Сталь у10 назначить режим термической обработки

Российский Государственный Университет

Кафедра металловедения и неметаллических конструкций

Курсовая работа по материаловедению

Выполнил: Абдулова Л. Д.

Проверил: Куракин И. Б.

Список литературы. 11

Назначить режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) метчиков и плашек из стали У10. Описать сущность происходящих процессов, превращений, структуру, твердость инструмента после термообработки.

Метчик – инструмент, предназначенный для нарезания внутренней резьбы в сквозных и глухих отверстиях. Представляет собой цилиндрический винт, сопряженный с нарезаемой резьбой, с режущими кромками на конце.

Плашка — инструмент, предназначенный для нарезания наружной резьбы. Круглая плашка представляет собой гайку, сопряженную с нарезаемой резьбой, превращенную в режущий инструмент.

К основным требованиям при изготовлении ручных метчиков и плашек относятся высокая твердость ( HRC 60-62 для метчиков и HRC 59-61 для плашек) – для того, чтобы срезать стружку; прочность и износостойкость материала, из которого изготовлен инструмент, — для предотвращения поломки инструмента.

Метчики и плашки изготавливают из инструментальной углеродистой и быстрорежущей стали. Для изготовления ручных метчиков и плашек применяют углеродистую (легированную) инструментальную сталь, обычно заэвтектоидную (У10 и У11, У12 и У13), у которых после термической обработки структура – мартенсит и карбиды.

Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью ( HRC 60-65), прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и износостойкостью, необходимой для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании. Важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны. За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности изделия до полумартенситной зоны (50% мартенсита + 50% троостита). Сталь У10 относится к углеродистым сталям небольшой прокаливаемости и закаливаемости. Закаливаемость – способность стали повышать твердость после закалки. Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в стали углерода.

Более рационально углеродистые стали использовать для инструментов диаметром 10-30 мм, т.к. при закалке они приобретают высокую поверхностную твердость, сохраняя незакаленную вязкую сердцевину, поэтому их используют для изготовления инструментов, работающих под динамическими нагрузками: ручных метчиков, штамп простой формы и плашек. В инструментах, имеющих в сечении более 30 мм, закаленный слой получается тонким и под действием нагрузки сминается; в инструменты небольших сечений (2-3 мм) равномерной высокой твердости не получают. Сталь У10 относится к группе умеренной износостойкости, они пригодны для резания с небольшой скоростью и для деформирования довольно мягких материалов, т.к. при нагреве выше 190-200º С твердость снижается.

Химический состав (%) стали У10.

Температуры критических точек стали У10.

Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого перлита, при этом твёрдость их не превышает 170-180 НВ. Температура закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1 (на 30-50° С) — 760-780º С, но ниже, чем Аст для того, чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита.

На практике применяют различные способы закалки. Наибольшее распространение получила закалка в одном охладителе, получившая название непрерывной. Для углеродистых сталей этот наиболее простой способ не приемлем ввиду возникновения значительных напряжений и деформации. Поэтому применяют другие способы закалки, способствующие снижению напряжений: прерывистую, ступенчатую, изотермическую закалку, закалку с самоотпуском. Мелкий инструмент, такой, каким являются метчики и плашки из стали У10, применяют ступенчатую закалку для выравнивания температуры по всему сечению изделия и уменьшения остаточных напряжений.

Проводят низкий отпуск при 150-170º С для сохранения высокой твёрдости (62-63 HRС), т.к. цементитный карбид, выделяющийся при отпуске, начинает коагулировать при относительно низком нагреве (200-250º С), что приводит к снижению твердости стали уже при нагреве до этих температур.

Закалка – вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30-50º выше температуры (для доэвтектоидной стали) и (для заэвтектоидной и эвтектоидной сталей), выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростью, равной или превышающей критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки).

Ступенчатая закалка заключается в нагреве до температуры закалки (760-780° С), охлаждении нагретой детали в закалочной среде при температуре несколько выше точки Мн (250°С) и выдержке в ней сравнительно короткое время, затем снова охлаждение до комнатной температуры на воздухе. Таким образом, регулируя скорость охлаждения, можно бороться с возникающими внутренними напряжениями, т.к. охлаждение разбивается на два этапа и разновременность превращения в разных точках сечения уменьшается.

