Lab
.pdfРисунок 11.3 – Микроструктура стали Р6М5 деформированной и отожженной
В карбидах содержится 80-95 % вольфрама и ванадия, 5 % хрома; остальная часть легирующих элементов растворена в феррите. Количество карбидной фазы в стали Р6М5 достигает 22 %.
Высокие режущие свойства быстрорежущей стали обеспечиваются ее закалкой и отпуском, в результате чего образуется структура стойкого против распада легированного мартенсита, требующего отпуска при температуре около 600 °С. Для получения такого мартен-сита сталь под закалку нагревают до высоких температур. Высокая температура нагрева нужна для того, чтобы перевести в твердый раствор (аустенит) возможно большее количество труднорастворимых вторичных карбидов.
Температура нагрева под закалку зависит от марки стали, формы, размеров, назначения, условий работы инструмента и выби-рается в пределах 1160-1240 °С. Нагрев выше определенной оптималь-ной температуры (для каждой марки стали) ведёт к значительному росту зерна, образованию сетки карбидов и может даже приводить к оплавлению режущих кромок инструмента.
Нагрев под закалку осуществляют в соляных расплавах для уменьшения окисления и обезуглероживания. Инструмент из быстрорежущей стали подвергают предварительному и окончательному нагреву. В первом случае осуществляется постепенный нагрев до температуры 950-1100 °С с выдержкой 12-15 секунд на каждый мм толщины сечения изделия. При окончательном нагреве инструмент нагревают до температур 1240 °С с выдержкой 8-10 с на каждый мм сечения инструмента.
Повышенная температура и излишнее время выдержки при окончательном нагреве под закалку приводит к образованию крупно-игольчатого мартенсита и ледебуритной сетки. Температуру нагрева под закалку нужно тщательно контролировать. Допустимое отклонение температуры от оптимальной в пределах ± 5 °С.
Охлаждение стали при закалке до температуры мартенситного превращения должно быть быстрым, чтобы аустенит не успел превратиться в промежуточные структуры. Каждой марке стали соответствует своя скорость охлаждения, при которой аустенит сохраняется до перехода в мартенсит. Эта
125
скорость достигается охлаждением в различных средах: масле, солях, в струе воздуха - для мелкого инструмента. Различные способы и скорости охлаждения следует выбирать также в зависимости от формы и размеров сечения инструмента, так как они главным образом оказывают влияние на величину напряжений и деформаций в закаленном состоянии.
Закалку инструмента можно проводить в расплаве солей (60-65 % KNО3 + 40-35 % NaOH) при температуре 400-450 °С с изотермической выдержкой и последующим охлаждением на воздухе. Изотермическую закалку применяют с целью уменьшения деформации инструмента в области мартенситного превращения.
После закалки с оптимальных температур микроструктура стали Р6М5 состоит из мартенсита, карбидов и большого количества остаточного аустенита. На рисунке 11.4 а приведена микроструктура стали Р6М5 после закалки от температуры 1220 °С. При травлении плохо выявляется основная структурная составляющая - мартенсит. Он настолько мелкоигольчатый ("бесструктурный"), что структура кажется состоящей только из аустенита и карбидов. В действительности после закалки в быстрорежущих сталях содержится примерно 60-70 % мартенсита, 10-15 % карбидов и 25-З0 % остаточного аустенита.
Микроструктура быстрорежущей стали закаленной с температуры выше оптимальной (перегрев) характеризуется значительным ростом зерна, образованием сетки карбидов (рисунок 11.4 б).
а) |
б) |
а - нормальный нагрев, закалка от температуры 1220 °С б – перегрев, закалка от температуры 1250 °С
Рисунок 11.4 - Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 после закалки с различных температур
Наличие аустенита снижает твердость, режущие свойства и стабильность размеров инструмента. Для устранения этих явлений инструмент подвергают отпуску. Отпуск необходим для превращения остаточного аустенита в мартенсит и выделения карбидов.
Наиболее полно превращения обеспечиваются при трехкратном отпуске, который проводится при температуре 550-570 °С с выдержкой по 1 часу
126
с каждым отпуском (рисунок 11.5). За счет уменьшения остаточного аустенита будет возрастать количество мартенсита и твердость стали.
