ВВЕДЕНИЕ .
Метчик - инструмент для нарезания внутренней резьбы - цилиндрический валик с режущими кромками на конце . Различают ручные и машинные метчики .
Плашка (круглая нарезная) - инструмент для нарезания (накатывания) наружной резьбы вручную или на станках . Нарезные плашки бывают круглые (лерки) , раздвижные (призматические) . Накатные плашки состоят из 2-х прямоугольных призм или роликов , рабочие части которых имеют профиль , противоположный профилю резьбы[1] .
В зависимости от области применения , метчики и плашки изготавливают из инструментальной углеродистой и быстрорежущей стали . Для изготовления ручных метчиков и плашек обычно применяют углеродистую (легированную) инструментальную сталь .
Метчики и плашки ручные применяют для нарезания внутренней и внешней резьбы вручную , поэтому принимаем скорость резания незначительно малой . При малых скоростях резания не происходит перегрев режущего инструмента , что очень существенно при выборе марки стали .
Требования , предъявляемые к материалам изделий : высокая твёрдость , износостойкость, прочность .
Для изготовления вышеперечисленных изделий предлагается сталь У10 - инструментальная углеродистая высокопрочная нетеплостойкая небольшой прокаливаемости .
Общие сведения об инструментальных сталях .
Инструментальными называются углеродистые и легированные стали высокой твёрдости ( примерно 60-65 HRc ) в режущей кромке , значительно повышающей твёрдость обрабатываемого материла , а так же высокой прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и износостойкостью , необходимой для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании . Именно благодаря этим свойствам , стали этого класса используются при изготовления различного инструмента . Чаще всего инструментальные - это заэвтектоидные или ледебуритные стали , со структурой после закалки и низкого отпуска - мартенсит и избыточные карбиды .
Все инструментальные стали подразделяются на три группы :
1. нетеплостойкие ( углеродистые и легированные с содержанием легирующих элементов до 3-4 % ) .
2. полутеплостойкие до 400-500°С , с содержанием углерода до 6-7 % , а хрома около 4-18 % .
3. теплостойкие до 550-650°С . Это в основном высоколегированные стали ледебуритного класса , содержащие Cr , W , V , Mo , Co . Их ещё называют быстрорежущими .
Одной из важнейших характеристик инструментальных сталей является прокаливаемость . Из всех инструментальных сталей высокой прокаливаемостью обладают только высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали . Инструментальные стали , которые не обладают теплостойкостью , делят на две группы :
1. стали небольшой прокаливаемости ( углеродистые ) .
2. стали повышенной прокаливаемости ( легированные ) .
Маркируются инструментальные углеродистые стали буквой “У” , следующая за буквой цифра обозначает среднее содержание углерода в десятых долях процента .
Сталь У10 . Характеристики , структура , термообработка .
Предложенная для изготовления метчиков и плашек сталь У10 относится к углеродистым сталям небольшой прокаливаемости , необладающим теплостойкостью . Углеродистые инструментальные стали этого класса имеют небольшую прокаливаемость вследствие неустойчивости переохлаждённого аустенита . Именно поэтому эти стали применяют для изготовления инструментов небольших размеров .
Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента , только тогда , когда процесс резанья происходит при малых скоростях . Это обусловлено тем , что их высокая твёрдость сильно снижается при нагреве выше температуры 190-200°С .
Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого перлита, при этом твёрдость их не превышает 170-180 НВ . В этом состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием . Температура закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1 - 760-780°С , но ниже , чем Аст для того , чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита[2] .
Нетеплостойкие стали высокой твёрдости :
Марка ст.
C
Mn
Si
Cr
Назначение
У10,У10А
0,96-1,03
0,17-0,33
0,17-0,33
Штампы высадочные и вытяжные ,
У11А , У11
1,06-1,13
0,17-0,33
0,17-0,33
напильники , метчики для резания
У12А , У12
1,16-1,23
0,17-0,33
0,17-0,33
мягких металлов
У13А , У13
1,26-1,4
0,3-0,6
0,15-0,35
0,4-0,7
Закалка и отпуск У10 .
По данным Лахтина Ю. М. “Металловедение” , мелкий инструмент , такой , например , каким являются метчики и плашки , из стали У10 закаливают в воде или в водных растворах солей , а охлаждают в горячих средах , то есть применяется ступенчатая закалка .
Отпуск проводят при 150-170°С для сохранения высокой твёрдости ( 62-63 HRc).
Общие сведения о ступенчатой закалке:
При ступенчатой закалке изделие охлаждают в закалочной среде , температура которой выше , чем мартенситная точка данной стали . Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивают передачу температуры закалочной ванны во все точки сечения закаливаемого изделия . После этого следует окончательное медленное охлаждение . Именно во время этого охлаждения и происходит закалка - аустенит превращается в мартенсит .
При термической обработке углеродистых инструментальных сталей (точка М=200-250°) температуру ступеньки выбирают около 250°С (для смесей азотнокислых солей ) , 120-150°С - для щёлочи или смеси азотнокислых солей , и около 100°С - для 50 % раствора NaOH в воде[3] .
