Национальный политехнический университет

Примечание. Закалка на зерно балла 10; трехкратный отпуск при 560 ^оС.

Таблица 1.3 - Теплостойкость сталей

Быстрорежущие стали, в отличие от легированных и углеродистых сталей, имеют высокую теплостойкость, сохраняя мартенситную структуру и твердость более 60 HRC при нагреве до 600-650^°С, более высокую прочность и повышенное сопротивление пластической деформации.

Проанализируем химические составы сталей Р6М5, Р18 и Р12.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающих высокую красностойкость, являются вольфрам, молибден, ванадий и кобальт. Кроме них все стали легируют хромом. Важным компонентом является углерод.

Содержание углерода в стали должно быть достаточным, чтобы обеспечить образование карбидов легирующих элементов. Так при содержании углерода меньше 0,7 % не получается высокой твердости в закаленном и в отпущенном состоянии. Влияние повышенного содержания углерода в сталях с молибденом более благоприятно, чем в вольфрамовых.

Карбидообразующие элементы образуют в стали специальные карбиды: Me₆С на основе вольфрама и молибдена, MeС на основе ванадия и Me₂₃С₆ на основе хрома. Часть атомов Me составляет железо и другие элементы.

Вольфрам и молибден являются основными легирующими элементами, обеспечивающими красностойкость. Они образуют в стали карбид Me₆С, который при аустенитизации часто переходит в твердый раствор, обеспечивая получение после закалки легированного вольфрамом (молибденом) мартенсита. Вольфрам и молибден затрудняют распад мартенсита при нагреве, обеспечивая необходимую красностойкость. Нерастворенная часть карбида Me₆С приводит к повышению износостойкости стали. Молибден по влиянию на теплостойкость замещает вольфрам по соотношению Mo : W = 1 : 1,5.

Ванадий образует в стали наиболее твердый карбид VC (MeС). Максимальный эффект от введения в сталь ванадия достигается при условии, что содержание углерода в стали будет достаточным для образования большого количества карбидов и для насыщения твердого раствора. Карбид MeС, частично растворяясь в аустените, увеличивает красностойкость и повышает твердость после отпуска благодаря эффекту дисперсионного твердения. Нерастворенная часть карбида MeС увеличивает износостойкость стали.

Хром во всех быстрорежущих сталях содержится в количестве около 4%. Он является основой карбида Me₂₃С₆. При нагреве под закалку этот карбид полностью растворяется в аустените при температурах, значительно более низких, чем температуры растворения карбидов Me₆С и MeС. Вследствие этого основная роль хрома в быстрорежущих сталях состоит в придании стали высокой прокаливаемости. Он оказывает влияние и на процессы карбидообразования при отпуске.

Кобальт применяют для дополнительного легирования быстрорежущей стали с целью повышения ее красностойкости. Кобальт в основном находится в твердом растворе и частично входит в состав карбида Me₆С. К недостаткам влияния кобальта следует отнести ухудшение прочности и вязкости стали, увеличение обезуглероживания.

Марганец в небольших количествах может переводить серу в более благоприятное соединение.

Сера является вредной примесью, способствующая красноломкости. В ледебуритных сталях отрицательная роль образующихся сульфидов меньше из-за присутствия в структуре значительно большего числа избыточных карбидов, которые могут также ухудшать эти свойства. Кроме того, сульфиды при низких температурах начала затвердевания этих сталей часто служат центрами кристаллизации и присутствуют внутри крупных эвтектических карбидов. Их количество уменьшается на границе зерен. Для уменьшения количества серы (до 0,015 %) используют электрошлаковый переплав.

Фосфор также является вредной примесью. При содержании фосфора более чем 0,02-0,03 % заметно снижается вязкость и прочность, усиливаются искажения в решетке мартенсита.

Ранее наиболее широко применялась сталь P18. Она содержит больше вольфрама, чем другие стали, и поэтому имеет повышенное количество карбидов (22-25 % после отпуска). Основной карбид М₆С; доля карбида МС не более 2-3 % от общего количества карбидной фазы. Преимущества стали Р18: 1) малая чувствительность к перегреву (из-за влияния повышенного количества карбидов), и, в связи с этим, хорошая стабильность свойств сталей разных плавок; 2) хорошая шлифуемость; содержание ванадия в сталях с 18 % W меньше, чем в других сталях.

Сталь имеет немного лучшие режущие свойства при обработке сталей с избыточными карбидами (в частности, шарикоподшипниковых) и в инструментах относительно простой формы; это связано с более высоким сопротивлением пластической деформации из-за большего количества карбидов.

