Технологический процесс термической обработки развертки

В соответствии с ГОСТ 5950-73 («Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия.») низколегированная сталь 9ХС подвергается следующей термической обработке:

1.        Отжиг при Т = 780—800°С

2.        Закалка при Т = 840-860°С, масло

3.        Отпуск  при Т = 150-200°С, воздух.

 

 

 

 

Механические свойства при Т=20⁰С материала 9ХС

Таблица 3
σв	σт	∆ δ	∆ Ψ
МПа	МПа	%	%
790	445	26	54

 

Характеристика  материала. Сталь ХВГ

Таблица 4

Марка	Сталь 9ХС
Заменитель	Сталь ХВГ, Сталь ХВСГ,
Классификация	Сталь инструментальная легированная
Иностранные аналоги	DIN, WNr, 150Cr14, 90CrSi, 90CrSi5
Применение	сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для холодных работ. Ответственные детали, материал которых должен обладать повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, кручении, контактном нагружении, а также упругими свойствами.
Вид поставки
Сортовой прокат, в том числе  фасонный:	ГОСТ 5950-73, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71
Калиброванный пруток	ГОСТ 5950-73, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78
Шлифованный пруток и серебрянка	ГОСТ 5950-73, ГОСТ 14955-77
Полоса	ГОСТ 5950-73, ГОСТ 4405-75
Поковки и кованые заготовки	ГОСТ 5950-73, ГОСТ 1133-71.

 

 

 

Химический состав в % материала 9ХС.

Таблица 5

Химический элемент	%
Кремний (Si)	1.20 - 1.60
Хром (Cr)	0.95 - 1.25
Углерод (C)	0.85 - 0.95
Марганец (Mn)	0.30 - 0.60
Никель (Ni)	до  0.35
Медь (Cu)	до   0.30
Молибден (Мо)	до   0.20
Ванадий (V)	до   0.20
Вольфрам (W)	до  0.20
Титан (Ti)	до   0.030
Сера (S)	до  0.030
Фосфор (P)	до   0.030

 

Технологические свойства стали 9ХС

Таблица 6

Температура ковки

Начала 1180, конца 800. Охлаждение замедленное.

Свариваемость

не применяется для сварных  конструкций.

Обрабатываемость резанием

В горячекатаном состоянии при  НВ 221 Ku тв.спл. = 0.90, Ku б.ст. = 0.50.

Склонность к отпускной способности

склонна

Флокеночувствительность

нечувствительна

 

 

 

 

Прокаливаемость стали 9ХС

 Таблица 7

Расстояние от торца, мм / HRC э
5	10	15	20	25	30	40	50	60	5
63	56	36,5	32	30	28	26	25	24	63

 

 

Физические свойства стали 9ХС

Таблица 8

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	190
Модуль упругости при сдвиге кручением  G, ГПа	79
Плотность, pn, кг/см3	7830
Уд. электросопротивление (p, НОм · м)	400

 

Теплостойкость  и красностойкость стали 9ХС 

Таблица 9

Температура, °С	Время, ч	Твердость, HRC
150-160	1	63
240-250	1	59

 

 

3.Технологический  процесс термической обработки.

 

Масса метчика  – 2,1 кг

Производительность  оборудования – 205 кг/ч

 

Термической обработкой стали называется совокупность технологических операций ее нагрева, выдержки и охлаждения в твердом состоянии с целью изменения ее структуры и создания у нее необходимых свойств: прочности, твердости, износостойкости, обрабатываемости или особых химических и физических свойств.

Перед основной термической обработкой деталь отжигают для снятия остаточных напряжений. Внутренние напряжения в металле  могут возникать в результате различных видов обработки. Это  могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей  деформации, литья, сварки, шлифовки и  резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате структурных  превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной  скоростью. Внутренние напряжения в  металле могут достигать большой  величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могут  неожиданно превышать предел прочности  и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с  помощью различных видов отжига.

Отжиг - одна из важнейших операций термической  обработки, в результате которой  снимаются внутренние напряжения в  стали, измельчаются зерна и понижается твердость.

Отжиг второго  рода - это термообработка, которая  заключается в нагреве стали  до температур выше точки А_С1. В результате получается почти равновесное структурное состояние стали; в заэвтектоидной стали 9ХС - цементит + перлит+ Cr₂₃C₆. Сталь получается с низкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности. (HВ = 243)  Так как наша задача смягчить структуру для последующей механической обработки, мы проводим неполный отжиг. Основные цели неполного отжига - устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных характеристик.

Неполный  отжиг заключается в нагреве  заэвтектоидной стали до температур на 30-50°С выше температуры А_C1, но не превышает А_Cm (чрезмерное повышение температуры выше этой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойств стали), выдержке для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для данной стали t_отж= А_С1 +30÷50°С =770+30÷50°С=800÷820°С. Выбираем t_отж=810°С. При неполном отжиге происходит неполная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки А_С1 образуется аустенит + карбиды, характеризующийся мелким зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую пластичность и невысокую твердость. Структура заэвтектоидной стали, после неполного отжига состоит из зернистого перлита (рис 3). Затем следует токарная обработка, которая заключается в том, что заготовку торцуют и протачивают наружный диаметр.

Рис.3 График неполного отжига для стали 9ХС

 

После отжига проводится механическая обработка  развертки, которая включает в себя токарную, круглошлифовальную, фрезерную, зубофрезерную, слесарную операции.

