/>Введение
Созданиевысокопроизводительных и стойких в эксплуатации инструментов связано, в первуюочередь, с проблемой получения и обработки таких материалов, которые могли быпротивостоять жестким условиям работы. Высокие механические свойстваинструмента и его теплостойкость (красностойкость) достигаются специальнымлегированием и термической обработкой. Таким образом, определенный интереспредставляет разработка и корректировка методов термической обработки.
В настоящей работе были проведеныисследования штамповой стали 4Х5МФ1С после различных режимов термическойобработки. Выбранная сталь используется для изготовления штампов и ножей длягорячей и холодной деформации. В частности, ножи из данной марки сталиприменяются на ОАО «НЛМК» для резки углеродистых и электротехнических сталей.
Характерной особенностью стали 4Х5МФ1Сявляется комплексное легирование и склонность к дисперсионному твердению.Высокий уровень легирования благоприятно влияет на прочность, прокаливаемость,теплостойкость стали и дает возможность использовать ее для инструментов,разогревающихся в процессе работы до 600оС. Дисперсионное твердениеобеспечивает хорошие режущие свойства инструмента.
Проведенные испытания позволили выявитьоптимальные режимы закалки и отпуска, которые обеспечивают не только получениезаданных свойств инструмента, но и дают определенный экономический эффект засчет снижения производственнных затрат.
1. Аналитический обзор
1.1 Литературный обзор
1.1.1Классификация инструментальных сталей
Число инструментальныхсталей весьма значительно и они имеют различный химический состав. Однакоклассификацию по составу можно использовать лишь в качестве вспомогательной;даже при разном содержании легирующих элементов многие инструментальные сталиимеют близкие свойства.
Целесообразноклассифицировать инструментальные стали по свойствам и по назначению.
Инструментальные стали посвойствам можно распределить по трем группам:
1) не обладающие теплостойкостью;
2) полутеплостойкие;
3) теплостойкие.
Стали, принадлежащиеразличным группам, мало различаются по твердости, прочности и износостойкостипри нормальных температурах, но значительно различаются по этим важнейшимсвойствам при нагреве. Кроме того, стали, обладающие теплостойкостью, из-завлияния дисперсных частиц фаз-упрочнителей имеют более высокое сопротивлениепластической деформации (в том числе и при обычных температурах) [1].
Нетеплостойкие сталисохраняют высокую твердость (>60 HRC) при нагреве не выше 190–225оС и используются для резаниямягких материалов с небольшой скоростью. Это заэвтектоидные и близкие кэвтектоидным углеродистые и легированные стали (с относительно невысокимсодержанием легирующих элементов). Карбидная фаза их – цементит, коагулирующийпри сравнительно низких температурах.
Полутеплостойкие стали,преимущественно штамповые, испытывают нагрев рабочей кромки до температур400–500оС. Это – близкие к эвтектоидным стали, легированные хромом идополнительно вольфрамом, молибденом и ванадием, а также ледебуритные стали(12% Cr). Карбидные фазы – легированныйцементит и карбид хрома (Ме23С6, Ме7С3).
Теплостойкие сталисохраняют высокую твердость до нагрева на температуры порядка 600–650оСдля быстрорежущих сталей (твердость 60–62 HRC) и 650–700оС для штамповых сталей(твердость 45–52 HRC). Основнаякарбидная фаза – карбид вольфрама (молибдена) Ме6С, а у менеетеплостойких штамповых сталей также и карбид Ме23С6. Унекоторых сталей возможно интерметаллидное упрочнение [2].
Теплостойкие иполутеплостойкие стали, как высоколегированные, являются одновременноглубокопрокаливающимися.
В зависимости от условийэксплуатации и требуемых свойств инструментальные стали классифицируют следующимобразом:
1) стали для режущихинструментов;
2) стали для инструментови деталей повышенной точности;
3) штамповые стали дляхолодного деформирования;
4) штамповые стали длягорячего деформирования.
Стали с карбиднымупрочнением при повышенном содержании углерода (>0,6%), относящиеся кледебуритному классу, используются для изготовления режущих инструментов,выполняющих резание твердых материалов или работающих с повышенной скоростью.Заэвтектоидные и доэвтектоидные стали высокой твердости, не обладающие теплостойкостью,применяют в более ограниченных пределах, когда нагрев режущей кромкинезначителен. Заэвтектоидные стали используют для металлорежущих и некоторыхдеревообрабатывающих инструментов, а доэвтектоидные стали, имеющие большуювязкость, – главным образом для деревообрабатывающих инструментов, испытывающихударные нагрузки. Для специальных условий (хирургические инструменты, бритвы ит. д.) применяют стали, устойчивые против коррозии, они являютсяполутеплостойкими.
Для инструментов идеталей повышенной точности используют стали повышенной твердости, какобладающие, так и не обладающие теплостойкостью (в зависимости от условийэксплуатации). Эти стали должны иметь дополнительные свойства, главное изкоторых – способность приобретать очень чистую поверхность при доводке исохранять неизменными размеры и форму инструмента в течение длительного срокаэксплуатации.
При изготовления штамповдля холодного деформирования используют стали высокой твердости, а длянекоторых инструментов, работающих со значительными динамическими нагрузками,применяют и стали повышенной вязкости.
При изготовлении штамповдля горячего деформирования используют теплостойкие стали повышенной вязкости,которые обеспечивают не только высокие прочность и сопротивление деформации штампапри нагреве, но и необходимое сопротивление динамическим нагрузкам и хорошуюразгаростойкость. Это важное свойство штамповой стали достигается придостаточных вязкости и пластичности [1].1.1.2Требования, предъявляемые к штамповым сталям
Для обработки металловдавлением применяют инструменты – штампы, пуансоны, ролики, валики и т.д.,деформирующие металл. Стали, принимаемые для изготовления инструмента такогорода, называют штамповыми.
Штамповые стали делятсяна две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металлв горячем состоянии. Условия их работы сильно различаются между собой.
Например, при деформациив горячем состоянии штампуемый металл под действием сближающих половинок штампадеформируется и заполняет внутреннюю полость штампа. В работе внутренняяполость («фигура»), которая деформирует металл, соприкасается с нагретымметаллом, поэтому штамповая сталь для горячей штамповки должна обладать нетолько определенными механическими свойствами в холодном состоянии, но идостаточно высокими механическими свойствами в нагретом состоянии [3].
Ввиду многочисленных иразнообразных требований, предъявляемых к штампам в зависимости от назначения,для их изготовления применяют стали различных марок, начиная от простыхуглеродистых и заканчивая сложнолегированными.
Требования к штамповым сталям для холодного деформирования
К этой группе относятинструменты, изменяющие форму материала без снятия стружки, т. е. главнымобразом штампы. Эти многочисленные инструменты разнообразны по форме, размерами напряженному состоянию, возникающему в процессе эксплуатации, что требуетприменения различных сталей.
Основные требования,предъявляемые к штамповым сталям для холодного деформирования, – высокиепрочность и износостойкость. Остальные свойства, в частности, вязкость ипрокаливаемость определяются условиями работы, размерами и формой изделий изних.
В процессе деформированияс большой скоростью инструмент может разогреваться до 200–350оС. Поэтомустали такого класса должны иметь теплостойкость 400–500оС, для того,чтобы обеспечить сопротивление смятию и пластической деформации при работе. Длякрупного инструмента необходимо обеспечить высокую прокаливаемость и небольшиеобъемные изменения при закалке. Наиболее часто применяют стали марок: Х12М,Х12Ф1, Х6ВФ, 7ХГ2ВМ, 6Х6В3МФС [1].
Требования к штамповым сталям для горячего деформирования
Штамповые стали длягорячего деформирования должны иметь определенный комплекс свойств. Рассмотримих.
Теплостойкость. Высокиежаропрочные свойства не должны снижаться под длительным воздействиемтемпературы, металл должен устойчиво сопротивляться отпуску.
Жаропрочность. Металлдолжен обладать высоким пределом текучести и высоким сопротивлением износу привысоких температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформированияэлементов фигуры инструмента, разогревающихся от соприкосновения с горячимобрабатываемым материалом.
Термостойкость(разгаростойкость). Циклический нагрев и охлаждение поверхности инструмента вовремя работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие поверхностныхслоев приводят к появлению так называемых разгарных трещин. Для предупрежденияданного явления материал инструмента должен обладать высокой разгаростойкостью(высоким сопротивлением термической усталости).
Вязкость. Деформированиеметалла при штамповке сопровождается ударными воздействиями этого металла наштампы, поэтому материал штампов должен обладать известной вязкостью дляпредупреждения поломок и выкрашивания.
Износостойкость.
Окалиностойкость. Онанеобходима, если поверхностные слои нагреваются выше 600оС иособенно 700оС; в этих условиях окалиностойкость в большей степениопределяет износостойкость.
Теплопроводность.Необходима для лучшего отвода тепла, передаваемого деформируемой заготовкой.
Прокаливаемость. Многиеинструменты имеют большие размеры. Для получения хороших прочностных свойств внижележащих слоях сталь инструмента должна хорошо прокаливаться.
Отпускная хрупкость. Таккак быстрым охлаждением инструментов крупных размеров нельзя устранитьотпускную хрупкость, то необходимо выбирать сталь минимально чувствительную кэтому пороку.
Слипаемость. Призначительном давлении горячий металл может «прилипать» к металлу штампа(явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оновсякий раз частично разрушает его поверхность. Разрушение будет выражено темсильнее, чем больше адгезионное взаимодействие.
Кроме того, стали дляштампов, поверхностный слой которых сильно нагревается (выше 600оС),должны иметь высокие температуры критических точек.
Нагрев рабочих слоевштампа определяется не только температурой деформируемого металла, но идлительностью контакта с ним и условиями охлаждения.
1.1.3 Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповыхсталей
Легирование являетсяодним из основных способов воздействия на структуру и свойства инструментальныхсталей и способствует повышению работоспособности инструмента.
Штамповые стали легируюттакими элементами как хром, вольфрам, молибден, ванадий, кремний и кобальт. Впоследние годы появились стали с добавками титана, циркония, ниобия и др.
Рассмотрим влияниеосновных легирующих элементов на свойства штамповых сталей.
Влияние хрома
Хром положительно влияетна ряд характеристик штамповых сталей (прокаливаемость, склонность к вторичномутвердению, теплостойкость и т.д.). По мере повышения его концентрации в твердомрастворе существенно возрастает устойчивость аустенита как в перлитной, так и впромежуточной областях, качественно изменяется вид С-образных кривых.
В хромистых сталях нарядус цементитом образуется два специальных карбида: гексагональный (тригональный)Ме7С3 и кубический Me23C6 (рис. 1). Хром повышает устойчивостьэтих карбидов против растворения при нагреве и оказывает благоприятное влияниена чувствительность к перегреву сталей, содержащих незначительные количествавольфрама и молибдена. В комплекснолегированных сплавах хром вследствиеповышения фазового наклепа при закалке и непосредственного участия вформировании упрочняющей фазы сильно усиливает эффект вторичного твердения [4].
/>
Рис.1. Сечение диаграммысостояния системы Fe – Cr – C при20оС [5]
Хром способствуетсохранению высокого сопротивления пластической деформации при нагреве до400–500оС. Пределы прочности и текучести составляют 80% от ихзначений при 20оС. Кроме того, хром повышает устойчивость противокисления при нагреве до 600–650оС и против разъедающего действияряда сред.
При снижении содержанияхрома с 5 до 3% изменяется состав карбидных фаз; в стали с 3% хромаприсутствуют карбиды Ме3С наряду с карбидами Ме23С6и Ме6С, что немного уменьшает теплостойкость и предел текучести притемпературах выше 400–500оС.
Увеличение количествахрома с 5 до 8% несколько повышает окалиностойкость, но снижает теплостойкость;твердость не ниже 45HRC у стали 4Х8В2Ссохраняется при отпуске до 580оС, а у стали 4Х5В2ФС (с таким жеколичеством вольфрама) – до 600оС. Кроме того, из-за роста карбиднойнеоднородности, неизбежного с увеличением хрома, снижаются вязкость ипластичность штампов в крупных сечениях.
Наиболее заметное влияниена окалиностойкость, а следовательно, на износостойкость хром оказывает присодержании с 2,5 до 3,5–4% (рис. 2).
/>
Рис. 2. Влияние хрома наокалиностойкость при 600оС стали с 0,4% С; 8%W и 0,5% V [1]
К числу ограниченийиспользования хрома в качестве легирующего элемента относится прежде всегорезкое увеличение карбидной неоднородности при введении его в количествах,превышающих 4–5%. Наличие грубых строк и остатков сетки первичных карбидов всталях с 6–12% Cr наряду струдностями технологического характера (снижение пластичности при повышенныхтемпературах, возрастание опасности локальных оплавлений при нагреве слитковпод деформацию и др.) существенно снижает их эксплуатационные свойства.Неравномерность распределения «внутренних» концентраторов напряжений, особенновозрастающая при термической обработке вследствие образования вокруг скопленийкарбидов обогащенных углеродом и легирующими элементами зон, приводит кзаметному уменьшению прочности, пластичности, сопротивления усталостнойповреждаемости и износостойкости высокохромистых сталей в условияхдинамического нагружения.
Следует отметить, чтоувеличение содержания хрома выше 5% наряду с усилением карбидной неоднородностивызывает также повышение чувствительности к перегреву. Этот недостаток присущсталям, легированным 1–2% W (Mo) и 0,3–0,8% V [1].
В штамповых сталях длягорячего деформирования необходимо жесткое регламентирование содержания хрома,так как он ускоряет их разупрочнение, начиная с 2–3%, что связано созначительным возрастанием скорости коалесценции карбидов.
Также хром даже приотносительно невысоких концентрациях обладает значительной склонностью кдендритной ликвации, большей, чем вольфрам, марганец и кремний. Это можетпривести к неблагоприятным структурным изменениям – усилению карбиднойполосчатости, неоднородности, отклонениям от равновесного фазового состава идр.
Учитывая вышеприведенныефакторы, содержание хрома в штамповых сталях для холодного деформированияограничивают, как правило, 3,5–4,5%; в штамповых сталях для горячего деформирования:4–5% и 2–3% Сr для сталей повышенной (4Х5МФС,4Х4ВМФС) и высокой теплостойкости (типа 4Х2В5ФМ, 5Х3В3МФС) соответственно и1–2% Cr в сталях умеренной теплостойкости иповышенной вязкости [4].
Влияние вольфрама и молибдена
Повышение содержаниявольфрама в комплекснолегированных штамповых сталях для холодногодеформирования увеличивает их устойчивость против перегрева, смещая температуруначала интенсивного роста зерна к 1070–1100оС в сталях типа Х4МФ ужепри введении 2–3% W. Аналогичныйэффект при легировании вольфрамом наблюдается и в сталях для горячегодеформирования, содержащих не более 0,5–1% V. В этой группе сталей при подобном изменении химическогосостава происходит более заметное снижение твердости после закалки, чем приувеличении содержания молибдена. В сталях повышенной теплостойкости увеличениеконцентрации вольфрама с 2 до 3% вызывает значительный рост твердости послезакалки и величины действительного зерна аустенита при нагреве до 1150–1180оС.
Молибден несколькоповышает устойчивость против перегрева сталей типа 4Х4В2М2ФС, но оказываетпротивоположное влияние на поведение при нагреве сплавов с повышеннымсодержанием углерода (~ 1%, типа Х4В2М2Ф1) [4].
Вольфрам и молибденэффективно повышают теплостойкость. Теплостойкость возрастает наиболеезначительно при увеличении содержания вольфрама до 8% (рис. 3).
Вольфрам (и в меньшейстепени молибден) задерживают коагуляцию карбидов, выделяющихся по границамзерен и некоторым кристаллографическим плоскостям, и усиливают дисперсионноетвердение при отпуске, но при увеличении их содержания ухудшается вязкость. Этоотрицательное влияние вольфрама значительнее его измельчающего воздействия назерно. Вольфрам усиливает также карбидную неоднородность, из-за чего дополнительноснижаются механические свойства в крупных сечениях.
/>
Рис. 3. Влияние вольфрамана теплостойкость стали с 0,35% С; 3% Сr; 0,5% V [1]
В сталях с молибденомдисперсионное твердение наступает при более низких температурах отпуска,несколько сильнее повышается вторичная твердость. Выделяющийся карбид обладаетбольшей способностью к коагуляции, вследствие чего молибденовая сталь всравнении с вольфрамовой имеет лучшую вязкость, но несколько меньшуютеплостойкость. Также молибден подавляет склонность к отпускной хрупкостивследствие благоприятного воздействия на состояние границ зерен. Содержаниемолибдена, несмотря на его эффективное влияние, устанавливают не выше 2,5–2,8%,так как он усиливает обезуглероживание [1].
В штамповых сталях дляхолодного деформирования наиболее благоприятная структура и требуемыемеханические свойства достигаются при содержаниях вольфрама порядка 2–3%.Обязательным условием обеспечения повышенной работоспособности подобный сталейявляется легирование молибденом, который при увеличении его концентрации до 2%усиливает дисперсионное твердение при отпуске и повышает сопротивление смятию;более 2% Mo способствуют обезуглероживаниюстали, снижению прочности при изгибе и ударной вязкости.
В штамповых сталях длягорячего деформирования увеличение концентрации вольфрама повышаеттеплостойкость до определенных пределов. Такими пределами являются 1,0–2% W в сталях типа 4Х4ВМФС и ~ 3% всталях типа 5Х3В3Ф2МС. Содержание молибдена, как правило, составляет 1,5–3%[4]. Молибден в этих сталях с заменяет вольфрам в соотношении 1: 2.
Стали, в которых молибдензаменяет более 2–3% W, имеют меньшуюкарбидную неоднородность. Молибден при замене 3–4% W (и одинаковом ванадии) почти не изменяет теплостойкости,вследствие чего прочностные свойства вольфрамомолибденовых сталей при нагреветакие же, как вольфрамовых [1]. Выбор конкретный соотношений между вольфрамом имолибденом определяется условиями эксплуатации инструмента и он должен быть экономическиобоснован.
Влияние ванадия
Ванадий оказываетэффективное влияние на процессы собирательной рекристаллизации и существенноуменьшает чувствительность штамповых сталей к перегреву. В относительноневысоколегированных сталях (типа 5ХНМ, 7ХГ2ВМ и др.) его действие оказываетсязаметным уже при содержании порядка 0,10–0,30%. Для других групп сталей,содержащих карбиды типа М7С3, М6С, М23С6,требуется большее количество ванадия для существенного смещения температурначала интенсивного роста зерна.
