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
Задание
Для изготовления штампов холодной штамповки применяется сталь Х12М. Твёрдость после термической обработки HRC 62. Обосновать выбор стали. Описать структуру до и после термической обработки. Указать возможные замены стали другой.
Основная часть
ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ
Для обработки металлов давлением применяют инструмен ты — штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д., деформирую щие металл. Стали, применяемые для изготовления инструмен та такого рода, называют штамповыми сталями (по виду наи более распространенного инструмента).
Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в горя чем состоянии. Условия работы стали при различных видах штамповки сильно различаются между собой.
Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой из готавливают штампы, обычно должна обладать высокой твер достью, обеспечивающей устойчивость стали против истирания, и вязкость, особенно для пуансонов, имеет также первосте пенное значение.
Кроме перечисленных свойств, от стали, из которой изготав ливают штампы больших размеров, требуется повышенная прокаливаемость. Сталь, применяемая для штампов и пуансонов сложных конфигураций, должна мало деформироваться при за калке.
Ввиду многочисленных и разнообразных требовании, предъ являемых к штампам в зависимости от их назначения, применя ют стали различных марок, начиная от простых углеродистых и кончая сложнолегированными.
Рассмотрим стали для холодных штампов и их термическую обработку
Инструмент для деформирования металла в холодном состоянии должен иметь высокую твердость (практически не ниже HRC 58). В ряде случаев вы сокая твердость (выше HRC 62) обеспечивает и более высокую стойкость в работе. Поэтому для такого рода инструмента применяют стали с содержани ем углерода не менее 1 % в состоянии низкоотпущенного мартенсита, т. е. после закалки и низкого отпуска.
Из углеродистой стали марок У10, У11, У12 изготавливают штампы не больших размеров и простой конфигурации; ввиду неглубокой прокаливаемости их следует применять для относительно легких условий работы (малая степень деформации, невысокая твердость штампуемого материала).
Для более сложных конфигураций штампов и более тяжелых условий ра боты применяют легированные закаливаемые в масле (глубоко прокаливаю щиеся) стали — чаще всего сталь Х (ШХ15).
Валки станов холодной прокатки, которые тоже можно считать инстру ментом, деформирующим металл в холодном состоянии, изготавливают из хро мистых сталей с 1 или 2 % Cr (9X: 0,95 – 1,10 % С, 1,4 – 1,7 % Cr; 9Х2: 0,85 – 0,95 % С, 1,7 – 2,1 % Сг). Ввиду большого сечения валки закаливают в воде и затем подвергают низкому отпуску при 100—120° С. Это делают для того. чтобы поверхность валка (на глубине до 10 – 15 мм) имела максимально вы сокую твердость (HRC 64 – 66), так как это наряду с другими условиями (от сутствием перегрева, равномерностью распределения карбидов и т. д.) обеспе чивает высокую стойкость в работе.
Наоборот, для инструмента некоторых видов, деформирующего металл в холодном состоянии, но с ударом (например, клейма, инструмент для пневма тических молотков, зубила и т. д.), твердость должна быть ограничена неко торым верхним пределом порядка HRC 52 – 58 (в зависимости от вида инст румента и условий работы).
При относительно легких условиях работы (легкие удары, малая дефор мация металла, например ручные клейма, ручные зубила) применяют углеро дистую сталь У7, У8, У9. Необходимая твердость (HRC 58) получается путем закалки и отпуска при 250 – 350° С. Хорошие результаты в смысле стойкости получаются при так называемой «градиентной закалке», или закалке с само отпуском. Степень разогрева при самоотпуске контролируется или строго регламентированными по времени условиями охлаждения, или по цве там побежалости. При этих способах термической обработки получается не равномерная твердость — высокая в рабочей части и постепенно снижающаяся к нерабочей; это обстоятельство и обеспечивает большую стойкость в работе такого инструмента. При необходимости иметь еще большую вязкость, чем при градиентной закалке стали с рабочей твердостью < HRC58, применяют стали с меньшим содержанием углерода и обрабатывают их на твердость ~ HRC 52 применяют для пневматического и другого ударного инструмен та. Закалку этих легированных сталей проводят в масле. Стали, легированные только кремнием, обладают меньшей прокаливаемостью, чем стали, содержащие вольфрам; вольфрам измельчает зерно и придает стали большую вязкость.
