1. Общая характеристикаизделия
1.1 Анализ служебногоназначения изделия
Резец является наиболеераспространенным инструментом. Его применяют при работе на токарном,револьверном, карусельном, расточных станках.
Резец из быстрорежущейстали применяют для обработки конструкционных сталей.
1.2 Анализтехнологических свойств материала
Сталь Р6М5 — этовольфрамомолибденовая сталь с содержанием вольфрама 6%. Она обладает хорошейзакаливаемостью и прокаливаемостью, хорошо обрабатывается давлением, достаточнохорошо резанием из-за сравнительно невысокой твердости в отожженном состояниеНВ не более 255.
Р6М5 предназначена для всех видоврежущих инструментов при обработке на обычных скоростях резания углеродистых исреднелегированных конструкционных сталей.
1.3 Анализ химическогосостава материала
Химический составбыстрорежущих сталей соответствует ГОСТ 19265-73.С Si Mn Cr W V Mo Другие элементы 0,80-0,90 Таблица 1. Химическийсостав Р6М5. Высокая твердость и износостойкость определяется содержаниемуглерода и мало зависит от степени легирования стали с содержанием углерода0,80 — 0,90 являются заэвтектойдными сталями, имеет после закалки твердость HRC63 — 65
Основная задачалегирования — повышение закаливаемости и прокаливаемости. Кроме тоголегирование позволяет сохранить мелкое зерно и высокую прочность и вязкость.
При легировании вструктуре быстрорежущей стали находятся: растворимые и нерастворимые, принагреве под закалку карбиды. Нерастворимые карбиды — это карбиды первичные.
Первичные карбидыполностью не растворяются и задерживают рост зерна аустенита при нагреве. Ониобеспечивают также и отрицательное свойство — карбидная неоднородность, азначит понижение твердости стали.
Вторичные карбиды обеспечиваютповышенную твердость стали, в том числе за счет дисперсионного твердения приотпуске, они же обеспечивают теплостойкость стали за счет растворения принагреве под закалку, обеспечивая таким образом высоколегированный мартенсит.
Основным легирующим элементомбыстрорежущих сталей является вольфрам. Он необходим для получения основногокарбида Ме6С. Повышение содержание вольфрама повышает температурузакалки, твердость, прокаливаемость, увеличивает устойчивость против нагрева,повышает температуру интенсивного роста зерна.
Хром вводят дляобразования основного карбида Ме23С6, который при растворение обогащает твердыйраствор элементами, к тому же без хрома карбид ванадия Ме6С не будетрастворятся при закалки. Хром обеспечивает так же прокаливаемость стали. Носодержание ограничено 3,8 — 4,4%, т.к. он увеличивает количество остаточногоаустенита, что приводит к снижению теплостойкости.
Ванадий вводят дляобразование особо твердого и плохо растворимого карбида МеС. Повышенноесодержание ванадия вводится для повышения износостойкости. Поскольку частьванадия, вводимого в сталь, расходуется на насыщение карбидов Ме2зС6, тообразующегося одновременно карбида МеС несколько меньше. При недостаточномсодержании углерода уменьшается количество карбидов Ме2зС6 и Ме6С, насыщающихтвердый раствор, и в структуре даже при высоком нагреве для закалки сохраняетсяизбыточный феррит. Ванадий почти не участвует в образование скелетообразной ивеерообразной эвтектике и присутствует в карбиде МеС, выделяющийсяизолированных включений. Вследствие этого даже при повышенном содержанииуглерода мало ухудшает карбидную неоднородность.
Кремний присутствует ва — растворе и искажает его решетку, снижает прочность и вязкость и, кроме того,усиливает обезуглероживание.
Молибден увеличиваетвязкость на 15 — 20% и прочность на 5 — 8%, не уменьшает теплостойкость.
Таким образом, сталь Р6М5 относится ксталям умеренной теплостойкости.
