Фазові і структурні перетворення під час термічної обробки сталей 5ХНМ та ШХ15 (стр. 4 из 12)

Структура сталі після гартування складається з мартенситу і залишкового аустеніту. Сталь 5ХНМ характеризується невисокою стійкістю проти росту зерна аустеніту, тому що її карбідна фаза представлена в основному легкорозчинними частинками типу М

С. Твердість після гартування становить 56-60 HRC. Режим гартування і структура, яка отримується після ньго наведено на рисунку 1.6.

Відпуск. Оскільки тріщини виникають не лише під час охолодження, але й через деякий час після нього, відпуск проводять для зняття напружень і зменшення тетрагональності гратки мартенситу. Підвищення температури відпуска, як правило, знижує твердість і підвищує в’язкість сталі, але знижує її міцність та зносостійкість. У зв’язку з цим для збереження зносостійкості і твердості сталі 5ХНМ температуру відпуска обирають пониженою, однак не нижче температури розігрівання штампа під час експлуатації.

Відпуск штампу проводять відразу ж після завершення гартування, але не пізніше, як через 2 години після гартування. Найчастіше використовують подвійний відпуск: спочатку штамп відпускають у камерній печі до отримання заданої твердості гравюри, а потім його встановлюють хвостовиком в спеціальну піч і витримують для отримання заданої нижчої твердості хвостовика; при цьому твердість гравюри не змінюється [1].

Зниження твердості штампової сталі 5ХНМ з вихідною загартованою структурою можна досягнути шляхом відпуска при високій температурі, близької до критичної т. Ас

. Високий відпуск є економічною і простою операцією, піч час якої сталь нагрівають до температури, що лежить дещо нижче т. А , витримують до повного прогрівання і завершення дифузійних процесів, потім охолодження на спокійному повітрі. Витримка під час відпуска приймається з розрахунку 2 години + 1,5 хвилини на 1мм товщини.

В таблиці 1.4 наведено режим відпуска штампів з найменшею стороною 350 мм.

Таблиця 1.4 - Режим відпуска штампів з найменшею стороною 350 мм (в полум’яній печі) [2].

Нагрів до температури відпуска, год. - хв	Температура нагріву, ºС	Витримка під час відпуска, год. - хв	Твердість, HRC
10 - 30	530 - 560	2 - 10	38 -40

Тривалість нагріву і витримки в електрічній печі збільшують на 20%.

Хвостовик штампу повинен володіти високою вязкістю. Це досягається додатковим зниженням його твердості. Після відпалу, штампи встановлюють хвостовиком на плиту і нагрівають до температури 580 - 610 ºС. При цьому твердість знижується до 30-37 HRC. Оскільки під час нагрівання для відпуска в структурі штампа залишається багато аустеніта і він перетворюється під час відпуска, доцільно проводити двохратний відпуск. Температура другого відпуска приймають на 10-20 ºС нижче, а його тривалість на 20-25% менше, ніж першого відпуска, тобто t = 530 - 560ºС. Після відпуску знижується міцність сталі внаслідок протікання безворотніх структурних перетворень, тому що її карбідна фаза складається з цементиту, а також підвищується пластичність і ударна в’язкість.

Заключною операцією технологічного процесу термічної обробки є контроль якості. Для штампів горячого деформування він складається з візуального огляду і виміру твердості. Візуальним оглядом перевіряють відсутність тріщин, забоин, вм'ятин і окалини на гравюрі штампу, а також твердість гравюри і хвостовика. Твердість перевіряють на спеціально зачищених (бормашиною або наждачним папером) ділянках поверхні поблизу гравюри. Використовуються спеціальні стаціонарні прилади Брінеля, оснащені рольгангом і підйомним столом з черв'ячним механізмом [1].

Для маловідповідальних штампів твердість може бути оцінена по методу Польді за допомогою переносних приладів (навантажених пружиною або ударом молотка, відлік твердості - по еталону) або по методу Шора (по величині відскоку індентора). Застосовують також переносні прилади ТПП-2 для вимірювання твердості по методу Віккерса. Ці прилади мають магнітне захоплення, яке дозволяє проводити вимір твердості на штампі, встановленому на будь-якій ділянці, стенді або верстаті. Необхідна лише ретельна зачистка поверхні для виміри твердості і подвод електроенергії напругою 220В. Точність виміру

HV5, маса приладу з магнітним захопленням 5,4кг. Розрахунок твердості виконують по ГОСТ 2999 – 75 [4].

