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

Таблица 3.3 - Продолжительность нагрева (в пламенной печи), выдержки и охлаждения штампов при закалке.

Штампы простой формы можно нагревать быстрее чем указано в табл. 3.3., повышая температуру печи. Штампы со стороной до 250-300 мм, имеющие простую форму, охлаждают в масле, а сложной формы -- на воздухе.

Выбор охлаждающей среды

Рисунок 3.2 - Диаграмма изотермического распада аустенита стали 5ХНМ

Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость закалки (/_охл. /_кр). Значение /_кр определим, воспользовавшись диаграммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита, рисунок 3.2.

,

Т_зак- температура закалки; Т_зак = 830 ^оС;

T_{изг.с-кр} - температура минимальной устойчивости аустенита; T_{изг.с-кр} = 630 ^оС;

ф_кр - критическое время; ф_кр = 1200с.

>

Сравним скорость охлаждения штамповой стали 5ХНМ с табличными данными (таблица3.4), полученная скорость охлаждения не превышает скорости охлаждения в масле. Поэтому в качестве закалочной среды применяем минеральное машинное масло, в котором скорость охлаждения в интервале температур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита - 630°С составляет примерно 150°/_с, что больше /_кр. данной стали.

Для легированных сталей, обладающих более высокой устойчивостью переохлажденного аустенита при закалке, применяют минеральное масло (чаще нефтяное).

Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества:

1) небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, таких как внутренние напряжения. При закалке в детали возникают значительные внутренние напряжения -- термические и структурные.

Термические напряжения возникают от неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины детали. Сердцевина охлаждается медленнее поверхности, и разность температур Дt тем больше, чем ниже температура поверхности. Период охлаждения, когда разность температур достигает максимума, является наиболее вероятным для развития внутренних напряжений. В этот период охлаждения в поверхностных слоях детали будут возникать напряжения растяжения, а в сердцевине -- напряжения сжатия. В процессе дальнейшего охлаждения происходит перераспределение напряжений и после окончания охлаждения: при температуре до 20°С поверхностные слои детали будут испытывать напряжения сжатия, а сердцевина -- напряжения растяжения. Эти напряжения называются остаточными напряжениями.

Структурные напряжения возникают в результате того, что превращение аустенита в мартенсит (связанное с увеличением объема) в разных местах детали происходит не одновременно. Температура мартенситного превращения сначала достигается в поверхностных слоях, в которых появляются временные сжимающие напряжения, а во внутренних слоях напряжения растяжения. Затем мартенситное превращение протекает во внутренних слоях и знак напряжений на поверхности и в сердцевине изменяется.

При закалке термические и структурные напряжения суммируются. В зависимости от условий охлаждения, сечения деталей, глубины закалки и других факторов суммарные остаточные напряжения могут быть различными.

Структурные напряжения опасны тем, что они возникают при появлении хрупкой структуры мартенсита. Если напряжения достигнут предела прочности, то образуются трещины. Наиболее опасными являются напряжения растяжения на поверхности, возникающие в основном вследствие структурных напряжений, которые надо при закалке уменьшать.

2) Постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20-150 °С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость (температура вспышки 165-300 °С), недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а также повышенную стоимость.

Температуру масла при закалке поддерживают в пределах 60-90 °С, когда его вязкость оказывается минимальной.

Рисунок 3.3 - Структура стали 5ХНМ после закалки (мартенсит закалки + карбиды и остаточный аустенит)

матрица сталь пуансон обработка

После закалки структура штамповых сталей для горячего деформирования представляет собой пересыщенный б-раствор (мартенсит) и небольшое количество избыточных карбидов и остаточного аустенита. Содержание последнего зависит от суммарного легирования стали.

Обоснование параметров режима отпуска стали 5ХНМ

Для стали 5ХНМ проводим высокий отпуск, температура которого составляет 500-550⁰С.

Отпуск проводим в камерных печах. Выдержку при отпуске выбирают из расчета 100 - 150 с на 1 мм толщины (диаметра) инструмента, но не менее 1,5 - 2 часа. Охлаждение после отпуска - на воздухе. Структура стали после отпуска - троостосорбит (рисунок 3.5).

