Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10

7

Режим термической обработки изделий из стали У10 .

						     ВВЕДЕНИЕ .

		Метчик - инструмент для нарезания внутренней резьбы - цилиндрический валик с режущими кромками на конце . Различают ручные и машинные метчики .

		Плашка (круглая нарезная) - инструмент для нарезания (накатывания) наружной резьбы вручную или на станках . Нарезные плашки бывают круглые (лерки) , раздвижные (призматические) . Накатные плашки состоят из 2-х прямоугольных призм или роликов , рабочие части которых имеют профиль , противоположный профилю резьбы . 

		В зависимости от области применения , метчики и плашки изготавливают из инструментальной углеродистой и быстрорежущей стали . Для изготовления ручных метчиков и плашек обычно применяют углеродистую (легированную) инструментальную сталь .

		Метчики и плашки ручные применяют для нарезания внутренней и внешней резьбы вручную , поэтому принимаем скорость резания незначительно малой . При малых скоростях резания не происходит перегрев режущего инструмента , что очень существенно при выборе марки стали .

		Требования , предъявляемые к материалам изделий : высокая твёрдость , износостойкость, прочность .

		Для изготовления вышеперечисленных изделий предлагается сталь У10 - инструментальная углеродистая высокопрочная нетеплостойкая небольшой прокаливаемости .

	                               Общие сведения об инструментальных сталях .

		Инструментальными называются углеродистые и легированные стали высокой твёрдости ( примерно 60-65 HRc ) в режущей кромке , значительно повышающей твёрдость обрабатываемого материла , а так же высокой прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и износостойкостью , необходимой для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании . Именно благодаря этим свойствам , стали этого класса используются при изготовления различного инструмента . Чаще всего инструментальные - это заэвтектоидные или ледебуритные стали , со структурой после закалки и низкого отпуска - мартенсит и избыточные карбиды .

		Все инструментальные стали подразделяются на три группы :

	нетеплостойкие ( углеродистые и легированные с содержанием легирующих элементов  до 3-4 % ) .

	полутеплостойкие до 400-500С , с содержанием углерода до 6-7 % , а хрома около 4-18 % .

	теплостойкие до 550-650С . Это в основном высоколегированные стали ледебуритного класса , содержащие Cr , W , V , Mo , Co . Их ещё называют быстрорежущими .

		Одной из важнейших характеристик инструментальных сталей является прокаливаемость . Из всех инструментальных сталей высокой прокаливаемостью обладают только высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали . Инструментальные стали , которые не обладают теплостойкостью , делят на две группы :

	стали небольшой прокаливаемости ( углеродистые ) .

	стали повышенной прокаливаемости ( легированные ) .

		Маркируются инструментальные углеродистые стали буквой “У” , следующая за буквой цифра обозначает среднее содержание углерода в десятых долях процента .

	

		        Сталь У10 . Характеристики , структура , термообработка .

		

		Предложенная для изготовления метчиков и плашек сталь У10 относится к углеродистым сталям небольшой прокаливаемости , необладающим теплостойкостью . Углеродистые инструментальные стали этого класса имеют небольшую прокаливаемость вследствие неустойчивости переохлаждённого аустенита . Именно поэтому эти стали применяют для изготовления инструментов небольших размеров .

		Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента , только тогда , когда процесс резанья происходит при малых скоростях . Это обусловлено тем , что их высокая твёрдость сильно снижается при нагреве выше температуры 190-200С .

		Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого перлита, при этом твёрдость их не превышает 170-180 НВ . В этом состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием . Температура закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1 - 760-780С , но ниже , чем Астдля того , чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита .

	

		Нетеплостойкие стали высокой твёрдости :

	Марка ст.