На механические свойстваванадий оказывает неоднозначное влияние. Уменьшая чувствительность к перегреву,при содержаниях до 1% он может повышать прочность и пластичностьвысокоуглеродистых и среднеуглеродистых (~ 0,4% С) штамповых сталей.
Положительное влияниеванадия на сопротивление хрупкому разрушению сплавов типа Х4В2МФ, 17Х6Ф4М послеотпуска при 150–350оС сохраняется также при легировании до 2–4% V. После обработки на первичнуютвердость (60–62 HRC) такие сталиимеют прочность при изгибе и ударную вязкость около 300–350 и 5–8кГс×м/см2 против 230–270 и 2–4 кГс×м/см2, дляаналогичных сплавов, но с 0,5–1% V. Привысокотемпературном (≥500оС) отпуске ванадий при повышенныхего содержаниях действует в противоположном направлении, т.е. уменьшаетпластичность штамповых сталей как горячего, так и холодного деформирования.Наряду с увеличением опасности преждевременного хрупкого разрушения снижениепластичности высокованадиевых сталей после обработки на вторичную. твердостьможет приводить также к уменьшению износостойкости в условиях динамическогонагружения из-за скалывания и микровыкрашивания.
Увеличение содержанияванадия с 0,4 до 0,8% усиливает дисперсионное твердение (рис. 4) и улучшаеттеплостойкость, но снижает вязкость. Вследствие интенсивного развитиядисперсионного твердения, наступающего при увеличении количества ванадия с 0,35до 1%, вязкость снижается с 2,3–2,5 до 1,6–1,8 кг×м/см2 при20° C и с 3,8–4,0 до 3–3,5 кг×м/см2 при 650°C. Рекомендуется стали с 0,5% V (4Х5МС) применять для работы принагреве до 580–590оС, а с 1% V (4Х5В2ФС и типа 4Х5МФС) – при нагреве до 640–650оС[1].
Ванадий, также как ихром, обладает сильно выраженной склонностью к дендритной ликвации, но вотличие от него ванадий благоприятно влияет на дисперсность и характерраспределения первичных карбидов в высокоуглеродистых сталях.
/>
Рис. 4. Влияние ванадияна максимальный уровень вторичной твердости, достигаемый в сталях типа Х4В2М1Ф(1), 4Х4ВМФС (2) и 5Х3В3МФС (3) после отпуска при 500–550оС (закалкана зерно № 10)
При введении в составсталей 3–4% V наблюдается значительное ухудшениешлифуемости (из-за присутствия очень твердого карбида МеС), что ограничивает ихширокое применение. Другим недостатком является пониженная окалиностойкость приотжиге и горячей пластической деформации [4].
Влияние кремния и кобальта
Кремний являетсяферритообразующим элементом и «выклинивает» область существования γ-железав сплавах системы Fe – Si уже при содержании около 2%.Аналогично влияет он на диаграмму состояния углеродистых сталей (0,5–1% С),однако в этом случае полное завершения α → γ-превращениядостигается при содержаниях 3–5% кремния.
Не образуя в сплавах наоснове железа соединений с углеродом, кремний практически не оказывает влиянияна тип и состав карбидов в штамповых сталях, но вызывает их укрупнение вотожженном состоянии.
Кремний и кобальтинтенсифицируют процессы карбидообразования при отпуске и значительно повышаютуровень вторичной твердости. В комплекснолегированных штамповых сталях введениеэтих элементов вызывает прирост упрочнения, не сопровождающийся существеннымобеднением твердого раствора легирующими элементами, и обусловленный в основномповышением дисперсности выделяющихся при старении карбидов. Однако кремний,смещающий в сторону более низких температур отпуска «пик» вторичной твердости(при содержаниях ≥1,5%), и кобальт, не изменяющий практически егоположения, увеличивают скорость разупрочнения при высоком (620–650°C) нагреве.В связи с этим содержание кремния в штамповых сталях для горячегодеформирования ограничивают 0,5–0,8% [4].
Кремний влияет аналогичнохрому на механические свойства стали и стойкость к окислению. Кобальт повышаетвторичную твердость и теплостойкость, но не улучшает окалиностойкости,необходимой для работы при высоких температурах. Также к недостаткамлегирования кобальтом относится склонность штамповых сталей к обезуглероживанию[1]. Использование кобальта целесообразно и оправдано при введении его внизкоуглеродистые сплавы (0,1–0,2% С) для горячего деформирования синтерметаллидным и комплексным упрочнением.
Необходимо отметить, чтоограничения, связанные с отрицательным влиянием рассматриваемых элементов натеплостойкость практически снимаются для штамповых сталей холодногодеформирования, которые нагреваются при эксплуатации не выше 350–450оС.Исследования показали, что легирование кремнием и кобальтом сталей типа Х4В2Ф2Мв количествах до 3–4 и 5% соответственно позволяет значительно повыситьвторичную твердость (до 64–67 HRC),а также сопротивление малым пластическим деформациям. Однако повышая указанныесвойства данные элементы снижают ударную вязкость и прочность при изгибе,кобальт в этом направлении влияет сильнее [4].
Влияние никеля и марганца
Легирование сталейникелем и марганцем повышает прокаливаемость. Этим определяетсяцелесообразность легирования ими штамповых сталей, предназначенных дляизготовления крупногабаритных инструментов. Мало изменяя чувствительность кперегреву и, как следствие, оптимальные температуры закалки, никель и марганецсильно понижают критическую скорость охлаждения.
Никель эффективноповышает пластичность, что очень важно для материалов, испытывающих воздействиединамических нагрузок. Это его положительное свойство проявляется, однако,когда подавляются другие (вредные) последствия легирования стали никелем. К ихчислу относится ускорение процесса выделения карбидов по границам. Вызываяснижение пластичности, этот процесс сопровождается также обеднением твердогораствора карбидообразующими элементами и снижением теплостойкости стали.Легирование никелем стали 4Х4ВМФС способствует ускорению тепловогоразупрочнения, а также охрупчиванию при температурах испытаний 20–400оС.Кроме того заметно снижается сопротивление термической усталости. Аналогичнымобразом влияет добавление в эту сталь марганца, который дополнительноувеличивает коэффициент термического расширения и ухудшает теплопроводность.Таким образом, легирование никелем и марганцем теплостойких сталей для горячегодеформирования является нецелесообразным.
Применяется легированиештамповых сталей повышенной прокаливаемости и вязкости для горячегодеформирования никелем и марганцем в количествах 1,5–2% и 0,5–1%соответственно.
Введение этих элементов впределах 1,5–2% Mn и 0,5–1,0% Ni весьма целесообразно и длямалодеформирующихся сталей повышенной вязкости (типа 7ХГ2ВМ, 7ХГНМ) дляхолодного деформирования.
Марганец и никельувеличивают количество остаточного аустенита, но не предотвращают его распадпод воздействием циклически изменяющихся напряжений при эксплуатации штампов.Это делает недопустимым легирование данными элементами вторичнотвердеющихштамповых сталей с высоким сопротивлением смятию.
В общем случае дляинструментальных сталей содержание никеля и марганца не должно превышать 0,4%.Допустимо повышение содержания никеля до 06–0,8%, тогда немного возрастаютпрочность и вязкость ряда сталей. [4]
1.1.4 Термическая обработка штамповых сталей длягорячего деформирования
Цельокончательной термической обработки – получение в готовом инструментеоптимального сочетания основных свойств: твердости, прочности, износостойкости,вязкости и теплостойкости.
Наиболеераспространенный технологический процесс окончательной термической обработкиинструмента для горячего деформирования состоит из закалки и отпуска. Большоеразнообразие условий работы такого инструмента предопределяет не толькоприменение различных сталей, но и необходимость получать в каждом конкретномслучае оптимальное для данных условий сочетание свойств за счет правильноговыбора режимов термической обработки. При этом в зависимости от назначенияинструмента возможен выбор разных температур нагрева под закалку, закалочныхсред и способов охлаждения, температур отпуска. Режимы закалки и отпуска неуниверсальны, а их следует назначать дифференцированно в соответствии сусловиями работы инструмента.
Вчастности, следует учитывать, что при повышении температуры нагрева под закалкувозрастает теплостойкость и прокаливаемость штамповых сталей, но из-заукрупнения зерна снижается их вязкость. Поэтому, например, для прессовогоинструмента, работающего с большим разогревом, но без значительных динамическихнагрузок, целесообразно повышать температуру нагрева под закалку для получениябольшей теплостойкости.
Вместе стем при выборе режимов закалки и отпуска следует учитывать их влияние надеформацию инструмента в процессе термической обработки и возможностьпоследующей механической обработки.
Повышениетемпературы отпуска, как правило, повышает вязкость стали, но снижает еетвердость, прочность и износостойкость. В связи с этим для сохраненияизносостойкости и твердости стали температуру отпуска выбирают пониженной,однако не ниже температуры разогрева инструмента при эксплуатации.
Широкое распространение в технике получила сталь 5ХНМ,имеющая высокую технологичность, оптимальные механические свойства,прокаливаемость. Также для инструмента небольших габаритов применяются сталимарок 5ХНВ, 5ХГСВФ, 5ХНСВ, 5ХГМ и др. Для очень крупного инструмента пригодныстали типа 27Х2НМВФ и типа 30Х2НМФ, 30Х2М1ФН3. В основном данные марки сталейприменяются для изготовления молотовых штампов [1].
Таблица 1. Химическийсостав сталей для горячего деформирования (ГОСТ 5950–73) [1]Сталь C Mn Si Cr Ni W Mо V 5ХНМ 0,5–0,6 0,5–0,8 ≤ 0,35 0,5–0,8 1,4–1,8 – 0,15–0,3 – 5ХНВ 0,5–0,6 0,5–0,8 ≤ 0,35 0,5–0,8 1,4–1,8 0,4–0,6 – 3Х2В8Ф 0,30–0,40 0,15–0,40 0,15–0,40 2,20–2,70 – 7,50–8,50 – 0,20–0,50 4Х5В2ФС 0,35–0,45 0,15–0,40 0,80–1,20 4,50–5,50 – 1,60–2,20 – 0,60–0,90 4Х5МФ1С 0,37–0,44 0,15–0,40 0,80–1,20 4,50–5,50 – – 1,20–1,50 0,80–1,10
Обобщеннаятехнологическая схема обработки инструмента для горячего деформирования изполутеплостойкой стали повышенной вязкости:
1)горячая пластическая деформация (ковка);
2)отжиг;
3)механическая обработка;
4)закалка и отпуск;
5)механическая обработка.
Длядеформирования алюминиевых сплавов применяются стали с5% Cr: 4Х5В2ФС итипа 4Х5МС (или 4Х5МФС). При изготовлении матриц крупных размеров применяютстали с 3% Cr (типа 4Х3МС), так как они лучше сохраняют пластичностьв больших сечениях.
Длядеформирования медных сплавов, выполняемого при более высоком нагреве, нужныстали повышенной теплостойкости. Для пуансонов применяют стали 3Х2В8Ф и4Х5В4ФСМ. Рекомендуется использовать также сталь 6Х3В9Ф, отличающуюся высокимсопротивлением продольному изгибу и износу.
Длядеформирования стали при ударных нагрузках и необходимости резкого охлаждения,обеспечивающего интенсивный цикл работы, т.е. в условиях, когда нужна высокаяразгаростойкость, а нагрев рабочего слоя не достигает высоких значений, болеепригодны стали 4Х5В2ФС и типа 4Х5ВМС и 4Х3МС. Эти стали применимы, в частности,для скоростной штамповки.
Дляболее тяжелых температурных условий, а также деформированиятруднообрабатываемых сплавов необходимы стали повышенной теплостойкости(3Х3В8Ф, 4Х3В5М3Ф). [1]
Твердостьинструмента и последовательность операций механической и термической обработкиопределяются его размерами, формой и условиями эксплуатации.
Штамповыестали для изготовления ножей и пил горячей резки должны сохранять свои свойствав условиях повышенного износа при нагреве и значительных динамическихнагрузках. Для рубки мягких материалов или в случае высокого нагрева пригодныстали повышенной разгаростойкости 4Х5В2ФС или типа 4Х3ВМС, так как они обладаютхорошей вязкостью при достаточной теплостойкости.
Дляработы при очень высоком нагреве рекомендуется сталь повышенной теплостойкости4Х5В4ФСМ.
Дляоблегченных условий и при меньшем нагреве можно применять более дешевую сталь6ХС или сталь 5ХВ2С. [5]
Предварительная обработка
ГОРЯЧАЯПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ
Пониженнаядеформируемость штамповых сталей по сравнению с конструкционными обусловлена ихменьшей пластичностью вследствие более высокой легированности твердогораствора, больших количеств карбидных фаз и степени ликвации прикристаллизации.
Температурынагрева под ковку (прокатку) выбирают из условий достижения наиболее высокойпластичности в достаточно широком интервале температур, что определяетсяхимическим составом стали и массой слитка. Температуры окончания пластическойдеформации устанавливают с учетом того, чтобы избежать образования трещин ирванин и подготовки необходимой структуры (размера зерна аустенита,распределения и дисперсности избыточных фаз и др.), обеспечивающей высокиемеханические свойства после окончательной термической обработки. Дляполутеплостойких сталей повышенной вязкости температуры начала ковки 1150–1180оС,окончания 850–880оС. Для теплостойких штамповых сталей начало ковкипри 1160–1180оС; конец ковки при 850–925оС [1].
Привыполнении ковки необходимо добиваться максимально однородной структуры.Наиболее широко применяемой схемой ковки слитков штамповых сталей (на молотах ипрессах) является протяжка в осевом направлении. Такая схема деформированиядает повышенную анизотропию механических свойств, поэтому рекомендуется рядсхем ковки, обеспечивающих более равномерную структуру. К ним относятся: ковкаслитков в поперечном направлении, комбинированная ковка со сменой операцийвытяжки и осадки, ковка со сменой направления вытяжки, всесторонняя ковка.Всесторонняя ковка с осадкой способствует устранению дендритной ликвации.
Дляповышения однородности структуры в более крупных заготовках из высокохромистых,а также высоколегированных штамповых сталей для горячего деформированиярекомендуется ковка по следующей схеме: осадка на 1/3 высоты с обратнойвытяжкой до исходных размеров; затем 2–4 осадки до размеров H
Штамповыестали, особенно высоколегированные, склонны к образованию термических трещин приохлаждении на воздухе. Поэтому после ковки их охлаждают замедленно:
1)в неотапливаемых колодцах или термостатах;
2)на воздухе до 700оС, а более мелкие до 450–500оС, чтобызадержать выделение карбидов по границам зерен, а затем в футерованной яме илив песке. Можно не допуская охлаждения ниже 700оС и 450оС,помещать поковки в печь для отжига или высокого отпуска.
ЧЕРНОВАЯТЕРМООБРАБОТКА
Отжигвыполняют лишь при необходимости измельчения структуры слитков или крупныхзаготовок, мало обжатых при пластической деформации. В остальных случаях можноограничиться высоким отпуском, после которого сталь приобретает примерно такуюже структуру, как и после отжига.
Назначениеотжига (отпуска) – перекристаллизация стали для измельчения зерна и получениянизкой твердости, а также структуры зернистого перлита, как наиболееудовлетворяющей последующей закалке. Наиболее целесообразно применятьизотермический отжиг, включающий нагрев до температур, близких или немного вышеАс1, выдержку после прогрева металла (определяется массой садки) неменее 2–3 часов, медленное охлаждение с печью до температур несколько ниже Аr1, выдержкупродолжительностью 3–4 часа, медленное охлаждение до 600–650оС,затем на воздухе. Преимуществом изотермического отжига является получение болееоднородной структуры после последующей закалки, особенно для сталей с небольшимсодержанием карбидной фазы [4].
Дляполутеплостойких сталей повышенной вязкости температуры отжига ивысокого отпуска составляют соответственно 760–800оС и 650–690оС.Данные стали чаще подвергают отпуску, чем отжигу, так как переохлажденныйаустенит этих сталей имеет особо высокую устойчивость, а температура егоминимальной устойчивости весьма низкая. Эти факторы значительно увеличиваютпродолжительность отжига, снижают скорость коагуляции карбидов и поэтомузатрудняют получение низкой твердости [6].
Вольфрамовыестали для предупреждения порчи теплостойкости лучше отпускать, а не отжигать.Вольфрамомолибденовые стали в крупных поковках отжигают, мелкие поковкирационально отпускать. Температура отжига составляет примерно 800–850оС,а температура отпуска 700–780оС [1].
Стали в состоянии поставки
Поструктурному признаку полутеплостойкие стали повышенной вязкости –доэвтектоидные или близкие к эвтектоидным (при 0,5–0,55% С). Структураих после отжига – пластинчатый перлит с участками феррита.
Сталь5ХНСВ, легированная кремнием, имеет твердость 217–241 НВ, остальные стали –197–241НВ [1].
Теплостойкиестали поставляют после отжига; вольфрамовые – чаще после высокого отпуска.Структура – сорбитообразный перлит. Карбидная неоднородность наблюдается в видеполосчатости, а в сечении более 100 мм у вольфрамовых сталей возможна карбиднаясетка. В структуре не допускается нафталиновый излом.
Твердостьпосле отжига (высокого отпуска), НВ:
4Х5В2ФС,4Х2В5ФМ, 4Х3В5М3Ф 180–220
3Х2В8Ф,4Х8В2, 4Х5В4ФСМ, типа 3Х3В8Ф 207–255
сталис >8% W или 5% Mo 228–262
Обезуглероженныйслой не должен превышать норм, указанных ГОСТом 5959–63. Сталинеобходимо проверять на отсутствие флокенов.
Режимы закалки и отпуска
Дляполутеплостойких сталей повышенной вязкости температура нагрева под закалкусоставляет 830–870оС в зависимости от марки стали с предварительнымподогревом при 600–620оС.
Температурызакалки [1]:
стальтипа 27Х2НМВФ, 30Х2НМФ………………………...950–975оС;
стальтипа 40ХН3М……………………………………………..850–870оС;
стальтипа 5ХНСВ……………………………………………....840–860оС;
стальтипа 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ……………………….……820 860оС.
Высокийотпуск проводится для получения сорбитной структуры (температура отпуска500–600оС, скорость нагрева 40–50 град/час). Охлаждение послеотпуска на воздухе. Инструмент обрабатывается, как правило, на твердость 35–40HRC или 40–46 HRC.
Температурынагрева под закалку и отпуск теплостойких сталей для горячего деформированияприведены в табл. 2.