а) – стандартный режим; б) – с обработкой холодом (по А.П. Гуляеву); в) – режим Оренбургского завода свёрл
Рисунок 11.5 – Схемы режимов термической обработки быстрорежущих сталей
Наиболее часто применяют традиционный режим (рисунок 11.5 а), реже режим термической обработки, предложенный в 1939 году профессором А.П. Гуляевым (рисунок 11.5 б). Так как точка конца мартенситного превращения располагается в области отрицательных температур, поэтому для уменьшения количества остаточного аустенита быстрорежущую сталь непосредственно после закалки обрабатывают холодом при температуре минус
127
75-80 °С, при этом значительная часть аустенита переходит в мартенсит, что позволяет ограничиться одним отпуском.
В 1960-1964 годах на Оренбургском заводе сверл был разработан режим термической обработки сверл (таблица 11.2), достоинство которого состоит в том, что за счет повышения температуры отпуска резко сократилась длительность процесса отпуска (рисунок 11.5 в).
Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 после термической обработки показана на рисунке 11.6.
Рисунок 11.6 – Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 после термической обработки по режиму завода свёрл
11.3 Порядок выполнения работы
11.3.1Получите образцы из стали Р6М5, измерьте твердость НRС образцов на приборе ТК-2.
11.3.2Поместите образцы стали в электропечь СУОЛ-0,4.4/12 в зо-ну, разогретую до температуры 800 °С, дайте выдержку в течение 10 ми-нут. Продвиньте образцы в зону печи с температурой 1220 °С и выдер-жите образцы при этой температуре 3-5 минут из расчета 15-20 с на каж-дый миллиметр толщины при нагреве в электропечах.
11.3.3Половину загруженных в электропечь образцов закалить в масле, другую половину - на воздухе.
11.3.4Сошлифовать верхний слой на глубину 0,3 мм.
11.3.5Измерьте твердость HRС закаленных образцов на приборе
ТК-2.
11.3.6Проведите двукратный отпуск закаленных образцов в электропечи, разогретой до 600 °С с выдержкой по 10 минут, охлаждение образцов после отпуска на воздухе.
11.3.7Измерьте твердость НRС образцов после отпуска.
11.3.8Опишите микроструктуру стали.
128
Таблица 11.2 - Технология термической обработки сверл из стали Р6М5 на автоматической линии Оренбургского завода сверл
Наименование операций |
Среда |
Температура |
Время |
|
°С |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
Забивка сверл в кассеты |
|
|
1 мин |
|
|
|
|
|
|
Нагрев под закалку лапок |
75 % BaCl2 + 25 % |
900 - 920 |
1 мин 45 с |
|
NaCl |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Закалка с самоотпуском |
Вода проточная |
20 |
2 мин 45 с |
|
|
|
|
|
|
Предварительный нагрев под |
100 % BaCl2 |
1050 |
1 мин 30 с |
|
закалку рабочей части |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Перемещение под окончатель- |
|
|
10 с |
|
ный нагрев |
|
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Окончательный нагрев под за- |
100 % BaCl2 |
1220 |
1 мин 30 с |
|
калку рабочей части |
||||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Соль H-495 (состав: |
|
|
|
Закалка рабочей части |
25-35 % BaCl2, 50- |
600 |
10 мин |
|
55 % CaCl2, 15-20 % |
||||
|
|
|
||
|
NaCl) |
|
|
|
|
|
|
|
129
Продолжение таблицы 11.2
1 |
2 |
|
3 |
4 |
|
|
|
|
|
Охлаждение окончательное |
Сжатый воздух с водой |
|
До 20 |
10 мин |
|
30 с |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первый отпуск |
Соль H-495 |
|
600 |
10 мин |
|
|
|
|
|
Охлаждение |
Сжатый воздух с водой |
|
До 20 |
10 мин |
|
|
|
|
|
Второй отпуск |
Соль H-495 |
|
600 |
10 мин |
|
|
|
|
|
Охлаждение |
Сжатый воздух с водой |
|
До 20 |
10 мин |
|
|
|
|
|
Выварка |
Вода |
|
100 |
10 мин |
|
|
|
|
|
Травление |
Вода + 10 % HCl |
|
100 |
5 мин |
|
|
|
|
|
Промывка под душем |
Вода |
|
20 |
5 мин |
|
|
|
|
|
Выбивка из кассет |
|
|
|
1 мин |
|
|
|
|
|
|
Электрокорунд, сода каль- |
|
|
|
Гидрополирование |
циниро-ванная, нитрит на- |
|
20 |
10 мин |
|
трия, вода |
|
|
|
|
|
|
|
|
Пассивирование |
Вода, NaNO2 – 160 г/л, |
|
140 |
10 мин |
|
NaOH – 650 г/л |
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание - Режимы нагрева для сверл диаметром 29 мм. |
|
|
||
|
|
|
|
|
130
Содержание отчета
11.4.1Цель работы.