По данным Гуляева А. П. “Термическая обработка стали” принимаем для стали У10 : ступенчатая закалка в соляной ванне с температурой 160-170°С (KOH+NaOH) с добавкой воды около 3-5 %. Эти цифры соответствуют закалке деталей из углеродистой инструментальной стали диаметром 10-15 мм , которые вполне удовлетворяют требованиям , предъявляемым к назначенным деталям . В том случае , если деталь превышает допустимые значения ступенчатой закалки , вполне может быть применена закалка с “подстуживанием” ( закалка в воде с предварительным недолгим охлаждением на воздухе , Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” . ) . Так как предельные размеры назначенных деталей не заданы , то расчёт проводим с тем условием , что они не выходят за пределы 10-15 мм , и основным способом закалки изделий остаётся первый .
Значения закалки , нагрева и отпуска для изделий из стали У10 : (нагрев- 760-780°С)
Твёрд. в исх. сост.
Закалка , °С
Охл. Среда
Отпуск , °С
Получ. твёрд .
170-180 НВ
160-170
KOH+NaOH+H2O(4%)
150-170
62-63 HRc
Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали .
Величина
До термообработ.
После термообраб.
Твёрдость
170-180 НВ
62-63 HRc
Структура
зернистый перлит
мартенсит и карб .
Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У10.
В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру зернистого перлита ( Fea+Fe3C ). При нагреве её до температуры 760-780°С получаем структуру аустенита и цементита первичного ( Feg+Fe3C ) . Происходит перестройка кристаллической решётки железа - кубическая объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную .
- атом углерода . - атом железа .
Рис.1 с
с
а
а
с/a > 1
О. Ц. К. (Fea) a=2,8 A° (с/а=1) Г. Ц. К. (Feg) a=3,6 A° О. Ц. К. тетрагональная
При переохлаждении аустенита Г. Ц. К. решётка становится неустойчивой . Несмотря на то , что скорость диффузии при низких температурах мала , происходит
обратное перестроение кристаллической решётки без выделения углерода (бездиффузионный процесс) . То есть процесс , показанный на рис. 1 идёт в обратном направлении : Г. Ц. К. О. Ц. К. ( большая степень тетрагональности ).
При малых температурах скорость диффузии мала , следовательно превращение идёт очень быстро . Атом углерода не может выйти из кристаллической решётки и вытягивает её в объёмноцентрированную .
Feg(C) Fea(C) ( Ау М)
Так как процесс бездиффузионный , концентрация углерода в мартенсите будет такая же , как и в аустените .
Процесс кинетикоматренситного превращения протекает не до конца. При фактическом окончании процесса ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита ( Аост.) . Остаточный аустенит снижает твёрдость стали[4] .
Рис. 2
Аат Аост. На температуру начала и конца мартенситного превращения влияет состав стали , в частности содержание углерода.
Мн 20°С Мк
T,°C Рис. 3
C увеличением концентрации углерода температура начала мартенситного превращения понижается , а температура конца мартенситного превращения при концентрации углерода более 0,4 % переходит в Мн область отрицательных температур .
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 %C
Мк
Бездиффузионное мартенситное превращение.
Т,°С Рис. 4 Vкр. =( А1 - tm )/tm
A1 - 727°C
tm - температура у изгиба С-образной кривой tm - время
Vкр. lg(t)
Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :
1. превращение происходит в интервале температур Мн - Мк .
2. превращение протекает путём образования всё новых и новых кристаллов мартенсита , а не роста ранее образовавшихся .
Рис. 5
Зерно аустенита :
1. до нагрева ,
2. после нагрева.
1.) А 2.) М + А
Игла мартенсита сжимает зёрна аустенита .
3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур .
4.) превращение протекает не до конца . При фактическом завершении превращения ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита .
Тетрагональность мартенсита объясняется наличием в кристаллической решётке углерода , она прямопропорциональна содержанию углерода .
При выбранном режиме закалки ( нагрев до 760°С с последующим ступенчатым охлаждением ( 160°С ) в соляной ванне KOH+NaOH+H2O(3-5 %) ) получаем структуру мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды (М+Аост.+Fe3C ) , твёрдость изделия - (56)[5] - 62 HRc .
* Прим.: при данном режиме закалки значительно увеличивается твёрдость и прочность изделия в результате изменения структуры материала ( стали У10 ) , хотя остаточный аустенит твёрдость снижает .
Необходимо добавить так же , что при нагреве под закалку на 760°С и выше в изделиях из стали У10 появляются трещины при закалке в воде . Ступенчатая закалка значительно уберегает изделия от появления трещин . Это связано с тем , что более медленное охлаждение при ступенчатой закалке значительно расширяет безопасный интервал температур нагрева под закалку[6] .
