Материал: Разработка технологического процесса термической обработки матрицы из стали 5ХНМ

Таблица 2.4 - Механические свойства сталей в зависимости от температуры испытаний (в числителе для заготовок 15х15 мм, в знаменателе 500х500 мм).

Стали 3Х2МНФ и 5Х2МНФ обладают по сравнению со сталями 5ХНМ и 4ХМФС повышенной теплостойкостью.

Таблица 2.5 - Сопротивление термомеханической усталости штамповых сталей (15х15 мм)

Рисунок 2.4 - Окалиностойкость сталей 5ХНМ и 30Х2МФН при 5500С

Рисунок 2.5 - Разгаростойкость штамповых сталей

1-образование сетки разгара, 2-образование продольных трещин

Выбор марки стали определяется не только механическими свойствами, которые приобретает сталь после термической обработки, но и другими параметрами, такими как обрабатываемость резанием, шлифуемость, прокаливаемость, окалиностойкость и стоимость. В таблице 2.6, приведем некоторые из указанных свойств анализируемых сталей.

Таблица 2.6. Технологические свойства и стоимость сталей для штампов.

Теплостойкость у стали 5ХНМ и 4ХМФС невысокая. Она сохраняют твердость 45 HRC и предел текучести 900 МПа при нагреве до 350--375 °С, а некоторые -- до 400--450 °С и сильно уступают теплостойким штамповым сталям 3Х2МНФ и 5Х2МНФ, сохраняющим эти свойства при 580--600 °С и выше.

Способы повышения теплостойкости подобных сталей хорошо известны, и, казалось бы, легко реализуемы, например, в результате увеличения содержания хрома до 3 %, что не влечет существенного повышения стоимости стали. Однако выбор состава этих сталей обусловлен особенностями их применения. Чаще всего их используют для очень крупных штампов горячего деформирования (стороной до 800 --900 мм); молотовых, работающих с динамическими нагрузками; для контейнеров, матриц. Такие стали должны сохранять повышенную вязкость (>0,4 МДж/м² на образцах с надрезом) в крупных сечениях в продольном и в поперечном направлении. Для выполнения этого важнейшего требования приходится ограничивать содержание карбидообразующих элементов.

В стали 5ХНМ повышенная вязкость достигается легированием никелем, а высокая прокаливаемость -- марганцем (никелем), хромом. Карбидная фаза -- цементит и в не больших количествах карбид М₂₃С₆.

Вязкость штамповых сталей (в продольном направлении и на половине радиуса заготовки) при увеличении наименьшей стороны штампа с 40 до 250 мм снижается немного: с 0,5 до 0,45 МДж/м². Вместе с тем для ковки при несколько повышенном нагреве более прочных легированных сталей стойкость штампов, особенно чистовых из стали 5ХНМ, недостаточна. Для повышения теплостойкости и температур фазового превращения в новых штамповых сталях, прежде всего, понижается содержание углерода: до 0,45 % в стали 4ХСМФ, используемых для очень крупных штампов и контейнеров.

Вследствие лучшей устойчивости против нагрева стойкость штампов из полутеплостойких сталей повышенной вязкости в более тяжелых условиях деформирования несколько выше.

Сталь 5ХНМ сочетает большую вязкость с высокой прокаливаемостью. Из-за влияния молибдена сталь 5ХНМ мало чувствительна к хрупкости второго рода, возникающей после отпуска при 500--560 °С, принимаемого для штампов, обрабатываемых на твердость 40--46 HRC.

Твердость стали 5ХНМ в середине блока размером 400х300х300 мм лишь на 1--2 HRC ниже, чем у поверхности, что связано с высокой устойчивостью переохлажденного аустенита.

Проанализировав зависимости я сделал вывод, что для изготовления пуансона-матрицы нужна сталь 5ХНМ, так как она, во-первых, будет работать в условиях умеренных нагрузок и повышенная теплостойкость необязательна, во-вторых, закалка стали 5ХНМ проходит при 860⁰С что почти на 100⁰С меньше по сравнении с другими сталями, а это в свою очередь позволит экономить электроэнергию, в-третьих, 5ХНМ имеет высокую твёрдость при повышенной вязкости. Также эта сталь имеет самую низкую стоимость, а при оптимальных механических свойствах это делает её использование более выгодным.

