Разработка технологии термической обработки штампов горячего деформирования из теплостойкой стали 4Х5МФС

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Технологические особенности процессов термической обработки»

На тему: «Разработка технологии термической обработки штампов горячего деформирования из теплостойкой стали 4Х5МФС»

Выполнил студент группы МВ05-12-2

Зайц В.А.

Проверил: Карпова Т.П.

Днепропетровск 2016



Содержание

Введение

1. Назначение металлоизделия, условия его работы, требования, предъявляемые к металлу готового изделия

2. Химический состав стали

3. Требования, предъявляемые к штамповым сталям

4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповых сталей

5. Термическая обработка штамповых сталей для горячего деформирования

6. Контроль качества

7. Выбор оборудования

Выводы

Список используемой литературы



Введение

Создание высокопроизводительных и стойких в эксплуатации Инструментов связано, в первую очередь, с проблемой получения и обработки таких материалов, которые могли бы противостоять жестким условиям работы. Высокие механические свойства инструмента и его теплостойкость (красностойкость) достигаются специальным легированием и термической обработкой. Таким образом, определенный интерес представляет разработка и корректировка методов термической обработки.

В настоящей работе были проведены исследования штамповой стали 4Х5МФ1С после различных режимов термической обработки. Выбранная сталь используется для изготовления штампов и ножей для горячей и холодной деформации. В частности, ножи из данной марки стали применяются на для резки углеродистых и электротехнических сталей.

Характерной особенностью стали-.4Х5МФ1С является комплексное легирование и склонность к дисперсионному твердению. Высокий уровень легирования благоприятно влияет на прочность, прокаливаемость, теплостойкость стали и дает возможность использовать ее для инструментов, разогревающихся в процессе работы до 600°С. Дисперсионное твердение обеспечивает хорошие режущие свойства инструмента.

Проведенные испытания позволили выявить оптимальные режимы закалки и отпуска, которые обеспечивают не только получение заданных свойств инструмента, но и дают определенный экономический эффект за счет снижения производственных затрат.

штамповой сталь легирующий деформирование



1. Назначение металлоизделия , условия его работы, требования, предъявляемые к металлу готового изделия

Штамп является инструментом для обработки давлением, поверхность или контур одной или обеих частей которого соответствуют обработанной детали или заготовке. Конструкции штампов зависят от их назначения (отрезные, прошивные, для объемной штамповки, накатки, высадочные и др.), способа нагружения (молотовые, прессовые и др.) и других факторов. Штампы отличаются большим разнообразием и могут быть весьма сложными. Примеры конструкций штампов и наименования отдельных деталей приведены на рис. 1.

Штампы изготавливают цельными и сборными; в последнем случае из дорогостоящих легированных сталей изготавливают лишь относительно небольшие формообразующие детали, контактирующие с горячим металлом; крепежные и установочные детали (блок-штампы) делают из более дешевых сталей.

Основную массу штампов изготавливают в инструментальных цехах машиностроительных заводов в условиях штучного или мелкосерийного производства. Термическую обработку крепежных и установочных деталей штампа, изготавливаемых из углеродистых и низколегированных сталей, проводят по обычной, принятой для этих сталей технологии, обеспечивающей получение заданной твердости и других механических свойств. В наиболее тяжелых условиях работают формообразующие детали штампов (вставки, вкладыши, знаки, прошивки, матрицы, пуансоны и др.); они определяют работоспособность и стойкость штампов. Технология их термической обработки характеризуется рядом особенностей и более сложна, поэтому в дальнейшем в данном разделе речь пойдет лишь о формообразующих деталях, условно обозначаемых терминами штамп или штамповый инструмент.

Штамповый инструмент для горячего деформирования работает в условиях одновременного циклического воздействия высоких температур и удельных давлений (до 300--900 МПа) при динамическом характере нагружения. Величина этих параметров меняется в широких пределах в зависимости от применяемого кузнечно-прессового оборудования, операции горячего деформирования и свойств деформируемого металла. В наиболее тяжелых условиях работает штамповый инструмент при прессовании, высадке, точной штамповке, а также при жидком прессовании медных сплавов в пресс-формах литья под давлением.

Рис. 1. Схемы конструкций штампов для горячего деформирования:

а -- молотовой штамп; б -- составной штамп; в -- штамп винтового пресс-молота для штамповки полой заготовки с наружными шлицами: 1 -- баба молота; 2 -- шпонки; 3 -- верхняя половина штампа; 4 -- деформируемая заготовка; 5 -- нижняя половина штампа; 6 -- штамподержатель; 7 -- шабот; 8 -- клинья; 9 -- нижняя вставка: 10 -- верхняя вставка; 11 -- хвостовик; 12 -- прошивень; 13 -- плита; 14 -- 16 -- вкладыши; 17, 18 -- блок-штампы; 19 -- втулка; 20 -- колонка

Штампы горячего деформирования работают в весьма жестких условиях, для которых характерны: высокие действующие напряжения, уровни которых приближаются к пределам текучести штамповых сталей; высокие температуры нагрева; циклическое воздействие напряжений от знакопеременных усилий при дефор. мации; термические напряжения, определяемые условиями нагрева и охлаждения штампов; химическое взаимодействие, особенно проявляющееся в процессе прессования и жидкой штамповки.

