5. Образец выполнения технологической разработки

1. Формулировка задания: разработать технологию термической обработки фрезы из быстрорежущей стали Р6М5.

2. Описание материала

Выбор быстрорежущей стали той или иной группы теплостойкости зависит от многих факторов, но определяющими являются свойства обрабатываемого материала и условия резания.

Для инструментов, воспринимающих динамические нагрузки (червячные фрезы, долбяки), выбирают сталь Р6М5 из групп умеренной теплостойкости, а при снятии стружки большого сечения или высоких скоростях резания – сталь из групп повышенной теплостойкости, например, Р18.

По условиям задания, в качестве материала для фрезы можно выбрать вольфрамомолибденовую быстрорежущую сталь Р6М5, наиболее подходящую для данных условий резания. Быстрорежущая сталь Р6М5 относится к группе сталей умеренной теплостойкости.

Химический состав Р6М5:

C – 0,8-0,88%; W – 5,5-6,5%; M₀ – 5,0-5,5%; Cr – 3,8-4,4%; V – 1,7-2,1%; Si  0,5; Mn  0,4, примеси S, P.

Углерод образует карбиды с легирующими элементами и поэтому является основным упрочнителем стали. Содержание вольфрама в стали Р6М5 понижено по сравнению с базовой быстрорежущей сталью Р18. Это понижает теплостойкость стали, но одновременно сильно снижается стоимость стали. Поэтому сталь Р6М5 стала основным заменителем стали Р18. Легирующие элементы W, Mo, Cr и V необходимы для образования карбидов и легированного мартенсита, сохраняющего высокую твердость при повышенных температурах – до 500-600С. Кремний и марганец – технологические примеси в стали.

3. Выбор и обоснование термической обработки

Для придания стали теплостойкости и твердости инструмент подвергают закалке и многократному отпуску. Высокая температура закалки необходима для более полного растворения вторичных карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Это обеспечивает получение мартенсита, обладающего высокой теплостойкостью. Во избежание образования трещин при нагреве до температуры закалки применяют двух- или трехступенчатый подогрев инструмента. Например, для мелкого инструмента подогрев при 800-850С в течении 10-15 мин или при 1050-1100С – 3-5 мин, а для крупного инструмента, кроме того, еще при 550-600С – 15-20 мин.

Выдержка при температуре закалки должна обеспечить растворение в аустените большей части карбидов. Во избежание окисления, обезуглероживания и роста зерен выдержка должна быть непродолжительной: для инструмента диаметром 10-50 мм она составляет 10-12 с на каждый миллиметр диаметра или наименьшей толщины инструмента при нагреве в расплавленной соли (обычно BaCl₂) и 12-14 с при нагреве в печи.

Высоколегированный аустенит, полученный при нагреве под закалку, обладает большой устойчивостью, поэтому охлаждающей средой при закалке является масло, охлаждающая способность которого ниже, чем воды.

Структура быстрорежущей стали после закалки представляет собой высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3-0,4%С, нерастворенные избыточные карбиды и остаточный аустенит. Обычно содержание остаточного аустенита в стали Р6М5 составляет 28-34%. Остаточный аустенит понижает твердость и прочность стали, ухудшает ее шлифуемость и стабильность размеров инструмента. Поэтому его присутствие в готовом инструменте недопустимо.

После закалки производят отпуск, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита с выделением дисперсных карбидов, главным образом М₆С. В процессе однократного отпуска только часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Для того, чтобы весь остаточный аустенит перешел в мартенсит и произошел отпуск вновь образовавшегося мартенсита, применяют многократный (обычно трехкратный) отпуск при 550-570С. Продолжительность каждого отпуска 45-60 мин. Многократный отпуск повышает твердость быстрорежущей стали и снимает напряжения, созданные закалкой и превращением остаточного аустенита в мартенсит.

Высокая твердость HRC = 63-66, полученная при отпуске, сохраняется при последующих нагревах до 600-620С, что обеспечивает высокую теплостойкость инструмента из быстрорежущей стали Р6М5.

4. Последовательность технологических операций при термической обработке и схема технологического процесса

1) Предварительный нагрев до 600С и выдержка в течении 15-20 мин.

2) Дальнейший нагрев до 850С и выдержка в течении 10-15 мин.

3) Окончательный нагрев до 1220С и выдержка в течении 10 мин (в расплавленной соли BaCl₂ ). (Указать марку печи).

4) Охлаждение в масле, остаточный аустенит составляет 28-34%.