Резкое сокращение производства стали Р18 объясняется как дефицитностью вольфрама и созданием теперь сталей с более высокими свойствами, так и тем, что сталь Р18 имеет следующие недостатки: а) более крупные размеры избыточных карбидов: до 30 мкм, что снижает стойкость инструментов с тонкой рабочей кромкой и небольшого сечения; б) недостаточно высокие прочность и вязкость, сильно зависящие от профиля проката; они удовлетворительные лишь в небольшом сечении; прочность составляет 3000-3300 и 2000-2300 MПa в прутках диаметром 30 и 60-80 мм соответственно; в) пониженная горячая пластичность, особенно в крупном профиле. Это затрудняет также изготовление инструментов горячей пластической деформацией.

Сталь Р12, разработанная позже, заменяет сталь Р18. Основной карбид М₆С; количество карбида МС несколько больше (8 %), чем у стали Р18.

В твердом растворе стали Р12 больше ванадия, что позволяет устанавливать его содержание в стали более высоким; 1,5-1,9 % без заметного ухудшения шлифуемости. В этом случае теплостойкость стали Р12 немного выше, чем стали Р18.

При почти одинаковой карбидной неоднородности (в прокате равного профиля) размеры карбидных частиц и количество карбидов в стали Р12 меньше, чем у стали Р18.

Вследствие этого, а также и более низкого содержания хрома, горячая пластичность стали Р12 на 10-15 % выше, чем у стали Р18. По этой же причине прочность и вязкость стали Р12 в одинаковом профиле на 5-8 % выше, чем стали Р18.

Режущие свойства сталей Р18 и Р12 близки; они несколько выше у стали Р12 в инструментах с тонкой рабочей кромкой и немного ниже, чем у стали Р18 в инструментах простой формы, обрабатывающих более твердые материалы.

Сталь Р6М5 широко применяется для тех же назначений, как и сталь Р12. Теплостойкость этой стали лишь немного ниже, чем сталей Р12 и Р18.

Размеры карбидных частиц меньше, чем в стали Р18. Поэтому прочность стали Р6М5 после одинаковой деформации на 10-15 % больше, а вязкость на 50-60 % выше, чем у стали Р18. Это преимущественно наблюдается и в крупных сечениях.

С повышением температуры до 500-600 °С прочность стали Р6М5 снижается сильнее, а вязкость возрастает больше, чем у сталей Р18 и Р12. Пластичность стали Р6М5 при температурах деформирования выше, чем у стали Р18. Твердость после отжига ниже, что обеспечивает несколько лучшую обрабатываемость резанием. Ее шлифуемость хорошая и не ниже, чем у стали Р18.

У стали Р6М5 с 5 % Мо сохраняются (но в меньшей степени) недостатки, вносимые молибденом. Она чувствительна к обезуглероживанию и к разнозернистости. Для повышения стабильности свойств необходимо устанавливать содержание углерода в более узких пределах.

При увеличении содержания кремния до 0,8-0,9 % немного улучшаются вязкость и твердость стали[3,8].

Таким образом, проанализировав стали Р18, Р12 и Р6М5, можно сделать вывод, что для дисковой фрезы наиболее целесообразно выбрать сталь Р6М5, учитывая выше перечисленные характеристики, и ее меньшую стоимость.

Рисунок 1.2 - Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита стали Р6М5.

Рассчитываем критическую скорость охлаждения по формуле:

,

где, Т_з - температура закалки; Т_з = 1220 ^оС;

Т_min - температура минимальной устойчивости аустенита; Т_min = 740 ^оС;

ф_кр - критическое время; ф_кр = 600 с.

0,53 ^оС/c.

1.4 Разработка технологического процесса

1.4.1 Маршрутная технология изготовления дисковых фрез

Маршрутная технология - это последовательность технологических операций от начальной до установки детали в узел или механизм.

Маршрутная технология изготовления дисковых фрез из стали Р6М5 приведена на рис. 1.3:

Рисунок 1.3 - Маршрутная технология изготовления дисковых фрез

1. Входной контроль представляет собой контроль поступающего в цех материала по следующим параметрам: химический состав, твердость, степень чистоты металла.

Химический состав контролируется в соответствии с ГОСТ 19265-73. Дилатометрическим методом определяется температура полной аустенизации Ас₃.

2. После входного контроля металл поступает в кузнечный цех, где он подвергается горячей пластической деформации - штамповке.

