Проектирование операций закалки и отпуска

3.2 Проектирование операций закалки и отпуска

 

3.2.1 Закалка

От выбора температуры закалки зависит фазовый состав, размер зерна, количество остаточного аустенита, а следовательно, свойства сталей. Оптимальная температура нагрева сталей под закалку выше линии А_с1 в заэвтектоидных сталях перлитного класса. Чем выше температура нагрева, тем выше легированность твердого раствора за счёт растворения большего количества карбидной фазы, что положительно скажется на теплостойкости стали. Но с другой стороны, интенсивность растворения карбидов при нагреве выше определённых температур вызывает интенсивный рост зерна аустенита, а значит снижает прочность, и особенно, ударную вязкость.

Качество термической обработки контролируют по структуре и свойствам. Лучший комплекс свойств штамповых сталей достигается при величине зерна балла 9 – 11. Увеличение размера зерна от балла 11 к баллу 9 приводит к снижению прочности и ударной вязкости примерно в 1,5 раза.

Как правило, температура закалки, необходимая для получения большей теплостойкости, лежит выше 40 – 60^оС по сравнению с температурой, позволяющей получить высокую прочность, вязкость и минимальную деформацию инструмента.

Таким образом, высокотемпературный нагрев под закалку возможен из-за наличия нерастворимых первичных карбидов, которые располагаясь по границам зерна сдерживают его рост.

После закалки в структуре штамповых сталей обязательно присутствует остаточный аустенит. Его количество зависит от получаемой степени легированности при нагреве под закалку. С увеличением легированности твердого раствора доля остаточного аустенита возрастает. Количество остаточного аустенита после закалки у полутеплостойких высокохромистых сталей – до 20%. Присутствие остаточного аустенита снижает твердость на 0,5 – 2,0 единицы HRC, предел текучести – примерно на 50 Мпа на каждый процент аустенита.

Охлаждение после аустенизации проводят в масле. Для предупреждения образования закалочных трещин и снижения коробления рекомендуется применять ступенчатую закалку.

Режим закалки для штамповой стали Х12ВМ будет заключаться в высокотемпературной ступенчатой закалке:

1-ый подогрев в ванне-печи до 300 – 350^оС

2-ой подогрев в ванне-печи до 650 – 700^оС

Окончательный нагрев в ванне-печи до 1000 – 1020^оС

Первый и второй подогрев проводится медленнее для превращения перлита в аустенит и выдерживается до выравнивания нужных температур по сечению детали.

Ступенчатый нагрев под закалку будем производить в соляной ванне. Широкое применение этого метода обусловлено следующими преимуществами: высокой интенсивность и равномерностью нагрева, возможностью осуществления местного нагрева, предотвращением окисления и обезуглероживания, жидкая среда защищает нагреваемый инструмент от непосредственного воздействия воздуха, припятствует окислению его поверхности в процессе нагрева, в момент переноса закаленного инструмента в охлаждающюю среду на его поверхности сохраняется тонкая пленка застывшей соли, которая защищает инструмент от интенсивного окисления в процессе охлаждения.

Ступенчатость нагрева нужна для того, чтобы обеспечить равномерный прогрев по сечению, уменьшить внутренние напряжения и деформацию, и снизить опасность образования трещин.

При нагреве инструмента под закалку будем использовать наиболее распространенную соль БМ3Ю состав по массе 96,9% BaCl₂+3MgF₂+0,1B; t_плав=940^оС, t_прим=1050–1300^оС. Ректификаторы вводятся (через каждые 4 часа) отдельно:

1. Бура 0,5%

2. Ферромлиций 0,3%

3. Фтористый магний 0,5%

Закалку будем проводить в печи-ванне электродной, рабочей температуре 1230 – 1260^оС, с max рабочей температурой 1300^оС.

После закалки твердость стали Х12ВМ HRC 63 – 65. Микроструктура М + К_I(5–10%) + A_ост(до 20%)

3.2.2 Отпуск

После закалки обязательно делается отпуск для получения более стабильного состояния сплава. Он снимает напряжение, остаточный аустенит и обеспечивает окончательные свойства сталям.

В процессе отпуска происходит выделение из твердых растворов дисперсионных карбидов и превращение А_ост объединяется в мартенсит. А_ост объединяется при нагревах с легирующими элементами и при охлаждении с температур отпуска превращается в мартенсит. В результате отпуска твердость повышается до HRC 57–59 (одновременно повышается и предел прочности). Структура сталей после отпуска состоит из М_отп+К_I(10 -15%)+А_ост(до 10%)

Отпуск для стали Х12ВМ следующий: однократный 1,5 часовой с температурой 350 – 400^оС. Отпуск будем проводить в стандартной электродной соляной ванне с формой рабочего пространства в виде шестигранной призмы типа С – 75 (рис. 3, лист 2), с max рабочей температурой 1300^оС.