Прессовые инструменты работают при сравнительно медленном нагружении; большая длительность контакта с деформируемой заготовкой (0,1--0,4 с) вызывает разогрев поверхности инструмента до 650--750 °С (при штамповке жаропрочных и других труднодеформируемых материалов).

Молотовые штампы работают в условиях ударного нагружения, время деформирования значительно меньше (0,001--0,006 с), в результате их поверхность разогревается до более низких температур (не выше 500--550 °С).

В последние годы расширяется применение высокоскоростной штамповки, осуществляемой на высокоскоростных молотах и гидровинтовых прессах, и позволяющей изготавливать сложные поковки с высокой точностью. Инструмент работает при высоких удельных давлениях в условиях относительно кратковременного (0,012--0,014 с) теплового и силового воздействия.

Таким образом, стали для производства штампов горячего деформирования должны обладать следующими механическими и технологическими свойствами: высокой теплостойкостью (до 600-- 700 °С); высокой вязкостью, определяющей высокое сопротивление стали хрупким разрушениям после термической обработки на твердость HRC 45--50; сопротивлением термической усталости (разгаростойкостью); окалиностойкостью и сопротивлением коррозии под напряжением; технологическими свойствами (минимальной деформируемостью при термической обработке, устойчивостью против обезуглероживания, удовлетворительной обрабатываемостью резанием и шлифуемостью).



2. Химический состав стали

Таблица 2 - Химический состав стали 4Х5МФС по ГОСТ 5950-73

Сталь			Содержание основных элементов %
	C	Mn	Si	Cr	W	Mo	V	Другие элементы
4Х5МФС	0,32-0,4	0,15-0,4	0,8-1,2	4,5-5,5	-	1,2-1,5	0,3-0,5	-
4Х5МФС	0,37-0,44	0,15-0,4	0,8-1,2	4,5-5,5	-	1,2-1,5	0,8-1,1	-

Теплостойкость штамповых сталей обеспечивается комплексным легированием вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием, иногда кобальтом. Вязкость штамповых сталей должна быть выше, чем быстрорежущих, т. е. не ниже 0,4--0,45 МДж/ при 20°С и 0,6 МДж/ при температуре эксплуатации.

Большинство штамповых сталей является сталями с карбидным упрочнением, т. е. эти стали упрочняются путем закалки на мартенсит и отпуска, однако в ряде случаев в'качестве штамповых могут применяться мартенситно- стареющие стали с интерметаллидным упрочнением .

Содержание углерода в штамповых сталях для горячего деформирования пониженное и составляет для разных групп сталей 0,3--0,5%.

3.Требования, предъявляемые к штамповым сталям

Для обработки металлов давлением применяют инструменты - штампы, пуансоны, ролики, валики и т.д., деформирующие металл. Стали, принимаемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми.

Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в горячем состоянии. Условия их работы сильно различаются между собой.

Например, при деформации в горячем состоянии штампуемый металл под действием сближающих половинок штампа деформируется и заполняет внутреннюю полость штампа. В работе внутренняя полость («фигура»), которая деформирует металл, соприкасается с нагретым металлом, поэтому штамповая сталь для горячей штамповки должна обладать не только определенными механическими свойствами в холодном состоянии, но и достаточно высокими механическими свойствами в нагретом состоянии [3].

Ввиду многочисленных и разнообразных требований, предъявляемых к штампам в зависимости от назначения, для их изготовления применяют стали различных марок, начиная от простых углеродистых и заканчивая сложно легированными.

Требования к штамповым сталям для горячего деформирования Штамповые стали для горячего деформирования должны иметь определенный комплекс свойств. Рассмотрим их.

Теплостойкость. Высокие жаропрочные свойства не должны снижаться под длительным воздействием температуры, металл должен устойчиво сопротивляться отпуску.

Жаропрочность. Металл должен обладать высоким пределом текучести и высоким сопротивлением износу при высоких температурах, чтобы замедлить процессы истирания и деформирования элементов фигуры инструмента, разогревающихся от соприкосновения с горячим обрабатываемым материалом.

Термостойкость (разгаростойкость). Циклический нагрев и охлаждение поверхности инструмента во время работы и, следовательно, чередующееся расширение и сжатие поверхностных слоев приводят к появлению так называемых разгарных трещин. Для предупреждения данного явления материал инструмента должен обладать высокой разгаростойкостью (высоким сопротивлением термической усталости).

Вязкость. Деформирование металла при штамповке сопровождается ударными воздействиями этого металла на штампы, поэтому материал штампов должен обладать известной вязкостью для предупреждения поломок и выкрашивания.

Износостойкость. Окалиностойкость. Она необходима, если поверхностные слои нагреваются выше 600°С и особенно 700°С; в этих условиях окалиностойкость в большей степени определяет износостойкость.

Теплопроводность - необходима для лучшего отвода тепла, передаваемого деформируемой заготовкой.

Прокаливаемость. Многие инструменты имеют большие размеры. Для получения хороших прочностных свойств в нижележащих слоях сталь инструмента должна хорошо прокаливаться.

Отпускная хрупкость. Так как быстрым охлаждением инструментов крупных размеров нельзя устранить отпускную хрупкость, то необходимо выбирать сталь минимально чувствительную к этому пороку.