3. После штамповки заготовка поступает в механической отделение, где производится зачистка заусенцев и шлифование боковых поверхностей. Так же в механическом отделении производится контроль геометрии форм и размеров, выявление поверхностных дефектов.

4. Сушка деталей проводится при температуре 150-200 єС для предотвращения попадания влаги в соляную печь вместе с деталью. Время сушки одной партии деталей составляет 20-30 минут.

5. Закалка производится с учетом температуры аустенитного превращения. Время выдержки влияет на полноту превращения стали. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы после закалки получить требуемую структуру и по возможности исключить коробление.

6. Тройной отпуск необходим для полного превращения аустенита в мартенсит (снижения количества остаточного аустенита), снижения напряжений, образовавшихся в результате мартенситного превращения - то есть для получения структуры, обеспечивающую заданные технологические свойства.

7. Контроль ТО производится по твердости, отсутствию трещин и волосовин. Твердость обрабатываемой детали контролируется неразрушающим методом контроля - 100 % от партии, 30 % партии контролируется на Роквелле. Твердость должна составлять 61-62 единицы HRC. Контроль на отсутствие трещин и волосовин проводится при помощи дефектоскопа - 3% от партии. После контроля на каждую деталь составляется сопроводительный документ и ставится штамп.

8. Окончательная механическая обработка представляет собой заточка и чистовое шлифование режущих кромок.

1.4.2 Выбор и обоснование технологического процесса

При выборе технологических процессов термической обработки рекомендуется руководствоваться следующими прогрессивными направлениями:

1) Использование остаточной теплоты от предыдущей операции, например, теплоты операций горячего формообразования (ковка, штамповка, литье, прокатка, сварка и др.) для операций последующей термообработки (отжиг, нормализация, закалка).

2) Применение скоростных методов нагрева на основе:

- создания большого перепада температур между нагреваемым устройством и изделием;

- концентрации значительного количества электроэнергии в нагреваемом металле (например, индукционный нагрев в поле токов высокой частоты).

3) Преемственность операций структурного изменения с использованием тепла таких операций как, например, цементация и нитроцементация, для непосредственной, прерывной закалки, самоотпуска и т. д.

4) Использование повышенных температур нагрева для ускорения операций структурного превращения и диффузионных процессов.

5) Применение специальных мероприятий для уменьшения деформаций на заключительных стадиях термической обработки:

- применение предварительной термической обработки (нормализации, отжига и др.) при температурах, немного превышающих температуру завершающей обработки (цементации и т.п.);

- охлаждение при закалке в горячей изотермической среде (нагретое масло, расплавы щелочей селитры или щелочей и другие);

- охлаждение нагретых изделий сложной конфигурации в зажимных приспособлениях (штампы, валки и др.).

6) Интенсификация процессов с помощью воздействия активизаторов, например:

- ультразвука для охлаждения (при закалке) и очистке поверхностных загрязнений;

- магнитного поля для охлаждения при отпуске.

7) Применение сред нагрева и охлаждения, предотвращающих окисление и обезуглероживание:

- газовые искусственные атмосферы и вакуум:

- расплавы солей и щелочей;

- псевдосжиженный слой из твердых сыпучих частиц (корунд и др.) с продувкой газами.

8) Замена трудоемких процессов химико-термической обработки скоростной закалкой.

9) Применение комбинированной обработки (высокотемпературная термомеханическая обработка и др.).

При выборе технологического процесса необходимо выбрать наиболее рациональные и совершенные способы термической обработки, обеспечивающие получение высоких свойств изделий и одновременно упрочняющих, сокращающих или удешевляющих процессы термической обработки.

Свои служебные свойства (высокую твердость, износостойкость, теплостойкость) инструментальные стали получают в результате одного из видов упрочнения, приведенных ниже.

Закалка, обеспечивающая мартенситное превращение (дополнительно проводится низкий отпуск для уменьшения внутренних напряжений, после которого структура представляет собой мартенсит отпуска). Этому способу упрочнения подвергаются нетеплостойкие или полутеплостойкие стали с достаточно высоким содержанием углерода.

Дисперсионное твердение после закалки на мартенсит. Этому способу упрочнения подвергаются теплостойкие стали: быстрорежущие (Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6МЗ, Р18К5Ф2, P6M5KS, Р9М4К8 и др.), штамповые (4ХЗВМФ, ЗХЗМЗФ, 4Х5В2ФС, 4Х5МФС, ЗХ2В8Ф и др.) и мартенситно-стареющие.