2. Проектирование технологическогопроцесса предварительной термической обработки
2.1 Определениеструктуры технологического процесса термической обработки
Сталь Р6М5 являетсясталью ледобуритного класса, т.е. содержит в литом состоянии карбиднуюэвтектику, в состав которой входят карбиды Ме6С, МеС, Ме23С6. Эвтектиказначительно снижает механические свойства, поэтому перед отжигом ее обязательнокуют. Благодаря этому технологическому приему, карбиды дробятся иравномернее распределяются в структуре. Но даже после больших степенейдеформации карбидная неоднородность сохраняется, что является недостаткомбыстрорежущих сталей.
После ковки заготовкуподвергаем отжигу. Отжиг проводится в целях получения оптимальной твердости,обеспечивающей хорошую обрабатываемость резанием. Такимобразом предварительная т.о. проводится с целью получения оптимальной структурыи свойств стали в исходном состоянии.
2.2 Проектированиеотдельных операций
Ковка применяется дляулучшения структуры инструментальных сталей, а также для придания требуемойформы заготовкам инструмента. Чтобы обеспечить высокое качество инструмента,следует нагревать заготовки перед ковкой по описанному режиму, т.к. ковка сталиявляется ответственной операцией. При недостаточной поковке возникает карбиднаяликвация — местное скопление карбидов в виде участков не разрушенной карбиднойэвтектики.
Предварительный нагревзаготовок. Заготовки загружаются в печь с температурой 450 — 500 С иподогреваются до 850 — 870 С и скоростью 100 С/ч. Выдержка при: этойтемпературе составляет 1/ 3 времени нагрева. При установке температуры началаковки (1180 -1140 С) стремится обеспечить достаточно низкую температуру концаковки (850 — 840 С).
Сталь Р6М5 рекомендуютковать ниже линии Аст, заканчивать ковку следует при температуре на 30 — 50 Свыше Aсl.Для легированных сталей начало превращений γ — раствора в α-растворапри охлаждение не совпадает, вследствие Гистерезиса, с превращением дляуглеродистой стали соответствующего состава, а всегда будет ниже.
Деформировать такуюсталь в двухфазовом состоянии было бы нецелесообразно, т.к. пришлось бызатягивать до 600 С.
Требование строгособлюдать начальную и конечную температуру ковки вызвано тем, что в процессековки пластическая деформация при ударе должны чередоваться с возвратомпластических свойств металла в промежутке времени между ударами.
В случае осуществленияковки при температуре ниже ковочного интервала, пластические свойства металлане возвращаются, в следствии в материале возникают упругиедеформации,превышающие предел прочности и приводящие к возникновению трещин,
Ковка при температуревыше ковочного интервала ведёт либо к перегреву материала, сопровождающимисязначительным укрупнением зерна и падением пластических свойств, особенноударной вязкости, либо к пережогу металла в результате нагрева притемпературах, близких к точке начала плавления, вследствие чего по границамзёрен наблюдается оплавление основного металла и эвтектики, приводящее к потересвязей между зернами.
Для качественнойпроковки заготовок следует выбирать нагревательные средства, обеспечивающиеподдержания равномерного нагрева до температур начало и конца ковки.Окончательный нагрев.
После предварительногонагреве в первой печи, заготовки переносят во вторую печь дляокончательного нагрева до температуры начало поковки.
Выдержка притемпературе окончательного нагрева дается из расчета 30 мин на каждые 25 ммсечения заготовки.
Во время нагревазаготовку кантовать не менее двух раз.
Ковка заготовок должнапроизводиться путем многократной обратной вытяжки, причем деформация должнапроисходить по всему сечению заготовки, а не ограничиваться лишь ееповерхностью.
Во избежание трещинзаготовки непосредственно после ее ковки следует подвергать специальномуохлаждению в печи с температурой 750 — 800 С. После выравнивания температурвыдержка заготовок в печи должна быть не менее 3 часов. После выдержкизаготовки переносят в печь для нагрева до температуры 840 — 860 С.