Таблица2. Температуры закалки и отпуска теплостойких сталей повышенной вязкости [1]Сталь Закалка
Температура отпуска, оС, на твердость, HRC
Температура нагрева, оС Твердость, HRC 50 45 Стали повышенной разгаростойкости 4Х5В2ФС 1060–1080 52–54 580–590 610–620 Типа 4Х5МС,4Х5ВМС 1050–1020 58–60 560–570 600–610 Типа 4Х5МФС 1010–1040 52–54 580–590 610–620 4Х8В2 1000–1100 53–56 540–550 580–590 4Х3ВМФС, типа 4Х3МС 980–1020 53–56 400–420 430–450 7Х3 830–860 59–61 _ 480–580 Типа 2Х12В3МФ 980–1020 53–55 580–600 610–620 Стали повышенной стойкости 3Х2В8Ф 1080–1110 54–56 600–610 640–650 Типа 3Х3В8Ф 1130–1150 56–58 615–625 660–670 Типа 4Х3В11 1170–1200 56–58 630–640 670–680 Типа 5Х3В15, 5Х4В18 1180–1220 56–58 650–660 680–690 Типа 6Х4В9Ф 1080–1100 58–60 580–610 610–620 4Х5В4ФСМ 1060–1070 54–56 600–610 620–630 4Х2В5ФМ 1060–1080 54–56 610–620 630–640 4Х3В5М3Ф 1110–1130 52–54 625–635 670–680 Типа 6Х4В6М5, 6Х4В2М8 и 3Х4М6 1130–1150 56–58 650–660 680–690
Призакалке важной задачей является защита от обезуглероживания; посколькутемпературы закалки – высокие. Обязательно применение мер защиты; наиболеецелесообразен нагрев в контролируемых атмосферах или в вакууме.
Послезакалки данные стали рекомендуется подстуживать на воздухе до 950–900оС,а затем охлаждать в масле.
Операциюотпуска выполняют немедленно после закалки с целью предупреждения трещин. Какправило, отпуск производят на твердость 45 HRC в штамповыхсталях, предназначенных для высадки и выдавливания; 48–53 HRC для ножей ипил горячей резки.
Посколькупри нагреве для отпуска в структуре сохраняется много аустенита, целесообразнопроведение двукратного отпуска. Температура второго отпуска может быть на 10–20оСниже, а его продолжительность на 20–25% меньше, чем первого отпуска.Охлаждение после отпуска проводится на воздухе.
/>1.1.5 Влияниетермической обработки на свойства штамповых сталей
Служебные свойстваштампового инструмента и его стойкость в значительной степени определяютсясоответствующим назначением марки стали, ее термообработкой и условиямиэксплуатации инструмента.
Закалка проводится для растворения значительной частикарбидов и получения высоколегированного мартенсита (рис. 5). Поэтомутемпературы закалки – повышенные и ограничиваются лишь необходимостью сохранитьмелкое зерно и достаточную вязкость.
/>
Рис.5. Влияние температуры закалки на твердость стали 3Х2В8Ф при нагреве; отпуск600оС [1]
Последующий отпуск вызывает дополнительное упрочнениевследствие дисперсионного твердения. Для повышения вязкости его выполняют чащевсего при более высоких температурах на более низкую твердость: 45–52 HRC и трооститнуюструктуру. Сталь получает менее легированный феррит, а коагуляция выделившихсякарбидов при отпуске протекает полнее.
Теплостойкостьштамповых сталей определяется составом твердого раствора. Она возрастает сповышением температуры закалки сначала значительно, когда растворяется большаячасть вторичных карбидов, а затем более медленно, но при значительном ростезерна.
Нагревдо 1100оС создает достаточно полное насыщение аустенита (мартенсита)и высокие прочностные свойства. Больший нагрев излишен; он уже мало улучшаеттеплостойкость, но вызывает значительный рост зерна у стали 3Х2В8Ф до балла 8(при 1150оС) и сильно ухудшает вязкость, пластичность иразгаростойкость.
Изменениетвердости и прочности в отличие от теплостойкости характеризуется кривой с максимумом(рис. 6).
/>
Рис.6.Влияние температуры закалки стали типа 4Х5МС на твердость
Сповышением нагрева в области более низких температур они возрастают из-за растворения комплексных карбидов(повышается легированность аустенита и насыщенность его углеродом), а после болеевысокого нагрева снижаются из-за роста зерна и напряжений. Однако прочностьотпущенной стали возрастает с повышением температуры закалки благодаряупрочняющему влиянию дисперсных карбидов, выделяющихся при отпуске.
Рассмотримвлияние температуры отпуска. Отпуск 200–350оС немного снижаеттвердость из-за выделения и коагуляции цементитного карбида. Отпуск стали4Х5В2ФС при 530–550оС, а стали типа 4Х5МС при 480–500оСсоздает вторичную твердость; она возрастает на 0,5–1HRC вследствиедисперсионного твердения (рис. 7).
При500–550оС выделяется промежуточный карбид типа Ме2С. Выше550–600оС выделяется карбид Ме6С в сталях с вольфрамом икарбиды Ме23С и Ме6С в сталях с молибденом. Отпуск выше600–625оС усиливает коагуляцию карбидов.
/>
Рис.7. Твердость сталей 4Х5В2ФС и типа 4Х5МС в зависимости от температуры отпуска[4]
Твердостьштампов рационально устанавливать равной 47–50HRC. При большейтвердости быстрее образуются трещины разгара, а при меньшей снижаетсяизносостойкость.
Характерновлияние температуры закалки на предел текучести отпущенной стали. С повышениемнагрева предел текучести повышается, что вызвано более полным развитиемдисперсионного твердения при отпуске. Дальнейший нагрев снижает пределтекучести, так как влияние наступающего интенсивного роста зерна становитсяпреобладающим.
Теплостойкиештамповые стали имеют предел текучести 135–165 кГ/мм2 при 20оСи 90–110 кГ/мм2 при 600–650оС, что обеспечиваетдостаточную формоустойчивость штампа [1].
Вязкостьотпущенной стали изменяется в зависимости от температуры закалки подобнопрочности, но достигаемый максимум вязкости сдвинут к более низким температурам.Закалка с невысоких температур повышает вязкость благодаря растворениюкарбидов, присутствующих в отожженной стали по границам зерен. При повышениитемператур закалки вязкость уменьшается из-за усиления при отпускедисперсионного твердения и образования более легированного мартенсита.
Дисперсионное твердение, проходящее при отпуске, снижаетвязкость (рис. 8). Штампы необходимо отпускать несколько выше температурразвития дисперсионного твердения для повышения вязкости и пластичности.
/>
Рис.8.Вязкость в зависимости от температуры отпуска [1]
Вязкость и пластичность в большой степени определяютразгаростойкость сталей с трооститной структурой; она возрастает при их повышении(рис. 9).
/>
Рис. 9. Влияние твердости после отпуска наразгаростойкость сталей (проведено 100 циклов испытаний) [1]
/>
──── относительное сужение
─ ─ ─ относительное удлинение
Рис. 10. Относительное удлинение и сужение сталей;закалка на зерно 10; отпуск на твердость 50HRC [1]
Изменениеплотности стали и линейных размеров образцов характеризуется тем, что этипараметры с повышением температуры сначала увеличиваются, а затем уменьшаютсявследствие влияния возрастающего количества остаточного аустенита.
Относительное сужение штамповых сталей – не ниже 25% при20оС и 30–40% (у некоторых вольфрамовых 8–10%) при 650оС(см. рис. 10).
Дефекты, которые могутвозникнуть при термообработке, также влияют на свойства и структуру сталей.
Обезуглероживание можетвызвать трещины вследствие разности объемных изменений, происходящих призакалке в обезуглероженном и нижележащих слоях, что резко снижает стойкостьинструмента.
Вольфрамовые ивольфрамомолибденовые стали чувствительны к образованию нафталинистого излома.Сталь с таким браком имеет крупное зерно, во много раз превосходящее зернонормальной стали; одновременно могут присутствовать и более мелкие зерна. Стальс нафталинистым изломом не отличается по твердости и теплостойкости от стали снормальным изломом, но имеет пониженную вязкость и стойкость.
Причина возникновениянафталинистого излома – выполнение вторичной закалки без промежуточноговысокого отпуска (или отжига). Устранить нафталинистый излом и восстановитьнормальную вязкость сложно. Нужен многократный и длительный отжиг или еще болеедлительный отпуск.
1.2 Патентный поиск
Создание высокопроизводительныхинструментов связано, в первую очередь, с проблемой получения таких материалов,которые могли бы противостоять тяжелым условиям работы. Поэтому вопросам,связанным с разработкой новых марок сталей, уделяется большое внимание.
Таблица 3. Сведения оразработанных патентахНомер патента, заявки и дата публикации Авторы Название патента и краткое описание изобретения 1 2 3
50949
2001096519
15.11.2002 Тюрин М.Ф., Белик О.В., Овчинников В.О., Царицин Е.А. Штамповая сталь. Предложена сталь, отличающаяся дополнительным содержанием V и Ca при соотношении компонентов (в %): С 0,45–0,65; Si 0,9–1,7; Mn 1,3–1,6; Cr 1,5–2,5; V 0,3–0,8; W 0,2–0,5; Ca 0,001–0,005; Mo 0,5–0,8; Al 0,04–0,1. Результатом изобретения является улучшение механических свойств, в том числе и износостойкости стали.
57093
200010058
16.06.2003 Терехов В.М., Артамонов Ю.В. Инструментальная сталь. Для режущего инструмента предлагают сталь, которая отличается от известного дополнительным содержанием бора при следующем соотношении компонентов (в %): С 0,1–0,35; Si 0,2–1,5; Mn 0,3–1,0; Cr 0,5–3,5; V 0,1–0,5; W 8–15; Cо 15–17,8; Mo 7–12; Ti 0,16–0,80; В 0,005–0,015.
2213799
2002105360/02
10.10.2003 Исаев Г.А. Сталь для резки проката и металлического лома. Предложенная сталь содержит (в %): С 0,23–0,35; Si 0,95–1,1; Mn 0,6–0,7; Cr 0,8–0,95; Ni 0,9–1,1; V 0,05–0,15; W 0,6–0,75; Ca 0,001–0,35; P 0,001–0,005; S 0,001–0,005; Cu 0,005–0,18. Техническим результатом изобретения является повышение коррозионной стойкости, ударной вязкости и износостойкости.
6663726
2000379222
16.12.2003 Abe Yukio, Nakatsu Hideshi, Tamura Yasushi, Kada Yoshihiro Инструментальная сталь с высокой твердостью для холодной деформации, обладающая высокой обрабатываемостью резанием в термически упрочненном состоянии, инструмент и способ его изготовления. Предлагают сталь. обладающую высокой твердостью (более 50 HRC) и хорошей обрабатываемостью резанием после упрочняющей термической обработки. Сталь содержит (в %): С 0,3–0,5; Si 0,7–2,0; Mn 0,1–2,0; Cr 0,1–1,5; W и Мо до 3,5 (каждого); S 0,08–0,25. Инструмент для холодной деформации изготавливают после закалки и отпуска, проводя обработку резанием.
2232201
2003112115/02
10.07.2004 Ворожищев В.И., Павлов В.В., Козырев Н.А., Тарасова Г.Н. Сталь. Для ножей резки металлолома предлагают сталь, содержащую (в %): С 0,50–0,60; Si 0,50–0,80; Mn 0,40–0,60; Cr 1,0–1,30; V 0,12–0,20; W 2,20–2,70; N 0,012–0,020; Mo 0,35–0,50; Al 0,15–0,035. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной стойкости ножей за счет увеличения прочности и вязкости стали, а также сопротивления хрупкому разрушению.
6761853
2001060782
13.07.2004 Ishida Kiyohito, Oikawa Katsunar, Fujii Toshimitsu, Matsuda Yukinori Легкообрабатываемая инструментальная сталь. Предлагают обладающую повышенной обрабатываемостью сталь для изготовления штампов и различного рода инструмента, содержащую (в %): С 0,1–0,6, Ti и/или Zr при сумме Ti + 0,52Zr = 0,03–3,5, а также S, Se,Te при сумме S + 0,4Se + 0,25Te = 0,01–1,0 и содержащую дисперсные выделения комплексной фазы на основе Ti и/или Zr, обеспечивающей повышенную обрабатываемость резанием.
6841122
10/133467
11.01.2005 Hayano Rinzo, Maeda Iji Штамповая сталь для горячего деформирования. Предложена сталь, отличающаяся высокой коррозионной стойкостью в среде расплавленного металла и жаропрочностью в среде расплавленного металла, и изготавливаемая из нее оснастка. Сталь содержит (в %): С 0,05–0,10; Si до 0,04; Mn до 0,7; Cr 5,0–13,0; V 0,01–1,0; W 1,0–8,0; Ni до 0,1; N 0,005–0,050; Мо до 2,0; Со 1,0–10,0; В 0,003–0,020 и отдельно или совместно Nb и Ta 0,001–1,0. Для повышения твердости рабочие поверхности могут быть подвергнуты азотированию, цементации и ионной имплантации.
2274673
2004119538/02
20.04.2006 Зубкова Е.Н., Водопьянова В.П. Инструментальная штамповая сталь. Предложена сталь, содержащая (в %): С 0,75–0,9; Si 0,1–0,6; Mn 0,1–1,2; Cr 6,8–8,0; V 0,01–0,5; W 1,1–1,5; Ni 0,01–0,4; Мо 5,0–6,0; Со 5,0–6,0; Al 0,01–0,6; S 0,15–0,35. Изобретение направлено на повышение твердости, теплостойкости, износостойкости, обрабатываемости резанием и шлифуемости без ухудшения свариваемости, термообрабатываемости. Высокие показатели износостойкости, обрабатываемости резанием и шлифуемости обеспечиваются защитными сульфидными пленками, образующимися на рабочих поверхностях в процессе эксплуатации, благодаря комплексному легированию серой, молибденом и кобальтом. Высокие значения твердости и теплостойкости достигаются за счет дисперсионного упрочнения при легировании кобальтом и молибденом.
1.3 Обоснованиевыбранного направления
Для исследования былавыбрана инструментальная сталь 4Х5МФ1С. Данная марка стали применяется дляизготовления штампов для горячей деформации и ножей для холодной резки.Последние находят применение в условиях ОАО «НЛМК» для резки углеродистых иэлектротехнических сталей, поэтому весьма важным является изучение влияниятермической обработки на свойства данной стали, так как оптимизация режимовобработки позволит увеличить производительность, стойкость инструмента иположительно скажется при его эксплуатации.
Кроме того, присутствуетэкономический эффект, так как варьирование температур закалки и отпуска поможетснизить потери материала при изготовлении инструмента за счет уменьшенияприпуска на обезуглероженный слой.
1.4 Цель исследования
1. Изучить зависимостьтвердости от температуры закалки и отпуска. Показать, что сталь склонна квторичному твердению.
2. Изучить зависимостьглубины обезуглероженного слоя от температуры закалки.
3. Изучить зависимостьразмера аустенитного зерна, а значит и пластических свойств, от температурызакалки.
4. Изучить зависимостьизносостойкости стали от температуры отпуска и типа нанесенного покрытия.
5. Выявить микроструктурузакаленной стали и закономерности растворения карбидов при закалке.
/>2. Методика исследования
2.1 Материал и обработка
Для проведения исследования была выбрана штамповая сталь длягорячего деформирования марки 4Х5МФ1С, выплавленная в условиях завода«Электросталь». Выплавка, разливка и другие операции производились согласнодействующей технологической инструкции. Химический состав стали представлен втабл. 4.
Таблица 4. Химическийсостав стали 4Х5МФ1С C Si Mn Cr W V Mo Ni 0,32 1,05 0,35 5,00 – 1,10 0,80 –
Послевыплавки сталь была подвергнута горячей пластической деформации (ковке). Началоковки при 1160оС, конец – при 850оС. Охлаждение послековки замедленное. В качестве предварительной термической обработкииспользовался отжиг, предназначенный для измельчения зерна и получения низкойтвердости. Температура отжига составила 850оС. В состоянии поставкисталь имела структуру зернистого перлита.
Далееиз поковки диаметром 250 мм были вырезаны образцы размером 10×10×55 мм иподвергнуты окончательной термической обработке в цеховых условиях. Образцы смаркировочными номерами 1, 12, 24, 42, 59 были закалены в камерной печи натемпературы 950, 1 000, 1 050, 1 070 и 1 100°C. Охлаждение производилось в масле. Образцы с номерами 2, 30, 31, 34, 35, 69, 70, 89, 91, 92закалены с температуры 1 070°C и подвергнуты отпуску с разными температурнымирежимами. Кроме того на образцы 30, 89, 91 были нанесены покрытия из нитрида иоксинитрида титана.
Таблица 5. Режимытермообработки экспериментальных образцов№ Маркировка образца Термическая обработка
Температура закалки, оС
Температура отпуска, оС 1 1 950 – 2 12 1 000 – 3 24 1 050 – 4 42 1 070 – 5 59 1 100 – 6 35 1 070 230 7 34 1 070 310 8 31 1 070 400 9 70 1 070 530 10 91 1 070 550 11 30 1 070 570 12 92 1 070 570 13 89 1 070 600 14 69 1 070 650 15 2 1 070 660
2.2 Методы эксперимента
2.2.1 Выявление микроструктуры
Для изучениямикроструктуры образцов необходимо, чтобы их поверхность была специальноприготовлена. Изготовление микрошлифа сводится к выполнению следующих операций:шлифование, полирование и травление.
Шлифованиепроизводилось на шлифовальной бумаге с постепенным переходом от бумаги марки №12–3 с зернистостью от 125 до 20 мкм к бумагемарки М40–М5 с зернистостью от 28 до 3,5 мкм (ГОСТ 6456–75).
При переходеот одного номера зернистости к другому образец очищался отабразива и менялось направление шлифования на 90° для полного удаления всех рисок, образовавшихся во время предыдущейоперации.
Полировкапроизводилась на специальном полировальном станке, диск которого обтянут фетром,с помощью полировальной жидкости. После полировки образец был промыт водой ивысушен фильтровальной бумагой.
Для выявления микроструктуры полированную поверхностьмикрошлифа подвергали травлению. Выбор состава травителя при этом зависел отконкретной поставленной задачи. В работе использовались следующие реактивы:
1) для выявления аустенитного зерна – пятипроцентныйспиртовой раствор пикриновой кислоты, усиленный добавками 0,5–1% алкил-сульфатанатрия;
2) для отделения реплик при электролитическом травленииприменялся десятипроцентный спиртовой раствор азотной кислоты;
3) для выявления микроструктуры при электролитическомтравлении – спиртовой раствор треххлористого железа и лимонной кислоты (0,5 г. FeCl3, 0,5 г. лимонной кислоты, 25мл. спирта).