Следует отметить, что в упрочнение при термической обработке быстрорежущих и штамповых сталей, испытывающих при закалке мартенситное превращение, образование мартенсита вносит определенный вклад. При последующем высоком отпуске, обеспечивающем дисперсионное твердение, упрочнение в результате мартенситного превращения частично снимается, но мартенситная структура стимулирует процесс выделения дисперсных избыточных фаз.

Таким образом, необходимо рассмотреть варианты термической обработки, основанные на закалке и отпуске.

Стали, упрочняемые в результате мартенситного превращения или мартенситного превращения с дисперсионным твердением, закаливают соответственно с температур, обеспечивающих достаточно полное насыщение аустенита углеродом или легирующими элементами.

Для инструментальных сталей применяют несколько видов закалки:

1. Непрерывная закалка. Закалку этого вида применяют в основном для инструмента из углеродистых и низколегированных сталей, обладающих малой устойчивостью переохлажденного аустенита и требующих вследствие этого ускоренного охлаждения, а также для инструмента относительно простой формы, изготовленного из инструментальных сталей повышенной и высокой прокаливаемости. Недостатком этого вида закалки является возникновение повышенных внутренних напряжений, что может в отдельных случаях вызвать сильное коробление или образование трещин.

2. Ступенчатая закалка. Такую закалку применяют для инструмента сложной формы в основном из сталей повышенной и высокой прокаливаемости. Инструмент охлаждают в горячих средах, а затем на воздухе. Это замедляет скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения, уменьшает напряжения, деформацию и опасность образования трещин. Температура горячих сред должна быть выше температуры начала мартенситного превращения, а время выдержки достаточным для выравнивания температуры по сечению инструмента, но таким, чтобы не успело начаться бейнитное превращение.

Обычно температуры горячих сред составляют 160-200 °С для низколегированных инструментальных сталей и 500-630 °С для быстрорежущих сталей. В качестве горячих сред применяют расплавы солей.

3. Светлая закалка. Закалка этого вида представляет разновидность ступенчатой закалки. При светлой закалке состав охлаждающей смеси (обычно используют расплавы щелочей с добавлением воды) подбирают таким образом, чтобы поверхность инструмента после охлаждения была чистой и имела светло-серый цвет.

4. Неполная изотермическая закалка. Такую закалку применяют при необходимости получения достаточно высокой твердости. В этом случае инструмент в процессе охлаждения выдерживают при температуре лишь немного выше точки М_н с тем, чтобы бейнитное превращение прошло в ограниченной степени. Неполную изотермическую закалку целесообразно применять для штампов сложной формы из сталей 9ХС, ХВСГ.

5. Полная изотермическая закалка. Ее применяют в том случае, когда допустима пониженная твердость (HRC 52-55). Получаемая структура - нижний бейнит и остаточный аустенит. Полную изотермическую закалку применяют преимущественно для деревообрабатывающего инструмента и некоторых штампов и пресс-форм.

Основными преимуществами изотермической закалки являются уменьшение деформации (вследствие образования повышенных количеств остаточного аустенита и меньшей величины внутренних напряжений), а также повышение вязкости.

6. Прерывистая закалка. Закалку этого вида применяют для предупреждения образования трещин в инструменте сложной формы из сталей небольшой прокаливаемости, требующих охлаждения в воде, и в крупном инструменте из сталей повышенной прокаливаемости.

Закалку выполняют так, чтобы мартенситное превращение происходило только частично. Изделие охлаждают до 90-100° С (т.е. на 75-100° С ниже точки М_н). Для этого инструмент из углеродистых и низколегированных сталей выдерживают в воде или в водных растворах солей и щелочей 5-10 с до потемнения поверхности, а инструмент из легированных сталей - в масле от 30-60 с до 10-15 мин (и больше) в зависимости от сечения изделия. Затем, не допуская дальнейшего охлаждения, инструмент переносят в горячие среды (170-180° С) для снятия возникших напряжений и частичного отпуска полученного мартенсита. При этом инструмент небольшого сечения выдерживают 2-5 мин, а более крупный -- в зависимости от размеров - 30-60 мин. После этого его охлаждают на воздухе для образования мартенсита из не превратившегося ранее аустенита и подвергают отпуску для снятия напряжений.

7. Закалка в прессе. Такую закалку применяют для предупреждения деформации (коробления) преимущественно длинного или плоского инструмента.