Слипаемость. При значительном давлении горячий металл может «прилипать» к металлу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оно всякий раз частично разрушает его поверхность. Разрушение будет выражено тем сильнее, чем больше адгезионное взаимодействие.

Кроме того, стали для штампов, поверхностный слой которых сильно нагревается (выше 600°С), должны иметь высокие температуры критических точек.

Нагрев рабочих слоев штампа определяется не только температурой деформируемого металла, но и длительностью контакта с ним и условиями охлаждения.

По содержанию углерода сталь 4Х5МФС относят к высоколегированым эвтектоидным или доэвтектоидным сталям.

Изделие склонно к водородному охрупчиванию . Для предотвращения обратимой отпускной хрупкости охлаждение после отпуска проводят на воздухе или в масле.



4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповых сталей

Легирование является одним из основных способов воздействия на структуру и свойства инструментальных сталей и способствует повышению работоспособности инструмента.

Штамповые стали легируют такими элементами как хром, вольфрам, молибден, ванадий, кремний и кобальт. В последние годы появились стали с добавками титана, циркония, ниобия и др.

Рассмотрим влияние основных легирующих элементов на свойства штамповых сталей.

Влияние хрома

Хром положительно влияет на ряд характеристик штамповых сталей (прокаливаемость, склонность к вторичному твердению, теплостойкость и т.д.). По мере повышения его концентрации в твердом растворе существенно возрастает устойчивость аустенита как в перлитной, так и в промежуточной областях, качественно изменяется вид С-образных кривых.

В хромистых сталях наряду с цементитом образуется два специальных карбида: гексагональный (тригональний) Ме7Сз и кубический Ме2зСб . Хром повышает устойчивость этих карбидов против растворения при нагреве и оказывает благоприятное влияние на чувствительность к перегреву сталей, содержащих незначительные количества вольфрама и молибдена. В комплекснолегированных сплавах хром вследствие повышения фазового наклепа при закалке и непосредственного участия в формировании упрочняющей фазы сильно усиливает эффект вторичного твердения [4].

Хром способствует сохранению высокого сопротивления пластической деформации при нагреве до 400-500°С. Пределы прочности и текучести составляют 80% от их значений при 20°С. Кроме того, хром повышает устойчивость против окисления при нагреве до 600-650°С и против разъедающего действия ряда сред.

При снижении содержания хрома с 5 до 3% изменяется состав карбидных фаз; в стали с 3% хрома присутствуют карбиды Ме3С наряду с карбидами Ме23С6 и Ме6С, что немного уменьшает теплостойкость и предел текучести при температурах выше 400-500°С.

Увеличение количества хрома с 5 до 8% несколько повышает окалиностойкость, но снижает теплостойкость. Кроме того, из-за роста карбидной неоднородности, неизбежного с увеличением хрома, снижаются вязкость и пластичность штампов в крупных сечениях.

Наиболее заметное влияние на окалиностойкость, а следовательно, на износостойкость хром оказывает при содержании с 2,5 до 3,5-4% (рис. 1).

Продолжительность испытания , ч

Рис.4. Влияние хрома на окалиностойкость при 600

К числу ограничений использования хрома в качестве легирующего элемента относится прежде всего резкое увеличение карбидной неоднородности при введении его в количествах, превышающих 4--5%.

Следует отметить, что увеличение содержания хрома выше 5% наряду с усилением карбидной неоднородности вызывает также повышение чувствительности к перегреву. Этот недостаток присущ сталям, легированным 1-2%(Мо) и 0,3-0,8% V [1].

В штамповых сталях для горячего деформирования необходимо жесткое регламентирование содержания хрома, так как он ускоряет их разупрочнение, начиная с 2-3%, что связано со значительным возрастанием скорости коалесценции карбидов.

Также хром даже при относительно невысоких концентрациях обладает значительной склонностью к дендритной ликвации, большей, чем вольфрам, марганец и кремний. Это может привести к неблагоприятным структурным изменениям - усилению карбидной полосчатости, неоднородности, отклонениям от равновесного фазового состава и др.

Учитывая вышеприведенные факторы, содержание хрома в штамповых сталях для холодного деформирования ограничивают, как правило, 3,5-4,5%; в штамповых сталях для горячего деформирования: 4-5% и 2--3% Сг для сталей повышенной (4Х5МФС, 4Х4ВМФС) и высокой теплостойкости (типа 4Х2В5ФМ, 5ХЗВЗМФС) соответственно и 1--2% Сг в сталях умеренной теплостойкости и повышенной вязкости [4].

Влияние молибдена

Молибден несколько повышает устойчивость против перегрева сталей типа 4Х4В2М2ФС, но оказывает противоположное влияние на поведение при нагреве сплавов с повышенным содержанием углерода (~ 1%, типа Х4В2М2Ф1) [4].

Молибден эффективно повышает теплостойкость.

Молибден задерживает коагуляцию карбидов, выделяющихся по границам зерен и некоторым кристаллографическим плоскостям, и усиливают дисперсионное твердение при отпуске, но при увеличении их содержания ухудшается вязкость.