/>2.2.2 Методика измерения твердости наприборе Роквелла
Измерениетвердости производилось на приборе Роквелла с помощью алмазного конуса с угломпри вершине 120° ирадиусом закругления в вершине конуса 0,2 мм [12]. Суммарная нагрузка составила 1 500 Н (шкала С). Отсчет производился по черной шкале.Перед работой прибор проверялся с помощью эталона соответствующей твердости, послечего вносилась поправка в полученные значения твердости. Количествопроизведенных измерений не менее пяти для каждого образца.
/>/>2.2.3Методика измерения микротвердости
Для определения микротвердостиисследуемых материалов использовался микротвердомер ПМТ–3 с увеличением 480крат, принцип работы которого заключается в том, что четырехгранная алмазнаяпирамида (с углом при вершине между противоположными гранями 136°) вдавливается в испытуемый металл поднагрузкой 2 Н.
Длинадиагонали отпечатка определялась по формуле
Значения микротвердостиопределялись по формуле
/>(1)
где P – нагрузка напирамиду, г;
d – длина диагоналиотпечатка, мкм.
При измерении необходимоучитывать неизбежный разброс полученных значений вследствие влияния соседнихструктурных составляющих с иной твердостью, различной толщины испытуемыхэлементов структуры, ошибки измерения и других причин. Для возможностистатистической обработки результатов эксперимента на каждом образце проводилине менее шестидесяти замеров.
2.2.4 Методика определения глубины обезуглероженного слоя
Глубину обезуглероженногослоя определяют различными способами:
1) металлографическимиметодами, сущность которых заключается в определении глубины обезуглероженногослоя по структуре под микроскопом после соответствующей термообработки итравления;
2) методом замератермоэлектродвижущей силы на обезуглероженной и необезуглероженной поверхностяхобразца;
3) методом замератвердости;
4) химическим методом.[13]
В данной работеиспользовались методы замера твердости и микротвердости.
Метод замера твердости заключается в замере твердостиобразцов, подвергнутых термической обработке [13]. Замеры твердостипроизводились на приборе Роквелла по ГОСТ 9013–59 непосредственно наповерхности образцов. Образец считали необезуглероженным, если его твердостьсоответствовала норме твердости, установленной по измерениям нанеобезуглероженной поверхности. В противном случае с поверхности снимался слойметалла толщиной до 0,02 мм, и измерения повторялись. Количество проведенныхизмерений в каждом случае не менее пяти.
Метод замерамикротвердости былреализован с помощью микротвердомера ПМТ–3.При измерениях учитывалось расстояние от обезуглероженной поверхности образца.Для возможности статистической обработки полученных данных было проведено по 10замеров на каждом зафиксированном расстоянии от поверхности.
/>2.2.5 Выявление и определениевеличины аустенитного зерна
Выявление аустенитногозерна
Выявление зерна можнопроизводить различными способами: методом окисления, методом цементации,методом нормализации, методом высокотемпературной металлографии [14].
В данной работе былиспользован метод окисления. Одна плоскость образцов заданной марки стали былапоследовательно отшлифована на грубой и тонкой наждачной бумаге. Приготовленныеобразцы помещены в печь обработанной стороной вверх. Заданный технологическийрежим находился под контролем. Известно, что кислород атмосферы печи, окисляя поверхностьметалла, наиболее интенсивно проникает по границам аустенитных зерен, идекорирует их. Образцы, охлажденные в воде и отшлифованные тем же номеромнаждачной бумаги с расчетом, чтобы на поверхности шлифа сохранилось 10–12%окалины (т.е. делался косой шлиф), были отполированы и потравлены [7].
В качестве травителя былприменен пересыщенный водный раствор пикриновой кислоты, который сильнеевоздействовал на участки, обогащенные кислородом. Избирательное действиепикриновой кислоты усиливалось добавками 0,5–1% алкил-сульфата натрия, а такжетравлением с той же добавкой в течение 40–50 минут при 80–85оС. Поокончании травления шлиф был промыт холодной водой. Произведенное далее легкоеполирование улучшило четкость выявленных границ, так как позволило удалитьследы травления, окрашивающие поверхности зерен в разные цвета. [1]
Определение величиныаустенитного зерна
Определениевеличины зерна может быть выполнено различными методами. В данной работеиспользованы следующие из них:
1) методвизуального сравнения видимых под микроскопом зерен с эталонной шкалой;
2) методслучайных секущих;
3) методизмерения длин хорд.
Методопределения величины зерна сравнением с эталонными шкалами. Величину зерна в работе определялиметодом сравнения под микроскопом при увеличении 400 путем просмотра площадишлифа и сравнения видимых зерен с эталонной шкалой на увеличение 400 [14].
Послепросмотра десяти полей зрения шлифа, был установлен номер зерна, по которомуможно дать количественные характеристики структуры, в частности, расчетный диаметрзерна.
Метод случайныхсекущих. Методсостоит в подсчете пересечении границ зерен случайной секущей. Такой секущейслужит средняя линия окуляр – микрометра. Данным методом определяется средний условный диаметр – вслучае равноосных зерен или количества зерен в 1 мм3 – в случаенеравноосных зерен.
Дляопределения среднего размера зерен исследуемый образец был установлен намикроскоп и подсчитано количество зерен (число пересечений), укладывающихся надлине линейки окуляра. Увеличение микроскопа подобрано таким образом, чтобы надлине линейки окуляра укладывалось не менее 10 зерен.
Такихподсчеты были сделаны в пяти полях зрения для каждого образца.
Среднийусловный диаметр зерна (dср)
dср= (L/n) × Z, мм (2)
где L –суммарная длина всех отрезков в делениях окуляр-микрометра;
n – общее числозерен, пересеченных отрезками, длиной L;
Z – ценаделения окуляр-микрометра для увеличения, при котором проводили подсчетпересечений зерен.
Дляопределения цены деления окуляр-микрометра вместо шлифа на столик микроскопа вработе устанавливали объект-микрометр, представляющий собой пластину, в центрекоторой имеется линейка с известной ценой деления (0,01 мм). После совмещения начальных делений обеих шкал объект-микрометра и окуляр-микрометра былоподсчитано количество совпадающих делений. Цена деления окуляр-микрометра
Z = (с/а) × 0,01,мм (3)
где а –количество совпадающих делений окуляр-микрометра;
с –количество совпадающих делений объект-микрометра [8].
Методизмерения длин хорд. Методоснован на замере линейных размеров отрезков – хорд, отсекаемых в зернахпрямыми линиями (линейкой окуляр-микрометра). Общее количество измеренийзависит от однородности величины зерна, требуемой точности и достоверностирезультатов [14].
Замерыхорд были проведены по нескольким линиям в произвольном направлении на шлифе.Подсчитывалось количество длин хорд каждого размера по всем линиям.
Относительнаядлина зерен в процентах с определенной длиной хорды, соответствующей номеру группы
[li × ni/(li × ni)] × 100, % (4)
где li – длина хорды в i-ой группе;
ni – количество зерен с длиной хорды l;
(li× ni) – общая длина хорд всех групп.
По результатам измеренийхорд построены гистограммы распределения хорд. Для того чтобы гистограммаправильно отражала закон распределения, весь массив хорд разбит на группы(интервалы), число которых не менее 8.[8]
Длястатистической обработки экспериментальных данных и для нахождения точностификсировалось общее количество зерен, подвергшихся измерениям. Количествопроизведенных замеров не менее 150 для каждого образца.
2.2.6 Методика нанесения покрытий
Наобразцы № 91, 30, 89 были нанесены покрытия из нитрида и оксинитрида титана.Покрытия наносились на установке для ионно-плазменной имплантации с титановымкатодом (рис. 11). Перед нанесением покрытий образцы предварительно былиотполированы и обезжирены в ультразвуковой ванне (Branson 3210).
Передпроведением работы в установке создавался вакуум 1×10-3 Па спомощью форвакуумного, а затем турбомолекулярного насоса.
Образецпомещали в вакуумную камеру и обрабатывали в плазме аргона в течении десятиминут для очистки поверхности от загрязнений (давление аргона 0,5 Па).
Длянанесения покрытия в установку осуществлялся напуск азота и кислорода вразличном соотношении и подавалось напряжение на титановый катод. Полученная врезультате распыления катода плазма оседала на поверхности образца, создаваяпокрытие. Давление аргона и азота в камере составляло 6×10-2 Па;давление кислорода равнялось 6×10-2 Па и 2×10-2 Падля образцов 30 и 91 соответственно.
Наобразец также подавали отрицательное напряжение (2,5 В), необходимое длялучшего сцепления наносимого покрытия с поверхностью образца.
Напылениепокрытия продолжалось в течение пяти минут. После завершения работы в установкунапускали воздух из атмосферы и вынимали образец.
2.2.7Определение износостойкости
Измеренияизносостойкости были выполнены с использованием трибометра МАТ GmbH. Применялся метод трения «шарика подиску». Шарик, диаметром 3 мм, был выполнен из твердого сплава ВК6. Передиспытаниями шарик и образец очищались в спиртовой ультразвуковой ванне (Branson 3210) в течении 5 минут для удаленияповерхностных загрязнений. Далее образец наклеивался на подложку и помещался втрибометр, где его поверхность приходила в соприкосновение с нагруженным шариком (нагрузка на шарик 300 г.). Частота колебанийшарика составляла 3 Гц. Через заданное число циклов прибор автоматическиотключался. В работе применялись два режима: 5 000 и 40 000 циклов.
Глубинаи сечение следа трения измерялись на профилометре Dektak 8 000. Количество проведенных измерений сечения не менее пяти длякаждого следа трения. По полученным данным рассчитывался вынесенный объемматериала, по которому можно сравнительно оценить износостойкость. [15]
Также спомощью оптического микроскопа оценивался износ шарика, что позволило проверитьдостоверность полученных результатов. [15]
2.2.8 Электронная микроскопия
Дляизучения карбидной фазы в данной работе применялась просвечивающая электроннаямикроскопия – метод анализа внутренней структуры и фазового состоянияматериалов. Анализ проводился с помощью электронного микроскопа ЭМ–200 приувеличениях 3 300 и 8 400.
Методикаисследования заключается в получении тонких слепков (реплик), снятых спротравленной поверхности образца и отображающих его рельеф, и последующемпросвечивании коротковолновыми электронными волнами для получения визуальногоизображения. [10]
Длявозможности непосредственного наблюдения карбидов применялась углероднаяреплика, которая была получена на вакуумной напылительной установке ВУП–4. Дляотделения реплики использовалось электролитическое травление в десятипроцентномспиртовом растворе азотной кислоты при напряжении на катоде два вольта.Материал шлифа являлся анодом, катод был сделан из нержавеющей стали. Времяотделения реплики порядка шести минут.
Определениеразмеров карбидов производилось непосредственно под электронным микроскопом приувеличении 8 400 путем сравнения с эталонной шкалой и последующим учетомувеличения микроскопа. Число измерений не менее 150. Весь размерный массивизмерений был разбит на восемь групп, которые отражены в гистограммахраспределения размеров карбидов.
2.2.9 Определение количественного соотношения структурныхсоставляющих в сплаве
Объемныесоотношения структурных составляющих определяют по их площади на плоскостишлифа. В основе метода лежит математический принцип Кавальери, согласнокоторому доля фазы (α) в объеме(V) сплава, на площади (F) шлифа и на секущей линии (L), равны друг другу
V = F = L = n/n. (5)
Широкоеприменение нашел линейный метод определения количественного соотношенияструктурных составляющих (метод Розиваля). По этому методу площади фазвычисляют по длинам отрезков линейки, попавших на данную фазу [11].
В даннойработе метод Розиваля был реализован на фотографиях, сделанных с электронногомикроскопа.
Былоопределено число делений шкалы, попавших на карбидную фазу (а) в 10 полях зрения и вычисленообъемное содержание карбидов по формуле
Vк = (aср/L) × 100%, (6)
где aср – средняя сумма отрезков шкалы вделениях линейки, попавших на карбиды;
L – длинавсей шкалы (в делениях линейки), L = 100 мм.
2.2.10 Оценка ошибки измеряемых величин
Постановка исследования испособ отбора данных по выбранной методике должны обеспечивать надежностьрезультатов и их точность, достаточную для решения конкретной задачи. Точностьэксперимента определяется методами математической статистики с использованиемнижеприведенных характеристик.
1. Математическоеожидание случайной величины Х (выборочное среднее)
/>, (7)
где Xi – i-ое значение измерения;
n – число измерений.
2. Среднее квадратичноеотклонение Sх
/>, (8)
где ν – числостепеней свободы, ν = n-1.
3. Дисперсия случайнойвеличины Х
/>. (9)
4. Стандартное отклонениесреднего результата
/>. (10)
5. Величинадоверительного интервала ∆Х при заданной доверительной вероятности (Р =0,95)
∆Х = t(ν, Р) × />, (11)
где t(ν, Р) – коэффициент Стьюдента, зависящий от числапроизведенных измерений.
6. Относительная ошибкарезультата серии измерений
ε = />. (12)
Окончательный результатзаписывается в виде
Х = /> ± ∆Х. (13)
Статистической обработкеподвергали следующие измеренные величины:
1) значения твердости;
2) величины аустенитногозерна, измеренные методом хорд;
3) значения размеровкарбидов, выпавших в реплику.
3. Экспериментальная часть
/>3.1 Влияние температуры закалки наструктуру и твердость стали 4Х5МФ1С
Фотографии микроструктурыисследуемых образцов были получены с помощью микроскопа «EPIQUANT» после подготовки поверхности повышеприведенной методике (см. п. 2.2.1). Травление осуществлялосьэлектролитически при напряжении на катоде 2 В. В качестве травителя применялсяспиртовой раствор треххлористого железа и лимонной кислоты.
Структура изучаемой сталипредставляет собой мартенсит, аустенит остаточный и карбиды (рис.12). Основнаяструктура – мартенсит – плохо выявляется. Структуру необходимо просматриватьпри больших увеличениях, так как после закалки без перегрева зерна аустенита икристаллы мартенсита очень малы.
С увеличением температурынагрева под закалку, в конечном итоге, получаем более крупные мартенситныеиглы, что можно наблюдать на фотографиях. Последнее обусловлено ростомдействительного зерна аустенита при повышении температуры из-за стремлениясистемы к минимуму свободной энергии. В свою очередь размер действительногозерна аустенита оказывает существенное влияние на дисперсность мартенсита имеханические свойства стали в закаленном и отпущенном состоянии.
Общей для всех штамповыхсталей тенденцией является большое содержание остаточного аустенита после закалки.Причем с повышением легированности твердого раствора понижаются температурымартенситного превращения и возрастает количество аустенита. Вкомплекснолегированных сталях его количество может достигать 15–30% послеобработки по оптимальным режимам и 60–80%после закалки с перегревом на 50–70оС.[4]
Концентрация углерода вмартенсите определяется химическим составом сталей и температурно-временнымипараметрами аустенизации. После обработки по принятым режимам (то есть на зерноне крупнее 8 балла) она составляет до 65–85% от общего содержания углерода встали. При понижении температуры закалки фиксируемые в мартенсите содержанияуглерода уменьшаются, при этом его перераспределению в легированной сталисопутствует обеднение твердого раствора и легирующими элементами. Этот процесснаряду с выделением карбидов по границам зерен аустенита сопровождается такжеснижением пластичности, ударной вязкости и теплостойкости.
Твердость являетсяважнейшим свойством инструментальных сталей. Она характеризует напряженное состояние,близкое к неравномерному всестороннему сжатию, и тем самым определяетсопротивление значительной пластической деформации и контактным напряжениям. Сувеличением твердости в большинстве случаев возрастает износостойкость;увеличивается возможность получения более чистой и ровной поверхности какметалла, обрабатываемого резанием или давлением, так и самого инструмента приего шлифовании или доводке; уменьшается налипание обрабатываемого металла наповерхность инструмента и т.д. В зависимости от состава стали и термическойобработки твердость может изменяться в широких пределах.
В данной работе былаизмерена твердость закаленных образцов на приборе Роквелла. Количествоизмерений твердости составляет не менее пяти для каждого образца. Снятыеэкспериментальные данные были обработаны с использованием методовматематической статистики. Экспериментальные данные представлены в таблице 6.
Таблица 6. Зависимостьтвердости стали 4Х5МФ1С от температуры закалкиМаркировка образца
Температура закалки, оС Твердость HRC
Среднее квадратичное отклонение результата Sx Относительная ошибка ε, % № измерения Среднее значение 1 2 3 4 5 1 950 46 44 45 46 45 45 0,87 2,4 12 1 000 49 49 49 48 49 49 0,50 1,2 24 1 050 51 52 51 50 51 51 0,71 1,7 42 1 070 50 51 50 51 51 51 0,94 2,3 59 1 100 53 54 53 55 54 54 0,87 2,0
Исследования показали,что с увеличением температуры закалки увеличивается твердость (рис. 13), таккак аустенит (мартенсит после охлаждения) становится более легированным за счетрастворения карбидов при нагреве.
/>
Рис. 13. Зависимостьтвердости закаленных образцов от температуры закалки
стальштамповой закалка температура
3.2 Влияние температуры отпуска на твердость стали 4Х5МФ1С
Отпуск являетсяобязательной составляющей термической обработки штамповых сталей и приводит ксущественным изменениям в их структуре и свойствах.
В сталях, имеющих послеаустенизации определенную легированность твердого раствора, отпуск при 450–550оСприводит к заметному изменению химического состава мартенсита, увеличениюсодержания карбидов и отчетливо выраженному эффекту упрочнения.
Чтобы определить, каквлияет температура отпуска на свойства стали 4Х5МФ1С, была измерена твердость наобразцах после закалки на 1070°C и отпуска. Данные измерений приведены втаблице 7.
Изменение твердости стали4Х5МФ1С в зависимости от температуры отпуска показано на рис. 14.
