Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали У10

                                  ВВЕДЕНИЕ .
       Метчик  -  инструмент   для   нарезания   внутренней   резьбы   -
цилиндрический валик с режущими кромками на конце . Различают  ручные  и
машинные метчики .
      Плашка (круглая нарезная) - инструмент для нарезания (накатывания)
наружной резьбы вручную или на станках . Нарезные плашки бывают  круглые
(лерки) , раздвижные (призматические) . Накатные плашки состоят  из  2-х
прямоугольных призм или роликов , рабочие части которых имеют профиль  ,
противоположный профилю резьбы[1] .
       В  зависимости  от  области  применения  ,   метчики   и   плашки
изготавливают из инструментальной углеродистой и быстрорежущей  стали  .
Для изготовления ручных метчиков и плашек обычно применяют  углеродистую
(легированную) инструментальную сталь .
      Метчики и плашки  ручные  применяют  для  нарезания  внутренней  и
внешней  резьбы   вручную   ,   поэтому   принимаем   скорость   резания
незначительно малой . При малых скоростях резания не происходит перегрев
режущего инструмента , что очень существенно при выборе марки стали .
       Требования  ,  предъявляемые  к  материалам  изделий  :   высокая
твёрдость , износостойкость, прочность .
      Для изготовления вышеперечисленных изделий предлагается сталь  У10
- инструментальная углеродистая высокопрочная  нетеплостойкая  небольшой
прокаливаемости .
                               Общие сведения об инструментальных сталях
.
      Инструментальными называются  углеродистые  и  легированные  стали
высокой твёрдости ( примерно 60-65 HRc ) в режущей кромке ,  значительно
повышающей  твёрдость  обрабатываемого  материла  ,  а  так  же  высокой
прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента
в процессе  работы  и  износостойкостью  ,  необходимой  для  сохранения
размеров и формы режущей кромки при  резании  .  Именно  благодаря  этим
свойствам , стали этого класса используются при изготовления  различного
инструмента . Чаще  всего  инструментальные  -  это  заэвтектоидные  или
ледебуритные стали , со структурой после закалки  и  низкого  отпуска  -
мартенсит и избыточные карбиды .
      Все инструментальные стали подразделяются на три группы :
1. нетеплостойкие ( углеродистые и легированные с содержанием легирующих
  элементов  до 3-4 % ) .
2. полутеплостойкие до 400-500(С , с содержанием углерода до 6-7 %  ,  а
  хрома около 4-18 % .
3. теплостойкие до 550-650(С . Это в основном  высоколегированные  стали
  ледебуритного класса , содержащие Cr , W , V  ,  Mo  ,  Co  .  Их  ещё
  называют быстрорежущими .
      Одной из важнейших характеристик инструментальных сталей  является
прокаливаемость   .   Из   всех    инструментальных    сталей    высокой
прокаливаемостью  обладают  только  высоколегированные  теплостойкие   и
полутеплостойкие стали . Инструментальные стали ,  которые  не  обладают
теплостойкостью , делят на две группы :
1. стали небольшой прокаливаемости ( углеродистые ) .
2. стали повышенной прокаливаемости ( легированные ) .
      Маркируются  инструментальные  углеродистые  стали  буквой  “У”  ,
следующая за буквой  цифра  обозначает  среднее  содержание  углерода  в
десятых долях процента .

              Сталь У10 . Характеристики , структура , термообработка .

       Предложенная  для  изготовления  метчиков  и  плашек  сталь   У10
относится к углеродистым сталям небольшой прокаливаемости , необладающим
теплостойкостью . Углеродистые инструментальные стали этого класса имеют
небольшую  прокаливаемость  вследствие  неустойчивости  переохлаждённого
аустенита  .  Именно  поэтому  эти  стали  применяют  для   изготовления
инструментов небольших размеров .
       Углеродистые  стали  можно  использовать  в   качестве   режущего
инструмента , только тогда , когда процесс резанья происходит при  малых
скоростях . Это обусловлено  тем  ,  что  их  высокая  твёрдость  сильно
снижается при нагреве выше температуры 190-200(С .
      Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого
перлита, при этом  твёрдость  их  не  превышает  170-180  НВ  .  В  этом
состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием . Температура
закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1 - 760-780(С ,
но ниже , чем  Аст(для  того  ,  чтобы  в  результате  закалки  получить
мартенситную  структуру  и   сохранить   мелкозернистую   нерастворённую
структуру вторичного цементита[2] .

