Термическая обработка изделий из стали Р6М5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Курсовой проект содержит 17 листов, 4 рисунков, 6 использованных источников литературы.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ, БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ СТРУКТУРА, ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, Р6М4

Курсовой проект содержит обзорную информацию об инструментальной стали Р6М5, его доставках и недостатках, оборудовании применяемом при термообработке, термической обработке и заключение.

Объект исследования является сплав Р6М5.

Предметом исследования являются обоснование выбора материала и разработка термической обработки резцов из инструментальных быстрорежущих сталей.

Область применения - машиностроение; литейное производство.

Содержание

Введение

1. Сталь Р6М5

1.1 Достоинства и недостатки стали Р6М5

2. Оборудование применяемое для обработки стали Р6М5

2.1 Колпаковая печь

2.2 Четырехтигельная электродная печь-ванна

3. Термическая обработка стали Р6М5

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Наибольшее применение для изготовления режущего инструмента получили быстрорежущие стали.

Углерод в быстрорежущей стали, как и во всякой другой стали, является важным элементом, под влиянием которого сталь приобретает способность закаливаться на высокую твердость.

Хром в количестве около 4% настолько сильно понижает критическую скорость закалки, что сталь становится «самозакаливающейся», т. е. закаливается на воздухе. При содержании хрома выше нормы резко увеличивается количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали.

Вольфрам в быстрорежущей стали - основной легирующий элемент. Благодаря высокому содержанию W и его карбидов закаленная сталь не теряет режущей способности при 560-600 °С. Вольфрам придает красностойкость быстрорежущей стали.

Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и создает прочные карбиды, которые затрудняют рост зерна при нагреве под закалку и уменьшают склонность стали к перегреву. Под влиянием ванадия увеличивается красностойкость быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при отпуске. Высокопрочные карбиды ванадия, равномерно распределенные в структуре быстрорежущей стали, повышают сопротивление инструмента истираемости и улучшают режущие свойства стали.

1. Сталь Р6М5

Сталь Р6М5 является быстрорежущей и относится к одному из видов инструментальной стали. Она обладает высоким запасом прочности, который позволяет ей обрабатывать твердые материалы. Скорость работы шлифовальных, сверлильных приборов, где ее применяют, при этом превосходит в разы скорость, которую дает обычный сплав.

Быстрорежущая сталь Р6М5 применяется для изготовления всех видов режущего инструмента при обработке углеродистых легированных конструкционных сталей, предпочтительно для изготовления резьбонарезного инструмента, а также инструмента, работающего с ударными нагрузками. При правильной заточке, ножи из данного сплава могут разрезать металлическую пластину 1-3 мм толщиной, в зависимости от твёрдости металла. Основная особенность - снижение содержания углерода во время закаливания - высокая прочность при низкой массе, быстрое охлаждение. Сталь Р6М5 - сочетание прочности, твёрдости, жаростойкости в ущерб вязкости и коррозионным свойствам. При изготовлении ножей, важно придерживаться 5-этапной процедуры закаливания.

В марке стали Р6М5 первая буква Р означает, что сталь быстрорежущая. Следующая за буквой цифра 6 - указывает среднюю массовую долю вольфрама (6%), М5 - указывает содержание молибдена в стали примерно 5%. Сталь легированная, быстрорежущая [1].

В таблице 1 указан химический состав стали Р6М5.

Таблица 1 - Химический состав стали Р6М5

Она обладает уникальными свойствами, которые позволяют изготавливать такие инструменты, как фрезы, метчики или развертки. Изготовленные из этого сплава, они будут служить владельцу верой и правдой очень долго.

К наиболее известным и характеристикам стали марки Р6М5 относятся:

1. Твердость стали марки Р6М5 при нагреве. Обычно другие сплавы при длительном и безостановочном бурении, начинают нагреваться, а с повышением температуры, как известно, металл начинается размягчаться. И сверло теряет свои способности и становится хрупким. Эта же быстрорежущая сталь способна нагреваться до 6000 °С, сохраняя свои начальные свойства и не теряя крепости.

2. Повышенное сопротивление накаливанию при достаточно высоких температурах.