В сталях с молибденом дисперсионное твердение наступает при более низких температурах отпуска, несколько сильнее повышается вторичная твердость. Выделяющийся карбид обладает большей способностью к коагуляции, вследствие чего молибденовая сталь в сравнении с вольфрамовой имеет лучшую вязкость, но несколько меньшую теплостойкость. Также молибден подавляет склонность к отпускной хрупкости вследствие благоприятного воздействия на состояние границ зерен. Содержание молибдена, несмотря на его эффективное влияние, устанавливают не выше 2,5-2,8%, так как он усиливает обезуглероживание [1].

Стали, в которых молибден заменяет более 2-3% имеют меньшую карбидную неоднородность. Молибден при замене 3-4% (и одинаковом ванадии) почти не изменяет теплостойкости, вследствие чего прочностные свойства вольфрамомолибденовых сталей при нагреве такие же, как вольфрамовых [1]. Выбор конкретный соотношений между вольфрамом и молибденом определяется условиями эксплуатации инструмента и он должен быть экономически обоснован.

Влияние ванадия

Ванадий оказывает эффективное влияние на процессы собирательной рекристаллизации и существенно уменьшает чувствительность штамповых сталей к перегреву. Его действие оказывается заметным уже при содержании порядка 0,10-0,30%. Для других групп сталей, содержащих карбиды типа М7С3,М6С2М23С6, требуется большее количество ванадия для существенного смещения температур начала интенсивного роста зерна.

На механические свойства ванадий оказывает неоднозначное влияние. Уменьшая чувствительность к перегреву, при содержаниях до 1% он может повышать прочность и пластичность высокоуглеродистых и среднеуглеродистых (~ 0,4% С) штамповых сталей.

Положительное влияние ванадия на сопротивление хрупкому разрушению сплавов типа Х4В2МФ, 17Х6Ф4М после отпуска при 150-350°С сохраняется также при легировании до 2-4% V. После обработки на первичную твердость (60-62 НRС) такие стали имеют прочность при изгибе и ударную вязкость около 300-350 и 5-8 кгс/см2 против 230-270 и 2-4 кгс/см2, для аналогичных сплавов, но с 0,5-1% V. При высокотемпературном (>500°С) отпуске ванадий при повышенных его содержаниях действует в противоположном направлении, т.е. уменьшает пластичность штамповых сталей как горячего, так и холодного деформирования. Наряду с увеличением опасности преждевременного хрупкого разрушения снижение пластичности высокованадиевых сталей после обработки на вторичную, твердость может приводить также к уменьшению износостойкости в условиях динамического нагружения из-за скалывания и микровыкрашивания.

Увеличение содержания ванадия с 0,4 до 0,8% усиливает дисперсионное твердение и улучшает теплостойкость, но снижает вязкость. Вследствие интенсивного развития дисперсионного твердения, наступающего при увеличении количества ванадия с 0,35 до 1%, вязкость снижается с 2,3-2,5 до 1,6-1,8 кг/см2 при 20° С и с 3,8-4,0 до 3-3,5 кг/см2 при 650°С. Рекомендуется стали с 0,5% V (4Х5МС) применять для работы при нагреве до 580-590°С, а с 1% V (4Х5В2ФС и типа 4Х5МФС) - при нагреве до 640-650°С [1].

Ванадий, также как и хром, обладает сильно выраженной склонностью к дендритной ликвации, но в отличие от него ванадий благоприятно влияет на дисперсность и характер распределения первичных карбидов в высокоуглеродистых сталях.

При введении в состав сталей 3-4% V наблюдается значительное ухудшение шлифуемости (из-за присутствия очень твердого карбида МеС), что ограничивает их широкое применение. Другим недостатком является пониженная окалиностойкость при отжиге и горячей пластической деформации [4].

Влияние кремния

Кремний является ферритообразующим элементом и «выклинивает» область существования ?-железа в сплавах системы Fe - Sі уже при содержании около 2%. Аналогично влияет он на диаграмму состояния углеродистых сталей (0,5-1% С), однако в этом случае полное завершения б -- ?-превращения достигается при содержаниях 3-5% кремния.

Не образуя в сплавах на основе железа соединений с углеродом, кремний практически не оказывает влияния на тип и состав карбидов в штамповых сталях, но вызывает их укрупнение в отожженном состоянии.

Кремний интенсифицирует процессы карбидообразования при отпуске и значительно повышает уровень вторичной твердости. В комплекснолегированных штамповых сталях введение этих элементов вызывает прирост упрочнения, не сопровождающийся существенным обеднением твердого раствора легирующими элементами, и обусловленный в основном повышением дисперсности выделяющихся при старении карбидов. Однако кремний, смещающий в сторону более низких температур отпуска «пик» вторичной твердости (при содержаниях >1,5%) увеличивают скорость разупрочнения при высоком (620-650°С) нагреве. В связи с этим содержание кремния в штамповых сталях для горячего деформирования ограничивают 0,5-0,8% [4].

Кремний влияет аналогично хрому на механические свойства стали и стойкость к окислению. Необходимо отметить, что ограничения, связанные с отрицательным влиянием рассматриваемых элементов на теплостойкость практически снимаются для штамповых сталей холодного деформирования, которые нагреваются при эксплуатации не выше 350-450°С. Исследования показали, что легирование кремнием и кобальтом сталей типа Х4В2Ф2М в количествах до 3-4 и 5% соответственно позволяет значительно повысить вторичную твердость (до 64-67 НRС), а также сопротивление малым пластическим деформациям. Однако повышая указанные свойства данные элементы снижают ударную вязкость и прочность при изгибе, кобальт в этом направлении влияет сильнее [4].