	     C

	    Mn

	     Si

	     Cr

	Назначение

	У10,У10А

	0,96-1,03

	0,17-0,33

	0,17-0,33

	 0,20

	Штампы высадочные и вытяжные ,

	У11А , У11

	1,06-1,13

	0,17-0,33

	0,17-0,33

	 0,20

	напильники , метчики для резания 

	У12А , У12

	1,16-1,23

	0,17-0,33

	0,17-0,33

	 0,20

	мягких металлов

	У13А , У13

	1,26-1,4

	0,3-0,6

	0,15-0,35

	0,4-0,7

	

	

	        				  Закалка и отпуск У10 .

	

		По данным Лахтина Ю. М. “Металловедение” , мелкий инструмент , такой , например , каким являются метчики и плашки , из стали У10 закаливают в воде или в водных растворах солей , а охлаждают в горячих средах , то есть применяется ступенчатая закалка . 

		Отпуск проводят при 150-170С для сохранения высокой твёрдости ( 62-63 HRc).

	Общие сведения о ступенчатой закалке:

		При ступенчатой закалке изделие охлаждают в закалочной среде , температура которой выше , чем мартенситная точка данной стали . Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивают передачу температуры закалочной ванны во все точки сечения закаливаемого изделия . После этого следует окончательное медленное охлаждение . Именно во время этого охлаждения и происходит закалка - аустенит превращается в мартенсит . 

		При термической обработке углеродистых инструментальных сталей (точка М=200-250) температуру ступеньки выбирают около 250С (для смесей азотнокислых солей ) , 120-150С - для щёлочи или смеси азотнокислых солей , и около 100С - для 50 % раствора NaOH в воде .

	

		По данным Гуляева А. П. “Термическая обработка стали” принимаем для стали У10 : ступенчатая закалка в соляной ванне с температурой 160-170С   (KOH+NaOH) с добавкой воды около 3-5 % . Эти цифры соответствуют закалке деталей из углеродистой инструментальной стали диаметром 10-15 мм , которые вполне удовлетворяют требованиям , предъявляемым к назначенным деталям . В том случае , если деталь превышает допустимые значения ступенчатой закалки , вполне может быть применена закалка с “подстуживанием” ( закалка в воде с предварительным недолгим охлаждением на воздухе , Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” . ) . Так как предельные размеры назначенных деталей не заданы , то расчёт проводим с тем условием , что они не выходят за пределы 10-15 мм , и основным способом закалки изделий остаётся первый .

		

	Значения закалки , нагрева и отпуска для изделий из стали У10 : (нагрев- 760-780С)

	Твёрд. в исх. сост.

	Закалка , С

	Охл. Среда

	Отпуск , С

	Получ. твёрд .

	170-180 НВ

	  160-170

	KOH+NaOH+H2O(4%)     

	    150-170

	62-63 HRc

	

	

		Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали .

	  Величина 

	До термообработ.

	После термообраб.

	Твёрдость

	170-180 НВ

	62-63 HRc

	Структура

	зернистый перлит

	мартенсит и карб .

	

	

	Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У10.  

		

		В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру зернистого перлита ( Fe+Fe3C ). При нагреве её до температуры 760-780С получаем структуру аустенита  и цементита первичного ( Fe+Fe3C ) . Происходит перестройка кристаллической решётки железа - кубическая объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную . 

	             - атом углерода .                - атом железа .

	

	

	Рис.1											   с	

	

											

	                                              					  			

	     с 												

	    												а	

	                            а									

	                              							с/a  1	

	О. Ц. К. (Fe) a=2,8 A (с/а=1)     Г. Ц. К. (Fe)   a=3,6 A         О. Ц. К. тетрагональная

	

		При переохлаждении аустенита  Г. Ц. К. решётка становится неустойчивой . Несмотря на то , что скорость диффузии при низких температурах мала , происходит 

	обратное перестроение кристаллической решётки без выделения углерода (бездиффузионный процесс) . То есть процесс , показанный на рис. 1 идёт в обратном направлении :  Г. Ц. К.          О. Ц. К. ( большая степень тетрагональности ).