Таблица 7. Зависимостьтвердости стали 4Х5МФ1С от температуры отпуска (температура закалки 1 070оС).Время выдержки при отпуске 1часМаркировка образца Твердость после закалки HRC
Температура отпуска, оС Твердость после отпуска HRC
Среднее квадратичное отклонение результата Sx Относительная ошибка ε, % № измерения Среднее значение 1 2 3 4 5 35 51 230 47 50 48 48 48 48 1,12 2,9 34 51 310 50 50 51 50 50 50 0,50 1,2 31 51 400 51 52 51 51 51 51 0,50 1,2 70 51 530 53 50 53 53 51 53 1,58 3,7 92 51 570 52 53 53 52 53 53 0,71 2,4 2 51 660 42 43 42 43 43 43 0,71 2,1
/>
Рис. 14. Зависимостьтвердости стали 4Х5МФ1С от температуры отпуска
Видно, что отпуск при200–300оС снижает твердость из-за выделения из мартенситацементитного карбида. Отпуск при температурах порядка 500–550оСсоздает вторичную твердость, вследствие дисперсионного твердения. Вмолибденовых сталях на этой стадии выделяются карбиды Ме23С и Ме6С.При дальнейшем повышении температуры усиливается коагуляция карбидов, что ведетк снижению твердости.
/>3.3 Влияние режима термическойобработки на карбидную фазу
Увеличениеколичества карбидов, даже при сохранении мелкозернистой структуры,сопровождается снижением прочности, вязкости и других свойств. Это вызваноотличием в свойствах металлической основы и включений, что обуславливаетразличие в напряжениях и в поведении основы и карбидов при нагружении впроцессе эксплуатации. Отрицательное влияние карбидной фазы усиливается, когдаона распределяется в структуре неоднородно и присутствует в виде крупныхвключений или сетки.
Положительнаяроль карбидов заключается в том, что они препятствуют росту зерна при нагреведо температур закалки и затрудняют пластическое течение металла при повышенныхнапряжениях, повышая устойчивость рабочей кромки в условиях эксплуатации.Растворение карбидов при нагреве под закалку создает необходимую концентрациюуглерода и легирующих элементов в аустените (мартенсите).
В даннойработе были оценены размеры включений карбидной фазы и относительный объем,занимаемый карбидами. Анализ проводился с помощью углеродных реплик наэлектронном микроскопе ЭМ–200. Для отделения реплики использовалось электролитическое травление вдесятипроцентном спиртовом растворе азотной кислоты. Время отделения репликипорядка шести минут.
Наблюдаетсяобщий характер распределения карбидов. Включения имеют разнообразную форму иразмер (см. рис. 15).
Оценкавеличины карбидных включений проводилась визуально на электронном микроскопеЭМ–200 (при увеличении 8 400) с использованием эталонной шкалы. Для определенияобъемного содержания карбидов использовался линейный метод Розиваля, которыйбыл реализован на фотографиях реплик. По этому методу площади фаз вычисляются по длинам отрезковлинейки, попавших на данную фазу.
3.3.1 Влияние температуры закалки на карбидную фазу
Для оценки величиныкарбидных включений в реплике просматривали несколько полей зрения наэлектронном микроскопе ЭМ–200. Размер карбидов определяли по эталонной шкале.Для возможности статистической обработки данных проводилось не менее 150измерений для каждого образца. Результаты экспериментов приведены в таблицах8–12.
Таблица 8. Определениевеличины включений карбидной фазы в стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру950оС
Размер включения di, мкм
Количество включений данного размера ni Относительная доля включения данного размера, % До 0,24 41 21 0,24–0,48 36 19 0,48–0,72 31 16 0,72–0,96 27 14 0,96–1,20 33 17 1,20–1,44 23 12 1,44–1,68 2 0,5 1,68–1,92 1 0,5 Всего 194 100 Средний размер включения, мм 0,38
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,002 3 Относительная ошибка ε, % 4,1
/>
Рис. 16. Гистограммараспределения размеров карбидных включений для образца, закаленного натемпературу 950оС
Таблица 9. Определениевеличины включений карбидной фазы в стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру1 000оС
Размер включения di, мм
Количество включений данного размера ni Относительная доля включения данного размера, % До 0,24 8 5 0,24–0,48 28 18 0,48–0,72 41 27 0,72–0,96 37 24 0,96–1,20 26 17 1,20–1,44 8 6 1,44–1,68 4 3 1,68–1,92 Всего 152 100 Средний размер включения, мм 0,43
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,002 3 Относительная ошибка ε, % 1,8
/>
Рис. 17. Гистограммараспределения размеров карбидных включений для образца, закаленного натемпературу 1 000оС
Таблица 10. Определениевеличины включений карбидной фазы в стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру1 050оС
Размер включения di, мм
Количество включений данного размера ni Относительная доля включения данного размера, % До 0,24 8 5 0,24–0,48 12 8 0,48–0,72 18 12 0,72–0,96 26 17 0,96–1,20 35 23 1,20–1,44 41 27 1,44–1,68 9 6 1,68–1,92 2 2 Всего 151 100 Средний размер включения, мм 0,55
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,003 2 Относительная ошибка ε, % 1,8
/>
Рис. 18. Гистограммараспределения размеров карбидных включений для образца, закаленного натемпературу 1 050оС
Таблица 11. Определениевеличины включений карбидной фазы в стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру1 070оС
Размер включения di, мм
Количество включений данного размера ni Относительная доля включения данного размера, % До 0,24 8 5 0,24–0,48 45 30 0,48–0,72 41 27 0,72–0,96 33 22 0,96–1,20 13 9 1,20–1,44 7 5 1,44–1,68 2 1 1,68–1,92 1 1 Всего 150 100 Средний размер включения, мм 0,35
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,002 1 Относительная ошибка ε, % 1,8
/>
Рис. 19. Гистограммараспределения размеров карбидных включений для образца, закаленного натемпературу 1 070оС
Таблица 12. Определениевеличины включений карбидной фазы в стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру1 100оС
Размер включения di, мм
Количество включений данного размера ni Относительная доля включения данного размера, % До 0,24 13 9 0,24–0,48 47 31 0,48–0,72 41 27 0,72–0,96 21 14 0,96–1,20 24 16 1,20–1,44 3 2 1,44–1,68 1 1 1,68–1,92 Всего 150 100 Средний размер включения, мм 0,34
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,002 Относительная ошибка ε, % 1,9
/>
Рис. 20. Гистограммараспределения размеров карбидных включений для образца, закаленного натемпературу 1 100оС
Для каждого образца поданным проведенных экспериментов были построены гистограммы, отражающиехарактер распределения размеров карбидных включений после различных температурзакалки (рис. 16–20). При повышении температуры нагрева под закалку с 950 до1 050оС средний размер включения увеличивается от 0,38 до 0,55 мм. Это явление связано с растворением мелких карбидов в аустените. При дальнейшем повышениитемпературы начинают растворяться крупные карбиды, таким образом средний размервключения уменьшается до 0,34 мм при закалке на 1 100оС.
Температура закалки такжевлияет на форму карбидных включений (рис. 14). При нагреве до 950оСв стали присутствует карбид цементитного типа Ме3С, имеющийнеправильную вытянутую форму. Данный карбид не обладает теплостойкостью ипоэтому растворяется при нагреве до 1 000оС. Включения округлойформы являются специальными карбидами (например, VC). Они обладают большей теплостойкостью и растворяются неполностью и при более высоких температурах нагрева.
3.3.2 Определение объемной доли карбидных включений
С повышением температурзакалки доля карбидной фазы, выпадающая в реплику уменьшается (рис.14). Дляопределения объемной доли карбидных включений использовали метод Розиваля (п.2.2.9.). Измерения проводили в десяти полях зрения для каждого образца.Полученные результаты представлены в таблице 13.
Таблица 13. Определениеобъемной доли карбидов методом Розиваля
Температура закалки, оС
aв поле зрения, мм
aср, мм
Vк, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 950 12 26 26 16 18 11 15 19 17 13 17,3 17,3 1 000 3 20 11 9 22 4 3 6 14 13 10,5 10,5 1 050 25 2 4 5 5 9 14 21 7,9 7,9 1 070 6 16 11 4 2 9 4 5,3 5,3 1 100 10 4 2 1 8 5 3 3,3 3,3
/>
Рис. 21. Зависимостьколичества карбидной фазы от температуры нагрева под закалку
С повышением температурызакалки от 950 до 1 100оС доля карбидов выпавших в реплику уменьшаетсяот 17,3 до 3,3% (рис. 21), что связано с последовательным растворениемвключений в аустените. Таким образом, при большем нагреве получаем болеелегированный мартенсит. Это обеспечивает высокие значения твердости послезакалки и возможность дисперсионного твердения при дальнейшем отпуске.
3.3.3 Строение карбидных фаз
В сталях с относительноневысоким содержанием хрома, вольфрама и молибдена карбидная фаза представленав основном цементитом. Специальные карбиды образуются при достиженииопределенного соотношения между карбидообразующими элементами и углеродом. Отипе карбидов в «монолегированных» составах можно приближенно судить посоответствующим диаграммам равновесия. Более сложным является вопроспрогнозирования возможного типа карбидов в комплекснолегированных сплавах, длякоторых, как правило, характерно одновременно присутствие частиц с различнойкристаллической решеткой (М6С, МС, М23С6 идр.).
Для определения типакарбидов, присутствующих в штамповой стали 4Х5МФ1С была применена электроннаямикроскопия.
С использованиемэлектронограмм был расшифрован состав некоторых карбидов, выпавших в реплику.
Включения неправильнойформы представляют собой карбид типа Ме3С ((Cr,Fe)3C). Хром замещает железо до 18%. Этот карбид не обладаеттеплостойкостью и растворяется при нагреве в интервале 950–1000оС.
Карбиды округлой формыимеют составы, соответствующие формулам Ме6С и VС.
В сталях, содержащих>0,5% Мо, образуется сложный карбид молибдена Ме6С. Его составблизок формуле Fe3Mo3C, а при недостатке углерода – Fe2Mo2C. В карбиде Ме6С частьатомов молибдена может замещаться атомами хрома и ванадия. Карбиды этихэлементов близки по свойствам и растворяются при температурах 950–1250оС.
Ванадий уже при небольшимсодержании (0,1%) образует карбид VC (МеС), присутствующий наряду с цементитом. Этот карбид не растворяется ваустените.[1]
3.4 Влияние температуры закалки на глубину обезуглероженного слоя
Значительноеобезуглероживание снижает твердость и износостойкость закаленной и отпущеннойстали, что недопустимо для инструментальных сталей, так как сильно уменьшаетсрок эксплуатации инструмента.
Процесс обезуглероживанияполучает свое развитие при нагреве без применения эффективных защитных сред.
Развитиеобезуглероживания зависит (при нагреве в одинаковой среде) от температурынагрева и его продолжительности, а также состава стали. При относительнокороткой выдержке в воздушной среде обезуглероживание уже заметно развиваетсяпри 800–850оС и резко усиливается с повышением температуры.
Существует несколькоспособов оценки глубины обезуглероженного слоя. Для штамповых сталей горячего ихолодного деформирования наибольшее распространение получило выявление глубиныобезуглероживания травлением закаленных и отпущенных образцов. Контрольнымметодом обезуглероживания для всех марок является цветное травлениечетырехпроцентным раствором азотной кислоты в метиловом спирте отожженныхобразцов.
В данной работе былииспользованы два метода оценки обезуглероженного слоя: по изменению твердости имикротвердости по сечению образца.
Метод оценкиобезуглероживания по изменению твердости по глубине обезуглероженного слоя
Слои металла с помощьюшлифовки последовательно снимались с поверхности образцов, после чегоизмерялась твердость на приборе Роквелла. Полному удалению обезуглероженногослоя соответствовало прекращение изменения чисел твердости по глубине. Снятиеслоев металла производилось с помощью шлифования; сечение образца измерялосьмикрометром. Толщина каждого сошлифованного слоя составляла порядка 0,02 мм. Результаты экспериментов и их статистическая обработка представлены в таблицах 14–18.
Таблица 14. Распределениетвердости по глубине образца №1 из стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру950оСРасстояние от поверхности, мм Твердость HRC
Среднее квадратичное отклонение результата Sx Относительная ошибка ε, % № измерения Среднее значение 1 2 3 4 5 42 41 42 42 43 42 0,70 2,1 0,02 40 43 41 44 42 42 1,58 4,7 0,04 46 42 44 45 43 44 1,58 4,6 0,06 46 43 43 45 44 44 1,32 3,7 0,08 43 44 44 45 44 44 0,71 2,0 0,10 44 46 45 43 45 45 1,22 3,4 0,12 45 46 45 45 44 45 0,71 1,9
Таблица 15. Распределениетвердости по глубине образца №12 из стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру1 000оСРасстояние от поверхности, мм Твердость HRC Среднее квадратичное отклонение результата Sx Относительная ошибка ε, % № измерения Среднее значение 1 2 3 4 5 42 41 43 43 41 42 1,00 3,0 0,02 42 45 42 42 44 43 0,63 4,1 0,04 43 44 45 43 44 44 0,39 2,5 0,06 46 48 47 45 46 46 0,55 3,3 0,08 46 45 45 46 46 46 0,32 1,9 0,10 47 47 47 48 48 47 0,32 1,9 0,12 49 48 49 49 49 49 0,22 1,2 0,14 49 49 49 48 49 49 0,22 1,2
Таблица 16. Распределениетвердости по глубине образца №24 из стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру1 050оСРасстояние от поверхности, мм Твердость HRC Среднее квадратичное отклонение результата Sx Относительная ошибка ε, % № измерения Среднее значение 1 2 3 4 5 43 43 42 43 43 43 0,50 1,4 0,02 43 45 45 43 44 44 0,45 2,8 0,04 46 44 46 45 45 45 0,39 2,4 0,06 45 45 46 46 46 46 0,32 1,9 0,08 47 48 47 47 47 47 0,22 1,3 0,10 49 47 48 47 48 48 0,39 2,3 0,12 48 49 50 49 49 49 0,32 1,8 0,14 51 51 52 51 51 51 0,22 1,2 0,16 51 52 51 50 51 51 0,32 1,7
Таблица 17. Распределениетвердости по глубине образца №42 из стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру1 070оСm Твердость HRC Среднее квадратичное отклонение результата Sx Относительная ошибка ε, % № измерения Среднее значение 1 2 3 4 5 40 42 42 41 41 41 0,87 2,6 0,02 42 44 43 43 43 43 0,71 2,1 0,04 44 44 43 43 43 43 0,71 2,1 0,06 44 44 44 43 44 44 0,50 1,4 0,08 44 45 43 44 45 44 0,87 2,4 0,10 46 46 47 45 46 46 0,71 1,9 0,12 49 48 47 49 47 48 1,00 2,6 0,14 47 48 47 47 48 48 0,87 2,3 0,16 50 49 50 49 51 50 0,87 2,2 0,18 51 50 51 50 50 50 0,71 1,8
Таблица 18. Распределениетвердости по глубине образца №59 из стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру1 100оСРасстояние от поверхности, мм Твердость HRC
Среднее квадратичное отклонение результата Sx Относительная ошибка ε, % № измерения Среднее значение 1 2 3 4 5 44 46 45 44 45 45 0,87 2,4 0,02 47 46 45 46 46 46 0,71 1,9 0,04 48 48 46 48 47 47 1,00 2,7 0,06 47 48 48 49 48 48 0,71 1,9 0,08 50 51 50 49 50 50 0,71 1,8 0,10 50 49 50 50 49 50 0,71 1,8 0,12 51 50 50 50 51 50 0,71 1,8 0,14 52 51 51 52 52 52 0,71 1,7 0,16 54 52 54 53 53 53 0,87 2,0 0,18 53 54 54 56 55 54 1,22 2,9 0,20 54 54 55 54 54 54 0,71 1,5
Для определениязависимости степени обезуглероживания от температуры нагрева под закалку экспериментальныеданные были обобщены в таблице 19.
Таблица 19. Распределениетвердости HRC по глубине исследуемых образцов изстали 4Х5МФ1С в зависимости от температуры закалкиМаркировка образца Температура закалки, оС Расстояние от поверхности образца, мм 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 1 950 42 42 44 44 44 45 45 45 45 45 12 1 000 42 43 44 46 46 47 49 49 49 49 24 1 050 43 44 45 46 47 48 49 51 51 51 42 1 070 41 43 43 44 44 46 48 48 50 50 59 1 100 45 46 47 48 50 50 50 52 53 54
Для удобства определенияглубины обезуглероженного слоя по полученным данным (табл. 14–18) представимрезультаты исследования в графической форме (рис. 22).
/>
Рис. 22. Зависимостьраспределения твердости от температуры закалки по сечению образцов из стали4Х5МФ1С
На основании вышеприведенныхданных (табл. 19) можно проанализировать зависимость глубины обезуглероженногослоя от температуры закалки (рис. 23).
Результаты исследованияпоказали, что глубина обезуглероженного слоя при температуре нагрева подзакалку 950°C достигает 0,10 мм, при 1 000°C – 0,12 мм, при 1 050оС – 0,14 мм, при 1 070оС – 0,16 мм и при 1 100оС – 0,18 мм. Видно, что повышение температуры вызывает большее обезуглероживание.
/>
Рис. 23. Зависимостьглубины обезуглероженного слоя от температуры закалки
Метод оценки глубиныобезуглероженного слоя по изменению микротвердости
Микротвердость измеряласьс помощью микротвердомера ПМТ–3 при нагрузке 2 Н на разных расстояниях отобезуглероженной поверхности. На каждом фиксированном расстоянии делалось понесколько замеров для возможности статистической обработки данных. Значениямикротвердости вычислялись по размерам диагонали отпечатка индентора по приведеннойвыше методике. Экспериментальные данные, числа твердости и их статистическаяобработка сведены в таблицы 20–24.
Исследования показали,что глубина обезуглероженного слоя, определенная методом измерениямикротвердости, близка или совпадает с результатами, полученными выше (табл. 19).Расхождение можно объяснить погрешностями эксперимента и небольшой точностьюметода измерения твердости на приборе Роквелла.