На рисунке 3.4 представлена зависимость температуры отпуска от твёрдости для стали 5ХНМ.

Рисунок 3.4 - Зависимость твердости от температуры отпуска

Отпуск является окончательной операцией термической обработки и проводится для повышения пластичности, снижения или почти полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали, стабилизации структуры и размеров закаленных деталей. В зависимости от температуры нагрева отпуск делят на низкий, средний и высокий. После закалки штампы немедленно подвергают отпуску. Отпуск штампов снижает их твердость и уменьшает внутренние напряжения, возникающие в штампах в результате закалки.

Рисунок 3.5 - Структура стали 5ХНМ после отпуска (троостосорбит)

Закалочные напряжения в штампах бывают настолько велики, что если штамп после закалки оставить без отпуска, то через некоторое время в нем образуются трещины. Если закаленный штамп поместить в печь, нагретую до температуры отпуска (500--600° С), то при быстром нагреве поверхностных слоев и значительной разнице между температурой поверхности и температурой сердцевины в штампе могут возникнуть трещины. Поэтому штампы после закалки помещают в отпускную печь, нагретую до температуры не выше 400°С, а затем нагревают до заданной температуры от пуска. Температура отпуска и твердость после отпуска зависят от стали и размера штампа

При нагреве для отпуска в структуре штампа может сохраняться много аустенита, особенно для крупных штампов. Поскольку он превращается в процессе выдержки и охлаждения, целесообразен двухкратный отпуск. Температура второго отпуска на 10--20°С ниже, а его продолжительность на 20--25 % меньше, чем первого.

Структура штамповой стали после отжига состоит из троостосорбита и избыточных карбидов. Способствуя усилению дендридной и зональной ликвации, такие элементы, как хром, молибден и другие, увеличивают неоднородность литого металла, что приводит при последующем переделе к образованию полосчатых структур, ориентированных в направлении деформации. Характерными примерами могут служить карбидные полосчатость и ликвация, а также раздробленная сетка или строки первичных карбидов. Неоднородное распределение карбидной фазы является одной из причин существенного снижения эксплуатационных и технологических свойств штамповых сталей.

Виды брака. Контроль качества термической обработки. Способы предупреждения и устранения брака. Планировка участка контроля качества изделий

Условия термической обработки штампов, выбираемые в зависимости от состава сталей и габаритных размеров штампов, определяют, в свою очередь, возможные дефекты при обработке и влияют на окончательную стойкость штампов. В связи с этим большое значение имеют меры предупреждения и контроля возможного брака при термической обработке

К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали, относятся трещины в изделии -- внутренние или наружные, деформации и коробление.

Трещины. Трещины возникают при закалке в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжения I рода превышают сопротивление стали отрыву. Трещины образуются при температурах ниже точки М_к, чаще после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали содержания углерода до 0,8 % с повышением температуры закалки и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.

Трещины -- неисправимый дефект. Для предупреждения их образования рекомендуется: при конструировании изделий избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от толстых сечений к тонким и т. д.; закалка с возможно более низких температур для деталей, прокаливающихся полностью; медленное охлаждение в мартенситом интервале температур, достигаемое закалкой в двух средах и ступенчатой закалкой; изотермическая закалка и выполнение отпуска немедленно после закалки.

Поэтому решающее значение в предупреждении брака имеют: правильный выбор стали, проверка ее качества в состоянии поставки и тщательное соблюдение режимов горячей механической и термической обработок, прежде всего температур нагрева, состояния нагревающих сред и условий охлаждения. Лучшие результаты достигаются при механизации и автоматизации технологического процесса.

Деформация и коробление. Деформация, т. е. изменение размеров и формы изделий, происходит при термической обработке в результате термических и структурных напряжений под действием неоднородных объемных изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми превращениями.

Несимметричную деформацию изделий в практике называют короблением (поводкой). Оно наблюдается при неравномерном и чрезмерно высоком нагреве под закалку, неправильном положении детали при погружении в закалочную среду и высокой скорости охлаждения в мартенситном интервале температур. Устранение этих причин значительно уменьшает коробление.