3. Очень хорошо держит заточку.

4. Имеет высокую вязкость.

5. Отлично обрабатывается на шлифовальном оборудовании.

6. Держит нагрузки от удара на отлично.

1.1 Достоинства и недостатки стали Р6М5

Сталь р5м5 для ножей обладает следующими достоинствами [2]:

а) возможность нарезать твёрдые и неоднородные материалы;

б) на качество заточки не влияет скорость нарезки - сочетание вольфрама и углерода;

в) повышенная стойкость к одномоментным механическим воздействиям, в том числе вибрации;

г) быстрота заточки на токарном оборудовании;

д) высокое содержание кремния снижает к минимуму риск разрушения клинка при кислотном или щелочном воздействии в среде с низкой влажностью воздуха;

е) высокая огнестойкость;

ж) стойкость кристаллической решётки - возможность использования для работы в среде электрического и электромагнитного поля низкой напряжённости;

з) сохранение качества заточки при значительных одномоментных повышениях температуры.

Основной недостаток - из-за низкого содержания хрома сплав подвержен коррозии. Чем выше температура, тем быстрее проходят деструктивные процессы. Другие недостатки:

а) потеря свойств при длительных воздействиях отрицательных температур в среде с высокой влажностью;

б) сложность ручной обработки - без токарного оборудования затруднительно самостоятельно заточить клинок.

2. Оборудование применяемое для обработки стали Р6М5

2.1 Колпаковая печь

Для отжига проволоки и ленты применяют газовые и электрические колпаковые печи, представляющие собой футерованный колпак, устанавливаемый на неподвижный под.

В газовых колпаковых печах газ сгорает в излучающих трубах, а в электрических печах применяют нагреватели из сплавов высокого сопротивления. В некоторых конструкциях печей колпаки применяют только для нагрева садки, а охлаждение производится без колпака. Колпак мостовым краном переносится на другой под для нагрева садки на втором поде.

В других конструкциях колпак только приподнимают, под с нагретой садкой отводят, а вместо него подкатывают другой под с садкой для нагрева. При использовании защитной атмосферы в колпаковых печах применяют муфель.

На рисунке 1 показана колпаковая электропечь. Колпак 1 цилиндрической формы футерован нормальным шамотным и диатомитовым кирпичом. На крючках 2 подвешены нагреватели из сплавов Х20Н80. Муфель 3 двойной газонепроницаемый сделан из листовой стали Х23Н18. В муфель вводится защитный газ, состоящий из 0,5 % СО2, 2 % Н2 и остальное N2. Расход газа 2,5 м3/ч. Масса садки 25 т. Рабочая температура 900 °С. Мощность печи 380 кВт.

Четырехтигельная ванна для термической обработки быстрорежущей стали, показана на рисунке 2. В первом тигле производят подогрев до 650 °С, во втором до 850 °С, в третьем осуществляют окончательный нагрев до 1220-1290 °С, а в четвертом тигле производят ступенчатую закалку [3].

Рисунок 1 - Колпаковая печь

2.2 Четырехтигельная электродная печь-ванна

В зависимости от температуры составы солей в тиглях различные: в первом смесь солей 50 % КСl и 50 % Na2СО3, во втором 30 % КСl и 70 % ВаС12, в третьем 100% ВаС12 и в четвертом 33,3% КСI, 33,3% NаС1 и 33,3 % ВаС12. Перед загрузкой в тигли соли NаСl и КС1 тщательно просушивают, а ВаС12 прокаливают от 600 до 700 °С.

Раскисляют ванны бурой или ферросилицием. Чем выше температура, тем чаще раскисляют ванну.

Рисунок 2 - Четырехтигельная электродная печь-ванна: 1) тигли; 2) электродная группа; 3) вытяжной зонт; 4) пирометр

3. Термическая обработка стали Р6М5

Быстрорежущую сталь применяют для разнообразных инструментов, работающих при высоких скоростях резания (резцов, сверл, фрез и др.). Основное преимущество быстрорежущей стали заключается в том, что она обладает красностойкостью, т. е. не теряет твердость при больших скоростях резания, когда режущая кромка инструмента разогревается до 600 °С. При этом в темноте становится заметным ее свечение темно-красным цветом. Наибольшее распространение на заводах получили три марки быстрорежущей стали: Р9, Р12 и Р18. Наряду с ними применяют стали, в которых дорогостоящий вольфрам частично заменен молибденом, кобальтом и др.: Р9Ф5, Р9К5, Р6М5 и др.

