● 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 Х12ВМ – 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 – 3 ч. 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 Х12ВМ.
Структура стали после отжига Пз+КI+КII – оптимальная для последующей качественной закалке.
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. – подвхват для загрузки ящиков, поддонов, деталей в камерные печи и их вызгрузки. 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 течении 5–10 мин. и имеет целью 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 (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 течении 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, пережонным 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 кровенную соль.
Контроль твердости обычно производят с помощью ЦБМ (пресса Бринеля) – для отоженных 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 вязкостьи.
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 (HB 255) выполнением повторной закалки без промежуточного отжига.
Устранение нафталинистого излома и восстановление механических свойств сложно. Это достигается многократным и длительным отжигом или отпуском.
3. Проектирование технологического процесса упрочняющей термической обработки
3.1 Определение структуры упрочняющей Т.О.
Основной механизм упрочнения это мартенситное превращение. Т.о. заключается в высокой температурной закалке (1000 – 1050оС масло). Исходная структура перлит + карбиды I + карбиды II. 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 (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.
Качество термической обработки контролируют по структуре и свойствам. Лучший комплекс свойств штамповых сталей достигается при величине зерна балла 9 – 11. Увеличение размера зерна от балла 11 к баллу 9 приводит к снижению прочности и ударной вязкости примерно в 1,5 раза.
Как правило, температура закалки, необходимая для получения большей теплостойкости, лежит выше 40 – 60оС по сравнению с температурой, позволяющей получить высокую прочность, вязкость и минимальную деформацию инструмента.
Таким образом, высокотемпературный нагрев под закалку возможен из-за наличия нерастворимых первичных карбидов, которые располагаясь по границам зерна сдерживают его рост.
После закалки в структуре штамповых сталей обязательно присутствует остаточный аустенит. Его количество зависит от получаемой степени легированности при нагреве под закалку. С увеличением легированности твердого раствора доля остаточного аустенита возрастает. Количество остаточного аустенита после закалки у полутеплостойких высокохромистых сталей – до 20%. Присутствие остаточного аустенита снижает твердость на 0,5 – 2,0 единицы HRC, предел текучести – примерно на 50 Мпа на каждый процент аустенита.
Охлаждение после аустенизации проводят в масле. Для предупреждения образования закалочных трещин и снижения коробления рекомендуется применять ступенчатую закалку.
Режим закалки для штамповой стали Х12ВМ будет заключаться в высокотемпературной ступенчатой закалке:
1-ый подогрев в ванне-печи до 300 – 350оС
2-ой подогрев в ванне-печи до 650 – 700оС
Окончательный нагрев в ванне-печи до 1000 – 1020оС
Первый и второй подогрев проводится медленнее для превращения перлита в аустенит и выдерживается до выравнивания нужных температур по сечению детали.
Ступенчатый нагрев под закалку будем производить в соляной ванне. Широкое применение этого метода обусловлено следующими преимуществами: высокой интенсивность и равномерностью нагрева, возможностью осуществления местного нагрева, предотвращением окисления и обезуглероживания, жидкая среда защищает нагреваемый инструмент от непосредственного воздействия воздуха, припятствует окислению его поверхности в процессе нагрева, в момент переноса закаленного инструмента в охлаждающюю среду на его поверхности сохраняется тонкая пленка застывшей соли, которая защищает инструмент от интенсивного окисления в процессе охлаждения.