Выбор режимов термической обработки пуансона-матрицы с описанием фазовых и структурных превращений

Предварительная термическая обработка

Для того чтобы измельчить зерно и получить низкую твердость, а также структуру перлит, как наиболее удовлетворяющей последующей закалке для штамповых сталей проводят высокий отпуск. По структурному признаку штамповые стали -- близкие к эвтектоидным, структура после отжига (высокого отпуска) - пластинчатый и зернистый перлит. Стали, особенно для крупных штампов, проверяют на отсутствие флокенов. Сталь 5ХНМ подвергают высокому отпуску, а не отжигу, так как переохлажденный аустенит этой стали имеет особо высокую устойчивость, а температура его минимальной устойчивости весьма низкая. Эти факторы значительно увеличивают продолжительность отжига, снижают скорость коагуляции карбидов и поэтому затрудняют получение низкой твердости, а так же для улучшения обрабатываемости резанием и подготовки структуры к окончательной термической обработке с целью уменьшения обезуглероживания, сокращения цикла обработки и предупреждения (в вольфрамовых сталях) образования стабильного карбида вольфрама WC, который плохо растворяется при последующей закалке, целесообразно подвергать высокому отпуску, а не отжигу.

В данном курсовом проекте температура высокого отпуска стали 5ХНМ 650--690°С, после этого охлаждение 50 град/ч до 500⁰С, затем на воздухе. Твердость стали 5ХНМ после высокого отпуска 197--241 НВ. Структура после отжига -- пластинчатый и зернистый перлит (с небольшими участками феррита) , размер зерна перлита в пределах 1--2 баллов (ГОСТ 5950-73). Карбидная фаза, содержание которой (% (по массе)) не превышает 7--9%, представлена легированным цементитом и небольшими количествами (до 3%) специальных карбидов типа М₂₃С_6, М₆С. Температура критических точек для стали 5ХНМ следующая:

Таблица 3.2. Критические точки, ⁰С

Рисунок 3.1 - Структура стали 5ХНМ после высокого отпуска (карбиды, перлит) х500

Упрочняющая термическая обработка

В качестве упрочняющей термической обработки применяют закалку и отпуск для стали 5ХНМ.

Таблица 3.1 - Режим термической обработки стали 5ХНМ

Выбор параметров режима закалки стали

В данном курсовом проекте для того чтобы провести закалку, штампы помещают в печь, нагретую до рабочей температуры 830⁰С. Общая продолжительность нагрева ф_общ= ф_с.п+ф_и.в , где ф_с.п - продолжительность сквозного прогрева до заданной температуры, обусловлена формой и размером изделий, их расположением, типом печи и т.д.; ф_и.в - продолжительность изотермической выдержки при данной температуре, которая не зависит от формы и размера изделия и определяется только составом и исходным состоянием стали.

Время нагрева легированной стали 5ХНМ составляет 50-75 сек. на мм сечения, диаметр пуансона-матрицы составляет 46 мм, следовательно время нагрева равно 31 минут. Выдержка составляет 25-40% от времени нагрева, и равна 9 мин.

ф_общ= ф_с.п. + ф_и.в.= 31+9 =40 мин.

Пониженная температура аустенитизации или недостаточная выдержка при этой температуре стали, легированной карбидообразующими элементами, приводит к образованию малоуглеродистого и низколегированного и поэтому малоустойчивого при охлаждении аустенита.

Кроме того, ускоренному распаду аустенита при охлаждении способствуют нерастворенные карбиды, оказывающие зародышевое влияние, повышается критическая скорость закалки и уменьшается прокаливаемость стали. Вследствие указанных изменений повышаются температуры мартенситных точек М_н и М_к и снижается твердость мартенсита - уменьшается закаливаемость стали из-за того, что значительное количество углерода находится не в аустените, а в нерастворившихся карбидах.

Повышение температуры нагрева под закалку приводит к растворению карбидов, укрупнению зерна и гомогенизации аустенита. Это способствует повышению устойчивости переохлажденного аустенита, особенно в районе температур перлитного превращения, и уменьшению критической скорости закалки и увеличению прокаливаемости стали. Однако чрезмерное повышение температуры нагрева для закалки увеличивает количество остаточного аустенита, что снижает твердость стали, приводит к сильному росту зерна и увеличению деформации обрабатываемых изделий.

Продолжительность нагрева при аустенитизации стали должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживание поверхностных слоев стали.

Для получения высокой прокаливаемости необходим полный прогрев штампа при температуре закалки. Нагрев и выдержку в пламенной печи можно определять по нормам, указанным в табл. 3.3. Их увеличивают на 30 % при нагреве в электропечи.