Влияние марганца

Легирование сталей марганцем повышает прокаливаемость. Этим определяется целесообразность легирования ими штамповых сталей, предназначенных для изготовления крупногабаритных инструментов. Мало изменяя чувствительность к перегреву и, как следствие, оптимальные температуры закалки, никель и марганец сильно понижают критическую скорость охлаждения.

Применяется легирование штамповых сталей повышенной прокаливаемости и вязкости для горячего деформирования никелем и марганцем в количествах 0,5-1% ..

Марганец увеличивает количество остаточного аустенита, но не предотвращают его распад под воздействием циклически изменяющихся напряжений при эксплуатации штампов. Это делает недопустимым легирование данными элементами вторичнотвердеющих штамповых сталей с высоким сопротивлением смятию.

В общем случае для инструментальных сталей содержание марганца не должно превышать 0,4%.

5. Термическая обработка штамповых сталей для горячего деформирования

Цель окончательной термической обработки - получение в готовом инструменте оптимального сочетания основных свойств: твердости,прочности, износостойкости, вязкости и теплостойкости.

Наиболее распространенный технологический процесс окончательной термической обработки инструмента для горячего деформирования состоит из закалки и отпуска. Большое разнообразие условий работы такого инструмента предопределяет не только применение различных сталей, но и необходимость получать в каждом конкретном случае оптимальное для данных условий сочетание свойств за счет правильного выбора режимов термической обработки. При этом в зависимости от назначения инструмента возможен выбор разных температур нагрева под закалку, закалочных сред и способов охлаждения, температур отпуска. Режимы закалки и отпуска не универсальны, а их следует назначать дифференцированно в соответствии с условиями работы инструмента.

В частности, следует учитывать, что при повышении температуры нагрева под закалку возрастает теплостойкость и прокапиваемость штамповых сталей, но из-за укрупнения зерна снижается их вязкость. Поэтому, например, для прессового инструмента, работающего с большим разогревом, но без значительных динамических нагрузок, целесообразно повышать температуру нагрева под закалку для получения большей теплостойкости.

Вместе с тем при выборе режимов закалки и отпуска следует учитывать их влияние на деформацию инструмента в процессе термической обработки и возможность последующей механической обработки.

Повышение температуры отпуска' как правило, повышает вязкость стали, но снижает ее твердость, прочность и износостойкость. В связи с этим для сохранения износостойкости и твердости стали температуру отпуска выбирают пониженной, однако не ниже температуры разогрева инструмента при эксплуатации.

Технологическая схема обработки инструмента для горячего деформирования :

1) горячая пластическая деформация (ковка);

2) отжиг;

3) механическая обработка;

4) закалкаи отпуск;

5) механическая обработка.

Для деформирования алюминиевых сплавов применяются стали с 5% Сг: 4Х5В2ФС и типа 4Х5МС (или 4Х5МФС).

Твердость инструмента и последовательность операций механической и термической обработки определяются его размерами, формой и условиями эксплуатации.

Предварительная обработка

ГОРЯЧАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

Пониженная деформируемость штамповых сталей по сравнению с конструкционными обусловлена их меньшей пластичностью вследствие более высокой легированности твердого раствора, больших количеств карбидных фаз и степени ликвации при кристаллизации.

Температуры нагрева под ковку (прокатку) выбирают из условий достижения наиболее высокой пластичности в достаточно широком интервале температур, что определяется химическим составом стали и массой слитка. Температуры окончания пластической деформации устанавливают с учетом того, чтобы избежать образования трещин и рванин и подготовки необходимой структуры (размера зерна аустенита, распределения и дисперсности избыточных фаз и др.), обеспечивающей высокие механические свойства после окончательной термической обработки. Для полутеплостойких сталей повышенной вязкости температуры начала ковки 1150-1180°С, окончания 850-880°С. Для теплостойких штамповых сталей начало ковки при 1160--1180°С; конец ковки при 850- 925°С [1].

При выполнении ковки необходимо добиваться максимально однородной структуры. Наиболее широко применяемой схемой ковки слитков штамповых сталей (на молотах и прессах) является протяжка в осевом направлении. Такая схема деформирования дает повышенную анизотропию механических свойств, поэтому рекомендуется ряд схем ковки, обеспечивающих более равномерную структуру. К ним относятся: ковка слитков в поперечном направлении, комбинированная ковка со сменой операций вытяжки и осадки, ковка со сменой направления вытяжки, всесторонняя ковка. Всесторонняя ковка с осадкой способствует устранению дендритной ликвации.

Для повышения однородности структуры в более крупных заготовках из высокохромистых, а также высоколегированных штамповых сталей для горячего деформирования рекомендуется ковка по следующей схеме: осадка на 1/3 высоты с обратной вытяжкой до исходных размеров; затем 2--4 осадки до размеров Н < D (Н - высота, D - диаметр полуфабриката) с вытяжкой в направлении, перпендикулярном образующей цилиндра - полуфабриката; оформление окончательных размеров [4].