8. Закалка при индукционном нагреве. Закалку этого вида применяют для инструмента, который должен иметь закаленный слой определенной толщины (метчиков, напильников, вытяжных штампов и т. д.) или высоты (ножовочных полотен, некоторого слесарно-монтажного инструмента). При этом производительном способе нагрева обеспечивается большая стабильность свойств в разных партиях инструмента, поскольку процесс легко автоматизируется, уменьшаются обезуглероживание и окисление благодаря малой продолжительности нагрева. Для такой закалки наиболее пригодны низколегированные стали, менее чувствительные к перегреву и получающие по сравнению с углеродистыми более равномерную твердость закаленного слоя при охлаждении в воде[3].

При закалке режущего инструмента нагрев осуществляют различными способами: в газовых или электрических печах с защитной атмосферой, в соляных ваннах, токами высокой частоты. Из них наиболее распространенным в инструментальной промышленности является нагрев в соляных ваннах.

Отпуск инструмента из быстрорежущей стали должен обеспечить возможно более полное превращение остаточного аустенита, что достигается применением многократного отпуска с охлаждением до 20-40° С. Температура отпуска, продолжительность и число отпусков определяются химическим составом стали и выбранными условиями проведения этой операции. В промышленности применяют два вида отпуска инструмента из быстрорежущих сталей - обычный отпуск при 550-570 °С с выдержками по 1 ч и так называемый кратковременный двух-трехкратный отпуск при 580-620 °С с выдержками каждый раз по 10-30 мин.

Учитывая требования к изделию по механическим, эксплуатационным и другим свойствам, химический состав стали Р6М5 и габариты изделия, выбираем ступенчатую закалку с последующим трехкратным отпуском.

Также необходимы такие операции, как мойка и очистка.

В данном разрабатываемом проекте для получения необходимых свойств материала необходимо применение термической обработки со следующим планом операции:

1) Ступенчатая закалка:

- I^й подогрев;

- II^й подогрев;

- Окончательный нагрев;

- Охлаждение;

2) Технологический контроль;

3) Мойка;

4) Трехкратный отпуск;

5) Очистка;

6) Технологический контроль.

1.4.3 Описание операций технологического процесса

Закалка инструментальной стали Р6М5 является более сложной по сравнению со сталями другого класса. Эта сталь по своим свойствам требует ускоренного охлаждения при закалке. Высокие скорости охлаждения достигаются охлаждением в воде, что приводит к возникновению больших внутренних напряжений, в результате чего появляются трещины и коробление, поэтому для инструментов из быстрорежущих сталей применяется закалка в масло.

Широкое применение расплавленных солей при закалке инструмента, обусловлено следующими преимуществами нагрева в жидких средах по сравнению с нагревом в печах:

а) жидкая среда обеспечивает одинаковую интенсивность нагрева со всех сторон, получение однородной структуры и свойств и уменьшает величину закалочной деформации инструмента;

б) в жидкой среде легко осуществим местный нагрев рабочей части концевого инструмента на необходимой длине и получение на данном участке заданной высокой твердости при сохранении более низкой твердости на соседних участках, например на направляющей или хвостовой части инструмента;

в) концевые инструменты можно помещать в расплавленную соль в строго вертикальном положении на необходимую длину, что позволяет уменьшить искривление этих инструментов относительно оси;

г) жидкая среда, защищая нагреваемый инструмент от непосредственного воздействия кислорода воздуха, препятствует окислению его поверхности в процессе нагрева;

д) в момент переноса закаленного инструмента в охлаждающую среду на его поверхности сохраняется тонкая пленка застывшей соли, которая защищает инструмент от интенсивного окисления в процессе охлаждения.

В таблице приведены основные и заменяющие составы солей, которые применяют для предварительного и окончательного нагрева инструмента под закалку в средне- и высокотемпературных соляных ваннах, работающих при 750-950 °С и 1050-1300 °С соответственно; помимо основных компонентов - хлористого бария и натрия, в них вводят ректификаторы, предохраняющие инструмент от обезуглероживания в процессе нагрева.

Закалка стали заключается в ее нагреве до температуры на 30-50 єС выше критической точки Ас₃ и последующим ускоренным охлаждением для получения преимущественно мартенситной структуры. В таблице 1.4 приведены характеристики охлаждающих способностей различных закалочных сред.