При нагреве в пламенных или электрических печах взаимодействие печной атмосферы с поверхностью нагреваемого изделия приводит к окислению и обезуглероживанию, что снижает твердость, износостойкость и сопротивление усталости, поэтому режущие инструменты чаще нагревают в расплавленных солях. Ориентировочная продолжительность нагрева 3 минуты. В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру зернистого перлита (Feα+Fe3C). При нагреве её до температуры 760-780° С происходит перестройка кристаллической решётки железа — кубическая объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную, получаем структуру аустенита, содержащего 0,8% С и цементита (Feγ+Fe3C), который не успевает растворится в аустените ввиду нагрева ниже Аст (это необходимо для предотвращения роста зерна).

Читайте также:  Термическое оксидирование нержавеющей стали

Сталь У10 имеет высокую критическую скорость охлаждения, поэтому для того, чтобы обеспечить скорость охлаждения выше критической, т.е. предотвратить распад аустенита на ферритно-цементитную смесь, применяют воду и различные водные растворы в качестве закалочной (охлаждающей) среды — соляную ванну (KOH+NaOH) с добавкой воды около 3-5%. При переохлаждении аустенита до температуры 250° С Г.Ц.К. решётка становится неустойчивой и диффузионные процессы становятся невозможными. Атомы углерода занимают поры в решетке α-железа и сильно ее искажают. В результате образуется мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железо. Так как процесс бездиффузионный, концентрация углерода в мартенсите будет такая же, как и в аустените.

В результате выдержки в закалочной среде (250° С) происходит выравнивание температуры по всему сечению изделия. Процесс мартенситного превращения протекает не до конца при охлаждении на воздухе до комнатной темперутары, вследствие чего сталь сохраняет некоторое количество остаточного аустенита (Аост). При выбранном режиме закалки получаем структуру мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды (М+Аост.+Fe3C), твёрдость изделия — 59-62 HRc .

Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск – термическая обработка, заключающаяся в нагреве закалённой стали ниже , выдержке при этой температуре и последующем охлаждении.

Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180° С с последующим охлаждением в воде — низкий отпуск. Низкий отпуск наряду с увеличением твёрдости, избавляет изделие от внутренних напряжений закалки, что необходимо в данном случае для повышения износостойкости изделия. При этом снижаются закалочные микронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и износостойкость, немного улучшается вязкость без снижения твердости. Продолжительность отпуска составляет обычно 1-2,5 часа.

Нагрев способствует выделению углерода из участков мартенсита и образованию в кристаллах мартенсита карбидов Fe2C, имеющего гексагональную кристаллическую решётку. Вследствие этого концентрация углерода на границах зерен уменьшается, тогда, как более удаленные участки сохраняют исходную концентрацию углерода, полученную после закалки, степень тетрагональности стремиться к единице. Структуру, образующуюся в результате распада мартенсита, называют отпущенным мартенситом – гетерогенная смесь пересыщенного α-твердого раствора и необособившихся частиц карбида, близкого по составу к Fe 2 C , связанных когерентно с решеткой мартенсита.

Плашки из стали У10, наряду с высокой твёрдостью и износостойкостью, должны обладать немного большей пластичностью, чем метчики. Это обусловлено тем, что плашки применяются для наружной нарезки резьбы и при излишней твёрдости могут “крошить” поверхность заготовки. Поэтому для плашек рекомендуется применять отпуск при температуре 220°-240°С — более высокой температуре, чем отпуск для метчиков. Полученная в результате отпуска твёрдость изделия будет равной 59-60 HRc .

В результате назначенной термообработки — ступенчатая закалка при 250° С в соляной ванне с последующим отпуском при 180° С (220-240° С для плашек) и охлаждении изделия в воде — достигнуты следующие результаты:

1. твёрдость после термообработки — 62-63 HRc.(59-61 HRc для плашек )

2. увеличение прочности и износостойкости.

3. структура из зернистого перлита трансформировалась в мартенсит отпущенный.