Штамповые стали, особенно высоколегированные, склонны к образованию термических трещин при охлаждении на воздухе. Поэтому после ковки их охлаждают замедленно:

1) в неотапливаемых колодцах или термостатах;

2) на воздухе до 700°С, а более мелкие до 450-500°С, чтобы задержать выделение карбидов по границам зерен, а затем в футерованной яме или в песке. Можно не допуская охлаждения ниже 700°С и 450°С, помещать поковки в печь для отжига или высокого отпуска.

ЧЕРНОВАЯ ТЕРМООБРАБОТКА

Отжиг выполняют лишь при необходимости измельчения структуры слитков или крупных заготовок, мало обжатых при пластической деформации. В остальных случаях можно ограничиться высоким отпуском, после которого сталь приобретает примерно такую же структуру, как и после отжига.

Назначение отжига (отпуска) - перекристаллизация стали для измельчения зерна и получения низкой твердости, а также структуры зернистого перлита, как наиболее удовлетворяющей последующей закалке. Наиболее целесообразно применять изотермический отжиг, включающий нагрев до температур, близких или немного выше Ас1 выдержку после прогрева металла (определяется массой садки) не менее 2-3 часов, медленное охлаждение с печью до температур несколько ниже Аr1, выдержку продолжительностью 3-4 часа, медленное охлаждение до 600-650°С, затем на воздухе. Преимуществом изотермического отжига является получение более однородной структуры после последующей закалки, особенно для сталей с небольшим содержанием карбидной фазы [4].

Для полутеплостойких сталей повышенной вязкости температуры отжига и высокого отпуска составляют соответственно 760--800°С и 650- 690°С. Данные стали чаще подвергают отпуску, чем отжигу, так как переохлажденный аустенит этих сталей имеет особо высокую устойчивость, а температура его минимальной устойчивости весьма низкая. Эти факторы значительно увеличивают продолжительность отжига, снижают скорость коагуляции карбидов и поэтому затрудняют получение низкой твердости [6].

Вольфрамовые стали для предупреждения порчи теплостойкости лучше отпускать, а не отжигать. Вольфрамомолибденовые стали в крупных поковках отжигают, мелкие поковки рационально отпускать. Температура отжига составляет примерно 800-850°С, а температура отпуска 700-780°С [1]

Режимы закалки и отпуска

Для полутеплостойких сталей повышенной вязкости температура нагрева под закалку составляет 830-870°С в зависимости от марки стали с предварительным подогревом при 600-620°С.

Высокий отпуск проводится для получения сорбитной структуры (температура отпуска 500-600°С, скорость нагрева 40-50 град/час). Охлаждение после отпуска на воздухе. Инструмент обрабатывается, как правило, на твердость 35-40 НRС или 40-46 НRС.

Температуры нагрева под закалку и отпуск стали 4Х5МФС для горячего деформирования приведены в табл. 5.

Таблица 5. - Температуры закалки и отпуска стали 4Х5МФС

Сталь	Закалка	Температура отпуска, °С,на твердость, HRC
	Температура нагрева°С	Твердость,HRC	50	45
4Х5МФС	1060-1080	52-54	580-590	610-620

При закалке важной задачей является защита от обезуглероживания; поскольку температуры закалки - высокие. Обязательно применение мер защиты; наиболее целесообразен нагрев в контролируемых атмосферах или в вакууме.

После закалки данные стали рекомендуется подстуживать на воздухе до 950-900°С, а затем охлаждать в масле.

Операцию отпуска выполняют немедленно после закалки с целью предупреждения трещин. Как правило, отпуск производят на твердость 45 НЫС в штамповых сталях, предназначенных для высадки и выдавливания; 48--53 НRС для ножей и пил горячей резки.

Поскольку при нагреве для отпуска в структуре сохраняется много аустенита, целесообразно проведение двукратного отпуска. Температура второго отпуска может быть на 10-20°С ниже, а его продолжительности на 20-25% меньше, чем первого отпуска. Охлаждение после отпуска проводится на воздухе.

6 . Контроль качества

Контроль качества готовой продукции включает в себя:

- выявление наружных трещин, сколов и других

-дефектов;

-определение соответствия размеров изделия и допусков, заданных в -технических условиях;

-контроль твердости;

-проверка механических свойств;

-проверка технологических свойств.

Количество остаточного аустенита (при его Содержании свыше 5-8%) после отпуска, определяют микроанализом и измерениями твердости. Контроль твердости дисковых фрез проводится по методу Роквелла путем вдавливания алмазного конуса в испытуемую поверхность при нагрузках. Нормы из измерения твердости устанавливаются в зависимости от назначения детали.

Метод измерения твердости по Роквеллу -- удобный экспрессный метод, так как через четыре секунды (стандартный режим нагружения), либо две секунды (ускоренный) сразу на приборе считывается число твердости.

Единица твердости-по Роквеллу связана с разностью глубин внедрения индентора для ситуации после приложения предварительной нагрузки Р0 - 10 кг и ситуации, когда проведено нагружения основной нагрузкой со снятием и оставлением предварительной.

Вся шкала твердости -- 100 единиц, одна единица соответствует разности глубин в 2 мкм. Как видно для имеющих погрешность микрометров (половина цены минимального деления), погрешность измерения макротвердости будет выше для очень мягких материалов и для очень твердых. Поэтому по Роквеллу имеются три основные шкалы и ряд дополнительных введенных в период СЭВ (табл 6).