Стали Р9 и Р18 по красностойкости примерно равноценны. Сталь Р18 дороже, так как она содержит 18% W, в то время как в стали Р9 содержание его вдвое меньше. Однако сталь Р9 сложнее в обработке, или, как говорят, менее технологична: она склонна к обезуглероживанию, перегреву и хуже шлифуется. сталь печь отжиг закалка

Сталь Р12 при одинаковой по сравнению со сталью Р18 теплостойкости и шлифуемости в то же время обладает меньшей карбидной неоднородностью и более высокой пластичностью. К тому же она обеспечивает значительную экономию вольфрама (30%).

В связи с высокой стоимостью быстрорежущей стали инструмент с размером более 10 мм в сечении экономически более выгодно изготовлять сварным: режущую часть - из быстрорежущей стали, а хвостовую, т. е. державку, - из углеродистой стали 40-45 или низколегированной 40Х. Обе части соединяются с помощью стыковой сварки [4].

Быстрорежущая сталь относится к высоколегированным сталям, и потому после прокатки или ковки охлаждение ее даже на спокойном воздухе вызывает повышение твердости. Это затрудняет обработку резанием при изготовлении инструментов. Для снижения твердости и подготовки структуры к закалке проводят отжиг. Хорошие результаты дает изотермический отжиг, который по сравнению с обычным требует меньше времени и в то же время позволяет получить более однородную структуру.

Температура закалки стали Р9 составляет 1220- 1240 °С, а стали Р18 - 1270- 1290 °С. При закалке инструментов сравнительно простой формы, таких как резцы, устанавливают температуру ближе к верхнему пределу, а при закалке фасонного инструмента - ближе к нижнему. Хотя указанная температура значительно выше критических точек для данных сталей, однако такой высокий нагрев необходим для более полного растворения карбидов в аустените. Благодаря этому аустенит насыщается легирующими элементами, без чего не могут быть получены необходимые свойства после закалки.

Быстрорежущая сталь имеет низкую теплопроводность, поэтому во избежание трещин инструмент сравнительно небольших размеров и несложной формы, как, например, резцы, плашки и др., вначале подогревают в одной печи до 800 °С, а затем переносят в другую печь, где происходит окончательный нагрев до закалочной температуры. Инструмент сложной формы с размерами сечения более 30 мм следует подогревать 2 раза; первый - до температуры 400-600 °С, а второй - до 800 °С.

Во избежание обезуглероживания и окисления нагрев лучше проводить в соляных печах-ваннах. Продолжительность выдержки в таких ваннах при закалочной температуре должна быть минимально необходимой. Ориентировочно она устанавливается из расчета 8-9 с на 1 мм наименьшей толщины или диаметра инструмента.

Для закалки инструментов из быстрорежущей стали применяют следующие способы:

1) охлаждение в масле до 150-200 °С и дальнейшее охлаждение на спокойном воздухе; во избежание трещин можно перед погружением инструмента в масло подстуживать его на воздухе до 900-1000 °С; этому соответствует оранжевый цвет излучения;

2) охлаждение в струе вентиляторного воздуха; применяется для мелкого инструмента;

3) охлаждение в селитряной ванне с температурой 450-500 °С и последующее охлаждение на воздухе; применяется для инструмента сложной формы (фрез, протяжек), при этом уменьшается коробление.

Действенным средством по предупреждению трещин и уменьшению коробления является так называемая высокоступенчатая закалка. Она представляет собой ступенчатую закалку в ванне с температурой, повышенной по сравнению с обычной (600-675 °С). Выдержка в такой ванне дается до 30 мин.