Вывод: изделия из стали У10 , прошедшие термообработку, полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям (высокая твёрдость, износостойкость, прочность).

  1. Гуляев А.П., Металловедение; «Металлургия», 1977г
  2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение, 1980 г
  3. Справочник металлиста.

Источник

Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10

Режим термической обработки изделий из стали У10 .

Метчик — инструмент для нарезания внутренней резьбы — цилиндрический валик с режущими кромками на конце . Различают ручные и машинные метчики .

Плашка (круглая нарезная) — инструмент для нарезания (накатывания) наружной резьбы вручную или на станках . Нарезные плашки бывают круглые (лерки) , раздвижные (призматические) . Накатные плашки состоят из 2-х прямоугольных призм или роликов , рабочие части которых имеют профиль , противоположный профилю резьбы 1 .

В зависимости от области применения , метчики и плашки изготавливают из инструментальной углеродистой и быстрорежущей стали . Для изготовления ручных метчиков и плашек обычно применяют углеродистую (легированную) инструментальную сталь .

Метчики и плашки ручные применяют для нарезания внутренней и внешней резьбы вручную , поэтому принимаем скорость резания незначительно малой . При малых скоростях резания не происходит перегрев режущего инструмента , что очень существенно при выборе марки стали .

Требования , предъявляемые к материалам изделий : высокая твёрдость , износостойкость, прочность .

Для изготовления вышеперечисленных изделий предлагается сталь У10 — инструментальная углеродистая высокопрочная нетеплостойкая небольшой прокаливаемости .

Общие сведения об инструментальных сталях .

Инструментальными называются углеродистые и легированные стали высокой твёрдости ( примерно 60-65 HRc ) в режущей кромке , значительно повышающей твёрдость обрабатываемого материла , а так же высокой прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и износостойкостью , необходимой для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании . Именно благодаря этим свойствам , стали этого класса используются при изготовления различного инструмента . Чаще всего инструментальные — это заэвтектоидные или ледебуритные стали , со структурой после закалки и низкого отпуска — мартенсит и избыточные карбиды .

Читайте также:  Расшифровать марку стали св 08хг2смф

Все инструментальные стали подразделяются на три группы :

нетеплостойкие ( углеродистые и легированные с содержанием легирующих элементов до 3-4 % ) .

полутеплостойкие до 400-500°С , с содержанием углерода до 6-7 % , а хрома около 4-18 % .

теплостойкие до 550-650°С . Это в основном высоколегированные стали ледебуритного класса , содержащие Cr , W , V , Mo , Co . Их ещё называют быстрорежущими .

Одной из важнейших характеристик инструментальных сталей является прокаливаемость . Из всех инструментальных сталей высокой прокаливаемостью обладают только высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали . Инструментальные стали , которые не обладают теплостойкостью , делят на две группы :

стали небольшой прокаливаемости ( углеродистые ) .

стали повышенной прокаливаемости ( легированные ) .

Маркируются инструментальные углеродистые стали буквой “У” , следующая за буквой цифра обозначает среднее содержание углерода в десятых долях процента .

Сталь У10 . Характеристики , структура , термообработка .

Предложенная для изготовления метчиков и плашек сталь У10 относится к углеродистым сталям небольшой прокаливаемости , необладающим теплостойкостью . Углеродистые инструментальные стали этого класса имеют небольшую прокаливаемость вследствие неустойчивости переохлаждённого аустенита . Именно поэтому эти стали применяют для изготовления инструментов небольших размеров .

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента , только тогда , когда процесс резанья происходит при малых скоростях . Это обусловлено тем , что их высокая твёрдость сильно снижается при нагреве выше температуры 190-200°С .

Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого перлита, при этом твёрдость их не превышает 170-180 НВ . В этом состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием . Температура закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1 — 760-780°С , но ниже , чем Аст для того , чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита 2 .