После ковки твердость HRC53 — 56. Для предварительного нагрева используется печь ПН -12. Это наиболеепростая и надежная, по способу герметизации, камерная электропечь с подвижнымсводом.
Окончательный нагревбудем производить в камерной Г — 30 о высокотемпературной защитной атмосферой.
Максимальная рабочаятемпература печи ПН — 12 — 950. С, Г-30-1300. С, Непосредственноеохлаждение после ковки будем производить в колодцах при 750 — 800 С
Отжиг
Задача отжига — перекристаллизация для измельчения зерна и получения структуры зернистогоперлита, Эта структура обеспечивает низкую твердость, хорошую обрабатываемостьрезанием и лучшие свойства при последующей закалки
Отжиг инструмента избыстрорежущей стали производиться в печах с защитной атмосферы, а в случаяхотсутствия последней можно применять упаковку в ящики со свежей чугуннойстружкой.
Стружка из серогочугуна должна быть предварительно просеяна т.к. наличие мелких выпавших частицграфита может способствовать науглероживанию отожжённого инструмента. Старая,использованная стружка; ржавая, сырая и загрязненная другими металлами может,наоборот, вызвать обезуглероживание, вследствие чего применение ее нерекомендуется.
Сталь Р6М5 заэвтектойднаяи для получения в ее структуре и для получения в ее структуре зернистогоперлита лучше всего использовать изотермический отжиг. Заготовка загружается впечь и нагревается до температуры отжига берется из расчета 60 мин на каждые 25мм расчетной толщины заготовки. Выдерживается 1-2 часа. Затем охлаждается спечью до температуры изотермической выдержки 840 — 860 С и выдерживается 3-4часа Далее охлаждение с печью до температуры ~ 600 С, с последующим охлаждениемна воздухе. Скорость охлаждения во время отжига 50 С/час. Время выдержки послепрогрева заготовок 2 — 3 часа.
После отжига твердостьстали становится равной НВ 269, что повышает обрабатываемость её резанием.Структура стали после отжига Пс + K1+ К2 оптимально для последующей качественной закалки.
Так какпредпочтительнее является отжига в защитной атмосфере (предохраняющийповерхность от окаленообразования и обезуглероживания, а также сокращающийдлительность процесса, поскольку заготовку нагревают в открытом виде) будемпроводить его в камерной электропечи, с защитной атмосферой, типа НЗО х 65, смаксимальной рабочей температурой 950 С. В качестве защитной атмосферыиспользуют ГШОО (СО — H2-N2),
2.3 Выбор приспособленийдля выполнения термической обработки
Наличие соответствующейоснастки для основных и промежуточных операций предварительной т.о.способствует повышению технологического процесса, повышает качествообрабатываемого инструмента, улучшает условия труда рабочих.
В качествеприспособлений используем: клещи с плоскими губками, верхонки.
2.4 Выборвспомогательных операций
1. Предварительнаяпромывка инструмента от солей и масла производится в моечной машине. В этоймашине инструмент подвергается химическому и механическому воздействию горячегощелочного раствора. Состав приготовлен из жидкого стекла каустической соды.Общая щелочность раствора должна составлять 0,38 — 0,41 NaOH.
2. Кипячение вподсоленной воде (в кипящем 2% растворе соляной кислоты) осуществляется передтравлением для сокращением распада кислоты и времени травлением. Кипячениепроизводится в течение 5-10 мин и имеет целью растворить соли, оставшиеся наповерхности инструмента после нагрева в солях, а также разрыхлить окалину.
3. Травлениепредназначается для окончательного снятия окалины, разрушения и удалениеоставшейся после предварительного кипячения хлористых солей. Травлениепроизводится в растворе 2ч технической соляной кислоты Л ч воды, 0,5% присадки,и КС. Продолжительность травления 3-5 мин при 18 — 20 С ( в зависимости от слояи толщины окалины),
4. Повторная промывкаприменяется для полного удаления кислоты и грязи образовавшихся на заготовкипри травлении осуществляется в проточной воде. Промывка сопровождаетсямногократным встряхиванием.