Таблица 1.4 - Относительная охлаждающая способность закалочных сред при слабой их циркуляции

Предварительный подогрев. Благодаря высокому коэффициенту теплоотдачи нагрев инструмента в расплавленных солях происходит с большой скоростью. Чтобы обеспечить равномерный прогрев по сечению, уменьшить внутренние напряжения и деформацию и снизить опасность образования трещин, нагрев режущего инструмента производят ступенчато, используя для этой цели различные по составу среды. Число ступеней предварительного подогрева и температуру каждой ступени выбирают в зависимости от химического состава стали и габаритных размеров инструмента.

Первый подогрев для инструмента проводят при 500-600 єC в соляной ванне, имеющей состав соли 60% NaOH + 40%NaCl.

Второй подогрев проводят при 850 єC в соляной ванне, имеющей состав соли 78% ВаС1₂ + 22% NaCl.

Окончательный нагрев производят до высоких температур (для стали Р6М5 1200-1230 ^оС), который позволяет получить зерно 10-11-го балла (ГОСТ 5639-65). Состав соли 100% ВаС1₂.

Охлаждение при закалке быстрорежущих сталей должно обеспечить сохранение высокой концентрации углерода и легирующих элементов в твердом растворе, а также сведения до минимума закалочной деформации, отсутствие трещин. Охлаждение деталей проводим в закалочном баке с маслом И-20А до температуры 300 ^оС, а затем на воздухе.

Таблица 1.5 - Марки индустриальных масел.

Отпуск должен обеспечить получение высокой вторичной твердости и снятия закалочных напряжений для повышения прочности и превращения остаточного аустенита.

В сталях этого класса в зависимости от температуры отпуска проходят различные процессы:

Обеднение мартенсита углеродом и в некоторой степени легирующими элементами, выделение и коагуляция цементитного карбида (150-300 °С), в состав которого могут входить хром, вольфрам, молибден. В результате этого отпуска понижается твердость, но повышаются прочность, пластичность и вязкость, что является следствием снижения склонности к хрупкому разрушению в результате уменьшения концентрации углерода в мартенсите и снятия возникших при закалке напряжений.

Распад мартенсита и образование специальных карбидов хрома (400-600°С). Присутствие таких дисперсных карбидов, отличающихся симметрией решетки от основной фазы (мартенсита), повышает твердость.

Пластичность и вязкость стали при этом снижаются. Более высокий отпуск (600-650 °С) усиливает выделение карбидов и их коагуляцию, вызывает еще больший распад мартенсита и снижает твердость. Прочность и ударная вязкость при этом также несколько снижаются.

3. Распад остаточного аустенита. Остаточный аустенит теплостойких сталей (штамповых и быстрорежущих) из-за высокой легированности очень устойчив и превращается лишь в результате отпуска выше 500° С. В процессе выдержки при 500-600° С из аустенита выделяется часть углерода и легирующих элементов в виде карбидов. Обедненный аустенит превращается в мартенсит при охлаждении. Температура начала мартенситного превращения остаточного аустенита повышается тем сильнее, чем больше была выдержка или температура отпуска, т. е. чем больше был обеднен остаточный аустенит.

Для более полного превращения остаточного аустенита, отпуск быстрорежущих сталей необходимо повторять 2-4 раза в зависимости от состава стали. Наибольшее количество остаточного аустенита превращается при первом отпуске. Положительная роль многократного отпуска, применяемого для быстрорежущих сталей, состоит в том, что он повышает сопротивление пластической деформации из-за более полного превращения остаточного аустенита. Кроме того, многократный отпуск снимает напряжения, созданные закалкой и превращением остаточного аустенита в мартенсит.

Для стали Р6М5 принимаем трехкратный отпуск при 560 ^оС по 1 часу с охлаждением на воздухе после каждого отпуска до температуры цеха.

Для удаления с поверхности инструмента остатков солей, применяют 3 ч 5% раствор Na₂CO₃ или каустическую соду, а также моечный состав типа лабомид при температуре 70-80 ^оС, 10 минут.

1.4.4 Расчет и описание температурно-временных параметров технологических процессов

Каждая операция термической и химико-термической обработки характеризуется следующими параметрами:

- температурой нагрева;

- общим временем процесса;

- средой нагрева;

- средой охлаждения.

1) Температура нагрева

а) Для обеспечения мартенситной структуры, а, следовательно, и необходимых механических свойств, проводится закалка стали Р6М5 с температуры 1220 єС. Повышение температуры закалки выше данной температуры и вызванный этим рост зерна аустенита обнаруживается, в первую очередь, в получении более грубой структуры мартенсита или грубого крупнокристаллического излома.

