Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5
ВВЕДЕНИЕ .
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 резьбы1 .
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 У12 - 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 .
Все инструментальные стали подразделяются на три группы :
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 :
Маркируются инструментальные углеродистые стали буквой “У” , следующая за буквой цифра обозначает среднее содержание углерода в десятых долях процента .
Сталь У12 . Характеристики , структура , термообработка .
Предложенная для изготовления метчиков и плашек сталь У12 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 190-200С .
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 - 760-780С , но ниже , чем Астдля того , чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита2 .
Нетеплостойкие стали высокой твёрдости :
|
Марка ст. |
C |
Mn |
Si |
Cr |
Назначение |
|
У12А , У12 |
1,16-1,23 |
0,17-0,33 |
0,17-0,33 |
0,20 |
мягких металлов |
Закалка и отпуск У12 .
По данным Лахтина Ю. М. “Металловедение” , мелкий инструмент , такой , например , каким являются метчики и плашки , из стали У12 закаливают в воде или в водных растворах солей , а охлаждают в горячих средах , то есть применяется ступенчатая закалка .
Отпуск проводят при 150-170С для сохранения высокой твёрдости ( 64-66 HRc).
Общие сведения о ступенчатой закалке:
При ступенчатой закалке изделие охлаждают в закалочной среде , температура которой выше , чем мартенситная точка данной стали . Охлаждение и выдержка в этой среде обеспечивают передачу температуры закалочной ванны во все точки сечения закаливаемого изделия . После этого следует окончательное медленное охлаждение . Именно во время этого охлаждения и происходит закалка - аустенит превращается в мартенсит .
При термической обработке углеродистых инструментальных сталей (точка М=200-250) температуру ступеньки выбирают около 250С (для смесей азотнокислых солей ) , 120-150С - для щёлочи или смеси азотнокислых солей , и около 100С - для 50 % раствора NaOH в воде3 .
По данным Гуляева А. П. “Термическая обработка стали” принимаем для стали У12 : ступенчатая закалка в соляной ванне с температурой 160-170С (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- 760-780С)
|
Твёрд. в исх. сост. |
Закалка , С |
Охл. Среда |
Отпуск , С |
Получ. твёрд . |
|
170-180 НВ |
160-170 |
KOH+NaOH+H2O(4%) |
150-170 |
64-66 HRc |
Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали .
|
Величина |
До термообработ. |
После термообраб. |
|
Твёрдость |
170-180 НВ |
64-66 HRc |
|
Структура |
зернистый перлит |
мартенсит и карб . |
Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У12.
В исходном (отожженном) состоянии сталь У12 имеет структуру зернистого перлита ( Fe+Fe3C ). При нагреве её до температуры 760-780С получаем структуру аустенита и цементита первичного ( Fe+Fe3C ) . Происходит перестройка кристаллической решётки железа - кубическая объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную .
- атом углерода . - атом железа .
Рис.1 с
с
а с/a 1
О. Ц. К. (Fe) a=2,8 A (с/а=1) Г. Ц. К. (Fe) 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 .
Fe(C) Fe(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 стали4 .
На температуру начала и конца мартенситного превращения влияет состав стали , в частности содержание углерода.
Мн 20С Мк
T,C Рис. 3
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 .
Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :
Рис. 5
Зерно аустенита :
Игла мартенсита сжимает зёрна аустенита .
3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур .
Тетрагональность мартенсита объясняется наличием в кристаллической решётке углерода , она прямопропорциональна содержанию углерода .
При выбранном режиме закалки ( нагрев до 760С с последующим ступенчатым охлаждением ( 160С ) 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 760С 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 закалку6 .
T, C
840
810
780
щё 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 :
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 - -карбида , имеющего гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие этого концентрация углерода в начальной структуре начинает уменьшаться , а степень тетрагональности стремиться к единице .
-карбид - это гетерогенная смесь Fe и необособившихся частиц карбидов . Всё это вместе составляет когерентно связанную кристаллическую решётку .
Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180С 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 200С 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 220-240С7 - 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 230С со структурой после отпуска - мартенсит отпущенный .
ВЫВОДЫ из проделанной работы .
В результате назначенной термообработки - ступенчатая закалка при 170С в соляной ванне с последующим отпуском при 180С ( 230С для плашек ) и охлаждении изделия в воде - достигнуты следующие результаты :
Вывод : изделия из стали У10 , прошедшие термообработку , полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям ( высокая твёрдость , износостойкость , прочность ) .
|
Название изделия |
Материал |
Режим закалки |
Режим отпуска |
Получ твёрдость |
|
Метчик |
У12 |
нагр. до 760С с послед. |
180С , в воде |
64-65 HRc |
|
Плашка |
У12 |
зак. в NaOH+KOH (160C) |
230C , в воде |
60-62 HRc |
1
2
3 Гуляев А. П. “ Термическая обработка стали ”.
4 Материал подобран на основе лекций .
5 Поданным лабораторной работы №7.
6 Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” .
7 По данным А. П. Гуляев “Металловедение” .