11.4.2Краткое описание процессов, протекающих при термической обработке быстрорежущих сталей.
11.4.3Таблица с результатами экспериментальной работы.
Марка быстроре-жущей стали |
Твердость HRC дотермообработки |
Режимтермическойоб- |
ТвердостьHRC образцовпосле закалки |
Режим1-го |
ТвердостьHRC образ- цовпосле1-гоотп. |
Режим2-го |
ТвердостьHRC образ- цовпосле2-гоотпуска |
||||
работки |
|
отпуска |
отпуска |
||||||||
Температуранагреваподзакалку, °С |
Времянагрева, мин. |
Охлаждающая среда |
Температура, °С |
Время выдержки, мин. |
Температура, °С |
Время выдержки, мин. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11.4.4Схемы микроструктур стали в отожженном состоянии и после термической обработки.
11.4.5Выводы.
Контрольные вопросы
11.5.1Какие вы знаете марки быстрорежущих сталей?
11.5.2В чем преимущество быстрорежущих сталей перед углеродис-
тыми?
11.5.3Какие легирующие элементы обеспечивают высокую теплостойкость режущих инструментов?
11.5.4Для чего быстрорежущие стали нагревают под закалку до высоких температур, близких к температурам плавления?
11.5.5Для чего после закалки проводят многократный отпуск?
11.5.6Объясните, какие структурные превращения происходят при закалке, отпуске и какие свойства при этом приобретает быстрорежущая сталь?
11.5.7Какие свойства быстрорежущих сталей ухудшает остаточный
аустенит?
11.5.8К какому классу по структуре относятся быстрорежущие стали в нормализованном состоянии?
11.5.9Какова структура быстрорежущей стали после закалки и отпус-
ка?
11.5.10Почему сверла после термической обработки деформируются?
131
12 Лабораторная работа № 12
Структура, свойства и назначение порошковых сталей
12.1 Цель работы
Ознакомится с технологией изготовления порошковых материалов на основе железа, маркировкой, структурой, свойствами и областью их применения.
12.2 Основные сведения
Порошковая металлургия – это область техники, охватывающая совокупность методов изготовления металлических порошков и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.
Быстрое развитие порошковой металлургии создало предпосылки для разработки широкого класса сплавов, которые используются как заменители традиционных литых и кованых сталей и сплавов, так и в качестве материалов со свойствами, которые не могут быть получены при использовании других технологических процессов.
Преимущества порошковой металлургии по сравнению с другими методами изготовления деталей машин и приборов состоят в следующем:
-получение изделий, которые невозможно изготовить никакими другими методами (фильтры, пористые подшипники, контакты из псевдосплавов на основе тугоплавких металлов и др.);
-большая экономия металлов, так как можно использовать для получения порошков отходы (например, стружку, окалину) и получать изделия без дальнейшей механической обработки (втулки, шестерни, кулачки и др.), что приводит к значительному снижению себестоимости материалов и готовой продукции.
-наряду с преимуществами порошковая металлургия имеет ряд недостатков: дорогостоящая оснастка (экономически выгодна при серийном и крупносерийном производстве), нестабильность свойств, трудности изготовления крупногабаритных и сложных по форме изделий.
Основными технологическими операциями изготовления порошковых изделий являются:
1)приготовление порошковой шихты заданного химического и гранулометрического составов;
2)формование (прессование) заготовок;
3)спекание спрессованных заготовок с целью придания им необходимой прочности и физико-механических свойств;
4)дополнительная обработка в зависимости от назначения изделий и предъявляемых к ним требований (механическая, термическая и др.).
132
Порошки металлов и неметаллов являются основными исходными материалами для изготовления порошковых изделий. Промышленностью выпускаются металлические порошки: железный, медный, никелевый, хромовый, кобальтовый, вольфрамовый, молибденовый, титановый и другие. Существуют различные методы получения металлических порошков: механическим размельчением (размолом), распылением металлов, восстановлением окалины или чистых окислов, карбонильный, электролизный и другие. В зависимости от химической природы металла и способа получения частицы порошка могут иметь различную форму: сферическую, каплеобразную, губчатую, тарельчатую и другие.