Нетеплостойкие стали высокой твёрдости :

По данным Гуляева А. П. “Термическая обработка стали” принимаем для стали У10 : ступенчатая закалка в соляной ванне с температурой 160-170°С (KOH+NaOH) с добавкой воды около 3-5 % . Эти цифры соответствуют закалке деталей из углеродистой инструментальной стали диаметром 10-15 мм , которые вполне удовлетворяют требованиям , предъявляемым к назначенным деталям . В том случае , если деталь превышает допустимые значения ступенчатой закалки , вполне может быть применена закалка с “подстуживанием” ( закалка в воде с предварительным недолгим охлаждением на воздухе , Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” . ) . Так как предельные размеры назначенных деталей не заданы , то расчёт проводим с тем условием , что они не выходят за пределы 10-15 мм , и основным способом закалки изделий остаётся первый .

Значения закалки , нагрева и отпуска для изделий из стали У10 : (нагрев- 760-780°С)

Марка ст. Назначение
У10,У10А 0,96-1,03 0,17-0,33 0,17-0,33

Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали .

Твёрд. в исх. сост.
Величина До термообработ. После термообраб.
Твёрдость 170-180 НВ
Структура зернистый перлит мартенсит и карб .

Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У10.

В исходном (отожженном) состоянии сталь У10 имеет структуру зернистого перлита ( Fea+Fe3C ). При нагреве её до температуры 760-780°С получаем структуру аустенита и цементита первичного ( Feg+Fe3C ) . Происходит перестройка кристаллической решётки железа — кубическая объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную .

— атом углерода . — атом железа .

О. Ц. К. (Fea) a=2,8 A° (с/а=1) Г. Ц. К. (Feg) a=3,6 A° О. Ц. К. тетрагональная

При переохлаждении аустенита Г. Ц. К. решётка становится неустойчивой . Несмотря на то , что скорость диффузии при низких температурах мала , происходит

обратное перестроение кристаллической решётки без выделения углерода (бездиффузионный процесс) . То есть процесс , показанный на рис. 1 идёт в обратном направлении : Г. Ц. К. О. Ц. К. ( большая степень тетрагональности ).

При малых температурах скорость диффузии мала , следовательно превращение идёт очень быстро . Атом углерода не может выйти из кристаллической решётки и вытягивает её в объёмноцентрированную .

Feg(C) Fea(C) ( Ау М)

Так как процесс бездиффузионный , концентрация углерода в мартенсите будет такая же , как и в аустените .

Процесс кинетикоматренситного превращения протекает не до конца. При фактическом окончании процесса ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита ( Аост.) . Остаточный аустенит снижает твёрдость стали 4 .

Аат Аост. На температуру начала и конца мартенситного превращения влияет состав стали , в частности содержание углерода.

C увеличением концентрации углерода температура начала мартенситного превращения понижается , а температура конца мартенситного превращения при концентрации углерода более 0,4 % переходит в Мн область отрицательных температур .

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 %C

Бездиффузионное мартенситное превращение.

Т,°С Рис. 4 Vкр. =( А1 — tm )/tm

tm — температура у изгиба С-образной кривой tm — время

Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :

превращение происходит в интервале температур Мн — Мк .

превращение протекает путём образования всё новых и новых кристаллов мартенсита , а не роста ранее образовавшихся .

Игла мартенсита сжимает зёрна аустенита .

3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур .

превращение протекает не до конца . При фактическом завершении превращения ещё остаётся некоторое количество остаточного аустенита .

Тетрагональность мартенсита объясняется наличием в кристаллической решётке углерода , она прямопропорциональна содержанию углерода .

При выбранном режиме закалки ( нагрев до 760°С с последующим ступенчатым охлаждением ( 160°С ) в соляной ванне KOH+NaOH+H2O(3-5 %) ) получаем структуру мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды (М+Аост.+Fe3C ) , твёрдость изделия — (56) 5 — 62 HRc .

* Прим.: при данном режиме закалки значительно увеличивается твёрдость и прочность изделия в результате изменения структуры материала ( стали У10 ) , хотя остаточный аустенит твёрдость снижает .

Необходимо добавить так же , что при нагреве под закалку на 760°С и выше в изделиях из стали У10 появляются трещины при закалке в воде . Ступенчатая закалка значительно уберегает изделия от появления трещин . Это связано с тем , что более медленное охлаждение при ступенчатой закалке значительно расширяет безопасный интервал температур нагрева под закалку 6 .