		При малых температурах скорость диффузии мала , следовательно превращение идёт очень быстро . Атом углерода не может выйти из кристаллической решётки и вытягивает её в объёмноцентрированную .

					            Fe(C)           Fe(C) ( Ау        М)

		Так как процесс бездиффузионный , концентрация углерода в мартенсите будет такая же , как и в аустените .

		Процесс кинетикоматренситного превращения протекает не до конца. При фактическом окончании процесса ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита ( Аост.) . Остаточный аустенит снижает твёрдость стали .

			     Рис. 2

	               

		      Аат          Аост.	На температуру начала и конца мартенситного 			превращения влияет состав стали , в частности 			содержание углерода.

	

	

	

	 Мн   20С   Мк 				

					

	T,C		Рис. 3		

		           	C увеличением концентрации углерода температура 		начала мартенситного превращения понижается , а 			температура конца мартенситного превращения при 		концентрации углерода более 0,4 % переходит в 	  	                                       Мн	область отрицательных температур .

		                                             

	

		  0,2  0,4 0,6 0,8  1   1,2        %C

	

	     					  Мк

				

				Бездиффузионное мартенситное превращение. 

	Т,С		Рис. 4				            Vкр. =( А1 - tm )/m

				    A1 - 727C

				   m - температура у изгиба С-образной кривой		    tm - время 

								

	

	

					

	

	

	                                       Vкр. 			           lg()

	

	

	

		Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :

	превращение происходит в интервале температур Мн - Мк .

	превращение протекает путём образования всё новых и новых кристаллов мартенсита , а не роста ранее образовавшихся .

			                       Рис. 5

				Зерно аустенита :

		до нагрева ,

		после нагрева.

	

	

	А			              2.) М + А

	

	Игла мартенсита сжимает зёрна аустенита .

	3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур .

	превращение протекает не до конца . При фактическом завершении превращения      ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита .

		Тетрагональность мартенсита объясняется наличием в кристаллической решётке углерода , она прямопропорциональна содержанию углерода .

		

		При выбранном режиме закалки ( нагрев до 760С с последующим ступенчатым охлаждением ( 160С ) в соляной ванне KOH+NaOH+H2O(3-5 %) ) получаем структуру мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды   (М+Аост.+Fe3C ) , твёрдость изделия - (56) - 62 HRc .

	

	* Прим.: при данном режиме закалки значительно увеличивается твёрдость и прочность изделия в результате изменения структуры материала ( стали У10 ) , хотя остаточный аустенит твёрдость снижает . 

		Необходимо добавить так же , что при нагреве под закалку на 760С и выше в изделиях из стали У10 появляются трещины при закалке в воде . Ступенчатая закалка значительно уберегает изделия от появления трещин . Это связано с тем , что более медленное охлаждение при ступенчатой закалке значительно расширяет безопасный интервал температур нагрева под закалку .

										         T, C

											840

											810

											

											780	

											750

	      HRc     									Рис. 6

	            65           60               55              80  70  60 50 40 30 20    

	              Твёрдость , HRc               Образцы с трещинами , %               

		Ещё один плюс в пользу ступенчатой закалки в водном растворе солей - это то , что при закалке в масле изделие не будет иметь необходимую твёрдость , а лишь только закалка в масле может ещё заменить ступенчатую закалку без потерь на качестве изделий и потерь на браке ( образование трещин при закалке ) . Поэтому окончательно предлагается ступенчатая закалка в водном растворе солей с указанными выше параметрами .

	

	Общие сведения о процессах , происходящих при отпуске стали У10.

		

		В закалённой стали тетрагональность мартенсита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость , поэтому после закалки необходимо применить отпуск.

		Операция отпуска заключается в нагреве закалённой стали ниже точки Ас1 , выдержке её при заданной температуре с последующим охлаждением в воде или на воздухе . Целью отпуска является снятие внутренних напряжений после закалки и получение требуемых механических свойств .

