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
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Задание: 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.
Выполнил: ст.гр. МБ-06-8
Ансталь Н.С.
Проверил: профессор
Бакаева Р.Д.
Москва 2008
Содержание:
1. Метчики и плашки. Основные сведения……………………………………...3
2. Требования к режущему инструменту…………………………......................4
3. Общие сведения об инструментальных сталях…………………....................5
4. Сталь У10. Характеристики, структура, термообработка……………...........6
5.Основные сведения о термической обработке…………………......................7
6. Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10…………………………………………………………………………………7
7. Общие сведения о ступенчатой закалке…………………………....................7
8. Основные сведения о процессах, происходящие при закалке стали У10…………………………………………………………………………………8
9. Отпуск. Общие сведения………………………………………………………8
10. Низкотемпературный (низкий) отпуск…………………………....................9
11. Основные сведения о процессах, происходящих при отпуске стали У10…………………………………………………………………………………9
12. Выводы из проделанной работы………………………………....................10
13. Список используемой литературы………………………………………….11
Метчики и плашки. Основные сведения.
Метчик - инструмент для нарезания внутренней резьбы. Представляет собой цилиндрический винт, сопряженный с нарезаемой резьбой, с режущими кромками на конце. В зависимости от назначения метчики делятся на ручные, машинно-ручные, гаечные и плашечные. В зависимости от профиля нарезаемой резьбы метчики делятся на пять типов: для метрической, дюймовой, трубной, трапецеидальной и конической резьб.
Плашка (круглая нарезная) - инструмент для нарезания (накатывания) наружной резьбы вручную или на станках. Круглая плашка представляет собой гайку, сопряженную с нарезаемой резьбой, превращенную в режущий инструмент путем прорезания стружечных канавок и затылования зубьев. Нарезные плашки бывают круглые (лерки), раздвижные (призматические).
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 к режущему инструменту:
Определим необходимые параметры для изготовления метчиков и плашек из стали У10. Метчики и плашки относятся к режущим инструментам, к которым необходимо предъявить следующие требования:
Во-первых, инструментальный материал должен иметь высокую твердость, для того чтобы в течение длительного времени срезать стружку.
Во-вторых, значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания.
В-третьих, режущая часть инструмента должна иметь большую износостойкость в условиях высоких давлений и нагрева.
В-четвертых, важным требованием является также достаточно высокая прочность инструментального материала, так как при недостаточной прочности происходит выкрашивание режущих кромок, либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.
В-пятых, инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т. е. легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента, а также быть сравнительно дешевыми.
Для изготовления режущих элементов инструментов в основном применяются следующие материалы:
1) инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие);
2) твердые сплавы;
3) минералокерамические материалы;
4) алмазы;
5) абразивные материалы.
Для изготовления метчиков и плашек предлагается сталь У10 - инструментальная углеродистая высокопрочная, нетеплостойкая, небольшой прокаливаемости. Эта марка стали применяется для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки. Например, обработки дерева: пил ручных поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных; штампов холодной штамповки; калибров; накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др.
Общие сведения об инструментальных сталях.
Инструментальной углеродистой сталью называется сталь с содержанием углерода от 0,7% и выше. Эта сталь отличается высокой твердостью (примерно 60-65 HRc), прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и износостойкостью, необходимой для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании. Инструментальные стали можно применять для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А, к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов - марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У - углеродистая, следующая за ней цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента.
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:
1.нетеплостойкие (углеродистые и легированные с содержанием легирующих элементов до 3-4 %) .
2.полутеплостойкие (до 400-500°С, с содержанием углерода до 6-7 %, а хрома 4-18 %).
3.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:
1. стали небольшой прокаливаемости (углеродистые).
2. стали повышенной прокаливаемости (легированные).
Сталь У10 . Характеристики, структура, термообработка.
Из указанных ранее общих сведений об инструментальных сталях мы можем сделать вывод, что предложенная нам для изготовления метчиков и плашек сталь У10 относится к углеродистым сталям небольшой прокаливаемости, необладающей теплостойкостью. Именно поэтому эту сталь применяют для изготовления инструментов небольших размеров, таких, например, как метчики и плашки.
Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента, только тогда, когда процесс резанья происходит при малых скоростях, т.к. при нагреве выше температуры 190-200°С сильно снижается высокая твердость данной стали. А как определилось ранее, для режущих инструментов твердость является основным критерием при подборке материала.
Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого перлита, при этом твёрдость их не превышает 170-180 НВ. В таком состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием. Температура закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1, но ниже, чем Аст (для того, чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита). Т.е. для стали У10 (Ас1=730°С) примем температуру закалки 760-780°С
Химический состав, % ГОСТ 1435-74, ГОСТ 5950-73
|
С |
Si |
Mn |
S |
Cu |
Cr |
Ni |
P |
|
0,95-1,04 |
0,17-0,33 |
0,17-0,33 |
до 0,028 |
до 0,25 |
до 0,20 |
до 0,25 |
до 0,030 |
Температуры критических точек материала знать необходимо для дальнейшего проведения анализа стали и последующего выбора термообработки.
Табл.1
|
Температура критических точек |
Критическая точка, °С |
|
Ac1 |
730 |
|
Ac3 |
800 |
|
Ar1 |
700 |
|
Mn |
210 |
Механические свойства при Т=20°С материала У10
1) Относительное удлинение при разрыве, 10 %
2) Твёрдость, 170-180 НВ
3) Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), 325МПа
4) Относительное сужение, 50 %
5) Ударная вязкость, 270 кДж / м2
Основные сведения о термической обработке.