Таблица 20. Значениямикротвердости для образца №1, закаленного с 950оСРасстояние от поверхности, мм Характеристики твердости Номер замера Среднее значение
Среднее квадратичное отклонение результата Sх Относительная ошибка ε, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 0,02 Длина диагонали отпечатка, ед шкалы 130 124 139 135 117 121 128 133 128 131 − − − Длина диагонали отпечатка, мкм 39,0 37,2 41,7 40,5 35,1 36,3 38,4 39,9 38,4 39,3 − − − Микротвердость, МПа 2438 2680 2132 2261 3010 2814 2515 2329 2515 2401 2509 263 7,5 0,04 Длина диагонали отпечатка, ед шкалы 110 119 98 112 118 109 121 110 107 101 − − − Длина диагонали отпечатка, мкм 33,0 35,7 29,4 33,6 35,4 32,7 36,3 33,0 32,1 30,3 − − − Микротвердость, МПа 3405 2909 4290 3284 2959 3468 2814 3405 3599 4039 3417 475 9,9 0,06 Длина диагонали отпечатка, ед шкалы 98 90 100 96 105 112 122 99 − − − Длина диагонали отпечатка, мкм 29,4 27,0 30,0 28,8 31,5 33,6 36,6 29,7 − − − Микротвердость, МПа 4290 5086 4120 4470 3737 3284 2768 4204 3994 620 9,7 0,08 Длина диагонали отпечатка, ед шкалы 99 95 97 95 89 96 100 104 97 103 − − − Длина диагонали отпечатка, мкм 29,7 28,5 29,1 28,5 26,7 28,8 30,0 31,2 30,6 30,9 − − − Микротвердость, МПа 4204 4565 4379 4565 5201 4470 4120 3809 3960 3883 4347 390 6,4
Таблица 21. Значениямикротвердости для образца №12, закаленного с1 000оСРасстояние от поверхности, мм Характеристики твердости Номер замера Среднее значение Среднее квадратичное отклонение результата Sx Относительная ошибка ε, % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 0,02 Длина диагонали отпечатка, ед шкалы 134 135 125 129 133 118 123 − − − Длина диагонали отпечатка, мкм 40,2 40,5 37,5 38,7 39,9 35,4 36,9 − − − Микротвердость, МПа 2294 2260 2636 2475 2329 2958 2723 2525 259 7,3
Результаты измерениймикротвердости (табл. 20–24) для определения глубины обезуглероженного слояпредставили в графическом виде.
/>
Рис. 24. Распределениезначений микротвердости по глубине обезуглероженного слоя для образца из стали4Х5МФ1С, закаленного с температуры 950оС
/>
Рис. 25. Распределениезначений микротвердости по глубине обезуглероженного слоя для образца из стали4Х5МФ1С, закаленного с температуры 1 000оС
/>
Рис. 26. Распределениезначений микротвердости по глубине обезуглероженного слоя для образца из стали4Х5МФ1С, закаленного с температуры 1 050оС
/>
Рис. 27. Распределение значениймикротвердости по глубине обезуглероженного слоя для образца из стали 4Х5МФ1С,закаленного с температуры 1 070оС
/>
Рис. 28. Распределениезначений микротвердости по глубине обезуглероженного слоя для образца из стали4Х5МФ1С, закаленного с температуры 1 100оС
На приведенных графиках(рис. 24–28) видно, что глубина обезуглероженного слоя при температуре нагревапод закалку 950°C достигает 0,10 мм, при 1 000°C – 0,12 мм, при 1 050оС – 0,12 мм, при 1 070оС – 0,16 мм и при 1 100оС – 0,18 мм. Зависимость глубины обезуглероживания от температурызакалки представлена на рис. 29.
Приведенная криваязависимости обезуглероживания от температуры закалки, полученная по результатамизмерения микротвердости, качественно совпадает с аналогичной кривой на рис. 23,то есть обезуглероживание возрастает с увеличением закалочной температуры.
Для удобства сравнениярезультаты определения обезуглероживания с помощью измерения твердости и микротвердостисведены в таблицу 25.
/>
Рис. 29. Зависимостьглубины обезуглероженного слоя от температуры закалки
Таблица 25. Зависимостьглубины обезуглероживания от температуры закалки по результатам измерениятвердости HRC и микротвердостиМаркировка образца 1 12 24 42 59
Температура закалки, оС 950 1 000 1 050 1 070 1 100 Твердость HRC 45 49 51 50 54 Глубина обезуглероженного слоя, мм 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 Значение микротвердости, МПа 4248 4746 4914 4929 5384 Глубина обезуглероженного слоя, мм 0,10 0,12 0,12 0,14 0,18
/>
3.5 Влияниетемпературы закалки на аустенитное зерно
Качество стали и еетермической обработки удобно контролировать по величине действительногоаустенитного зерна. Допустимая величина зерна неодинакова для сталей разныхструктурных классов. Как правило, рекомендуется зерно баллов 11–9,5 дляштамповых сталей нормальной теплостойкости и 11–10 для сталей повышеннойтеплостойкости [1].
В данной работе аустенитное зерно было выявлено методомокисления (см. п. 2.2.5.). В качестве травителя применялся пятипроцентныйраствор пикриновой кислоты с добавками алкил-сульфата натрия.
Для определения величиныаустенитного зерна методом секущих при каждой температуре было просмотрено пятьполей зрения. В таблице 26 дано количество зерен по длине линейки, имеющей стоделений.
Цена делений шкалы окуляр– микрометра, если число совмещенных делений объект – микрометра с = 100, ачисло совмещенных делений окуляр – микрометра а = 85
Z = (100/85) × 0.01 = 0,012 мм.
Величину аустенитногозерна при каждой температуре рассчитывали по формуле (2) учитывая, что длиналинейки окуляр – микрометра L =100.
Таблица 26. Результатыоценки размера зерна методом секущих Количество зерен
Температура закалки, оС 950 1 000 1 050 1 070 1 100 № поля зрения 1 131 111 92 75 56 2 149 114 74 82 63 3 152 128 82 72 68 4 137 124 87 69 57 5 172 123 84 77 66 Среднее количество зерен 148,2 120,0 83,9 75,0 60,0 Размер зерна, мм 0,008 1 0,010 0,014 0,016 0,020
Видно, что с ростомтемпературы размер зерна увеличивается (см. рис. 31).
/>
Рис. 31. Зависимостьразмера аустенитного зерна от температуры закалки
При температуре закалки950 и 1 000°C обеспечивается достаточно мелкое зерно, соответствующее баллу10–11. При дальнейшем повышении температуры балл зерна уменьшается до 9–10 (при1 050оС) и до 8–9 (при 1 100 и 1 070оС).
В работе была проведенатакже оценка величины зерна аустенита с помощью метода хорд. Числопроизведенных замеров хорд для каждого образца не менее 150. Полученные данныеи их статистическая обработка представлены в таблицах 27–31.
Таблица 27. Определениевеличины аустенитного зерна стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру 950оС№ размерной группы
Размер хорд di, мм
Количество хорд данного размера ni Относительная доля длин хорд по данной группе, % 1 до 0,002 5 4 0,5 2 0,002 5–0,005 5 1,5 3 0,005–0,007 5 48 22 4 0,007 5–0,010 39 24 5 0,010–0,012 5 17 13 6 0,012 5–0,015 17 16 7 0,015–0,017 5 12 13 8 0,017 5–0,020 8 10 Всего 150 100 Средний размер хорды, мм 0.007 5
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,008 3 Относительная ошибка ε, % 17,0
Видно,что в исследуемой структуре наибольшее количество зерен приходится на две размерныегруппы: 0,005–0,007 5 мм и 0,007 5–0,010 мм (табл. 27).
/>
Рис. 32. Гистограммараспределения длин хорд зерен аустенита для образца, закаленного на температуру950оС
Таблица 28. Определениевеличины аустенитного зерна стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру 1 000оС№ размерной группы
Размер хорд di, мм
Количество хорд данного размера ni Относительная доля длин хорд по данной группе, % 1 до 0,002 5 2 0,2 2 0,002 5–0,005 2 0,3 3 0,005–0,007 5 25 6 4 0,007 5–0,010 52 17 5 0,010–0,012 5 40 16 6 0,012 5–0,015 35 16 7 0,015–0,017 5 24 13 8 0,017 5–0,020 19 12 9 0,020–0,022 5 4 3 10 0,022 5–0,025 11 9 11 0,025–0,027 5 3 3 12 0,027 5–0,030 5 4,5 Всего 222 100 Средний размер хорды, мм 0,010
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,005 7 Относительная ошибка ε, % 7,0
Наибольшее количествозерен приходится на размерные группы: 0,007 5–0,010 и 0,010–0,012 5 мм (см. табл. 28).
/>
Рис. 33. Гистограммараспределения длин хорд зерен аустенита для образца, закаленного на температуру1 000оС
Таблица 29. Определениевеличины аустенитного зерна стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру 1 050оС№ размерной группы
Размер хорд di, мм
Количество хорд данного размера ni Относительная доля длин хорд по данной группе, % 1 до 0,002 5 2 0,2 2 0,002 5–0,005 5 0,8 3 0,005–0,007 5 8 1 4 0,007 5–0,010 15 3 5 0,010–0,012 5 48 13 6 0,012 5–0,015 53 17 7 0,015–0,017 5 43 16 8 0,017 5–0,020 12 5 9 0,020–0,022 5 20 10 10 0,022 5–0,025 18 10 11 0,025–0,027 5 12 7 12 0,027 5–0,030 14 9 13 0,030–0,032 5 5 4 14 0,032 5–0,035 2 2 15 0,035–0,037 5 3 2 Всего 260 100 Средний размер хорды, мм 0,015
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,006 1 Относительная ошибка ε, % 4,0
Наибольшееколичество зерен приходится на три размерные группы, которые охватываютинтервал 0,010–0,017 5 мм (см. табл. 29).
/>
Рис. 34. Гистограммараспределения длин хорд зерен аустенита для образца, закаленного на температуру1 050оС
Таблица 30. Определениевеличины аустенитного зерна стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру 1 070оС№ размерной группы
Размер хорд di, мм
Количество хорд данного размера ni Относительная доля длин хорд по данной группе, % 1 до 0,002 5 3 0,2 2 0,002 5–0,005 3 0,4 3 0,005–0,007 5 2 0,4 4 0,007 5–0,010 16 3 5 0,010–0,012 5 45 11 6 0,012 5–0,015 61 17 7 0,015–0,017 5 34 11 8 0,017 5–0,020 38 14 9 0,020–0,022 5 19 8 10 0,022 5–0,025 23 11 11 0,025–0,027 5 18 10 12 0,027 5–0,030 7 4 13 0,030–0,032 5 2 1 14 0,032 5–0,035 6 4 15 0,035–0,037 5 7 5 Всего 284 100 Средний размер хорды, мм 0,015
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,004 8 Относительная ошибка ε, % 3,0
Наибольшееколичество зерен приходится на размерную группу 0,012 5–0,015 мм (см. табл. 30).
/>
Рис. 35. Гистограммараспределения длин хорд зерен аустенита для образца, закаленного на температуру1 070оС
Таблица 31. Определениевеличины аустенитного зерна стали 4Х5МФ1С после закалки на температуру 1 100оС№ размерной группы
Размер хорд di, мм
Количество хорд данного размера ni Относительная доля длин хорд по данной группе, % 1 до 0,002 5 2 0,002 5–0,005 3 0,005–0,007 5 3 0,5 4 0,007 5–0,010 2 0,5 5 0,010–0,012 5 4 1 6 0,012 5–0,015 9 3,3 7 0,015–0,017 5 17 7 8 0,017 5–0,020 28 14 9 0,020–0,022 5 40 22 10 0,022 5–0,025 33 20 11 0,025–0,027 5 15 10 12 0,027 5–0,030 8 6 13 0,030–0,032 5 5 4 14 0,032 5–0,035 6 5 15 0,035–0,037 5 2 2 16 0,037 5–0,040 2 2 17 0,040–0,042 5 2 2 Всего 176 100 Средний размер хорды, мм 0,022 5
Среднее квадратичное отклонение результата Sx 0,009 1 Относительная ошибка ε, % 5,0
/>
Рис. 36. Гистограммараспределения длин хорд зерен аустенита для образца, закаленного на температуру1 100оС
Наибольшееколичество зерен приходится на размерную группу 0,020–0,022 5 мм (см. табл. 31).
Длясравнения результатов, полученных при использовании различных методикэкспериментальные данные сведены в таблицу 32.
Таблица32. Размер зерна аустенита (мм), определенный различными методамиМетод
Температура закалки, оС 950 1 000 1 050 1 070 1 100 секущих 0,008 1 0,010 0,014 0,016 0,020 хорд 0,007 5 0,010 0,015 0,015 0,022 5 Балл зерна 11 10 9 9 8
3.6 Влияние температуры отпуска на износостойкость
Износостойкостьинструментальной стали, то есть способность ее сопротивляться различным видамизнашивания поверхности, является характеристикой долговечности инструмента.Изнашивание сопровождается не только физическим разрушением рабочего слоя ипотерей массы металла, но и его пластическим деформированием. В результатеобоих процессов изменяются форма и размеры рабочих кромок. Изнашиваниеусиливается в условиях:
а) динамических нагрузок,вызывающих дополнительно выкрашивание и скалывание поверхностных слоев;
б) нагрева при резанииили деформировании, снижающего твердость и сопротивление пластическойдеформации и облегчающего диффузию атомов между сталью инструмента,обрабатываемым металлом и сходящей стружкой.
Таким образом,износостойкость очень сложное свойство. Она определяется не только химическимсоставом, структурой и механическими свойствами, но и свойствамиобрабатываемого материала, условиями эксплуатации инструмента, его конструкциии т. д. Последние определяют характер износа: абразивный, адгезионный,эрозионный, диффузионный и др.
В данной работе было проведеноисследование износостойкости инструментальной стали 4Х5МФ1С в зависимости оттемпературы отпуска. Для исследования применялся метод трения «шарика подиску». Количество циклов трения было выбрано равным 40 000. В результатесерии экспериментов на образцах были получены следы (канавки) трения, сечениекоторых измерялось на профилометре (рис. 37). Измерения проводились в пятиразных местах следа. Износ образца в дальнейшем оценивался по вынесенномуобъему металла. Для подтверждения полученных результатов дополнительнооценивался износ шарика (см. табл. 33).
Также была изученаизносостойкость покрытий (нитрид и оксинитрид титана), нанесенных на образцы изстали 4Х5МФ1С методом ионно-плазменной имплантации. Целью проведенногоисследования было выяснение перспективности нанесения покрытий для увеличенияизносостойкости материала. Количество циклов трения составило 5 000 дляобразцов с номерами 91 и 30, 10 000 – для образца 89 (см. табл. 34).
Сравнительнаяизносостойкость образцов, отпущенных с разных температур (температура закалки1 070оС)Номер образца 91 30 89 69
Температура отпуска, оС 550 570 600 650 Количество циклов трения 40 000 40 000 40 000 40 000
Сечение профиля износа S, мкм2 1 1 844,3 1 027,3 522,9 1 196,9 2 973,3 845,3 592,8 1 212 3 974,4 712,9 530,7 743,3 4 578,3 1 822,5 521 1 004 5 1 085,7 1 103,2 548,5 945,6 среднее 1 091,2 1 102,24 543,18 1 020,36 Длина следа L, мкм 1 873 1 956 1 997 2 001
Объем вынесенного материала V, мкм3 2 043 818 2 155 981 1 084 730 2 041 740
Износ шарика, мкм3 4,19 2,42 6,56 3,03
По результатамэкспериментов был построен график, характеризующий вынесенный объем материала взависимости от температуры отпуска (рис. 38). Минимум на приведенной кривойсоответствует образцу с максимальной износостойкостью.
/>
Рис. 38. Сравнительнаяизносостойкость образцов из стали 4Х5МФ1С в зависимости от температуры отпуска
Для сопоставленияизменения твердости и износостойкости образцов, отпущенных на различныетемпературы на приборе Роквелла была измерена их твердость (рис. 39).
/>
Рис. 39. Зависимостьтвердости стали 4Х5МФ1С от температуры отпуска
Максимальное упрочнение висследуемой стали достигается после отпуска на 570оС. С дальнейшимповышением температуры до 600оС износостойкость возрастает, атвердость уменьшается, что связано с различной природой выделяющихся карбидов.При 500–550оС выделяется промежуточный карбид типа Ме2С;выше 550–600оС – карбиды Ме23С и Ме6С. Отпусквыше 600–625оС усиливает коагуляцию карбидов.
Также построеназависимость износа шарика в ходе эксперимента для каждого образца (рис. 40).Видно, что максимальный износ шарика был получен на образце с максимальнойизносостойкостью.
/>
Рис. 40. Износ шарика входе экспериментов с образцами, отпущенными на разные температуры
Из полученных данныхследует, что наибольшей износостойкостью обладает сталь, отпущенная стемпературы 600оС. Данное явление связано с тем, что при этойтемпературе отпуска проходило дисперсионное твердение, приводящее не только кувеличению твердости, но и росту износостойкости.
Таблица 34. Сравнительнаяизносостойкость образцов до и после напыления покрытийНомер образца 91 30 89 Состояние поверхности До напыления Покрытие Ti + N + O (N:O = 3:1) До напыления Покрытие Ti + N + O (N:O = 1:1) До напыления Покрытие Ti + N Количество циклов трения 5 000 5 000 5 000 5 000 10 000 10 000
Сечение профиля износа S, мкм2 1 42,7 625,6 32,9 1 342,1 66,5 22,0 2 32,0 701,7 30,3 1 341,0 75 30,8 3 27,8 547,4 31,0 1 154,8 72,3 21,6 4 31,8 602,9 38,6 1 452,3 69,2 20,3 5 28,5 693,5 35,4 1 350,5 71,2 25,7 среднее 32,56 634,22 33,64 1 328,14 70,84 24,08 Длина следа L, мкм 1 991 1 996 1 998 2 002 2 005 1 985
Объем вынесенного материала V, мкм3 64 826 1 265 903 67 212 2 658 936 142 034 47 798
Сравнительная оценкаизноса исходного металла и металла с покрытием приведена на рис. 41.
/>
Рис. 41. Гистограмма,представляющая сравнительную износостойкость стали с различными покрытиями
Наибольшее сопротивлениеизносу дает покрытие нитридом титана. Износостойкость при этом увеличивается втри раза. Наоборот, износ покрытий из оксинитрида титана идет активнее, чем наисходном образце. Причем износостойкость тем меньше, чем больше проценткислорода, введенный в покрытие. Для образца с маркировочным номером 91износостойкость после нанесения покрытия уменьшается в 20 раз, а для образца 30– в 40 раз.
Таким образом, вперспективе возможно увеличение износостойкости материала за счет нанесенияпокрытий из нитрида титана.
Обсуждение результатов исследования
Известно, что прочность ивязкость снижаются в результате излишне высокого нагрева под закалку. Этоухудшение свойств – следствие роста зерна с повышением температуры, чтоявляется следствием стремления системы к уменьшению свободной энергии. Принебольшом перегреве присутствующие в стали карбиды препятствуют росту зерна изаметному ухудшению свойств. Однако при высоких температурах закалки карбиднаяфаза растворяется в аустените, что снимает препятствия для роста зерна. Чувствительностьк перегреву выявляется по величине зерна аустенита, получаемого после нагревадо разных температур. [1]
В штамповой стали 4Х5МФ1Свеличина зерна определяет прежде всего пластические свойства, ухудшение которыхнедопустимо для инструмента, так как ведет к образованию трещин и разрушениюпри эксплуатации. Таким образом, определение размера зерна после того или иногорежима термообработки является практически важной задачей.