5. Кипячение в 2%содовом растворе производится для полной нейтрализации кислоты в течение 10 мин
6. Пассивирование осуществляется длятого, чтобы предохранить изделие от коррозии. Оно происходит в горячем водяномрастворе, содержащим 25% NaN02Выдержка в ванне 3 -5 мин., после такой многократной обработки изделие получается чистым и защищеннымот последующей коррозии. Данные операции после отжига, в полном объеме могут неиспользоваться.
2.5 Выбор и обоснованиетребуемых операций для контроля качества термической обработки
Результатомпредварительной т.о, оценивается по твердости и микроструктуре. Микроструктурупри отжиге контролируют на зернистый перлит.
Параметры контролируемыеу быстрорежущих сталей после отжига: химический состав, размер заготовки всостояние поставки, микроструктура по ГОСТ 10243-75, твердость в отожженномсостоянии по ГОСТ 9012-59, не ниже НВ 255, глубина обезуглероженного слоя 0,5-1% от d.
2.6 Анализ возможныхдефектов термической обработки и способы их устранения
Окисление иобезуглероживание — дефекты, которые являются результатом химической реакции,проходящие при нагреве стали между поверхностным слоем металла и кислородом.Эти процессы оказывают отрицательное влияние на конструктивную прочностьизделий, приводящие к потерям металла на удар, обуславливают необходимостьувеличение припусков для последующей механической обработки.
Окисление определяютнепосредственным осмотром заготовки, а обезуглероживание контролем на прочностьпри металлографическом исследовании.
При глубинепроникновения, больше чем припуск на шлифования, брак неисправный. Дляпредупреждения следует вести нагрев в защитной атмосфере, а при отсутствиитаковой — в ящиках с чугунной стружкой, древесным углем с 5%кальцинированной соды, пережженном асбестом, белым песком и т.п. В соляныеванные для сохранения от обезуглероживания добавляют молотый фурросилицин вколичестве 0,5 — 1 % от веса соли или буру, борную кислоту, желтую кровяную соль.
Контроль твердости обычнопроизводится с помощью ЦБМ для отожженных изделий.
Нафталинистый излом — характеризуется своеобразным видом излома, что является следствием разрушенияпо кристаллографическими плоскостям; сопровождается значительным снижениемпрочностных свойств и особенно ударной вязкости, вызывается окончанием горячейклассической обработки при излишне высокой температуре (выше 1180 С ), еслистепень деформации при последующем отжиге была небольшой и если последующийотжиг выполнен недостаточно точно и не обеспечивает необходимого значениятвердости (НВ 255 — 269), выполняем повторную закалку без промежуточногоотжига. Устранение нафталинного излома и восстановление механических свойствможно многократным отпуском.
3. Проектированиетехнологического процесса упрочняющей термической обработки
3.1 Определениеструктуры технологического процесса термической обработки
Упрочняющая т.о. быстрорежущейсталь специфична. Она заключается высокотемпературном нагреве под закалку ипоследующем трехкратным температурный отпуск, по 1 часу каждый. Температуразакалки — 1280 — 1290 С, а температура 580 -600 С.
3.2 Проектированиеотдельных операций термической обработки
Закалка — процесс термическойобработки, обуславливающий получение неравновесных структур превращения илираспада аустенита при резком его переохлаждении со скоростью выше критической.Конечный результат процесса закалки зависит от скорости охлаждения итемпературы конца мартенситного превращения. Чем выше температура нагрева, темвыше легированность твердого раствора за счет растворение вторичных карбидов, аследовательно, выше теплостойкость и вторичная твердость. НО с другой стороны,интенсивность растворения большого карбидов при нагреве выше определенныхтемператур вызывает интенсивность роста зерна аустенита, а значит, снижаетпрочность и ударную вязкость.