Для того, чтобы определиться с термической обработкой для стали У10, рассмотрим основные понятия термической обработки и суть их применения.
Термической обработкой называется нагрев сплава до определенной температуры, выдержка его при данной температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью. Целью термической обработки является получение заданных свойств сплава путем изменения его структуры без изменения формы и состава. Термической обработкой можно изменять свойства сплавов в самых различных целях. Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых полуфабрикатом и готовым изделиям, является отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Закалка – термическая обработка – заключается в нагреве стали до температуры выше критической, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. 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 – заключается в нагреве закалённой стали ниже Ас1, в выдержке и последующем охлаждении.
Инструментальную сталь (У10) в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, т.е. именно для улучшения тех параметров которые нам необходимы для изготовления метчиков и плашек.
Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10
Изучив основы термической обработки стали назначим для стали У10 режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска).
По данным Гуляева А. П. “Термическая обработка стали” для стали У10 применяется: ступенчатая закалка в соляной ванне(KOH+NaOH) с температурой 160- 170°С с добавкой воды около 3-5 %.[1] Эти цифры соответствуют закалке деталей из углеродистой инструментальной стали диаметром 10-15мм, которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым к назначенным деталям (метчики и плашки). Так как предельные размеры назначенных деталей не заданы, то расчёт проводим с тем условием, что они не выходят за пределы 10-15мм.
По данным Лахтина Ю. М. “Металловедение” отпуск для данной стали проводят при 150-170°С для сохранения высокой твёрдости (62-63 HRc).[2]
Общие сведения о ступенчатой закалке:
При ступенчатой закалке изделие охлаждают в закалочной среде, температура которой выше, чем мартенситная точка данной стали (для стали У10 Mn=210°С). 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.[1]
При термической обработке углеродистых инструментальных сталей (точка М=200-250°) температуру ступеньки выбирают около 250°С (для смесей азотнокислых солей) , 120-150°С - для щёлочи или смеси азотнокислых солей, и около 100°С - для 50 % раствора NaOH в воде.
По данным Новикова: разновидностью ступенчатой закалки является закалка в горячей среде, температура которой несколько ниже мартенситной точки. Более низкая температура «ступеньки» обеспечивает большую прокаливаемость. А т.к. количество мартенсита еще не велико, то основные преимущества ступенчатой закалки сохраняются.[4]
Основные сведения о процессах, происходящие при закалке стали У10.
Как было рассмотрено ранее, сталь У10 является заэвтектоидной и в исходном состоянии до термической обработки имеет структуру: цементит + перлит.
При нагреве её до температуры 760-780°С получаем структуру аустенита и цементита первичного. В этом состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием. Еще раз отметим, что температура закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1, но ниже, чем А3 для того, чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита. Поэтому принимаем температуру закалки стали У10- 760-780°С в соответствии с указанными ранее критическими точками. Проводим ступенчатую закалку в горячей среде, и температуру ступенчатой закалки выбираем чуть ниже мартенситной точки (160-170°С), чтобы обеспечить более высокую прокаливаемость.
Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали .
|
Величина |
До термообработки |
После термообработки |
|
Твёрдость |
170-180 НВ |
62-63 HRc |
|
Структура |
зернистый перлит |
Мартенсит закалки,аустенит,остаточные карбиды |
Этот способ дает закалку с минимальными внутренними напряжениями –термическими, т.к. охлаждение разбивается на два этапа и разновременность превращения в разных точках сечения уменьшается.
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.
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 в соляной ванне(KOH+NaOH) с температурой 160- 170 с добавкой воды около 3-5 %. В результате которой получаем структуру мартенсит закалки + аустенит+ остаточный карбиды (М+Аост.+Fe3C) , твёрдость изделия - 62 HRc .
График ступенчатой закалки для стали У10.
T,°С
Ц(1) + Ау
770 солянная ванна(KOH+NaOH)
Mn
(210)
165 2-3 мин. (М+Аост.+Fe3C)
0 τ
Отпуск. Общие сведения.
В закалённой стали тетрагональность мартенсита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость, которую необходимо устранить, т.к. режущий инструмент изготавливают из материалов, имеющих значительную твердость. 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. [3]
Отпуск делится на три вида:
1. нагрев до 200°С - низкий отпуск - применяется для снятия внутренних напряжений (структура: мартенсит отпущенный) .
2. нагрев на 350°- 500°С - средний отпуск - повышает пластичность (структура: мелкозернистая ферритно-цементитная смесь - троостит).
3. 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.
Низкотемпературный (низкий) отпуск
Низкий отпуск проводят при нагреве до 250° С. При этом снижаются закалочные микронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,6-1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость 58-63 HRC, а, следовательно, высокую износостойкость. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку. Продолжительность отпуска составляет обычно 1-2,5 часа.
Основные сведения о процессах, происходящих при отпуске стали У10.
Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180°С с последующим охлаждением в воде - низкий отпуск. [2]
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. 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 - 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° (230°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).
|
Название изделия |
Материал |
Режим закалки |
Режим отпуска |
Получ твёрдость |
|
Метчик |
У10 |
нагр. до 760С с послед. |
170С, в воде |
62-63 HRc |
|
Плашка |
У10 |
зак. в NaOH+KOH (160- 170C) |
230C , в воде |
59-61 HRc |
Список литературы: