Исследования свойств штамповой стали после термической обработки (стр. 6 из 17)
Для исследования была выбрана инструментальная сталь 4Х5МФ1С. Данная марка стали применяется для изготовления штампов для горячей деформации и ножей для холодной резки. Последние находят применение в условиях ОАО «НЛМК» для резки углеродистых и электротехнических сталей, поэтому весьма важным является изучение влияния термической обработки на свойства данной стали, так как оптимизация режимов обработки позволит увеличить производительность, стойкость инструмента и положительно скажется при его эксплуатации.
Кроме того, присутствует экономический эффект, так как варьирование температур закалки и отпуска поможет снизить потери материала при изготовлении инструмента за счет уменьшения припуска на обезуглероженный слой.
1. Изучить зависимость твердости от температуры закалки и отпуска. Показать, что сталь склонна к вторичному твердению.
2. Изучить зависимость глубины обезуглероженного слоя от температуры закалки.
3. Изучить зависимость размера аустенитного зерна, а значит и пластических свойств, от температуры закалки.
4. Изучить зависимость износостойкости стали от температуры отпуска и типа нанесенного покрытия.
5. Выявить микроструктуру закаленной стали и закономерности растворения карбидов при закалке.
Для проведения исследования была выбрана штамповая сталь для горячего деформирования марки 4Х5МФ1С, выплавленная в условиях завода «Электросталь». Выплавка, разливка и другие операции производились согласно действующей технологической инструкции. Химический состав стали представлен в табл. 4.
Таблица 4. Химический состав стали 4Х5МФ1С
| C | Si | Mn | Cr | W | V | Mo | Ni |
| 0,32 | 1,05 | 0,35 | 5,00 | – | 1,10 | 0,80 | – |
После выплавки сталь была подвергнута горячей пластической деформации (ковке). Начало ковки при 1160оС, конец – при 850оС. Охлаждение после ковки замедленное. В качестве предварительной термической обработки использовался отжиг, предназначенный для измельчения зерна и получения низкой твердости. Температура отжига составила 850оС. В состоянии поставки сталь имела структуру зернистого перлита.
Далее из поковки диаметром 250 мм были вырезаны образцы размером 10×10×55 мм и подвергнуты окончательной термической обработке в цеховых условиях. Образцы с маркировочными номерами 1, 12, 24, 42, 59 были закалены в камерной печи на температуры 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, 92 закалены с температуры 1 070°C и подвергнуты отпуску с разными температурными режимами. Кроме того на образцы 30, 89, 91 были нанесены покрытия из нитрида и оксинитрида титана.
Таблица 5. Режимы термообработки 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 |
2.2.1 Выявление микроструктуры
Для изучения микроструктуры образцов необходимо, чтобы их поверхность была специально приготовлена. Изготовление микрошлифа сводится к выполнению следующих операций: шлифование, полирование и травление.
Шлифование производилось на шлифовальной бумаге с постепенным переходом от бумаги марки № 12–3 с зернистостью от 125 до 20 мкм к бумаге марки М40–М5 с зернистостью от 28 до 3,5 мкм (ГОСТ 6456–75).
При переходе от одного номера зернистости к другому образец очищалсяот абразива и менялось направление шлифования на 90° для полного удаления всех рисок, образовавшихся во время предыдущей операции.
Полировка производилась на специальном полировальном станке, диск которого обтянут фетром, с помощью полировальной жидкости. После полировки образец был промыт водой и высушен фильтровальной бумагой.
Для выявления микроструктуры полированную поверхность микрошлифа подвергали травлению. Выбор состава травителя при этом зависел от конкретной поставленной задачи. В работе использовались следующие реактивы:
1) для выявления аустенитного зерна – пятипроцентный спиртовой раствор пикриновой кислоты, усиленный добавками 0,5–1% алкил-сульфата натрия;
2) для отделения реплик при электролитическом травлении применялся десятипроцентный спиртовой раствор азотной кислоты;
3) для выявления микроструктуры при электролитическом травлении – спиртовой раствор треххлористого железа и лимонной кислоты (0,5 г. FeCl3, 0,5 г. лимонной кислоты, 25мл. спирта).
2.2.2 Методика измерения твердости на приборе Роквелла
Измерение твердости производилось на приборе Роквелла с помощью алмазного конуса с углом при вершине 120° и радиусом 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, после чего вносилась поправка в полученные значения твердости. Количество произведенных измерений не менее пяти для каждого образца.
2.2.3 Методика измерения микротвердости
Для определения микротвердости исследуемых материалов использовался микротвердомер ПМТ–3 с увеличением 480 крат, принцип работы которого заключается в том, что четырехгранная алмазная пирамида (с углом при вершине между противоположными гранями 136°) вдавливается в испытуемый металл под нагрузкой 2 Н.
Длина диагонали отпечатка определялась по формуле
Значения микротвердости определялись по формуле
(1)где P – нагрузка на пирамиду, г;
d – длина диагонали отпечатка, мкм.
При измерении необходимо учитывать неизбежный разброс полученных значений вследствие влияния соседних структурных составляющих с иной твердостью, различной толщины испытуемых элементов структуры, ошибки измерения и других причин. Для возможности статистической обработки результатов эксперимента на каждом образце проводили не менее шестидесяти замеров.
2.2.4 Методика определения глубины обезуглероженного слоя
Глубину обезуглероженного слоя определяют различными способами:
1) металлографическими методами, сущность которых заключается в определении глубины обезуглероженного слоя по структуре под микроскопом после соответствующей термообработки и травления;
2) методом замера термоэлектродвижущей силы на обезуглероженной и необезуглероженной поверхностях образца;