Для удаления с поверхности инструмента соли и масла, остающихся после закалки, проводится промывка в водном растворе каустической соды, а для предотвращения ржавления после такой промывки - пассивирование путем обработки в горячем растворе нитрита натрия с добавкой кальцинированной соды [5].

После закалки в быстрорежущей стали получается много остаточного аустенита: в стали Р9 - 30-35%, а в стали Р18 - 25-30%. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит и повышения твердости стали применяют трехкратный отпуск. Продолжительность каждого отпуска 45-60 мин, температура 550-570 °С. После закалки твердость получается в пределах HRC 61-63, а после отпуска - HRC 63-65.

Температура нагрева под закалку должна быть выдержана с максимально возможной точностью. Если был допущен незначительный перегрев, то образуется повышенное количество остаточного аустенита, и твердость окажется пониженной. Для получения нормальной твердости можно осторожно повысить температуру отпуска. Если же был допущен недогрев, то это выявится в повышенной твердости после закалки. Если после отпуска твердость будет понижаться, то это подтверждает недогрев, и инструмент надо перезакалить. Перед повторной закалкой обязательно следует проводить отжиг. Этим ни в коем случае нельзя пренебрегать, иначе инструмент после окончательной термической обработки будет хрупким, а стойкость его снизится в несколько раз.

Термическая обработка стали Р6М5 имеет некоторые особенности. Продолжительность нагрева под закалку (1230 °С) должна быть на 25% больше, чем для стали Р18, при этом необходимо принимать меры по защите от обезуглероживания путем раскисления ванн бурой или фтористым магнием. Режим отпуска: 1-й - при 350 °С, 2-й и 3-й - при 560-570 °С по 1 ч. Для инструментов, работающих без ударной нагрузки, с целью повышения твердости и теплостойкости рекомендуется 2-3-кратный отпуск при 540-550 °С. На рисунке 3 показа микроструктура стали Р6М5.

Рисунок 3 - Микроструктура стали Р6М5: а) литое состояние; после ковки и отжига; в) после закалки; г) после отпуска

Высокая скорость нагрева в соляных печах-ваннах может вызвать значительные внутренние напряжения, деформацию и образование трещин. Поэтому рекомендуется применять ступенчатый нагрев под закалку для инструментов из быстрорежущих сталей. Нагрев проводим с двумя подогревами: первый - при 650 °С с составом соляной ванны: 50% KCl и 50% Na2CO3; второй - при 850 °С с составом соляной ванны: 30% KCl и 70% BaCl2.

Окончательный нагрев также проводим в соляной ванне, состав которой 100% BaCl2 при 1210 °С.

Охлаждение при закалке проводится в масле, во избежание выделения карбидов.

При многократном отпуске из остаточного аустенита (Аост) выделяются карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение.

Отпуск производится при температуре 550 °С, с выдержкой в течении 1 часа и охлаждением на воздухе до 200 °С.

Твёрдость быстрорежущей стали марки Р6М5 после термической обработки составляет 64 HRC. В структуре стали остаётся приблизительно 2% остаточного аустенита, который немного снижает твёрдость стали и вызывает внутренние напряжения за счёт того, что аустенит и мартенсит в пространстве занимают разные объёмы. Сталь марки Р6М5 обладает повышенной вязкостью.

Рисунок 4 - Низкотемпературный отпуск

В качестве дополнительной обработки мы выбрали низкотемпературный отпуск для снятия напряжений после шлифования и заточки без снижения твёрдости, а также повышения стойкости инструмента при резании. Режим дополнительного отпуска, который показан на рисунке 4, режущего инструмента: нагрев до температуры 240-260 °С и выдержка в течении 1-4 часов.

Термическую обработку сварного инструмента необходимо проводить с таким расчетом, чтобы при переходе от рабочей части к месту стыка с хвостовиком твердость плавно снижалась до HRC 50-55. Это нужно для уменьшения хрупкости в месте сварки. С этой целью инструмент загружают в ванну так, чтобы место сварки не доходило до зеркала ванны на 15-20 мм. Рабочую часть и хвостовик закаливают раздельно [6].