5) Первый отпуск при температуре 350С с выдержкой в течении 1 часа с последующим охлаждением на воздухе. Остаточный аустенит 15-20%.

6) Второй отпуск при температуре 570С с выдержкой в течении 1 часа, охлаждение на воздухе. Остаточный аустенит 7-10%.

7) Третий отпуск при температуре 570С с выдержкой в течении 1 часа, охлаждение на воздухе. Остаточный аустенит 3-5%.

Схема технологического процесса термической обработки стали Р6М5 приведена на рис.1.

5. Свойства после термической обработки, дефекты и контроль

Основным параметром контроля является определение твердости по Роквеллу HRC. Она должна быть в пределах 63-66. Количество остаточного аустенита не допускается более 3%. Возможные дефекты – коробление детали, определяются визуально. Обезуглероживание поверхностного слоя определяется на микрошлифах под микроскопом, или пониженной твердостью.

Рис.1. Схема технологического процесса термической обработки стали Р6М5

6. Термическое оборудование

6.1. Классификация и индексация печей

Печи для термической обработки классифицируют по различным признакам:

Виду энергии (пламенные и электрические)

Степени механизации (механизированные и немеханизированные)

По назначению (закалочные, нормализационные, цементационные)

Способу загрузки (камерные, шахтные, колпаковые, элеваторные, конвейерные, толкательные)

Электрические печи по способу нагрева, т. е. преобразования электрической энергии в теплоту, и подводу теплоты к нагревательному телу подразделяют на две основные группы:

1. Печи сопротивления, принцип действия которых основан на выделении в проводниках теплоты при прохождении по ним электрического тока; твёрдые или жидкие проводники включаются непосредственно в электрическую цепь.

2. Индукционные печи и установки, в которых электроэнергия передаётся нагревательному телу, помещенному в переменное электрическое поле, по законам электрической индукции.

Индексация электрических печей. Печи обозначают различными индексами в зависимости от методов нагрева, особенностей конструкции, размеров, с учётом признаков технологического характера. Индекс состоит из трёх основных букв, нескольких цифр и вспомогательных букв.

Первая буква индекса для всех печей обозначает способ нагрева: С – сопротивлением; И – индукционный; Н – ионный.

Вторая буква индекса нагревательных печей сопротивления характеризует основной конструктивный признак: А – карусельная; Б – барабанная; В – ванная; Г – колпаковая; Д – с выдвижным подом; Е – подвесной конвейер; Ж – жидкостная; И – с пульсирующим подом; К – конвейерная; Л – туннельная; М – протяжная для эмалирования проводов; Н – камерная; П – протяжная для термической обработки; Р – роликовоконвейерная; Т – толкательная; У – трубчатая (лабораторная); Ф – калорифер; Ш – шахтная; Э – элеваторная; Ю - с шагающим подом; Я – ямная.

Третья буква характеризует среду в рабочем пространстве печи: А – для азотирования; В – вакуум; Г – свинец, олово, цинк; З – защитная атмосфера; К – компрессия (повышенное давление); М – масло; Н – водород; О – окислительная (воздух); П – водяной пар; HHHHhfaskljxicugvbjоомтчсдломывалпщфапр Р – агрессивная; С – соль, селитра; Ц – цементация; Щ – щёлочь.

Индекс может включать вспомогательную четвёртую букву: А – агрегат из нескольких печей; Л – лабораторная; П – проходная; М – муфельная. Для вакуумных печей исполнение теплоизоляции: Г – графитовая; Ф – керамическая; Э – экранная.

После букв через дефис указывают размеры рабочего пространства печи (в дециметрах); для прямоугольной – ширину, длину и высоту; для цилиндрической – диаметр и высоту (длину).

Примеры обозначения печей:

1. СГО-20.15-2/3 – электропечь сопротивления колпаковая с воздушной атмосферой, диаметр рабочего пространства 2 м, высота 1,5 м, двухстендовая, температура 300 ⁰С;

2. СВС-3,5.8.4/6 – электрованна соляная, ширина рабочего пространства 0,35 м, длина 0,8 м, высота 0,4 м, температура 600 ⁰С;

3. СР3А-6.30.2/3,5 – агрегат сопротивления с закалочной роликовоконвейерной печью с защитной средой и рабочим пространством шириной 0,6 м, длиной 0,2 м, максимальная температура отпускной печи 350 ⁰С.

Индексация пламенных печей. Для обозначения всех пламенных печей приняты индексы, в которых указаны назначение, тип, основные размеры, температура нагрева.

Первая буква индекса обозначает назначение печи: Т – термическая пламенная, Н – нагревательная пламенная.