Таблица 1.6 - Три основные шкалы по Роквеллу

Индикатор	Шкала	Диапазон твердости	Нагрузка P+P0	Числа твердости
Конус	С А	300-900 240-900	150 60	19-67 HRC 70-85 HRA
Шарик	В	< 250	100	25-100 HRB

Шкалы С и А необходимы для твердых сплавов. Индикатор для них -- алмазный конус с углом при вершине 120є, но для сплавов с твердостью до 35 Ш1С допустим и конус из твердого сплава. Для мягких сплавов -- индентор стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм. Для шкалы В основная шкала не 100, а 130 единиц (красная шкала).

В зависимости от предполагаемой твердости и толщины выбирают либо шкалу С, либо шкалу А; то есть шкала А для сплавов с небольшой толщиной. Так же, как и в других методах измерения макротвердости, расстояние между центрами соседних отпечатков должно быть не менее 2,5 мм, расстояние от центра отпечатка до края не менее 4,5с1. Поверхность сплава должна быть зашлифована.

Для Роквелла допустимы измерения на цилиндрических поверхностях. Существуют таблицы, где приведены допустимые интервалы твердости и минимальные радиусы кривизны для измерений.

Помимо НRС имеется шкала НRСЭ, которая отличается от НRС на 1,5 -единицы (21 - 67 единиц твердости) и связана с тем, что в эталонных конусах отличаются величины по радиусу закругления.

Излом контролируется с целью определения по его виду качество термической обработки и выявления дефектов, например, карбидной сетки, пережога. Карбидная сетка не должна превышать четвертый балл.

При неоднородных свойствах изделий местный контроль твердости не гарантирует полного выявления брака. Поэтому для проверки твердости структуры, глубины закаленного слоя применяют магнитные методы неразрушающего контроля. При помощи магнитных методов можно проводить .сплошной контроль твердости и структуры деталей без их повреждения и затрачивая минимум времени. Наиболее широко применяются методы » Измерения коэрцитивной силы, измерения магнитной индукции и электромагнитные методы.

Для цехового контроля прибегают к определению структуры, используя металлографический анализ. Для большинства методов металлографического анализа разработаны соответствующие стандарты и шкалы для контроля.

К методам неразрушающего контроля трещин, раковин в термических цехах относят и используют метод магнитной дефектоскопии, просвечивание рентгеновскими и ?-лучами.

7. Выбор оборудования

Выбор и обоснование основного оборудования и планировка отделений.

Основным оборудованием термических отделений при инструментальных цехах являются камерные электрические печи типа СНО и СНЗ и пламенные печи типа ТНО различных размеров.

Существенным недостатком камерных печей с неподвижным подом является трудность, а во многих случаях невозможность загрузки в них массивных изделий и садок. Поэтому со временем появились специализированные термические печи с выдвижным (выкатным) подом. Подину вне печи можно легко загрузить и разгрузить практически любыми изделиями и садками с помощью крана.

Из классификационных признаков, вынесенных в название этого вида печей, следует, что главных особенностей их конструкций две: подина выполнена обособленно от боковых и торцевых стенок камеры, представляет собой футерованную тележку на колесах (выкатная подина), или футерованную платформу, передвигаемую по каткам (выдвижная подина); нагревательная камера имеет форму параллелепипеда с плоским или арочным сводом. Камеру печи обслуживает одна или две подины. В первом случае камера печи выполняется тупиковой с неподвижной задней торцевой стенкой (рис. 7.1).

Рис.7.1- Камерная топливная тупиковая печь с выдвижным подом с сжиганием газа в нагревательной камере

Передняя торцевая стенка или выполняется в виде подъёмно-опускной заслонки, или размещается на подине и перемещается вместе с ней в виде вертикального козырька. Подина в печах такой разновидности выдается только в одну сторону. Во втором случае камера печи выполняется проходной, обе её торцевые стенки выполняются в виде подъёмно-опускных заслонок, подины поочередно задаются в печь и выдаются из печи на обе стороны. Наличие двух подин сводит к минимуму простои нагревательных камер и потери тепла камерами, повышает к.п.д. печей, позволяет передавать термически обрабатываемые изделия из одного пролета цеха в другой без дополнительных передаточных тележек и других механизмов.

Тележечные подины перемещаются на колесах по направляющим рельсам (брускам, швеллерам, двутаврам), а подины в виде платформ на роликах (катках, шарах) - по направляющим брусьям с помощью: или приводной пары колес с индивидуальным электромеханическим приводом; или зубчатой рейкой, смонтированной под подиной по её продольной оси, и зубчатым или цевочным1 электромеханическим приводом, расположенным сбоку печи; или цепной лебедкой, расположенной перед печью на расстоянии несколько большем хода подины. При выходе из строя привода подины её можно перемещать с помощью мостового крана, блока и троса, соединенного с подиной.

Для герметизации нагревательной камеры боковые щели между подиной и продольными стенками печи закрывают песочными затворами, состоящими из несущих корытообразных профилей, укрепленных по бокам тележки и заполненных песком, и «ножей», укрепленных в стенках печи и входящих в песок. Более надежную герметизацию камеры обеспечивает водяной затвор, выполняемый в виде желоба, охватывающего по периметру всю подину снизу, заполненного водой и перемещаемого по вертикали рычажной системой, и «ножа», укрепленного по периметру внутренних стенок печи. Перед выдачей подины из печи желоб опускается, нож выходит из воды, подина выдается из печи. После задачи подины в печь желоб с водой поднимается, «нож» входит в воду, щели между подом и стенками печи закрываются.