Увеличение содержания углерода делает стали более твердыми и износо устойчивыми, но менее вязкими. Учитывая это обстоятельство, можно получать хромокремнистые и хромовольфрамокремнистые стали с разным содержанием углерода.
Широкое применение для холодных штампов и других инструментов, де формирующих металл в холодном или относительно невысоко нагретом состоя нии (накатанные плашки и ролики, фильеры для волочения и др.), получили высокохромистые стали (12% Сг при 1 – 1,5 % С), обладающие высокой изно соустойчивостью, повышенной теплостойкостью, малой деформируемостью при термической обработке и некоторыми другими особыми свойствами.
Состав 12 %-ных хромистых инструментальных сталей приведен в табл.1
Все высокохромистые штамповые стали содержат в среднем 12 % Сг и высокий процент углерода. Это приводит к образованию большого количества хроми стых карбидов (Сr7С3). Так, в отожженной сталях Х12М и Х12Ф1 присутствует 15 – 17% карбидной фазы М7С3, а в стали X12 этой фазы 25 – 30% (так как в этой стали почти в два раза больше углерода).
Именно большое количество избыточной карбидной фазы (при всех ре жимах термической обработки) и делает сталь высокоизносоустойчивой. Спо собность этих карбидов частично переходить в раствор и в тем большей степени, чем выше нагрев под закалку, позволяет, изменяя температуру закалки, изменять свойства стали и ее поведение при термической обработке.
Состав сталей для штампов холодного формирования, %
(ГОСТ 5950 – 73)
|
Марка стали |
С |
Сг |
Мо |
W |
V |
|
Х12 |
2,0 – 2,3 |
11,5 – 13,0 |
— |
— |
— |
|
Х12ВМ |
2,0 – 2,2 |
11,0 – 12,5 |
0,6 – 0,9 |
0,5 – 0,8 |
0,15 – 0,3 |
|
Х12М |
1,45 – 1,7 |
11 – 12,5 |
0,4 – 0,6 |
— |
0,15 – 0,3 |
|
Х12Ф1 |
1,2 – 1,45 |
11,0 – 12,5 |
— |
— |
0,7 – 0,9 |
|
Х6ВФ |
1,05 – 1,14 |
5,5 – 7,0 |
— |
1,1 – 1,5 |
0,5 – 0,7 |
|
6Х6В3МФС |
0,5 – 0,6 |
5,5 – 6,5 |
0,6 – 0,9 |
2,5 – 3,2 |
0,5 – 0,8 |
|
80Х4В3М3Ф2 |
0,75 – 0,85 |
3,5 – 4,5 |
2,5 – 3,0 |
2,5 – 3,2 |
1,9 – 2,5 |
|
7ХГ2ВМ |
0,68 – 0,76 |
1,5 – 1,8 |
0,5 – 0,8 |
0,5 – 0,9 |
0,1 – 0,25 |
Примечание: во всех сталях: < 0,4 % S; < 0,35 % Mn; < 0,35 % Ni; . < 0,03 % Р и S
Рис. 1 Влияние температуры закалки на твердость стали Х12М, количество остаточного аустенита и изменение длины (Δ l)
По своей природе стали типа Х12 похожи на быстрорежущие, так как в них совершаются те же превращения, что и у быстрорежущих сталей.
Высокохромистые стали являются сталями ледебуритного класса, так как в литом виде первичные карбиды, выделяющиеся во время затвердевания ста ли, образуют эвтектику — ледебурит. Однако при ковке эвтектика разби вается, и в отожженном после ковки состоянии структура должна состоять из сорбитообразного перлита с включениями избыточных карбидов.