При назначениетемпературы закалки учитывается условия эксплуатации инструмента. Дляинструмента работающего о высокими ударными нагрузками температуру закалкииногда понижают с целью повышения прочности и закаливают на более мелкое зерно11 балла. Для инструмента, работающего в особо тяжелом температурном режиметемпературу закалки повышают относительно оптимальной, проводя обработку намаксимальную теплостойкость.
Для стали Р6М5 режимзакалки заключается в высокотемпературной ступенчатой закалке.
Первый подогревпроводят при температуре 400 — 500. С, с предварительным погружением на 15 — 20сек. в пересыщенный раствор буры, второй подогрев будем проводить притемпературе 830-860 С.
Ступенчатый подогревпод закалку будем производить в соленых ваннах, которые широко используются,т, к. имеют следующий ряд преимуществ: высокой интенсивностью и равномерностьюнагрева, возможность осуществления местного нагрева, предотвращение окисления иобезуглероживания. защита инструмента, от воздействия кислорода.
При нагреве будемиспользовать наиболее распространенную соль БМЗБ, в состав которой входит;9б,9% ВаС12+ 3% МgF2, 0,1% В.
Условия охлаждения призакалки должны обеспечить сохранение высокой концентрации углерода, а длялегированных и быстрорежущих сталей сведение до минимума закалочной деформациии отсутствие трещин. Сталь Р18Ф2 будем охлаждать в масле.
Отпуск
Отпуск — процесс т.о.,обусловливающий превращение неустойчивых структур закаленного состояния в болееустойчивые, Отпуск осуществляется путем нагрева до температуры ниже интервалапревращений, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения.
Отпуск быстрорежущей стали долженобеспечивать более полное превращения остаточного аустенита, что достигаетсяприменением многократного отпуска с охлаждением 20 — 40С.
Температура отпуска,продолжительность и число отпусков определяются химическим составом и выбраннымусловием проведения этой операции. Отпуск обеспечивает одновременно высокую твердостьи теплостойкость. Основная цель отпуска заключается в дисперсном твердение.
В процессе отпуска,происходит выделение из твердого раствора дисперсных карбидов. И превращениеостаточного аустенита в мартенсит. Остаточный аустенит объединяется при нагревес легирующими элементами и при охлаждении с температур отпуска превращается вмартенсит.
Для стали Р6М5 будемпроизводить трехкратный отпуск с температурой 570 С по 1 часу, твердость послеотпуска составляет 63 HRC.А образование дисперсных карбидов обеспечивается высокую теплостойкость ( 600 —650 С )
Структура сталей послеотпуск состоит из отпущенного мартенсит, карбидов (15- 20 %) и остаточногоаустенита ( 2 -3%), Наибольшее количество остаточного аустенита превращаетсяпри первом отпуске 10-12%, при втором — 6 — 8 %, а после третьего — 3 — 5 %.
Отпуск будемпроизводить в стандартной элетродно-солянной ванне с прямоугольной формойрабочего пространства типа С -100, с температурой 850 С.
В качестве жидкой средыприменяются сравнительно простые по составу среды, обладающие высокойжидкотекучестъю, не разъедающие поверхность закаленных изделий, такие какрасплавленная соль 30% ВаСl2+ 20% NaCl + 50% CaCl2.
После закалки и отпускасталь Р18Ф2 должна обладать твердостью 65 — 66 HRCтеплостойкость Т = 630 С, вязкость хорошая, шлифуемость низкая.
Оснастка для т.о. имеет решающеезначение при осуществлении технологических процессов в термических цехах.Отсутствие или неправильное использование оснастки может вызвать значительныйбрак. В данном процессе т.о. будем использовать; корзину для закалки в соляныхваннах, клещи о прямыми плоскими губками, ковш для слива из соляных ванн, ложкудля очистки соляных ванн.