Для повышения стойкости и антикоррозионных свойств инструмента проводят дополнительно цианирование и обработку паром. Цианирование проводят низкотемпературное жидкостное или газовое на слой глубиной 0,01-0,03 мм. Стойкость цианированного инструмента повышается в 1,5-2 раза.

Обработка паром создает на поверхности инструмента тонкую (2-5 мкм) пленку окиси железа Fe3O4. В результате этого предотвращается приваривание стружки к поверхности инструмента, повышается стойкость его на 25-30% и улучшается внешний вид: поверхность приобретает красивый темно-синий цвет.

Обработка паром может быть проведена в герметически закрывающейся шахтной печи типа цементационной. Ее можно совместить с отпуском. При отпуске в атмосфере пара очищенный сухой инструмент в корзинах загружают в печь с температурой 350-370 °С и выдерживают в течение примерно 1 ч до полного прогрева садки. После этого для вытеснения воздуха в печь подается сухой пар, перегретый до 300-400 °С. Спустя 20- 30 мин, температуру печи повышают до рабочей (550- 570 °С) и дают обычную при таком отпуске выдержку (45-60 мин).). Это предотвращает подсос воздуха в печь.

Для получения стабильных высоких свойств при термической обработке режущего инструмента, а также для обеспечения высокой производительности на отечественных заводах внедряются полуавтоматические и полностью автоматизированные агрегаты непрерывного действия.

Заключение

Термическая обработка сплава Р6М5 имеет ряд тонкостей, которые относятся к свойствам ее. Дело в том, что она способна во время нагревания к обезуглероживанию. Чтобы этого не произошло, ее обычно нагревают с помощью медленного прогревания.

В курсовом проекте для изделий из стали Р6М5 были подобраны следующие режимы предварительной и окончательной термической обработки:

Изотермический отжиг: температура отжига составила 870 °С и применялась для получения более высоких свойств, которая не должна превышать 10-15 часов. Затем сталь охлаждают со скоростью 30-60 °С/час до 720-750 °С. После этого сталь охлаждают в печи до 600-650 °С со скоростью 40-50 °С/час, а затем на воздухе.

Структура отожженной быстрорежущей тали - мелкозернистый (сорбитообразный) перлит и карбиды, мелкие эвтектоидные и более крупные первичные. Количество карбидов около 25 %. Твердость 23-25 HRC. Сталь с такой структурой хорошо обрабатывается резанием.

Для предотвращения образования трещин и деформации инструмента из-за низкой теплопроводности стали нагрев под закалку проводят с подогревом в расплавленных солях 750-800 °С. Охлаждение от температуры нагрева до 550-600 °С должно быть ускоренным для предупреждения выделения карбидов, снижающего красностойкость и механические свойства.

После закалки структура быстрорежущей стали состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4 % С, не растворенных при нагреве избыточных карбидов 15-20 %, и около 20-25 % остаточного аустенита. Последний снижает твердость, режущие свойства инструмента, ухудшает шлифуемость, и его присутствие нежелательно. Твердость после проведенной закалки составляет 62-65HRC.

Список использованной литературы

1. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология материалов: учебник для бакалавров [Текст]: учеб. для вузов / Г.П. Фетисов. - 7-ое изд., перераб. и доб. - М.: Изд-во Юрайт, 2015. - 767 с.

2. Иваней, А.А. Практикум по дисциплине «Материаловедение и технологии конструкционных материалов» [Текст]: учеб. для вузов / А.А. Иваней. - Мурманск: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - 273 с.

3. Власов, В.С. Металловедение [Текст]: учебное пособие / В.С. Власов. - М.: Альфа-М, 2018. - 448 c.

4. Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов [Текст]: учебник для машиностроительных и металлургических специальностей вузов / Ю.М. Лахтин. - М.: Альянс, 2015. - 448 c.

5. Никулин, С.А. Материаловедение и термическая обработка [Текст]: учебное пособие / С.А. Никулин, В.Ю. Турилина. - М.: МИСиС, 2013. - 171 c.

6. Блантер, М.Е. Металловедение и термическая обработка [Текст]: учеб. для вузов / М.Е. Блантер. - М.: Машгиз, 1963., 416 с.

Размещено на Allbest.ru