В настоящей работе былаизучена зависимость размера аустенитного зерна от температуры нагрева под закалку.Так как с увеличением температуры аустенитное зерно растет (снижается вязкостьстали), то согласно ГОСТ 5950–2000 для стали 4Х5МФ1С размер аустенитного зернане должен превышать 8 балла. Исследования показали, что при температуре закалки1 100°C обеспечивается достаточно мелкое зерно, соответствующее 8 баллу, чтодопустимо. Однако более предпочтительной для закалки является температура1 070оС, так как в этом случае исключается возможностьперегрева стали (балл аустенитного зерна 9).
Величина действительногозерна аустенита в конечном итоге определяет дисперсность мартенсита. В даннойработе была изучена микроструктура стали после закалки на различные температуры(рис. 12). Выяснено, что штамповая сталь 4Х5МФ1С после закалки имеет структуру,состоящую из мартенсита, аустенита остаточного и карбидов, причем количествокарбидной фазы уменьшается с ростом температуры закалки (рис. 15). Форма иразмер включений также меняются. Если при закалке на 950оС вструктуре наряду с вытянутыми включениями цементитного типа присутствуюткарбиды округлой формы (специальные), то при более высоком нагреве цементитныйкарбид, не обладающий достаточной теплостойкостью, а также мелкие карбидыдругих типов, полностью растворяются в аустените. В результате этого среднийразмер включения растет вплоть до 1 070оС, когда начинаютрастворяться более крупные карбиды. Количество аустенита остаточного вкомплекснолегированных сталях после закалки колеблется в пределах 15–30%.Кристаллы мартенсита в исследуемой стали имеют вытянутое (реечное) строение;дисперсность структуры падает при увеличении температуры нагрева под закалку[4].
Твердость являетсяважнейшим свойством инструментальной стали. Инструменты с недостаточнойтвердостью не могут резать; под действием возникающих напряжений они быстротеряют форму и размеры. С увеличением твердости в большинстве случаеввозрастает и износостойкость. [1]
Так как, инструментальнаясталь должна обладать высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, то вработе была изучена зависимость твердости стали 4Х5МФ1С от температуры закалки.Было выяснено, что при повышении температуры закалки с 950 до 1 100оСобъемная доля карбидов уменьшается от 17,3 до 3,3% за счет их растворения ваустените (табл. 13), который насыщается легирующими элементами, чтоспособствует увеличению твердости вплоть до 54 HRC (рис. 13). Однако твердость мартенсита определяет общуютвердость стали главным образом в закаленном состоянии. В процессе высокогоотпуска происходит распад мартенсита, и твердость стали зависит от выделяющихсякарбидов.
В ремонтных цехах и намалых предприятиях чаще всего нагрев под закалку проводится в окислительнойсреде, поэтому важно знать глубину обезуглероженного слоя, который необходимоудалять. В работе были использованы методы оценки обезуглероживания поизменению твердости и микротвердости в сечении образца. Результаты исследованияпоказали, что глубина обезуглероженного слоя при температуре нагрева подзакалку 1 070°C достигает 0,16 мм, а при 1 100°C – 0,18 мм, что гораздо меньше припуска, который дается на производстве на обезуглероженныйслой.
В результате термическойобработки существенно изменяются свойства стали, особенно механическиесвойства. Закалка при нагреве на высокие температуры проводится для растворениязначительной части карбидов и получения высоколегированного мартенсита, врезультате чего обеспечивается высокая твердость. Последующий отпуск на температуры500–600°C вызывает дополнительное упрочнение. При указанных температурахвозрастает диффузионная подвижность карбидообразующих элементов, что приводит кизменению химического состава мартенсита, увеличению содержания карбидов иэффекту упрочнения. Причина вторичного твердения – замена растворяющихсясравнительно грубых частиц цементита значительно более дисперсными выделениямиспециального карбида (V4С3, Мо2С и др.). Вмолибденовых сталях в последовательности карбидных превращений Fе3С →Ме2С + Ме23С6 → Ме6С максимумвторичного твердения соответствует стадии выделения дисперсных частиц Ме2Си Ме23С6. В работе было выявлено, что дисперсионноетвердение стали 4Х5МФ1С происходит при температурах порядка 530–570оС(рис. 14). Одновременно с увеличением твердости возрастает и износостойкость,достигая максимального значения при отпуске на 600оС (рис. 38). Нарядус отмеченными выше процессами при отпуске происходит распад остаточногоаустенита. Он протекает при 480–580оС, как правило, изотермически,заканчивается полностью и не оказывает влияния на работоспособность материала[4]. В результате превращения остаточного аустенита немного повышаетсятвердость, но его влияние незаметно на фоне вторичного твердения.
В настоящей работе такжебыло проведено исследование износостойкости покрытий из нитрида и оксинитридатитана, нанесенных на сталь 4Х5МФ1С. Установлено, что покрытие из нитридатитана подвергается износу почти в три раза меньшему, чем поверхность исходнойстали при одинаковых условиях эксперимента. Таким образом, открываетсявозможность увеличения износостойкости материала за счет нанесения покрытийметодом ионно-плазменной имплантации (п. 2.2.6).
1. Исследовано влияниетемпературы закалки и отпуска на изменение твердости стали 4Х5МФ1С. Показано,что сталь данной марки склонна к вторичному твердению при температурах порядка550оС.
2. Изучено влияниетемпературы закалки на глубину обезуглероженного слоя и показано, что сувеличением температуры нагрева увеличивается глубина обезуглероживания до 0,2 мм при 1 100оС.
3. Разработана методикавыявления аустенитного зерна и определена его величина в зависимости оттемпературы закалки.
4. Изучено влияниетемпературы отпуска на износостойкость данной стали. Выявлена оптимальнаятемпература отпуска, соответствующая максимальной износостойкости. Изученаизносостойкость покрытий из нитрида и оксинитрида титана, нанесенных на образцыс помощью ионно-плазменной имплантации.
5. Проведено электронноемикроскопическое исследование структуры закаленной стали. Показано, что сувеличением температуры закалки с 950 до 1 100оС объемная долякарбидной фазы в структуре уменьшается за счет ее более полного растворения ваустените.
6. Экономика и организация производства
6.1 Технико-экономическое обоснование темы дипломной работы
При изготовленииинструмента из стали 4Х5МФ1С применяют термическую обработку (улучшение),оптимизация которой позволит сократить производственные затраты. При назначениитемператур закалки руководствуются данными по размеру аустенитного зерна,получаемой твердости и глубине обезуглероженного слоя. Все эти факторы имеюттенденцию к росту при повышении температуры обработки. При этом уменьшение дисперсностиструктуры отрицательно сказывается на пластических свойствах стали и приводит кбраку. С другой стороны при понижении температуры получают меньшие значениятвердости, что проявляется при дальнейшей эксплуатации изделия, т.е.сокращается время его службы. Увеличение глубины обезуглероженного слоя ведет кпотерям материала. Также необходимо экспериментально установить температуруотпуска, соответствующую максимуму вторичного твердения и наилучшейизносостойкости, позволяющей продлить срок службы инструмента.
Таким образом, являетсявесьма важным определение оптимального режима термообработки данной стали.
6.2 Организация проведения работы (сетевой график)
С целью лучшей организации и контролянад ходом выполнения дипломной работы исследовательского характера в началедипломирования был составлен и рассчитан сетевой график.
Сетевой график представляет собойграфическое изображение взаимосвязи событий и работ, имеющих место припроведении исследования. График устанавливает сроки выполнения каждого этапаработы, входящей в план исследования, и резервы времени, позволяющиеманеврировать ресурсами и сроками начала работ. Кроме этого сетевой графикпозволяет рационально организовать рабочее время исполнителей, порядоквыполнения работ и контролировать процесс выполнения исследования вустановленные сроки. [16]
6.2.1 Составлениеперечня работ и построение сетевого графика
Сетевой график включает в себя трикомплекса работ:
1) комплексподготовительных работ: изучение технической литературы по теме, обоснованиеактуальности темы, разработка мер защиты от потенциальных опасностей ивредностей, заказ и получение материалов и т.д.;
2) комплексэкспериментальных работ: проведение экспериментов, выполнение расчетов,обсуждение результатов и т.д.;
3) комплексзаключительных работ: обобщение полученных результатов, формулировка выводов,написание пояснительной записки, построение необходимых графиков,предварительная защита и т.д.
Общая продолжительность выполнениядипломной работы рассчитывалась с момента окончания преддипломной практики (3марта 2007 г.) и до 1 июня 2007 г., с учетом 40-часовой рабочей недели и двухвыходных. Таким образом, общая продолжительность выполнения работы составила 62дня (496 часов).
Перечень работ, выполняемых в дипломнойработе, представлен в таблице 34. Сетевой графиквыполнения дипломнойработы изображен на рис. 38.
Таблица 35. Перечень работ, выполняемыхв дипломной работеШифр работ Наименование работ Формулировка событий 1–2 Получение задания Задание получено 2–3 Подготовка литературного обзора Литературный обзор подготовлен 3–4 Составление технико-экономического обоснования Технико-экономическое обоснование составлено 4–5 Формулировка цели исследования Цель исследования сформулирована 5–6 Изучение действующего оборудования Действующее оборудование изучено 5–7 Изучение безопасных приемов работы Безопасные приемы работы изучены 6–7 Разработка мер защиты по технике безопасности Меры защиты по технике безопасности разработаны 7–8 Составление методики экспериментов Составлена методика экспериментов 8–9 Подготовка образцов Образцы готовы 9–10 Получение экспериментальных данных Экспериментальные данные получены 10–11 Оформление раздела по ОБЖ Раздел по ОБЖ оформлен 11–15 Расчет технико-экономической эффективност Технико-экономическая эффективность рассчитана 10–12 Проведение расчетов и их обработка Расчеты проведены и обработаны 12–13 Обобщение результатов экспериментов Результаты экспериментов обобщены 13–14 Обсуждение полученных данных Полученные данные обсуждены 14–15 Выводы по работе Выводы сделаны 15–16 Оформление пояснительной записки Пояснительная записка оформлена 16–17 Оформление плакатов Плакаты оформлены 17–18 Подготовка дипломной работы к защите Дипломная работа к защите подготовлена 18–19 Защита дипломной работы Дипломная работа защищена
6.2.2 Расчет основных параметров сетевого графика
Основными параметрами сетевого графикаявляются: ожидаемое время выполнения работ, ранние и поздние сроки начала иокончания работ, резервы работ и др. Так как исследовательская работа не имеетзаранее установленных нормативов ее выполнения, время выполнения отдельныхработ определяется приближенно с участием руководителя работы и консультантовпо различным разделам на основе ряда оценок времени. Минимальное время,требуемое для выполнения работ при самых благоприятных условиях их протекания (/>оптимистическаяоценка); максимальное время, необходимое при самых неблагоприятных условиях (/>пессимистическоевремя), и наиболее вероятное время, необходимое для выполнения работы вбольшинстве случаев (/>). Ожидаемое время выполненияработы, которое используется при последующих расчетах сетевого графика,определяется по формулам
/> (14)
/> (15)
Рассчитанные по данным формуламожидаемые сроки выполнения работ представлены на рис. 38 и в таблице 35.
Порядок расчета остальных параметров:
1) устанавливается критический путь иего длительность (имеет максимальную продолжительность и определяет общуюдлительность выполнения всего комплекса работ);
2) определяются ранниесроки начала и окончания работ, начиная с исходного события;
3) определяются поздниесроки начала и окончания работ, начиная с завершающегося события;
4) определяются резервысовершения работ.
Сетевой график выполнения дипломнойработы имеет критический путь />.
Длительность критическогопути составляет 62 дня.
Таблица 36. Параметрысетевого графика в индексах работШифр работ
tmin
tmax
tнв
tож
tрн
tро
tпн
tпо R 1–2 1 1 1 1 1 1 2–3 3 3 3 3 1 4 1 4 3–4 1 1 1 1 4 5 4 5 4–5 1 1 1 1 5 6 5 6 5–6 1 1 1 1 6 7 6 7 5–7 2 2 2 2 6 8 6 8 6–7 1 1 1 1 7 8 7 8 7–8 4 4 4 4 8 12 8 12 8–9 5 5 5 5 12 17 12 17 9–10 25 25 25 25 17 42 17 42 10–11 2 2 2 2 42 44 42 44 11–15 12 12 12 12 44 56 44 56 10–12 5 5 5 5 42 47 42 47 12–13 2 2 2 2 47 49 47 49 13–14 5 5 5 5 49 54 49 54 14–15 2 2 2 2 54 56 54 56 15–16 1 1 1 1 56 57 56 57 16–17 1 1 1 1 57 58 57 58 17–18 3 3 3 3 58 61 58 61 18–19 1 1 1 1 61 62 61 62
6.2.3 Оптимизация сетевого графика
Оптимизация сетевого графики заключаетсяв перераспределении времени с ненапряженных путей на критический путь. Передоптимизацией определяется оптимальная продолжительность выполнения всегокомплекса работ. Для этого складывают продолжительность всех путей графика иполученную сумму делят на количество путей. В результате получаетсятеоретически самый короткий срок выполнения всех работ (/>). Оптимизируя график,стараются по возможности приблизиться к этой цифре. Для сетевого графика нарис. 1 теоретически самый короткий срок выполнения всех работ будет равен
Tопт = 78/4 ≈ 35 дней, (16)
где 78 – продолжительность всех путейграфика, дни;
4 – количество возможных путей.
Полученное число «35» означает, что,теоретически, если перенести несколько работ с нагруженного критического путина менее нагруженные, то есть вероятность выполнения дипломной работы не за 62,а за 35 дней. На практике это применить, в данной работе не представляется возможнымпо некоторым причинам.
1. Все работы,находящиеся на критическом пути, непосредственно зависят друг от друга, т. е.нельзя начать выполнение одной, не завершив другую; также невозможно выполнятьнесколько работ параллельно друг с другом.
2. Нет возможностисократить некоторые этапы проведения работ. Сроки выполнения некоторых работустановлены документально, т.е. перенести их на более ранний срок непредставляется возможным. Другие работы (подготовка образцов к исследованиям,проведение и обработка экспериментов) требуют длительного времени для ихвыполнения и зависят от многих неконтролируемых факторов.
6.3 Расчет затрат на выполнениеисследования
6.3.1 Затратына заработную плату
Под исполнителямиисследования подразумеваются: непосредственный исполнитель – студент,руководитель работы, консультанты и лаборанты, помогающие в работе. Заработнаяплата студента устанавливается в размере стипендии. Заработная плата руководителядипломной работы и консультантов определяется исходя из общего количествавремени на одну дипломную работу и часовой тарифной ставки. Заработная платалаборанта рассчитывается аналогично. Отчисления на социальные нужды идополнительные отчисления составляют 26% и 12% соответственно от общей суммыосновной и дополнительной заработной платы. [17]
На исследование затрачено 3 месяца. Заработная плата студентасоставила
ЗП(ст.)= 916 × 3 = 2 748 руб. (17)
Заработная плата научногоруководителя дипломной работы, консультантов и лаборанта определяется поформуле
/> (18)
где F – заработная плата за 1 час, руб.;
t – фактически отработанное время.
Таким образом, заработнаяплата руководителя дипломной работы равна
ЗП(рук.)= 55 × 21 = 1 155 руб.
Заработная платаконсультанта по экономике равна
ЗП(к.эк.) = 55 × 4 = 220 руб.
Заработная плата консультантапо ОБЖ равна
ЗП(к.ОБЖ) = 55 × 3 = 165 руб.
Заработная платалаборанта равна
ЗП(лаб.)= 12 × 10 = 120 руб.
Сводные данные позатратам на заработную плату приведены в таблице 36.
Таблица37. Сводные данные по заработной плате
№
п/п Исполнитель, должность Время, затраченное на работу, ч. Часовая тарифная ставка, руб. Сумма затрат на зарплату, руб. Дополни-тельная зарплата, руб. Отчисле-ния на социальные нужды, руб. 1 Студент 3 месяца – 2 748 – 714,48 2 Научный руководитель 21 55 1 155 138,6 336,3 3 Консультант по экономике 4 55 220 26,4 64,1 4 Консультант по ОБЖ 3 55 165 19,8 48,0 5 Лаборант 10 12 120 14,4 34,9 Итого: 4 408 199,2 1 197,78 Всего: 5 804,98
/>/>/>6.3.2 Затраты на сырье, материалы и реактивы
Затраты на сырьё,материалы и реактивы для исследования определяются по формуле
/> (19)
где /> – количествоматериалов в натуральном выражении;
/>– ценаматериала, руб.
Результаты расчёта затратна сырьё, материалы и реактивы приведены в таблице 37.
Таблица38. Расчетзатрат на сырье, материалы реактивы
№
п/п Наименование материальных ресурсов Цена, руб./ед.
Количество
используемых ресурсов, ед. Затраты, руб. 1 2 3 4 5 1 Сталь 4Х5МФ1С 65 0,8 52,00 2 Шлифовальная шкурка, пачка 20 1 20,00 3 Фильтровальная бумага, пачка 150 1 150,00 4 Азотная кислота, л 170 0,05 8,50 5 Этиловый спирт, л 35 0, 05 1,75 6 Дистиллированная вода, л 5,2 10 52,00 7 Пикриновая кислота, л 250 0,01 2,50 1 2 3 4 5 8 Алкил-сульфат натрия, кг 20 0,01 0,20 9 Треххлористое железо, л 120 0,01 1,20 10 Лимонная кислота, кг 120 0,005 0,6
Итого:
— 228,75
/>/>6.3.3Затраты на электроэнергию
Затраты на электроэнергиюопределяются по формуле
/>, (20)
где, /> – тариф на 1кВт ч,руб.;
/> – мощность i–гo вида прибора илиоборудования, кВт;
/> – времяиспользования i–гo вида прибора или оборудования, ч;
/>– количествооборудования, шт.
Величинасредней потребляемой мощности /> определяется по установленной мощности (по паспорту)и среднему коэффициенту загрузки по мощности по формуле
/>, (21)
где, /> – величинасредней потребляемой мощности, кВт;
/> –установленная мощность, кВт;
/> – среднийкоэффициент загрузки по мощности.
Цена электроэнергии 1 кВт∙ч= 1,36 руб.
Расчёт затрат наэлектроэнергию приведён в таблице 38.