      Нетеплостойкие стали высокой твёрдости :
|Марка  |     C |    Mn |     Si|     Cr|Назначение              |
|ст.    |       |       |       |       |                        |
|У10,У10|0,96-1,|0,17-0,|0,17-0,|( 0,20 |Штампы высадочные и     |
|А      |03     |33     |33     |       |вытяжные ,              |
|У11А , |1,06-1,|0,17-0,|0,17-0,|( 0,20 |напильники , метчики для|
|У11    |13     |33     |33     |       |резания                 |
|У12А , |1,16-1,|0,17-0,|0,17-0,|( 0,20 |мягких металлов         |
|У12    |23     |33     |33     |       |                        |
|У13А , |1,26-1,|0,3-0,6|0,15-0,|0,4-0,7|                        |
|У13    |4      |       |35     |       |                        |

                               Закалка и отпуск У10 .

      По данным Лахтина Ю. М. “Металловедение”  ,  мелкий  инструмент  ,
такой , например , каким являются  метчики  и  плашки  ,  из  стали  У10
закаливают в воде или в водных растворах солей , а охлаждают  в  горячих
средах , то есть применяется ступенчатая закалка .
      Отпуск проводят при 150-170(С для сохранения высокой  твёрдости  (
62-63 HRc).
                    Общие сведения о ступенчатой закалке:
      При ступенчатой закалке изделие охлаждают  в  закалочной  среде  ,
температура которой  выше  ,  чем  мартенситная  точка  данной  стали  .
Охлаждение и выдержка в этой  среде  обеспечивают  передачу  температуры
закалочной ванны во все точки  сечения  закаливаемого  изделия  .  После
этого следует окончательное медленное охлаждение . Именно во время этого
охлаждения и происходит закалка - аустенит превращается в мартенсит .
      При термической  обработке  углеродистых  инструментальных  сталей
(точка М=200-250()  температуру  ступеньки  выбирают  около  250(С  (для
смесей  азотнокислых  солей  )  ,  120-150(С  -  для  щёлочи  или  смеси
азотнокислых солей , и около 100(С - для 50 % раствора NaOH в воде[3] .

      По данным Гуляева А. П. “Термическая  обработка  стали”  принимаем
для стали У10 : ступенчатая закалка в соляной ванне с температурой  160-
170(С   (KOH+NaOH) с добавкой воды около 3-5 % . Эти цифры соответствуют
закалке деталей из углеродистой инструментальной стали  диаметром  10-15
мм  ,  которые  вполне  удовлетворяют  требованиям  ,  предъявляемым   к
назначенным деталям . В том случае , если  деталь  превышает  допустимые
значения ступенчатой закалки , вполне может  быть  применена  закалка  с
“подстуживанием” ( закалка в воде с предварительным недолгим охлаждением
на воздухе , Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” . )  .  Так  как
предельные размеры назначенных деталей не заданы , то расчёт проводим  с
тем условием , что они не выходят за  пределы  10-15  мм  ,  и  основным
способом закалки изделий остаётся первый .

Значения закалки , нагрева и  отпуска  для  изделий  из  стали  У10  :
(нагрев- 760-780(С)
|Твёрд. в    |Закалка , (С|Охл. Среда  |Отпуск , (С |Получ. твёрд|
|исх. сост.  |            |            |            |.           |
|170-180 НВ  |  160-170   |KOH+NaOH+H2O|    150-170 |62-63 HRc   |
|            |            |(4%)        |            |            |


      Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали .
|  Величина  |До          |После       |
|            |термообработ|термообраб. |
|            |.           |            |
|Твёрдость   |170-180 НВ  |62-63 HRc   |
|Структура   |зернистый   |мартенсит и |
|            |перлит      |карб .      |


Общие сведения о процессах , происходящих при закалке стали У10.

      В  исходном  (отожженном)  состоянии  сталь  У10  имеет  структуру
зернистого перлита ( Fe(+Fe3C ). При нагреве её до температуры 760-780(С
получаем структуру аустенита  и цементита  первичного  (  Fe(+Fe3C  )  .
Происходит  перестройка  кристаллической  решётки  железа  -  кубическая
объёмноцентрированная решётка переходит в гранецентрированную .
             - атом углерода .                - атом железа .


Рис.1                                                            с



                                                                       с

                                                                       а

                                                                       а

                                                                     с/a
( 1
О. Ц. К. (Fe() a=2,8 A( (с/а=1)     Г. Ц. К. (Fe()   a=3,6 A(         О.
Ц. К. тетрагональная