3.3 Выборвспомогательных операций
К вспомогательнымоперациям относят его очистку после т.о. правку и антикоррозийную обработку,
Инструмент подвергаетсяочистки с целью удаления мыла, солей, окалины.
Операция химическойочистки:
1. Предварительнаяпромывка выварочным бочке в горячем ( 90 С ) щелочном растворе 0,38 — 0,41 % NaOH
2. Кипячение в подкисленнойводе (в кипящем 2% растворе соляной кислоты ).
3. Травление
4. Повторная промывка впроточной воде
5. Кипячение в содовомрастворе
6. Пассивирование.
После этоймногоуровневой очистки инструмент получается чистым и защищенным от последующейкоррозии.
3.4 Выбор и обоснованиетребуемых операций контроля качества термической обработки
При закалкибыстрорежущей стали контролируют температуру нагрева., время выдержки,обезуглероживающую активность ванн окончательного нагрева, температуруванн охлаждения, Параметрами контроля является;
— твердость ГОСТ9013-59, HRC 63 — 65
— величина аустенитногозерна ГОСТ 5636-82, 10-11 балл После закалки и отпуска контролируется:
— твердость, HRC63 — 65
— теплостойкость
— карбиднаянеоднородность (2-3 балл ) Допускаемое количество остаточного аустенита 2 — 3%
3.5 Дефекты термическойобработки и способы их устранения
1. Потеря формыинструмента при закалке — дефект возникающий у сталей, температура закалкикоторых близка к температурам начала плавления. В результате чрезмерногоперегрева или расположения инструмента в ванне близко к электродам, возникаютоплавление инструмента… Поэтому при помещении инструмента в ванну следуетвыключить ток. Этот недостаток можно устранить так же, установкой защитнойстенки из кирпичей, отделяющих электроды от инструмента.
2. Недостаточнаятвердость после отпуска может быть следующими причинами;
а) пониженнойтемпературы закалки ( выявляется микроанализом ) вследствие чего образуетсянедостаточно легированный мартенсит
б) низким нагревам приотпуске ( эта причина может быть выявлена магнитным анализом ).
Дефектом возникающим врезультате этих причин, устраняется соответственно отжигом ипоследующими правильными закалкой и отпуском.
в) обезуглероживание
г) порча теплостойкости
3. Порча теплостойкостивозникает в результате очень длительного или многократного нагрева выше областиAс1 вследствие обогащением карбидовМебС вольфрамом, что уменьшает их растворимость при закалки, вследствие чегополучается недостаточно легированный мартенсит, Выявляется по снижениювторичной твердости или теплостойкости. Данный дефект предотвращаетсясоблюдением определенной области нагрева температур и длительности т.о.
4. Деформация икоробление определяется проверкой размеров. Возникают из-за внутренних напряжений,образовавшихся при закалки; неравномерный нагрев под закалку и неправильноепогружение в охлаждающую среду в мартенситном интервале; правильным погружениемв закалочную среду, равномерным нагревом и проверкой на кривизну передзакалкой.
5. Повышенная хрупкостьопределяется по износу. Образуется из-за значительного повышения температурынагрева при закалке или излишне длительной выдержки. Этот брак исправляетсятакже как и при недостаточной твердости.
6. Окисление иобезуглероживание.
Список литературы
1.Ю. А. Геллер " Инструментальные стали " М: Металлургия, 1975,
2.И.М. Сергейчев, A.M.Печковский " Термическая обработка режущего инструмента " М: МАШГИЗ,1960,
3.Термическая обработка в машиностроение. Справочник под ред. ЛахтинаЮ.М.,1980.
4.А. А Шмыков " Справочник термиста " М; Машиностроение, 1961,
5. Т.Н. Долматов, Е.А. Кондаков " Оборудование термических цехов илабораторий испытания металлов " М… 1988