Таблица19. Расчет энергетических затрат№ п/п Наименование прибора или оборудования Мощность электроприбора, кВт Коэффициент использования мощности Время использования, ч Количество электроэнергии, кВт∙ч Цена 1кВт∙ч, руб. Сумма затрат на электроэнергию, руб. 1 Полировальный станок 0,27 0,95 25 6,41 1,36 8,72 2 Вытяжной шкаф 0,20 10 1,90 2,58 3 Микротвердомер ПМТ-3 0,02 40 0,76 1,03 4 Микроскоп «EPIQUANT» 0,35 5 1,66 2,26 5 Микроскоп металлографи-ческий МИМ-2 0,35 15 4,99 6,78 6 Электронный микроскоп ЭМ-200 0,48 10 4,56 6,20 Итого: 27,57
/>/>6.3.4Затраты на воду для технических нужд
Расход воды дляпроведения исследования и технологических целей определён по ходу проведенияработы и составил 0,035 м3. Затраты на неё определяются исходя извеличины расхода за период исследования и цены за 1 м3 по формуле
/>, (22)
где /> – расход воды,м3;
/> – цена 1 м3 технической воды, руб.
Исследования проводились на территорииг. Липецка. Тариф на 1 м3 технической воды – 4,39 руб. Такимобразом, затраты на воду составили
/> руб.
/>/>6.3.5Затраты на амортизацию оборудования
Амортизационные отчисления рассчитываются от стоимостиприборов и оборудования. Данные затраты определяются по формуле
/> (23)
где /> – балансовая стоимостьприбора или оборудования, руб.;
/> – норма амортизации, %;
/> – время использованияоборудования в период исследования, ч;
/> – возможное число часовиспользования оборудования в течении года (при односменном режиме работы 2 100часов).
Расчёт затрат наамортизационные отчисления приведён в таблице 39.
Таблица40. Затраты на амортизацию№ п/п Наименование прибора или оборудования Стоимость оборудования, руб. Время исполь-зования, ч. Норма аморти-зации, % Сумма амортиза-ционных отчислений, руб. 1 Полировальный станок 500 25 8 0,5 2 Вытяжной шкаф 32 714 10 8 12,5 3 Микротвердомер ПМТ-3 99 300 40 8 151,3 4 Микроскоп «EPIQUANT» 30 479 5 20 14,5 5 Микроскоп металлографи-ческий МИМ-2 37 115 15 10 26,5 6 Электронный микроскоп ЭМ-200 1 500 000 10 20 1 428,6 Итого: 1 633,9
/>/>6.3.6Прочие расходы
Прочие расходы включают в себя затраты на содержаниеадминистраций, зданий, охрану труда, технику безопасности, содержаниебиблиотеки, общежития, освещение и т. д.
Величина прочих расходов вычисляется в процентах от затрат назаработную плату. Для ЛГТУ процент прочих затрат составляет 30%.
Таким образом, величина прочих расходов равна
5 804,93× 0,3 = 1 741,48 руб.
Таблица41. Сводная смета затрат
№
п/п Наименование затрат Сумма, руб. Процент к итогу 1 Зарплата с отчислениями во внебюджетные фонды 5 804,98 61,52 2 Затраты на сырьё и материалы 228,75 2,42 3 Затраты на электроэнергию 27,57 0,29 4 Затраты на воду 0,15 0,002 5 Амортизационные отчисления 1 633,90 17,30 6 Прочие расходы 1 741,48 18,46 Итого: 9 436,83 100,00
/>/>
6.4 Оценка экономическойэффективности результатов исследования
Сталь 4Х5МФ1С используется дляизготовления ножей для агрегатов резки на ОАО «НЛМК». Проведенные исследованияпоказали возможность экономии материала, идущего на изготовление инструмента,за счет уменьшения припуска на обезуглероживание.
При производстве одной единицы продукциидается припуск на обезуглероженный слой 0,7 мм. В данной работе было показано, что обезуглероживание при температурах закалки до 1 100оС непревышает 0,18 мм, т.е. объемную долю снимаемого материала можно уменьшить.
Ножи имеют следующие размеры:
Ø наружныйдиаметр D = 0,305 м;
Ø внутреннийдиаметр d = 0,165 м;
Ø толщинаh = 0,016 м.
Вес снимаемого при шлифовке материала
Н = π × ρ × к× (D2-d2)/2, (24)
где ρ – плотность стали, кг/м3;
к – толщина снятого слоя, м.
Н1 = 3,14 × 7800× 0,0007 × (0,3052-0,1652)/2 = 0,564 кг;
Н2 = 3,14 × 7800× 0,00018 × (0,3052-0,1652)/2 = 0,145 кг
Эффект, полученный за счет экономногоиспользования материальных ресурсов рассчитывается по формуле
Эм = (Н1-Н2)× Цм, (25)
где Н1, Н2 – нормырасхода материальных ресурсов по старой и новой технологии на единицувыпускаемой продукции;
Цм – цена ресурса, руб./ед.
Эм = (0,564-0,145) × 65= 27,24 руб/ед.
Таким образом, при производстве каждойединицы продукции затраты сократятся на 27,24 руб.
7. Безопасность проведения экспериментальных исследований
7.1 Общие мероприятия по безопасности жизнедеятельности
Все исследовательскиеработы, представленные в данном дипломе, проводились в металлографическихлабораториях. В связи с этим необходимо предусмотреть создание благоприятныхусловий для проведения экспериментов на рабочем месте.
Создание комфортныхметеоусловий. Микроклиматна рабочем месте в помещении лаборатории нормируется с учетом температурывоздуха, его относительной влажности и скорости движения. Основным показателемявляется температура; влажность и вентиляция – сопутствующие показателиусиливающие ее действие. Рекомендуется периодически корректировать параметрысистемы отопления с учетом времени года. Регулирование воздушной средыосуществляется с помощью вентиляции. Для уменьшения подвижности воздухаустраняются возможные причины возникновения сквозняков (открытые форточки,зазоры между рамами и др.).
Условия освещения. Для создания благоприятных условийтруда важное значение имеет рациональное освещение. Неудовлетворительноеосвещение затрудняет проведение работ, ведет к снижению производительноститруда и работоспособности глаз. Для создания естественной освещенности в зданиииспользуют световые проемы в стенах (окна). Электрическое освещение необходимодля проведения работ в темное время суток или в местах без достаточногоестественного освещения. В качестве искусственных источников светарекомендуется использовать лампы накаливания и люминесцентные лампы. Принимаемосвещение двух видов: рабочее (для проведения работ в обычных условиях) иаварийное (для временного продолжения работ или эвакуации работающих привнезапном отключении рабочего освещения). Аварийное освещение предусматриваетсяс независимым источником питания или автоматическом переключении на него приаварии.
Защита от шума. При проведении металлографическихисследований используется различное оборудование (шлифовальные и полировальныестанки, электронный микроскоп), эксплуатация которого сопровождается шумом. Шумвызывает изменения в нервной системе, оказывает влияние на психику человека,сердечно-сосудистую систему, ухудшает сон. Работа в условиях постоянного шумаможет вызвать головную боль, головокружение, ослабление внимания. Шум являетсяпричиной быстрого развития утомления и снижения работоспособности.Установленный в лаборатории уровень звукового давления при частоте 1 000Гц составляет 60 дБ – при шуме, возникающем внутри помещения, и 45 дБ – пришуме, проникающем извне. Для защиты от шумовых воздействий применяютзвукоизолирующие ограждения установок, которые отражают большую часть, падающейна них световой энергии. Например, станки располагаются в местах, отгороженныхглухими перегородками от остальной части лаборатории. Также для снижения шумаагрегатов используют звукоизолирующие кожухи, в которые заключают их шумящиеузлы. Люди, непосредственно работающие у станков, должны использовать специальныевкладыши, типа беруши.
Защита от вредныхвеществ и пыли. Припроведении исследовательских работ возникает потенциальная опасностьнежелательного действия на организм применяющихся в работе веществ. Всезагрязняющие воздух вещества оказывают вредное действие, если они попадают ворганизм в количествах, превышающих некоторую пороговую величину; но даже и вменьших количествах они вредны, если находятся в организме в необычныхконцентрациях или состояниях. Также при работе может возникнуть и непосредственныйконтакт с вредными веществами. При шлифовании и полировке образцов воздухзагрязняется металлической пылью. В связи с многокомпонентным составомисследуемой стали загрязнение воздуха может вызвать различные реакции. Рядметаллов (хром в данной стали) может привести к аллергическим заболеваниям –бронхиальная астма, поражения кожи, глаз, носа и др. Многие металлы, в томчисле, железо, ванадий, молибден, кремний, марганец, а также фосфор являютсябиологическими микроэлементами, находящимися в крови, печени, мышцах в оченьнебольших количествах (10-3–10-2%). Недостаток илиизбыток микроэлементов по сравнению с нормальным содержанием приводит кнарушениям тех или иных функций организма. Для предотвращения распространенияпыли исследовательская лаборатория располагается в отдельном помещении,изолированном дверью от соседних рабочих мест. Также предусмотрена регулярнаявлажная уборка для удаления осевших пылевых частиц. При проведении работвозникает необходимость в применении химических соединений различной опасности,в частности для травления образцов (треххлористое железо, пикриновая кислота).Для защиты от вредных испарений предусмотрена местная вытяжная вентиляция,предназначенная для удаления загрязненного воздуха непосредственно от источникаобразования выделений. Данный вид вентиляции представлен в лабораториях в видеукрытий и вытяжных шкафов. Для очистки воздуха от вредных выделений и продуктовдыхания людей предусмотрена общеобменная приточно-вытяжная вентиляция, воздухдля которой забирается из чистой зоны. Дополнительно используются средстваиндивидуальной защиты. Для защиты рук при работе с травителями применяюткислотоупорные перчатки, которые должны тесно прилегать к коже.
Защита отэлектрического тока.Причинами поражения электрическим током являются соприкосновение с открытымитоковедущими частями и проводами; прикосновение к токоведущим частям, изоляциякоторых повреждена; касание токоведущих частей через предметы с низкимсопротивлением изоляции; прикосновение к металлическим частям оборудования,случайно оказавшимся под напряжением. Опасность электрических поражений создаетработающее от сети оборудование, осветительные приборы и электрическаяпроводка. Воздействие электрического тока на организм может вызвать различныеэлектрические травмы (электрический ожог, металлизацию кожи, электрический знаки др.), поэтому предусматривают меры защиты от поражения электрическим током.Для сети общего освещения допускается напряжение не выше 220 В. Для защиты отприкосновения осуществляют недоступное расположение токоведущих частей (навысоте, под полом или скрыто в стенах). Незащищенные токоведущие части, ккоторым возможно прикосновение людей надежно ограждают. Применяемые провода икабели должны соответствовать условиям эксплуатации оборудования. Длявыключения сети при коротком замыкании используют быстродействующие релейнуюзащиту и выключатели, установочные автоматы и плавкие предохранители. Длязащиты работающего в случае прикосновения к металлическим частям электрическойустановки, случайно оказавшимся под напряжением, применяют защитное заземление.
Защита отэлектромагнитных излучений. Возникающие при использовании токов высокой частоты электромагнитныеполя различных частотных диапазонов представляют определенную профессиональнуювредность, поэтому необходимо применять меры защиты от их воздействия наорганизм. Надежным методом защиты является экранирование. Металлические частиустановок и систем водоохлаждения заземляют, чтобы не допустить поражениятоком. Провода, кабели и другие токоведущие части ограждают. Должна бытьисключена возможность их нагрева. Предусматривают устройства (рубильники,выключатели), обеспечивающие отключение от сети. Обязательна общая вентиляцияпомещений (с вытяжкой из верхней зоны помещения в рабочую зону). Помещения высокочастотныхустановок запрещается загромождать металлическими предметами. Должны бытьсоблюдены требования электробезопасности.
Защита от пожара. Пожары представляют значительнуюопасность, так как причиняют большие повреждения и материальный ущерб, поэтомупредотвращение пожаров является важной задачей. Для уменьшения опасностивозникновения и распространения пожаров большое значение имеет рациональноеустройство и расположение лабораторий и выходов из них. Обязательно наличиевентиляции, так как ее отсутствие может явиться причиной задымления помещений изатрудняет борьбу с пожаром. В вентиляционных устройствах не должнынакапливаться пыли; скорость движения воздуха должна быть такой, чтобывзвешенные в воздухе частицы не оседали. Обязательно наличие оповещающейпожарной сигнализации в здании. Каждая лаборатория должна быть оснащенаогнетушителем для устранения начинающегося пожара. В здании обеспечиваютвозможность быстрой безопасной эвакуации людей в случае возникновениявозгорания. Из коридора рекомендуется проектировать, как правило, не менее двухэвакуационных выходов. Пожарную опасность могут представлять электрическиеустройства в случае перегрузки или короткого замыкания. Для предотвращенияэтого необходимы: правильный монтаж и эксплуатация сетей и агрегатов,соблюдение правил их эксплуатации. [18]
7.2 Оценка естественной вентиляции лаборатории
Принцип действияобщеобменной вентиляции заключается в том, что с помощью вентиляционноговоздуха выделяющиеся в помещение вредности удаляются наружу. В соответствии сэтим принципом количество подаваемого в помещения воздуха (расчетныйвоздухообмен) должно обеспечивать разбавление выделяющихся вредностей додопустимых концентраций, а также поддержание допустимых метеорологическихпараметров воздушной среды на рабочих местах. Если характер и количествовредностей не поддаются учету, то вентиляционный воздухообмен определяют пократности воздухообмена, представляющей собой отношение объема вентиляционноговоздуха к внутреннему объему помещения. [19]
L = V × Kр, (26)
где L – необходимый воздухообмен, м3/ч;
V – объем помещения, V = 76,8 м3;
Кр – кратностьвоздухообмена, Кр = 3,5 ч-1. [20]
L = 76,8 × 3,5 = 268,8 м3/ч.
7.3 Оценка искусственного освещения в лаборатории
Искусственное освещениепредусматривается в помещениях, в которых недостаточно естественного света. Висследовательской лаборатории искусственное освещение осуществляется с помощьюлампы накаливания общего назначения с нормальной световой отдачей (по ГОСТ2239–60) типа НБ 220-75 мощностью 75 кВТ.
Для оценки искусственногоосвещения при известном типе, расположении и мощности светильника определимосвещенность точек горизонтальной рабочей поверхности Е.
/> (27)
где Iα – сила света, кд;
α – угол падениясвета, т.е. угол между лучом и нормалью к освещаемой поверхности α = 23о;
h – абсолютная величина нормали, т.е.расстояние от источника света до уровня расположения поверхности, h = 2,4 м.
Для ламп накаливания
/> (28)
где F – световой поток, F = 840 лм;
ω – телесный угол, вкотором распределено излучение, ω = 4π.
/>
/>
Фактическая величинаосвещенности равна 9,1 лк, что меньше нормируемой (200 лк [1]), т.е. качествоосвещения данным источником света не удовлетворяет требуемым условиям. Чтобынормализовать освещенность необходима установка дополнительных источниковсвета.
Количество лампнакаливания, необходимое для создания освещенности 200 лк определим по формуле
/> (29)
где Е – минимальнаяосвещенность, Е = 200 лк;
S – площадь помещения, S = 24 м2;
к – коэффициент запаса, к= 1,3;
F- световой поток от одной лампы, F = 840 лм;
η – коэффициентиспользования светового потока, η = 58%.
/>
Принимаем количество лампнакаливания для создания требуемой освещенности – 13 единиц.
Библиографический список
1. Геллер,Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер. – М.: Металлургия, 1968. – 568 с.
2. Геллер, Ю.А., Рахштадт, А.Г. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. – М.: Металлургия, 1975. – 448 с.
3. Гуляев,А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986.– 542 с.
4. Позняк, Л.А., Скрынченко, С.И. Штамповые стали / Л.А.Позняк, С. И. Скрынченко. – М.: Металлургия, 1980. – 244 с.
5. Артингер, И. Инструментальные стали и их термическаяобработка / И. Артингер. – М.: Металлургия, 1982. – 312 с.
6. Металловедение и термическая обработка стали: справочник.Т. 1. Методы испытаний и исследования / под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г.Рахштадта. – М.: Металлургия, 1983. – 367 с.
7. Торопцева, Е.Л. Методические указания по курсу «Теориятермической обработки металлов» / Е.Л.Торопцева, В.И. Захаренкова. – Липецк:ЛГТУ, 2003. – 32 с.
8. Гвоздев, А.Г. Лабораторный практикум по материаловедению:учеб. пособие / А.Г. Гвоздев. – Липецк: ЛГТУ, 2002. – 82 с.
9. ГОСТ 5950–2000. Прутки, полосы и мотки из инструментальнойлегированной стали.
10. Шиммель, Г. Методика электронной микроскопии / Г.Шиммель. – М.: Металлургия, 1991. – 295 с.
11. Лившиц, Б.Г. Металлография: учеб. пособие для вузов /Б.Г. Лившиц. – М.: Металлургия, 1990. – 236 с.
12. ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости поРоквеллу.
13. ГОСТ 1763–68. Сталь. Методы определения глубиныобезуглероженного слоя.
14. ГОСТ 5639–82. Стали и сплавы. Методы выявления иопределения величины зерна.
15. Brenscheidt, F. The influence of ion energy on thewear behaviour of titanium-implanted silicon nitride ceramics / F. Brenscheidt,W. Fischer, W. Matz, E. Wieser // Surface and coatings technology. – 1996. –№83. – с. 317 – 321.
16. Манюгин, А.П. Методические указания к выполнениюэкономической и организационной части дипломной работы исследовательскогохарактера / А.П. Манюгин, О.В.Лосева. – Липецк: ЛГТУ, 2002. – 33 с.
17. Богомолова Е.В. Методические указания к выполнениюэкономической и организационной части дипломной работы исследовательскогохарактера / Е.В. Богомолова, Л.К. Михайловская. – Липецк: ЛГТУ, 2000. – 12 с.
18. Злобинский, Б.М. Охрана труда в металлургии / Б.М.Злобинский. – М.: Металлургия, 1975. – 536 с.
19. Гусев, В.М. Теплотехника, отопление, вентиляция икондиционирование воздуха: учебник для вузов / В.М. Гусев, Н.И. Ковалев, В.П.Попов, В.А. Порошков. – Л.: Стройиздат, 1981. – 343 с.
20. Ананьев, В.А. Системы вентиляции и кондиционирования.Теория и практика / Ананьев В.А., Балуева Л.Н. – Евроклимат, 2003. – 416 с.