По источнику тепловой энергии камерные печи с выдвижным (выкатным) подом подразделяют на топливные и электрические. В газовых топливных печах газ сжигают чаще всего непосредственно в рабочем пространстве. Горелки в крупногабаритных печах размещают обычно в два ряда, один ряд у подины, второй с противоположной стороны под сводом (рис. 7.2).

Рис. 7.2 - Камерная тупиковая газовая печь с выкатным подом , подвесным сводом : 1-подвесной свод; 2-горелки; 3-дымовые каналы; 4-боров ; 5-под ; 6-песочный затвор

Факел пламени верхних горелок направляется под свод печи, а нижних - псд садку. Продукты сгорания отводят у подины в дымовые каналы в боковых стенках, затем в два борова (по одному под каждой стенкой), соединенных на выходе под печью в один. В малогабаритных печах горелки обычно располагают в один ряд у подины (рис. 1.23).

При отоплении печей жидким топливом (нефтью, мазутом) сжигание топлива осуществляют в небольших боковых топках. Топки располагают на уровне пода, отделяют от рабочего пространства невысокими решетчатыми стенками, опирающимися на основания боковых стенок.

При ширине камеры печи до 4 м свод выполняют цельным арочным. При большей ширине камеры печи для обеспечения необходимой прочности арочного свода необходимо увеличивать его вылет, что приводит к снижению равномерности нагрева садки. Поэтому при ширине камеры печи более 4-5 м для сохранения удовлетворительного вылета свода его выполняют арочным подвесным (рис. 1.24). Кроме того, для повышения равномерности нагрева садки по1 в широких печах канализируют. Продукты сгорания попадают сначала в каналы пода, а из них в дымовые каналы в стенках печи. Канализирование пода обеспечивает лучший прогрев садки снизу. Горелки в широких печах размещают обычно в два ряда у пода и под сводом в шахматном порядке.

В мало- и среднегабаритных печах с выдвижным (выкатным) подом металлические нагревательные элементы размещают обычно только на боковых стенках, а в широких крупногабаритных печах - также на подине и заслонке. Подвод тока к нагревателям подины и заслонки-гибкими кабелями. Низкотемпературные электропечи с выдвижным подом оборудуют вентилятором на задней торцевой стенке печи, для усиления конвективной теплопередачи. Для создания направленного циркулирующего потока воздуха элементы сопротивления отделяют от рабочего пространства сквозным листовым муфелем. Для ремонта и замены элементов сопротивления муфель снабжен дверками.

И в газовых, и в электрических печах с выдвижным (выкатным) подом можно осуществлять термическую обработку в защитных атмосферах. В этом случае печи дополнительно комплектуются муфелями различной конструкции, чаще всего в виде колпака, для муфелирования садки, а подину оснащают дополнительным песочным затвором для герметизации стыка между муфелем и подиной.



Выводы

Разработал технологию термической обработки штампов горячего деформирования из теплостойкой стали 4Х5МФС. Выбрал конструктивно-технологические параметры печного и закалочного оборудования, охлаждающей среды для термической обработки штампов горячего деформирования из теплостойкой стали 4Х5МФС.

Определил :

1. Назначение металлоизделия , условия его работы, требования, предъявляемые к металлу готового изделия.

2. Химический состав стали

3.Требования , предъявляемые к штамповым сталям

4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповых сталей

5. Термическую обработку штамповых сталей для горячего деформирования

6. Выбор оборудования



Список используемой литературы

1. Геллер, Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер. - М.: Металлургия, 1968. - 568 с.

2. Геллер, Ю.А., Рахпггадт, А.Г. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А.Г. рахштадт. - М.: Металлургия, 1975. - 448 с.

3. Гуляев, А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1986. - 542 с.

4. Позняк, Л.А., Скрынченко, С.И. Штамповые стали / Л.А. Позняк, С. И. Скрынченко. - М.: Металлургия, 1980. - 244 с.

5. Артингер, И. Инструментальные стали и их термическая обработка / И. Артингер. - М.: Металлургия, 1982. - 312 с.

6. Металловедение и термическая обработка стали: справочник. Т. 1. Методы испытаний и исследования / под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. -- М.: Металлургия, 1983. - 367 с.

7. Торопцева, Е.Л. Методические указания по курсу «Теория термической обработки металлов» / Е.Л.Торопцева, В.И. Захаренкова. - Липецк: ЛГТУ, 2003.-32 с.

8. Гвоздев, А.Г. Лабораторный практикум по материаловедению: учеб. пособие / А.Г. Гвоздев. -- Липецк: ЛГТУ, 2002. -- 82 с.

9. ГОСТ 5950-2000. Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали.

10. Шиммель, Г. Методика электронной микроскопии / Г. Шиммель. -- М.: Металлургия, 1991.- 295 с.

11. Лившиц, Б.Г. Металлография: учеб. пособие для вузов / Б.Г. Лившиц. - М.: Металлургия, 1990. - 236 с.

12. ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.

Размещено на Allbest.ru