Вторая буква характеризует основной конструктивный признак печи: А – с вращающимся подом, Б – барабанная, Д – с выдвижным подом, Е – с подвесным конвейером, И – с пульсирующим подом, К – конвейерная, Н – камерная периодического действия, Р – рольганговая, Т – толкательная, У – методическая (кузнечная), Ш – круглого сечения, Щ – щелевая, Э – элеваторная, Ю – с шагающими балками, Я – ямная.

Третья буква обозначает характер среды в рабочем пространстве печи: О – обычная печная (окислительная), З – защитная, безокислительная и др.

После буквенных обозначений через дефис приводят цифровые значения.

Первая цифра обозначает округлённую ширину пода печи в дециметрах, вторая цифра – округлённую длину (глубину) пода печи в дециметрах, третья цифра – округлённую высоту рабочего пространства печи или максимальную высоту окна загрузки в дециметрах. После цифр, обозначающих габаритные размеры, через дробь указывается предельная рабочая температура нагрева в сотнях градусов Цельсия и через дефис ставится буква, определяющая вид топлива: Г – газ, М – мазут.

Примеры обозначения печей:

1. ТТО-8.72.8,5.5/10-Г – печь термическая толкательная с окислительной атмосферой и размерами рабочего пространства: ширина 0,8 м, длина 7,2 м, высота 0,85 м, максимальная температура 1000 ⁰С, топливо – газ.

2. ТТЗА-8.72.8,5/9,5-Г – печь термическая толкательная с защитной атмосферой, входящая в агрегат, с размерами рабочего пространства: ширина поддона – 0,8 м, длина – 7,2, высота – 0,85 м, максимальная температура 950 ⁰С, топливо – газ.

К термическим печам предъявляют следующие основные требования: простата конструкции и надёжность эксплуатации, получение высокого качества деталей, минимальное потребление энергии, экономичная эксплуатация, выполнение требований экологического характера.

Тип печи для термической обработки выбирают с учётом ряда факторов. В первую очередь рассматривают весь перечень деталей, подвергаемых обработке. В зависимости от марки материала детали определяют максимальную и минимальную температуру печи. Выбор типа печи и степень механизации зависят от числа обрабатываемых деталей и их габаритных размеров.

При выборе вида энергии для обогрева печей следует учитывать целый ряд технико-экономических параметров: 1) возможность получения того или иного видов энергии, 2) стоимость нагрева при использовании различных видов энергии, 3) технологические особенности процесса термической обработки, 4) масштабы производства. Так, нагрев в вакуумных печах проводят только с помощью электроэнергии, скоростной поверхностный нагрев – только в индукционных установках, сквозной обычный нагрев при термической обработке, особенно в условиях массового производства - в топливных и электрических печах. Химико-термическую обработку в условиях массового производства производят в основном на автоматических линиях с газовым или смешанным газовым и электрическим нагревом. К преимуществам печей с газовым нагревом относятся простота конструкции и меньшая стоимость, как самой печи, так и нагрева по сравнению с электрическим нагревом, к недостаткам – повышенная опасность при эксплуатации, необходимость применения теплоутилизационных устройств и системы дымоудаления. К преимуществам печей с электрическим нагревом относятся: большая точность регулирования температуры, чем в газовых печах, обеспечение лучших условий труда, а к недостаткам – большая стоимость нагрева, сложность конструкции печи, наличие трансформаторов и другой аппаратуры, большой расход дорогих и дефицитных материалов и комплектующих изделий (кабельная продукция, специальная керамика).

Электрические печи сопротивления по сравнению с аналогичными по техническому назначению газовыми печами имеют меньшую надёжность и чаще подвергаются ремонту.

7. Контрольные вопросы

1) Опишите изменение свойств при закалке и высоком отпуске сталей, как называют этот режим обработки?

2) Назовите преимущества и недостатки закалочных сред: раствор соли, холодная вода, минеральное масло.

3) Какие свойства поверхности обеспечивает цементация, азотирование?

4) Чем отличаются режимы высокого, среднего и низкого отпуска сталей?

5) Назовите назначение каждого вида отпуска.

6) Какие легирующие элементы обеспечивают высокую ударную вязкость сталей?

7) Назовите карбидообразующие элементы в быстрорежущих сталях.

8) Расшифруйте марку печи СВС-3,5.8.4/6.

8. Рекомендуемая литература

1. Материалловедение и технология металлов / Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высшая школа, 2001. – 640 с.

2. Материаловедение: Учебник для вузов/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.