Указанные рекомендации по режимам нагрева и оптимальным температурным интервалам ковки вполне применимы и к условиям машиностроительных и инструментальных предприятий. В этом случае ковку заготовок в большинстве случаев выполняют не столько с целью получения необходимых размеров, сколько для улучшения структуры и свойств, так как сортовой металл в состоянии поставки имеет развитую структурную полосчатость и высокую анизотропию свойств в поперечном и продольном направлениях. Это, как было отмечено, приводит к нежелательным последствиям как при термической обработке, так и при эксплуатации инструментов.
б) Окончательный нагрев.
После предварительного нагрева в первой печи заготовка переносится во вторую печь для окончательного нагрева до температур начала ковки.
Ковка заготовок инструментов из штамповых сталей выполняют на достаточно мощном кузнечном оборудовании, обеспечивающем деформацию металла по всему сечению поковки. Во избежание трещин заготовки непосредственно после ковки следует подвергать специальному охлаждению в колодцах при 750–800 оС; после чего заготовки непосредственно поступают на отжиг.
После ковки штамповой стали достигается твёрдость HRC 52 – 54. Для предварительного нагрева используется печь ПН – 12. Это наиболее простая и надёжная, по способу герметизации, камерная электропечь с подвижным ободом. Окончательный нагрев будем проводить в камерной печи Г -30(рис.2, лист 1), высокотемпературной с защитой атмосферы.
Максимальная рабочая температура печи Г – 30 1300оС, ПН – 12 950оС.
2.2.2 Отжиг
Отжиг заготовок, предназначенных для изготовления инструмента, производится в целях:
● получения оптимальной твёрдости, обеспечивающей хорошую обрабатываемость стали резанием;
● получения мелкозернистой равномерной структуры стали перед последующей закалкой инструмента;
● исправления дефектной структуры.
Отжиг обеспечивает получение структуры зернистого перлита в инструментальных сталях. Эта структура имеет низкую твердость, хорошую обрабатываемость резанием и обеспечивает лучшие свойства при последующей закалке. У заэвтектоидных сталей перлитного класса отжиг при определенных условиях устраняет карбидную сетку.
Сталь Х12Ф1 – заэвтектоидная и для получения в её структуре зернистого перлита лучше всего использовать изотермический отжиг.
Сталь (заготовка) загружается в печь, нагревается до 830 – 850оС. Затем охлаждается с печью 40 град/ч до температуры изотермической выдержки 700 – 720оС и выдерживается 2 – 3ч. Далее охлаждается с печью 50 град/ч до температуры 550оС, а потом охлаждается на воздухе. После отжига твердость стали становится равной не более HB 255 для стали Х12Ф1.
Структура стали после отжига Пз+КI+КII – оптимальная для последующей качественной закалки.
Так как предпочтительным является отжиг в защитной атмосфере (предохраняющий поверхность от окаленообразования и обезуглероживания, а также сокращающий длительность процесса, поскольку заготовку нагревают в открытом виде) будем проводить его в камерной электрической печи с защитной атмосферой типа Н30х65(рис.1, лист 1) с максимальной рабочей температурой 950оС. В качестве защитной атмосферы используем ПН00 (СО - Н2 - W2).
2.3 Выбор вспомогательных операций и оборудования
Наличие соответствующей оснастки для основных и промежуточных операций предварительной т.о. (отжига, закалки, отпуска и др.) способствует повышению технологического процесса, повышает качество обрабатываемого инструмента, улучшает условия труда рабочих.
Приспособление для т.о. – подхват для загрузки ящиков, поддонов, деталей в камерные печи и их выгрузки. Такое приспособление надежно и просто в изготовление.
Выбор вспомогательных операций:
а) Предварительная промывка инструмента от солей и масла производится в моечной машине. В этой машине инструмент подвергается химическому и механическому воздействию горячего щелочного раствора. Состав приготовляется из жидкого стекла и каустической соды, общая щелочность раствора должна составлять 0,38 – 0,41%
б) Кипячение в подкисленной воде (в кипящем 2%-ом растворе соляной кислоты) осуществляется перед травлением для сокращения расхода кислоты и времени травления.
Кипячение производится в течение 5-10 мин. и имеет цель растворить соли, оставшиеся на поверхности инструмента после нагрева в солях, а также разрыхлить окалину.
в) Травление предназначено для окончательного снятия окалины, разрушения удаления оставшихся от предварительного кипячения хлористых солей. Травление производится в растворе технической соляной кислоты, воды 0,5 % присадки «Глютам». Продолжительность травления 3-5 мин при 18-20о С (в зависимости от слоя или толщины окалины).
