакцией Л. Ф. Усовой «Технология металлов и материаловедение «, Москва, «Металлургия «, 1987 г.
• 3. А. П. Гуляев «Металловедение», Москва, «Металлургия», 1986 г.
• 4. Марочник сталей и сплавов под редакцией В. Г. Сорокина, Москва, «Машиностроение», 1989 г.