       При  переохлаждении  аустенита   Г.  Ц.  К.  решётка   становится
неустойчивой . Несмотря  на  то  ,  что  скорость  диффузии  при  низких
температурах мала , происходит
обратное перестроение кристаллической  решётки  без  выделения  углерода
(бездиффузионный процесс) . То есть процесс , показанный на рис. 1  идёт
в обратном направлении :  Г. Ц. К.          О. Ц. К. (  большая  степень
тетрагональности ).
      При малых температурах  скорость  диффузии  мала  ,  следовательно
превращение идёт  очень  быстро  .  Атом  углерода  не  может  выйти  из
кристаллической решётки и вытягивает её в объёмноцентрированную .
                                     Fe((C)             Fe((C)   (    Ау
М)
       Так  как  процесс  бездиффузионный  ,  концентрация  углерода   в
мартенсите будет такая же , как и в аустените .
      Процесс кинетикоматренситного превращения протекает не  до  конца.
При фактическом окончании процесса  ещё  остаётся  некоторое  количество
остаточного аустенита ( Аост.) . Остаточный аустенит  снижает  твёрдость
стали[4] .
                 Рис. 2

      Аат          Аост.     На температуру начала и конца мартенситного
                  превращения  влияет  состав  стали   ,   в   частности
      содержание углерода.



 Мн   20(С   Мк

T,(C        Рис. 3
              C   увеличением    концентрации    углерода    температура
начала      мартенситного      превращения      понижается      ,      а
температура конца мартенситного  превращения  при           концентрации
углерода         более         0,4         %         переходит         в
      Мн    область отрицательных температур .


        0,2  0,4 0,6 0,8  1   1,2        %C

                               Мк

            Бездиффузионное мартенситное превращение.
Т,(С        Рис. 4                                  Vкр. =( А1 - tm )/(m
                A1 - 727(C
                 (m   -   температура   у   изгиба   С-образной   кривой
tm - время



                                                                    Vкр.
lg(()



      Типичным в кинетикомартенситном превращении является следующее :
1. превращение происходит в интервале температур Мн - Мк .
2. превращение протекает путём образования всё новых и новых  кристаллов
  мартенсита , а не роста ранее образовавшихся .
                             Рис. 5
            Зерно аустенита :
                                       1. до нагрева ,
                                       2. после нагрева.


    1. А                             2.) М + А

     Игла мартенсита сжимает зёрна аустенита .
3.) превращение протекает при условии непрерывного снижения температур .
4. превращение протекает  не  до  конца  .  При  фактическом  завершении
  превращения       ещё  остаётся   некоторое   количество   остаточного
  аустенита .
      Тетрагональность мартенсита объясняется наличием в кристаллической
решётке углерода , она прямопропорциональна содержанию углерода .

      При выбранном режиме закалки  (  нагрев  до  760(С  с  последующим
ступенчатым охлаждением ( 160(С ) в соляной ванне KOH+NaOH+H2O(3-5 %)  )
получаем структуру мартенсит закалки +  аустенит  остаточный  +  карбиды
(М+Аост.+Fe3C ) , твёрдость изделия - (56)[5] - 62 HRc .

* Прим.: при данном режиме закалки значительно увеличивается твёрдость и
прочность изделия в результате изменения структуры материала ( стали У10
) , хотя остаточный аустенит твёрдость снижает .
      Необходимо добавить так же , что при нагреве под закалку на  760(С
и выше в изделиях из стали У10 появляются трещины при закалке в  воде  .
Ступенчатая закалка значительно уберегает изделия от появления трещин  .
Это связано с тем ,  что  более  медленное  охлаждение  при  ступенчатой
закалке значительно расширяет безопасный интервал температур нагрева под
закалку[6] .
                                                            T, (C
                                                         840
                                                         810

                                                         780
                                                         750
      HRc                                                     Рис. 6
            65           60               55              80  70  60  50
40 30 20
              Твёрдость , HRc                Образцы  с  трещинами  ,  %

      Ещё один плюс в пользу ступенчатой закалки в водном растворе солей
- это то , что при закалке в масле изделие не  будет  иметь  необходимую
твёрдость , а лишь только закалка в масле может ещё заменить ступенчатую
закалку без потерь на качестве изделий и потерь на браке  (  образование
трещин при закалке ) .  Поэтому  окончательно  предлагается  ступенчатая
закалка в водном растворе солей с указанными выше параметрами .

Общие сведения о процессах , происходящих при отпуске стали У10.