65 60 55 80 70 60 50 40 30 20

Твёрдость , HRc Образцы с трещинами , %

Ещё один плюс в пользу ступенчатой закалки в водном растворе солей — это то , что при закалке в масле изделие не будет иметь необходимую твёрдость , а лишь только закалка в масле может ещё заменить ступенчатую закалку без потерь на качестве изделий и потерь на браке ( образование трещин при закалке ) . Поэтому окончательно предлагается ступенчатая закалка в водном растворе солей с указанными выше параметрами .

Общие сведения о процессах , происходящих при отпуске стали У10.

В закалённой стали тетрагональность мартенсита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость , поэтому после закалки необходимо применить отпуск.

Операция отпуска заключается в нагреве закалённой стали ниже точки Ас1 , выдержке её при заданной температуре с последующим охлаждением в воде или на воздухе . Целью отпуска является снятие внутренних напряжений после закалки и получение требуемых механических свойств .

Отпуск делится на три вида :

нагрев до 200°С — низкий отпуск — применяется для снятия внутренних напряжений ( структура : мартенсит отпущенный ) .

нагрев на 350°- 500°С — средний отпуск — повышает пластичность ( структура : мелкозернистая ферритно-цементитная смесь — троостит ) .

нагрев >500°С — высокий отпуск — возрастает удельная вязкость , следовательно падает прочность .

После закалки имеем структуру М + Аост. . После отпуска получаем структуру с наибольшим удельным объёмом мартенсита и наименьшим удельным объёмом аустенита остаточного .

Очевидно , что в результате изменения удельного объёма ведёт к удлинению образца . Нагрев способствует выделению углерода из исходной структуры в виде карбидной фазы Fe2C — e-карбида , имеющего гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие этого концентрация углерода в начальной структуре начинает уменьшаться , а степень тетрагональности стремиться к единице .

e-карбид — это гетерогенная смесь Fea и необособившихся частиц карбидов . Всё это вместе составляет когерентно связанную кристаллическую решётку .

Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180°С с последующим охлаждением в воде — низкий отпуск (Лахтин Ю. М. “Материаловедение”). Низкий отпуск наряду с увеличением твёрдости , избавляет изделие от внутренних напряжений закалки , что необходимо в данном случае для повышения износостойкости изделия .

При нагреве до 200°С происходит первое превращение при отпуске — мартенсит закалочный превращается в мартенсит отпущенный .

Для плашек из стали У10 картина с отпуском обстоит несколько иначе . По специфике своего применения , плашки , наряду с высокой твёрдостью и износостойкостью , должны обладать немного большей пластичностью , чем метчики . Это обусловлено тем , что плашки применяются для наружной нарезки резьбы и при излишней твёрдости могут “крошить” поверхность заготовки . Поэтому для плашек рекомендуется применять отпуск при температуре 220°-240°С 7 — более высокой температуре , чем отпуск для метчиков . Полученная в результате отпуска твёрдость изделия будет равной 59-60 HRc .

Окончательно принимаем для плашек из стали У10 низкий отпуск при 230°С со структурой после отпуска — мартенсит отпущенный .

ВЫВОДЫ из проделанной работы .

В результате назначенной термообработки — ступенчатая закалка при 170°С в соляной ванне с последующим отпуском при 180°С ( 230°С для плашек ) и охлаждении изделия в воде — достигнуты следующие результаты :

твёрдость после термообработки — 62-63 HRc.(59-61 HRc для плашек )

увеличение прочности и износостойкости .

структура из зернистого перлита трансформировалась в мартенсит отпущенный .

Вывод : изделия из стали У10 , прошедшие термообработку , полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям ( высокая твёрдость , износостойкость , прочность ) .

Возможная замена : сталь У9 так же относится к классу инструментальных сталей . Её состав и микроструктура схожи с составом и микроструктурой стали У10, при назначенной термообработке её твёрдость окажется равной 62 HRc , к тому же прочность и износостойкость увеличатся , образование трещин при закалке незначительно ( по сравнению со сталью У10 при предлагаемом режиме термообработки ) . Следовательно , при изготовлении метчиков и плашек для ручной резки возможна замена стали У10 на сталь У9 без потерь на качестве изделий .

Источник