г) Повторная промывка применяется для полного удаления кислоты и грязи, образовавшихся на изделии (заготовки) при травлении, и осуществляется в проточной воде. Промывка сопровождается многократным встряхиванием.
д) Кипячение в 2%-ом содовом растворе производится для полной нейтрализации кислоты в течение 10 мин.
е) Пассивирование осуществляется для того, чтобы предохранить изделия от коррозии. Оно производится в горячем водяном растворе содержащем 25% NaNO2. Выдержка инструмента в ванне указанного состава 3-5 мин.
После такой многооперационной обработки изделие получится чистым и защищенным от коррозии. Данные операции после отжига в полном объеме могут не использоваться.
2.4 Контроль качества после предварительной термической обработки сталей
Результат предварительной т.о. оценивают по твердости и микроструктуре. Микроструктуру при отжиге заготовок заэвтектоидных сталей контролируют систематически на зернистый перлит.
Параметры, контролируемые у штамповых сталей после отжига:
· твердость в состоянии поставки по ГОСТ 5950-73, HB ≤ 255
· карбидная неоднородность ≤ 4 балла
· обезуглероженный слой, глубина ≤ 0,5 мм
2.5 Дефекты и способы их устранения
Окисление и обезуглероживание – дефекты, являющиеся результатом химической реакции происходящей при нагреве стали между поверхностным слоем металла и кислорода окружающим среду. Эти процессы оказывают отрицательное влияние на конструктивную прочность изделий, приводящее к потери прочности металла на удар, обуславливает необходимость увеличения припусков для последующей механической обработки.
Окисление определяют непосредственным осмотром заготовки, а обезуглероживание испытанием на твердость или металлографическим испытанием.
При глубине проникновения больше чем припуск на шлифование, брак неисправимый. Для предупреждения следует вести нагрев в защитной атмосфере, а при отсутствии такой в ящиках с чугунной стружкой, древесным углем с 5% кальциированной соды, пережженным асбестом, белым песком и т.п. В соленые ванны для предохранения от обезуглероживания добавляют молотый ферросилиций в количестве 0,5 – 1 % от веса соли или буру, борную кислоту, желтую кровяную соль.
Контроль твердости обычно производят с помощью ЦБМ (пресса Бреннеля) – для отожженных сталей.
Карбидная неоднородность возникает из-за недостаточной степени укова. Для её устранения изменяют характер деформирования за счёт применения: усадки, прессования, с последующей прокаткой, ковки с многократной вытяжкой, экструзии и т.д.
Нафталинистый излом характеризуется своеобразным видом излома, что является следствием разрушения по определенным кристаллографическим плоскостям, сопровождается значительным снижением прочностных свойств и особенно ударной вязкости.
Вызывается окончанием горячей механической обработки при излишне высокой температуре (1050 – 1150оС), если степень деформации при последнем отжигании была не большой и если последующий отжиг выполнен недостаточно полно и не обеспечил необходимого значения твердости (HB255) выполнением повторной закалки без промежуточного отжига.
Устранение нафталинистого излома и восстановление механических свойств сложно осуществить. Это достигается многократным и длительным отжигом или отпуском.
3. Проектирование технологического процессаупрочняющей термической обработки
3.1 Определение структуры упрочняющей термической обработкой
Основной механизм упрочнения это мартенситное превращение. Т.о. заключается в высокой температурной закалке (1000 – 1050оС масло). Исходная структура П+ К I + КII. Особенностью закалки является высокий нагрев. Чтобы растворить вторичные карбиды хрома и получить высоколегированный аустенит. Также высокий нагрев обеспечивает получение высоколегированного мартенсита устойчивого от распада. После закалки в масле в структуре содержится наряду с мартенситом, карбидами, повышенное количество остаточного аустенита (<20%).
После закалки проводим низкий отпуск. Два варианта отпуска:
1) температура 170 -200оС – на максимальную твердость (HRC 60 – 62);
2) температура 300 – 350оС – на максимальную ударную вязкость (KCU 0,2 – 0,3).
В окончательной структуре стали всё равно сохраняется до 10% остаточного аустенита.
3.2 Проектирование операций закалки и отпуска
3.2.1 Закалка
От выбора температуры закалки зависит фазовый состав, размер зерна, количество остаточного аустенита, а, следовательно, свойства сталей. Оптимальная температура нагрева сталей под закалку выше линии Ас1 в заэвтектоидных сталях перлитного класса. Чем выше температура нагрева, тем выше легированность твердого раствора за счёт растворения большего количества карбидной фазы, что положительно скажется на теплостойкости стали. Но с другой стороны, интенсивность растворения карбидов при нагреве выше определённых температур вызывает интенсивный рост зерна аустенита, а, значит, снижает прочность, и особенно, ударную вязкость.