 Механически  обработанную деталь подвергают  термической обработке: закалке  и отпуску. Так как заданная  деталь должна обладать достаточно  высокой прочностью и твердостью  назначаем неполную закалку с  низким отпуском. Закалка - термическая  обработка, заключается в нагревании  стали до температуры выше  критической (А_С3 для доэвтектоидной и A_{C1 -} для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Данная сталь заэвтектоидная, поэтому её нагревают до температуры на 30-50° С выше точки А_{С1 (}рис.4), т. е до 800 - 820°С. Оптимальной охлаждающей средой при закалке для данной стали является масло, так как оно быстро охлаждает сталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита и замедлено в интервале температур мартенситного превращения, то есть при охлаждении в масле происходит одновременное мартенситообразование во всей детали, и снижается возможность образования закалочных трещин. В результате закалки прочность и твёрдость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4 График неполной закалки для стали 9ХС

 

Чтобы уменьшить  хрупкость и напряжения, вызванные  закалкой, и получить требуемые механические свойства детали, сталь после закалки  обязательно подвергают низкотемпературному  отпуску.

Отпуск - термическая обработка, при которой  закаленную сталь нагревают до температуры  ниже температуры критической точки  A_C1, выдерживают необходимое время при этой температуре, а затем медленно охлаждают.

Рис.5 График отпуска для стали 9ХС

 

При такой  обработке несколько уменьшаются  внутренние напряжения, стабилизируется  структура стали, понижается ее твердость  и увеличивается вязкость. При  отпуске стали происходят структурные  превращения, заключающиеся в том, что мартенсит закалки и остаточный аустенит распадаются, образуя более  устойчивые структуры.

При нагреве  до 100°С заметных изменений в структуре закаленной стали не происходит. При нагреве от 100 до 350°С происходит распад мартенсита с выделением из него дисперсных частиц цементита. Этот распад происходит в две стадии.

В первой стадии при 100 - 200°С наблюдается выделение из мартенсита мельчайших карбидных включений пластинчатой формы и толщиной в несколько атомных слоев. Одновременно с этим происходит заметное уменьшение объема стали, связанное с образованием мартенсита отпуска.

Вторая  стадия отпуска происходит при 200-350°С. Она сводится к дальнейшему медленному выделению из мартенсита частиц карбида железа. В это время в стали развивается процесс разложения остаточного аустенита и переход его в мартенсит отпуска.

Заданную  сталь подвергают низкому отпуску, поэтому его проводят в интервале температур 150-160°С. При этих температурах в стали образуется мартенсит отпуска и почти полностью исчезают внутренние напряжения. Мартенситная структура обеспечивает наилучшее соотношение прочности и твёрдости для данной стали.

Закалка с низким отпуском повышает пределы  прочности и твёрдости. Термическую  обработку, состоящую из закалки  и низкого отпуска, называют изотермической закалкой.

Окончательная структура после термической  обработки – мартенсит отпуска  с включениями глобулярных карбидов, сердцевина – сорбит, тростит.

Механические  свойства 9ХС после термической обработки:

Твёрдость поверхности – HRC 62, сердцевины – HRC 35…45. 

 

4.Выбор  оборудования.

Выбор оборудования производим в соответствии с назначенными видами  и рассчитанными  видами термической обработки.

Выбираем:

Для закалки – Электропечь камерная для нагрева под закалку в защитной атмосфере СНЗ 6.12.5/11

Для отпуска – Электропечь для низко- и среднетемпературного отпуска в воздушной атмосфере СНО6.12.5/9,5

- Ванна закалочная ВЗМ для закалочного охлаждения нагретых до температуры закалки изделий в масле;

- Ванна промывочная ВП для промывки закаленных изделий от масла в моющем растворе;

- Транспортно-загрузочный механизм для загрузки, выгрузки и перемещения внутри технологических линий агрегата термообрабатываемых изделий;

- Клети, поддоны, корзины и кассеты для укладки и транспортировки термообрабатываемых изделий.

 

Процесс термообработки начинается с загрузки агрегата.

 

 Тpaнcпopтнo-зaгpузoчный мexaнизм (зaгpузчик) вxoдит в cocтaв линий зaкaлки и oтпуcкa и пpeднaзнaчeн для мexaнизиpoвaннoгo выпoлнeния зaгpузoчнo-paзгpузoчныx oпepaций внутpи линии. Вaнны мacляныe и пpoмывoчныe ocнaщeны гидpaвличecкими мexaнизмaми пoдъeмa и oпуcкaния пoддoнa c дeтaлями.

Электропечь для нагрева  под закалку выполняется в виде футерованного стального каркаса, внутри которого помещен жаропрочный герметичный муфель с водоохлажденным фланцем. На своде и на поду внутренней поверхности футеровки расположены выемные спиральные нагреватели, равномерно обогревающие муфель. Муфель имеет вертикальный разгрузочный лоток, герметизируемый гидрозатвором в масло закалочного бака, а со стороны загрузки – форкамеру с пламенной завесой, препятствующей попаданию воздуха в рабочее пространство муфеля, заполненное защитной атмосферой. Конвейер электропечи состоит из бесконечной конвейерной ленты, выполненной из жаропрочной проволочной сетки, привода и вспомогательных устройств, обеспечивающих минимизацию усилия натяжения конвейерной ленты в горячей зоне печи при огибании вертикальной разгрузочной части муфеля.