T, °C
840
810
780
750
HRc Рис. 6
65 60 55 80 70 60 50 40 30 20
Твёрдость , HRc Образцы с трещинами , %
Ещё один плюс в пользу ступенчатой закалки в водном растворе солей - это то , что при закалке в масле изделие не будет иметь необходимую твёрдость , а лишь только закалка в масле может ещё заменить ступенчатую закалку без потерь на качестве изделий и потерь на браке ( образование трещин при закалке ) . Поэтому окончательно предлагается ступенчатая закалка в водном растворе солей с указанными выше параметрами .
Общие сведения о процессах , происходящих при отпуске стали У10.
В закалённой стали тетрагональность мартенсита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость , поэтому после закалки необходимо применить отпуск.
Операция отпуска заключается в нагреве закалённой стали ниже точки Ас1 , выдержке её при заданной температуре с последующим охлаждением в воде или на воздухе . Целью отпуска является снятие внутренних напряжений после закалки и получение требуемых механических свойств .
Отпуск делится на три вида :
1. нагрев до 200°С - низкий отпуск - применяется для снятия внутренних напряжений ( структура : мартенсит отпущенный ) .
2. нагрев на 350°- 500°С - средний отпуск - повышает пластичность ( структура : мелкозернистая ферритно-цементитная смесь - троостит ) .
3. нагрев >500°С - высокий отпуск - возрастает удельная вязкость , следовательно падает прочность .
После закалки имеем структуру М + Аост. . После отпуска получаем структуру с наибольшим удельным объёмом мартенсита и наименьшим удельным объёмом аустенита остаточного .
Очевидно , что в результате изменения удельного объёма ведёт к удлинению образца . Нагрев способствует выделению углерода из исходной структуры в виде карбидной фазы Fe2C - e-карбида , имеющего гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие этого концентрация углерода в начальной структуре начинает уменьшаться , а степень тетрагональности стремиться к единице .
e-карбид - это гетерогенная смесь Fea и необособившихся частиц карбидов . Всё это вместе составляет когерентно связанную кристаллическую решётку .
Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180°С с последующим охлаждением в воде - низкий отпуск (Лахтин Ю. М. “Материаловедение”). Низкий отпуск наряду с увеличением твёрдости , избавляет изделие от внутренних напряжений закалки , что необходимо в данном случае для повышения износостойкости изделия .
При нагреве до 200°С происходит первое превращение при отпуске - мартенсит закалочный превращается в мартенсит отпущенный .
Для плашек из стали У10 картина с отпуском обстоит несколько иначе . По специфике своего применения , плашки , наряду с высокой твёрдостью и износостойкостью , должны обладать немного большей пластичностью , чем метчики . Это обусловлено тем , что плашки применяются для наружной нарезки резьбы и при излишней твёрдости могут “крошить” поверхность заготовки . Поэтому для плашек рекомендуется применять отпуск при температуре 220°-240°С[7] - более высокой температуре , чем отпуск для метчиков . Полученная в результате отпуска твёрдость изделия будет равной 59-60 HRc .
Окончательно принимаем для плашек из стали У10 низкий отпуск при 230°С со структурой после отпуска - мартенсит отпущенный .
ВЫВОДЫ из проделанной работы .
В результате назначенной термообработки - ступенчатая закалка при 170°С в соляной ванне с последующим отпуском при 180°С ( 230°С для плашек ) и охлаждении изделия в воде - достигнуты следующие результаты :
1. твёрдость после термообработки - 62-63 HRc.(59-61 HRc для плашек )
2. увеличение прочности и износостойкости .
3. структура из зернистого перлита трансформировалась в мартенсит отпущенный .
Вывод : изделия из стали У10 , прошедшие термообработку , полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям ( высокая твёрдость , износостойкость , прочность ) .
Возможная замена : сталь У9 так же относится к классу инструментальных сталей . Её состав и микроструктура схожи с составом и микроструктурой стали У10, при назначенной термообработке её твёрдость окажется равной 62 HRc , к тому же прочность и износостойкость увеличатся , образование трещин при закалке незначительно ( по сравнению со сталью У10 при предлагаемом режиме термообработки ) . Следовательно , при изготовлении метчиков и плашек для ручной резки возможна замена стали У10 на сталь У9 без потерь на качестве изделий .
Название изделия
Материал
Режим закалки
Режим отпуска
Получ твёрдость
Метчик
У10
нагр. до 760°С с послед.
180°С , в воде
62-63 HRc
Плашка
У10
зак. в NaOH+KOH (160°C)
230°C , в воде
59-61 HRc
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .
1. Геллер Ю. А. “Материаловедение”.
2. Гуляев А. П. “Металловедение” .
3. Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” .
4. Лахтин Ю. М. “Материаловедение” .
[1] Данные : “Советский энциклопедический словарь” .
[2] По данным Лахтина Ю. М. “Материаловедение” .
[3] Гуляев А. П. “ Термическая обработка стали ”.
[4] Материал подобран на основе лекций .
[5] Поданным лабораторной работы №7.
[6] Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” .
[7] По данным А. П. Гуляев “Металловедение” .