б) Отпуск является окончательной операцией термической обработки. Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Ее устанавливают в зависимости от состава стали и требуемой для данного инструмента твердости. Так как фреза из стали Р6М5 требует высокой твердости 61-64 HRC, то отпуск проводится трехкратный при температуре 560 єС. На рисунке 1.4 показана зависимость твердости стали от температуры отпуска.

Рисунок 1.4 - Зависимость твердости стали Р6М5 от температуры отпуска

Общее время закалки определяется по формуле:

ф_общ = ф_с.п. + ф_и.в. + ф_з.в.;

где, ф_с.п. - время сквозного прогрева до температуры закалки, мин.;

ф_и.в. - время изотермической выдержки для завершения фазовых превращений в стали, мин.

,

где К₁ - коэффициент, характеризующий удельное время прогрева и зависящий от материала изделия, состава и температуры нагревающей среды, мин/см;

V/F - отношение объема к поверхности равновеликих по габаритным размерам инструмента и образцов простой формы, см;

К_Ф - критерий формы образцов;

К_к - коэффициент конфигурации инструмента.

Принимаем:

К₁ = 5,1 мин/см;

;

где, Н - высота дисковой фрезы, Н = 2 см;

D - наружный диаметр, D = 15 см;

d - внутренний диаметр, d = 4,4 см.

см;

;

К_Ф = 1,038.

мин

При нагреве изделий вместе с приспособлением расчетное время увеличивается на 20 ч 30 %, получаем время нагрева:

ф_с.п. = 2,88 + 30% = 2,88 + 0,864 = 3,8 мин.

ф_и.в. = 0,08W + 0,2V + 0,15Mo = 0,08Ч6 + 0,2Ч1,9 + 0,15Ч5,2 = 1,8 мин.

ф_з.в. = 5 мин;

ф^'_общ = ф_с.п. + ф_и.в. + ф_з.в.= 3,8 + 1,8 + 5 = 10,6 мин.

Отношение времени выдержки при первом, втором и третьем подогревах к времени выдержки при окончательном нагреве принимаем равным 3:1; 2:1; 1:1 соответственно. ф_{1нагрев} = 11,2 мин; ф_{2нагрев} = 33,6 мин.

Охлаждение проводим в соляной ванне до 300 ^оС:

ф_охл = 3 мин.

ф_общ = 10,6 + 16,2 + 38,6 + 3 = 68,4 мин.

Время трехкратного отпуска, составит:

ф_отп = ф_{1 +} ф_{2 +} ф₃ + ф_з.в.= 60 + 60 + 60 + 10 = 190 мин.

Температура нагрева 560 ^оС.

Рисунок 1.5 - Схема термической обработки дисковых фрез.

1.4.5 Разработка и описание технологической карты термической обработки деталей

Технологическая карта - часть маршрутной технологии, это основной документ термического участка, в которой указан маршрут перемещения деталей по участку.

Дисковые фрезы подаются на термический участок с помощью электропогрузчика в контейнерах, вместе с сопроводительными документами, предварительно обезжиренные в 5 - 10% содовом растворе.

После они помещаются в приспособление для термообработки и загружаются в печь, где нагреваются до температуры 550 ?С, затем до 850 ?С, далее до температуры 1220 ^оС. После закалки детали охлаждаются до 300 ^оС, а затем до температуры цеха.

Перед нагревом в отпускной печи дисковые фрезы моются. После этого детали загружают в отпускную печь и нагревают до температур 560 єС, выдерживаются 1 час, а затем охлаждаются и опять нагреваются до 560 ^оС, 1 час. Охлаждение детали после отпуска осуществляется на воздухе.

По окончании цикла термической обработки детали проходят очистку.

Последняя операция - контроль качества деталей после термической обработки:

1) для 3-5% от партии деталей производится проверка твердости. Твердость измеряется на твердомере Роквелла;

2) 100% наружный осмотр, не допускающий окалину, трещины, задиры и другие дефекты;

3) для 2-3 шт. от каждой садки производится анализ микроструктуры, осуществляемый в экспресс-лаборатории.

После этого детали вместе с сопроводительными документами транспортируются в контейнерах в сборочный цех.

Технологическая карта на термическую обработку фрез из стали Р6М5 приведена в приложении А.

1.4.6 Контроль производства

В цикле производственного процесса изготовления инструмента термическая обработка является операцией, от которой во многом зависит качество выпускаемой продукции. Поэтому контроль осуществляется в двух направлениях: контроль технологического процесса (по операцию и оборудованию) и контроль готовой продукции (после термической обработки).