		Отпуск делится на три вида :

	нагрев до 200С - низкий отпуск - применяется для снятия внутренних напряжений ( структура : мартенсит отпущенный ) .

	нагрев на 350- 500С - средний отпуск - повышает пластичность ( структура : мелкозернистая ферритно-цементитная смесь - троостит ) .

	нагрев 500С - высокий отпуск - возрастает удельная вязкость , следовательно падает прочность .

		После закалки имеем структуру М + Аост. . После отпуска получаем структуру с наибольшим удельным объёмом мартенсита и наименьшим удельным объёмом аустенита остаточного .

		Очевидно , что в результате изменения удельного объёма ведёт к удлинению образца . Нагрев способствует выделению углерода из исходной структуры в виде карбидной фазы Fe2C - -карбида , имеющего гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие этого концентрация углерода в начальной структуре начинает уменьшаться , а степень тетрагональности стремиться к единице .

		-карбид - это гетерогенная смесь Fe и необособившихся частиц карбидов . Всё это вместе составляет когерентно связанную кристаллическую решётку .

		Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180С с последующим охлаждением в воде - низкий отпуск (Лахтин Ю. М. “Материаловедение”). Низкий отпуск наряду с увеличением твёрдости , избавляет изделие от внутренних напряжений закалки , что необходимо в данном случае для повышения износостойкости изделия .

		При нагреве до 200С происходит первое превращение при отпуске - мартенсит закалочный превращается в мартенсит отпущенный .

		Для плашек из стали У10 картина с отпуском обстоит несколько иначе . По специфике своего применения , плашки , наряду с высокой твёрдостью и износостойкостью , должны обладать немного большей пластичностью , чем метчики . Это обусловлено тем , что плашки применяются для наружной нарезки резьбы и при излишней твёрдости могут “крошить” поверхность заготовки . Поэтому для плашек рекомендуется применять отпуск при температуре 220-240С - более высокой температуре , чем отпуск для метчиков . Полученная в результате отпуска твёрдость изделия будет равной 59-60 HRc .

		Окончательно принимаем для плашек из стали У10 низкий отпуск при 230С со структурой после отпуска - мартенсит отпущенный .

	

					ВЫВОДЫ из проделанной работы .

						

		В результате назначенной термообработки - ступенчатая закалка при 170С в соляной ванне с последующим отпуском при 180С ( 230С для плашек ) и охлаждении изделия в воде -  достигнуты следующие результаты :

	твёрдость после термообработки - 62-63 HRc.(59-61 HRc для плашек )

	увеличение прочности и износостойкости .

	структура из зернистого перлита трансформировалась в мартенсит отпущенный .

		Вывод : изделия из стали У10 , прошедшие термообработку , полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям ( высокая твёрдость , износостойкость , прочность ) .

		Возможная замена : сталь У9 так же относится к классу инструментальных сталей . Её состав и микроструктура схожи с составом и микроструктурой стали У10, при назначенной термообработке её твёрдость окажется  равной 62 HRc , к тому же прочность и износостойкость увеличатся , образование трещин при закалке незначительно ( по сравнению со сталью У10 при предлагаемом режиме термообработки ) . Следовательно , при изготовлении метчиков и плашек для ручной резки возможна замена стали У10 на сталь У9 без потерь на качестве изделий .

	

	Название изделия

	Материал

	  Режим закалки

	Режим отпуска

	Получ твёрдость

	Метчик 

	У10

	нагр. до 760С с послед.

	180С , в воде

	62-63 HRc

	Плашка

	У10

	зак. в NaOH+KOH (160C)

	230C , в воде

	59-61 HRc

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	               		          СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .

	

	Геллер Ю. А. “Материаловедение”.

	Гуляев А. П. “Металловедение” .

	Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” .

	Лахтин Ю. М. “Материаловедение” .