На рис. 1 дана диаграмма, показывающая твердость (HRC) и количе ство аустенита (А%) в стали Х12М в зависимости от температуры закалки. Сначала с повышением температуры закалки твердость возрастает. Это объ ясняется тем, что хромистые карбиды плохо растворяются в аустените, и при закалке 850 – 900°С получается недостаточно легированный мартенсит. Наибольшая твердость в стали Х12М получается при закалке с 1075° С. Даль нейшее повышение температуры приводит к снижению твердости вследствие еще большего растворения хромистых карбидов и увеличения количества оста точного аустенита.
Таблица 2 Режимы термической обработки стали Х12М (Х12Ф1)
|
Режимы |
Температура закалки, 0С |
Среда охлаж дения |
Твёрдость после закалки (HRC) |
Количество аустенита, % |
Температура отпуска, 0С |
Число отпусков |
Твёрдость после отпуска (HRC) |
|
I |
1070±10 |
Селит ра (масло) |
62 – 64 |
20 – 25 |
160 |
1 |
62 – 64 |
|
II |
1070 ±10 |
Селит ра (масло) |
62 – 64 |
20 – 25 |
200 |
1 |
58 – 60 |
|
III |
1070 ±10 |
Селит ра (масло) + обработка холодом при - 700С |
151 – 153 |
30 – 35 |
520 |
2-3 |
60 – 62 |
|
IV |
1120±10 |
Селит ра (масло) |
57 – 59 |
35 – 45 |
Термическая доводка |
57 – 59 |
Примечание: I—обычный режим;
II—применяют, если обработка по режиму I не обеспечивает необходимой вязкости;
III—для режущих ин струментов, когда требуется износостойкость;
IV — используют тогда, когда требуется неизменность размеров.
Необходимую высокую твердость стали типа X12 можно получить, зака ливая ее от высоких температур (1150° С) в масле и получая, следовательно, большое количество остаточного аустенита, а затем путем обработки холодом и отпуска добиваться разложения остаточного аустенита и получать высокую твердость (>HRC 60). Такой метод обработки на так называемую вторичную твердость, применяемый для быстрорежущей стали, принят и при обработке высокохромистых сталей. Но чаще сталь типа Х12 закаливают с температур, дающих наибольшую твердость после закалки (от 1050 – 1075° С) и последу ющего низкого отпуска (при 150 – 180° С). Твердость в обоих случаях одина ковая (HRC 61 – 63), но в первом случае сталь обладает более высокой красностойкостью, а во втором — большей прочностью.
Для повышения вязкости в результате некоторого снижения твёрдости (HRC 58 – 59) температуру отпуска повышают до 200 – 275 0С
Высокохромистые стали Х12Ф1 и Х12М относятся к ледебуритному классу и содержат 16 – 17 % карбидов (Cr,Fe)7C3. Стали обладают высокой износостойкостью и при закалке в масле мало деформируются, что важно для штампов сложной формы.
Молибден и ванадий в сталях Х12Ф1 и Х12М способствуют сохранению мелкого зерна. Обе стали обладают высокой устойчивостью переохлаждённого аустенита, а следовательно хорошей прокаливаемостью. Сталь Х12Ф1 прокаливается до 150 – 180 мм, а Х12М – до 200 мм при охлаждении в масле.
Применяемые режимы термической обработки для сталей Х12Ф1 — Х12М (обе эти стали практически равноценны), получаемые при этом свойства и не которые данные о строении (количество аустенита) приведены в табл. 2.
Так как в стали типа Х12 количество остаточного аустенита изменяется в широких пределах (почти от 0 до 100%), то естественно, что и изменение объема, которое наблюдается при закалке, также сильно изменяется. При за калке на мартенсит сталь приобретает объем больший, чем исходный, а при закалке на аустенит — меньший (см. кривую Δl на рис.1). При некоторой температуре соотношение получающегося аустенита и мартенсита таково, что объем закаленной стали точно равен исходному. Как следует из графика, при веденного на рис. 1, это будет происходить при закалке с 1120° С, когда фиксируется около 40% остаточного аустенита при твердости около HRC 58 (в этом случае Δl 0). Однако возможные колебания в температуре закалки, условиях охлаждения и других деталях термического режима, как правило, приводят к тому, что размеры штампа не окажутся точно равными исходным.