Контроль технологического процесса производится по следующим параметрам: температурный режим, среда обработки, продолжительность операции и т.д.

При входном контроле проверяют состояние поверхности деталей, микроструктуру, измеряют твердость. В процессе термической обработки контролируют выполнение температурного режима, состав среды печи, продолжительность пребывания сверл в печи, состояние и температуру закалочной среды и моющих средств, скорость применения или подачи закалочной среды. Температурный режим контролируется термистом.

Для обеспечения стабильного состава соли в печах при нагреве под закалку, один раз в смену контролируется химический состав соли, поступающей на участок.

Контроль обезуглероживающей активности соляных ванн производят методом фольги с помощью образцов тонкой (0,08-0,12 мм) ленты из высокоуглеродистой стали 13Х, имеющей исходное содержание углерода С_и = 1,3-1,4%. Образцы нагревают при обычных для обрабатываемых сталей температурах закалки, выдерживая их в высоко- и среднетемпературных ваннах в течение 1 и 10 мин соответственно; после чего быстро охлаждают в воде.

Конечное содержание углерода С_к в контрольном закаленном образце ленты после нагрева определяют или методом химического анализа или ускоренным методом, заключающемся в измерении на установках ИТЭС-5м термоЭДС, возникающей между этим образцом и нагретым до 160 °С медным электродом, используя экспериментально найденную зависимость этих двух величин.

Ванну считают удовлетворительной, если после нагрева в указанных условиях конечное содержание углерода С_к в контрольных образцах ленты составляет при закалке вольфрамовых быстрорежущих сталей Р18, Р12, Р14Ф4 и др. ? 0,8%, вольфрамомолибденовых Р6М5, Р6МЗ и др. ? 0,9%, молибденокобальтовых Р9М4К8, Р6М5К5 и др. ?1%, углеродистых и низколегированных сталей У12А, 9ХС и др. ? 1,2%.

Постоянный контроль температуры масла, поступающего в закалочный бак, осуществляется переносным ртутным термометром.

Периодичность контроля зависит от сложности и технического состояния оборудования, но при любых условиях контроль масла проводится не реже одного раза в неделю. Продолжительность операции контролируется с помощью реле времени, аппаратурой для цветовой и световой сигнализации.

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 (рис. 1.6.) после приложения предварительной нагрузки Р₀ = 10 кг и ситуации, когда проведено нагружение основной нагрузкой со снятием и оставлением предварительной.

Рисунок 1.6 Ї Схема измерения твердости по Роквеллу.

1 Ї шкала С и А (100 единиц).

Вся шкала твердости Ї 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. 1.6).

Таблица 1.6 - Три основные шкалы по Роквеллу

Шкалы С и А необходимы для твердых сплавов. Индикатор для них Ї алмазный конус с углом при вершине 120є, но для сплавов с твердостью до 35 HRC допустим и конус из твердого сплава. Для мягких сплавов Ї 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 4,5d. Поверхность сплава должна быть сошлифована.

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

Помимо HRC имеется шкала HRC_э, которая отличается от HRC на 1,5 - 2 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 г-лучами.

2. Выбор и расчет оборудования

2.1 Выбор и обоснование основного оборудования

Применение высокопроизводительного, надежного в эксплуатации оборудования позволяет снизить в проектируемом термическом участке себестоимость ТО, повысить производительность и обеспечить высокое качество продукции.

Все оборудование можно разделить на три групп:

- основное оборудование, связанное с нагревом и охлаждением изделия;

- дополнительное оборудование для выполнения дополнительных операций;

- вспомогательное оборудование (установки для приготовления контролируемых атмосфер и карбюризатора, теплоэнергетическое оборудование).

Тип оборудования для проектируемого цеха выбирается на основании разработанного технологического процесса термической обработки и режимов термической обработки. Выбор оборудования зависит также от способа выполнения операций, устанавливается в зависимости от следующих факторов:

1) Характер загрузки:

а) поштучный или партиями, садками - применяется в цехах индивидуального и мелкосерийного производства, осуществляется на оборудовании периодического действия (камерные и шахтные печи), способном к быстрой переналадке технологического режима;

б) непрерывный - применяется в цехах массового и крупносерийного производства и осуществляется на поточном оборудовании непрерывного действия (агрегаты, конвейерные и толкательные печи).

2) Положение изделий в процессе обработки:

а) стационарное;

б) перемещение по повторяющейся траектории;