12.3 Прессование
Прессование (формование) металлических порошков и их смесей – операция, при которой из сыпучего порошка получаются относительно прочные полуфабрикаты или заготовки, имеющие форму и размеры готовых изделий с учётом изменения размеров при спекании, а также припусков, связанных с какой-либо необходимой обработкой.
Среди методов формования порошковых полуфабрикатов и заготовок – однократное, многократное, горячее, динамическое, гидростатическое, взрывное и др.) – наибольшее распространение получил метод холодного прессования в закрытых пресс-формах. Этот метод является наиболее простым и легко поддаётся автоматизации.
Состоит он в засыпке шихты в пресс-форму, прессовании, непродолжительной выдержке под давлением и выталкивании прессовок из прессформы. Для получения достаточно прочных заготовок при холодном прессовании применяются значительные давления, которые в зависимости от заданной пористости и свойств порошковой шихты могут колебаться от 600 МПа до 1000 МПа.
Заготовки, полученные после прессования, как правило, имеют пористость 15-25 %, обладают низкими механическими свойствами. Высота прессовки обычно бывает в 3-5 раз меньше по сравнению с высотой засыпанного в матрицу порошка, что приводит к деформационной анизотропии свойств прессовок (механических, формы и размера пор, проницаемости).
Прессование в закрытых пресс-формах может быть односторонним и двусторонним. Одностороннее применяется при изготовлении изделий простой формы, у которых отношение длины или высоты к диаметру или толщине не превышает трёх.
12.4 Спекание
Холодное прессование не обеспечивает механической прочности прессовок. Для повышения механических свойств и придания порошковым заготовкам необходимых физико-механических свойств заготовки подвергают
133
спеканию. Спекание производят при температуре 0,7 - 0,9 от абсолютной температуры плавления металла основного компонента в многокомпонентной порошковой смеси. Спекание любой системы состоит из нагрева изделий до заданной температуры, изотермической выдержки при этой температуре и охлаждении до комнатной температуры. Одним из характерных проявлений процесса спекания является уменьшение размеров – «усадка» изделия.
Спекание порошковых заготовок производится в восстановительных или нейтральных атмосферах (вакууме, водороде, конвертированном газе и др.). Длительность выдержки при температуре спекания в зависимости от состава шихты может быть до нескольких часов (таблица 12.1).
Таблица 12.1 - Режимы изготовления конструкционных порошковых материалов
Порошковый |
Давление |
|
Режим спекания |
||
материал |
прессова- |
|
|
|
|
темпе- |
|
продолжи- |
защитная |
||
|
ния, МПа |
ратура, ºС |
|
тельность |
среда при |
|
|
|
|
выдержки, |
спекании |
|
|
|
|
мин. |
|
Железографит, |
600 - 800 |
1050 – 1150 |
|
60 - 180 |
Конвертиро- |
0,5 – 2 % С |
|
|
|
|
ванный газ, |
|
|
|
|
|
эндогаз и др. |
Железографит, |
700 - 900 |
1150 –1200 |
|
60 - 180 |
Конвертиро- |
легированный |
|
|
|
|
ванный газ, |
медью, никелем, |
|
|
|
|
водород, дис- |
хромом, |
|
|
|
|
социирован- |
0,5-1,5 % С |
|
|
|
|
ный аммиак |
При спекании порошковых материалов происходит удаление газов и адсорбированных на поверхности частиц, возгонка различных примесей, снятие остаточных напряжений на контактных участках между частицами и в самих частицах, восстановление оксидных плёнок, растворение или коагуляция, перестройка поверхностного слоя в результате диффузии и переноса металла в виде пара с одних мест в другие, рекристаллизация и др.
В процессе спекания за счёт качественного и количественного изменения контактов, связанных с большой подвижностью атомов при повышенных температурах, увеличивается поверхность сцепления частиц, повышается плотность и прочность изделий, достигаются необходимые физикохимические свойства. В результате спекания предел прочности при растяжении железографита увеличивается от 100 МПа до 300 МПа в зависимости от материала, режимов, пористости), твёрдость увеличивается от 60 НВ до 100 НВ (таблица 12.2).
134