Если размеры штампа уменьшились (штамп «сел»), то дается отпуск при 520° С. В ре зультате такого отпуска остаточный аустенит превратится частично в мартен сит и размеры штампа увеличатся. Если размеры штампа при закалке увели чились (штамп «вырос»), то проводят отпуск при 350° С. Аустенит при этих температурах отпуска остается, а тетрагональный мартенсит превращается в отпущенный и размеры штампа уменьшаются.
Эта операция носит название термической доводки. В результате терми ческой доводки можно довести размеры крупных штампов до требуемого зна чения с точностью ±0,1 мм.
Стали Х12Ф1, Х12М и им подобные мало деформируются при закалке, а при применении термической доводки деформацию можно свести практически к нулю. Поэтому эти стали следует рекомендовать для инструмента сложной формы, для которого деформация при закалке недопустима.
Существенным недостатком стали Х12 является пониженная механическая прочность, обусловленная наличием в этой стали большого количества карбид ной фазы. А так как этой фазы будет тем больше, чем больше углерода в ста ли, то в силу этой причины сталь Х12 (с 2,0 — 2,3% С) применяют лишь для неответственных назначений и для простого по конструкции инструмента.
Для быстрорежущих сталей и для сталей типа Х12 большое значение имеет распределение карбидной фазы. Строчечное распределение карбидов, скопление карбидов, т. е. все то, что называется «карбидной ликвацией», сильно ухудшает прочность стали. Чем больше уков, а следовательно, чем меньше сечение металла (заготовки, прутка), тем сильнее раздробляются скопления карбидов, тем лучше качество стали (рис. 2, а, б). Поэтому основательную проковку следует рекомендовать в тех случаях, когда штамп имеет крупные размеры. Уковка в этом случае достигается попеременной осадкой и вытяж кой. Однако и в этом случае не всегда удается устранить в необходимой сте пени «карбидную ликвацию».
Сталь рассматриваемого класса, но с меньшим содержанием углерода и хрома и менее склонная к карбидной ликвации, представлена в табл. 1 мар кой Х6ВФ. Сталь Х6ВФ содержит меньше карбидов, чем сталь типа Х12 (12 –14 % карбида М7С3 в отожженной стали Х6ВФ против 15 – 17% в стали Х12Ф1 и 25 – 30% в стали Х12, и при прочих равных условиях карбидная ликвация у нее меньше (рис. 2. б).
Проведение стали Х6ВФ при термической обработке такое же, как и у сталей типа Х12, однако повышение температуры закалки не приводит к тако му резкому растворению карбидной фазы, как у сталей типа Х12 (рис. 3). Поэтому эта сталь обычно закаливается с 1000° С±10 (для получения максимальной твердости). При этом около 8 % карбидов из 12 % перейдет в раствор, и мартенсит будет содержать около 5 % Сг в растворе.
Такой мартенсит достаточно устойчив против отпуска (рис. 3, 6). Отпуск при 200° С снижает твердость до HRC 58, а дальнейшее повышение температуры (до 500 – 525° С) снижает твердость в незначительной степени — 58 до HRC 55 – 56. Так как прочность и вязкость также мало изменяются этом же интервале температур отпуска (такое изменение свойств характерно и для сталей типа X12), то сталь Х6ВФ отпускают или при 150° С (для сохра нения высокой твердости), или при 200° С (для некоторого повышения вяз кости)
.
Рис. 3. Влияние термической обработки на строение и свойства стали Х6ВФ:
а — влияние температуры закалки;
б — влияние температуры отпуска
Из изложенного следует, что области применения и режимы термической обработки сталей Х6ВФ, Х12М и Х12Ф1 в общем похожи, только сталь Х6ВФ отли чается более высокой прочностью, но меньшей износоустойчивостью. Послед нее является следствием меньшего количества в ней карбидной фазы.
Механические параметры и режимы термической обработки сталей Х12М и Х12Ф1 мало отличаются, поэтому их можно считать аналогами в производстве штампов.