1.4 Фазовові і структурні перетворення під час нагріву сталі 5ХНМ

Відповідно до діаграми стану Fe – C, при зміні концентрації вуглецю в сплаві або температури один стан є більш стійким, ніж інший. Цим і викликані фазові перетворення, які протікають в сталі.

Відобразимо схему розташування досліджувальної сталі 5ХНМ на діаграмі стану Fe-C [7] (рисунок 1.8) і прослідкуємо, що буде відбуватися при нагріванні до кінцевої температури, тобто які фазово-структурні перетворення розвиваються під час аустенітизацї.

Аустенітизація – це процес отримання аустенітної структури при нагріванні в аустенітну область. Процес аустенітизації спостерігається під час відпалу та гартування сталі 5ХНМ. Утворення аустеніту під час нагріву є дифузійним процесом і підкоряється основним вимогам теорії кристалізації. У досліджувальній марці сталі 5ХНМ (0,5% С) під час нагрівання до кінцевої температури 840-860 ºС відбуваються наступні перетворення. Маємо вихідну Ф-К структуру. До речі, швидкість перетворення Ф-Ц структури в аустенітну, окрім температури нагріву, залежить від її вихідного стану. Попередня сфероїдизація цементиту уповільнює процес утворення аустеніту. Тому початок перетворення Ф-К структури в аустенітну буде відповідати температурі трохи вище за т. Ас

(730 ºС для сталі 5ХНМ). Після перетворення перліту в аустеніт отримується двохфазна структура – аустеніт і ферит. При подальшому нагріві в інтервалі температур Ас - Ас ферит поступово перетворюється в аустеніт. При температурі Ас ферит зникає, а концентрація вуглецю в аустеніті відповідає його вмісту в сталі.

Зародиши аустеніту будуть утворюватись біля глобулів цементиту. Процес аустенітизації ускладнюється перетворенням структурно-вільного ферита в аустеніт. Під впливом градієнта концентрації відбувається дифузія атомів вуглецю в аустеніті. В результаті розчинення карбідів в аустеніті відбувається його стабілізація. Ріст дільниць аустеніту протікає внаслідок поліморфного

→ перетворення і дифузії вуглецю. Після перетворення фериту в аустеніт в структурі сталі залишається ще деяка кількість карбідів і для їх розчинення в аустеніті тривалість ізотермічної витримки повинна бути збільшена. Аустеніт, який утворився, є неоднорідним за складом і для його гомогенізації потребується додатковий час [7].

Для описання переходу Ф-К структури в аустенітну використовуємо діаграму ізотермічного утворення аустеніту, що дає уяву про перетворення при різних температурах (рисунок 1.9). Використовуємо діаграму ізотермічного утворення аустеніту найближчу до досліджуємої сталі 5ХНМ – це діарама для сталі з 0,7% С з вихідною структурою пластинчатого (рисунок 1.9, а) і зерністого перлиту (рисунок 1.9, б). Чим бідьше в сталі вуглецю, тим швидше протікає процес аустенітизації, що пояснюється збільшенням кількості цементиту. Тому для сталі 5ХНМ лінії діаграми будуть розташовуватись вище і проворуч від ліній використовуємої діаграми, через те, що процес аустенітизації буде протікати повільніше.

Із діаграми ізотермічного утворення аустеніту можна помітити, що при підвищенні температури перетворення Ф-К суміші в аустеніт протікає набагато швидше.

Згідно до діаграми з вихідною структкрою зернистого перліту маємо вихідну перед нагрівом Ф-К структуру. Під час нагріву до температури 780 ºС (при якій проводимо відпал) у перші 1,1с витримки утворюються зародиші аустеніту. При подальшому збільщенні тривалості витримки зародишів аустеніту стає більше. Цей процес продовжується до 40с, під час якого відбувається перетворення Ф-К суміші. Від 40с до 2000с структура складається з А-К суміші. При витримці більше 2000с аустеніт стає однорідним.

При температурі гартування (850ºС) відбуваються такі ж самі перетворення, що і при температурі 780 ºС. Але через те, що температура гартування вище температури відпалу, перетворення вихідної Ф-К структури в Ф+К+А протікає швидше. З 0,6с до 5с утворюються зародиши аустеніту, з 5с до 2000с структура складається з А-К, відбувається зростання зерна аустеніту і подальше розчинення карбідів. Для повного розчинення карбідів необхідно проводити витримку до 2000с включно, після цього маємо аустенітну структуру.