       В  закалённой  стали  тетрагональность  мартенсита  и  внутренние
напряжения  создают  значительную  хрупкость  ,  поэтому  после  закалки
необходимо применить отпуск.
      Операция отпуска заключается в нагреве закалённой стали ниже точки
Ас1 , выдержке её при заданной температуре с последующим  охлаждением  в
воде  или  на  воздухе  .  Целью  отпуска  является  снятие   внутренних
напряжений после закалки и получение требуемых механических свойств .
      Отпуск делится на три вида :
1. нагрев до 200(С - низкий отпуск - применяется для  снятия  внутренних
  напряжений ( структура : мартенсит отпущенный ) .
2. нагрев на 350(- 500(С - средний  отпуск  -  повышает  пластичность  (
  структура : мелкозернистая ферритно-цементитная смесь - троостит ) .
3. нагрев (500(С - высокий  отпуск  -  возрастает  удельная  вязкость  ,
  следовательно падает прочность .
      После закалки имеем структуру М + Аост. . После  отпуска  получаем
структуру с наибольшим удельным объёмом мартенсита и наименьшим удельным
объёмом аустенита остаточного .
      Очевидно , что в результате изменения  удельного  объёма  ведёт  к
удлинению образца . Нагрев способствует выделению углерода  из  исходной
структуры  в  виде  карбидной  фазы  Fe2C   -   (-карбида   ,   имеющего
гексагональную кристаллическую решётку . Вследствие  этого  концентрация
углерода  в  начальной  структуре  начинает  уменьшаться  ,  а   степень
тетрагональности стремиться к единице .
      (-карбид - это гетерогенная смесь  Fe(  и  необособившихся  частиц
карбидов   .   Всё   это   вместе   составляет   когерентно    связанную
кристаллическую решётку .
      Для метчиков из стали У10 выбираем отпуск при 180(С с  последующим
охлаждением в воде - низкий отпуск (Лахтин  Ю.  М.  “Материаловедение”).
Низкий отпуск наряду с увеличением  твёрдости  ,  избавляет  изделие  от
внутренних напряжений закалки ,  что  необходимо  в  данном  случае  для
повышения износостойкости изделия .
      При нагреве до 200(С происходит первое превращение при  отпуске  -
мартенсит закалочный превращается в мартенсит отпущенный .
      Для плашек из стали У10 картина с отпуском обстоит несколько иначе
. По специфике своего применения , плашки , наряду с высокой  твёрдостью
и износостойкостью , должны обладать немного большей пластичностью , чем
метчики . Это обусловлено тем ,  что  плашки  применяются  для  наружной
нарезки резьбы и при  излишней  твёрдости  могут  “крошить”  поверхность
заготовки .  Поэтому  для  плашек  рекомендуется  применять  отпуск  при
температуре 220(-240(С[7] - более высокой температуре , чем  отпуск  для
метчиков . Полученная  в  результате  отпуска  твёрдость  изделия  будет
равной 59-60 HRc .
      Окончательно принимаем для плашек из стали У10 низкий  отпуск  при
230(С со структурой после отпуска - мартенсит отпущенный .

                       ВЫВОДЫ из проделанной работы .

      В результате назначенной термообработки - ступенчатая закалка  при
170(С в соляной ванне с последующим  отпуском  при  180(С  (  230(С  для
плашек ) и охлаждении изделия в воде -  достигнуты следующие  результаты
:
1. твёрдость после термообработки - 62-63 HRc.(59-61 HRc для плашек )
2. увеличение прочности и износостойкости .
3.  структура  из  зернистого  перлита  трансформировалась  в  мартенсит
  отпущенный .
      Вывод  :  изделия  из  стали  У10  ,  прошедшие  термообработку  ,
полностью  соответствуют  предъявляемым  к  ним  требованиям  (  высокая
твёрдость , износостойкость , прочность ) .
       Возможная  замена  :  сталь  У9  так  же   относится   к   классу
инструментальных сталей . Её состав и микроструктура схожи с составом  и
микроструктурой стали У10, при назначенной термообработке  её  твёрдость
окажется  равной  62  HRc  ,  к  тому  же  прочность  и  износостойкость
увеличатся , образование трещин при закалке незначительно ( по сравнению
со сталью У10 при предлагаемом режиме термообработки ) . Следовательно ,
при изготовлении метчиков и плашек  для  ручной  резки  возможна  замена
стали У10 на сталь У9 без потерь на качестве изделий .

|Название    |Матери|  Режим закалки |Режим отпуска |Получ      |
|изделия     |ал    |                |              |твёрдость  |
|Метчик      |У10   |нагр. до 760(С с|180(С , в воде|62-63 HRc  |
|            |      |послед.         |              |           |
|Плашка      |У10   |зак. в NaOH+KOH |230(C , в воде|59-61 HRc  |
|            |      |(160(C)         |              |           |



                                 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .

1. Геллер Ю. А. “Материаловедение”.
2. Гуляев А. П. “Металловедение” .
3. Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” .
4. Лахтин Ю. М. “Материаловедение” .

-----------------------
[1] Данные : “Советский энциклопедический словарь” .
[2] По данным Лахтина Ю. М. “Материаловедение” .
[3] Гуляев А. П. “ Термическая обработка стали ”.
[4] Материал подобран на основе лекций .
[5] Поданным лабораторной работы №7.
[6] Гуляев А. П. “Термическая обработка стали” .
[7] По данным А. П. Гуляев “Металловедение” .