В качестве среды для отпуска будем использовать расплав соли:

30% BaCl₂ + 20% NaCl + 50% CaCl₂, с t_плав = 450^оC, t_раб = 500 – 675^оС

После проведения закалки и отпуска сталь Х12ВМ должна обладать следующими свойствами: твердость не ниже 57 – 59 HRC, теплостойкость T=420^оС, удовлетворительная прочность и вязкость, высокое сопротивление малым пластическим деформациям. Структура стали: М+К_I(10–15%)+А_ост(до 10%)

 

3.3 Выбор вспомогательных операций и оборудования

Оснастка для т.о имеет решающее значение при осуществлении технологических процессов в термических цехах. Отсутствие или неправильное использование оснастки может вызвать значительный брак инструмента. В связи с повышенными требованиями к инструменту, проходящему т.о, решаются вопросы не только получения надлежащих физико-механических свойств, но также сохранения размеров с точностью до десятых, а иногда и сотых долей миллиметра.

Т.о штампа или ролика не требует особо сложных приспособлений и устройств. В данном процессе т.о будем использовать: корзинки для закалки мелкого инструмента в соляных ваннах, клещи с прямыми плоскими губками, ковш для слива солей из соляных ванн.

К вспомогательным операциям, сопровождающим т.о инструмента, относят его очистку после т.о, правку и антикоррозийную обработку. После т.о инструмент подвергается, очистке с целью удаления масла, солей и окалены.

Простым оборудованием для очистки инструмента могут служить обычные выборочные бочки, подогреваемые газовыми горелками, нефтяными форсунками или паровыми змеевиками.

Дальнейшая очистка инструмента после промывки производится на гидро-пескоструйных аппаратах. В гидро-пескоструйных установках обработка производится смесью воды и песка.

Штамп или ролик проходит химическую отчистку, состоящую из следующих операций:

1) Предварительная промывка в выварочном баке в горячем (90^оС) щелочном растворе (0,38 – 0,41 NaOH);

2) Кипячение в подкисленой воде (в кипящем 2%-ом растворе соляной кислоты);

3) Травление;

4) Повторная промывка в проточной воде;

5) Кипячение в содовом растворе;

6) Пассивирование.

После этой многоуровневой очистки инструмент получается чистым и защищенным от последствий коррозии. Благодаря полному удалению хлористых солей и покрытию его поверхности нитридной пленкой.

3.4 Контроль качества стали после упрочняющей термической обработки

Для штамповых сталей в закаленном состоянии параметрами контроля являются:

▬ твердость ГОСТ 5950 – 73 HRC 63 – 65

▬ величина аустенитного зерна ГОСТ 5639 – 82 8–9 балл, А_ост до 20%

После закалки и отпуска контроль проводится на следующие параметры:

▬ твердость HRC 57 – 59

▬ теплостойкость 420^оС

▬ карбидная неоднородность (1 балл)

Контролируемые параметры зависят так же от назначения, марки и массы инструмента.

Допускаемое количество А_ост < 10% после отпуска.

3.5 Дефекты и способы их устранения

1. Недостаточная твердость после отпуска может быть вызвана следующими причинами:

▬ пониженной температурой закалки (выявляется микроанализом), вследствие чего образуется недостаточно легированный мартенсит.

▬ низким нагревом при отпуске (эта причина может быть выявлена магнитным анализом). Дефект возникающий в результате этих причин, устраняется, соответственно, отжигом и последующими правильными закалкой и отпуском или правильным отпуском.

▬ обезуглероживанием

▬ порчей теплостойкости

2. Порча теплостойкости возникает в результате очень длительного или многократного нагрева выше А_с1 вследствие обогащения карбидов М₆С вольфрамом, что уменьшает их растворимость при закалке, вследствии чего получается недостаточно легированный мартенсит. Выявляется по снижению вторичной твердости или теплостойкости. Данный дефект предотвращается соблюдением определенной области нагрева температур и длительности т.о.

3. Повышается хрупкость. Определяется по излому – крупнозернистый. Образуется из-за значительного превышения температуры нагрева при закалке или излишне длительной выдержки. Этот брак исправляется, также, как и при недостаточной твердости.

4. Нафталинистый излом (см п. 2.5)

5. Окисление и обезуглероживание (п. 2.5)

 

Литература

1.   Короткова Л.П. Инструментальные материалы: учебное пособие / ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2006 г. – 179 с.

2.   Геллер Ю.А. Инструментальные стали – М.: Металлургия, 1983 г.–526 с.

3.   Поздняк Л.А. Штамповые стали – М.: Металлургия, 1980 г. – 244 с.

4.   Поздняк Л.А. Инструментальные стали: справочник – М.: Металлургия, 1977 г. – 167 с.

5.   Деордиева Н.Т. Штамповые стали – М.: Машиностроение, 1966 г.-149 с.

6.   ГОСТ 5950 – 73. Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия. – М.: Издательство стандартов, 1973 г.-65 с.