08-04-2020-Учебное-пособие-по-матведу (821178), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Таблица 2.4

Химический состав стали 6ХС (% по массе)

Следует отметить, что эта сталь достаточно высокого качества: содержание примесей серы и фосфора в ней не более 0,03% (каждого элемента), что имеет значение для надёжной работы изделия при ударном нагружении, особенно в условиях низких температур (до –60°C).

Зная точный химический состав стали, можно приступить к разработке режима её упрочняющей термической обработки применительно к конкретному изделию – заданному строительному топору.

ЭТАП 4. Разработка режима упрочняющей термической обработки выбранной стали в соответствии с требованиями задания. Путь реализации в стали требуемых свойств в общем виде был определён уже на стадии анализа условий работы изделия (этап 1): типичные решения, как правило, предполагают проведение цементации, азотирования, улучшения, закалки определённой зоны детали на максимальную твёрдость или их комбинацию. На этом этапе необходимо определить конкретные режимы проведения каждой операции упрочняющей обработки, обосновать условия их выбора и подтвердить их соответствие требованиям задания.

В соответствии с заданием к свойствам материала топора предъявляются весьма сложные требования. Рабочая часть лезвия должна иметь высокую твёрдость для обеспечения износостойкости, а остальная часть лезвия и обух должны быть устойчивы против ударного нагружения, т.е. иметь определённый уровень и прочности, и пластичности. Очевидно,

что подобное сочетание свойств в одном изделии представляет собой сложную технологическую задачу. Её можно решить только путем применения комбинированной термической обработки. Сначала необходимо для всего изделия подобрать вариант объёмной закалки и отпуска, обеспечивающий получение требуемой твердости менее 45 HRC (т.е. создать запас вязкости сердцевины обуха), а затем только для рабочей части лезвия выполнить закалку, применяя местный индукционный нагрев с использованием токов высокой частоты (ТВЧ). ТВЧ–закалка относительно легко вписывается в автоматизированное производство, что существенно сказывается на себестоимости изделия и вполне реализуемо в условиях массового производства [3].

Для разработки этих режимов упрочняющей термической обработки в качестве ориентиров нужны значения критических точек выбранной стали 6ХС, которая относится к группе доэвтектоидных. Эти сведения представлены в марочнике и приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5

Критические точки стали 6ХС

Доэвтектоидные стали подвергают, как известно [2], полной закалке и температуру нагрева под закалку определяют исходя из соотношения:

t_{нагрева} = А_с3 + (30…50) °С

Для стали 6ХС это соотношение даёт расчётную оптимальную температуру закалки 860…880°С. В «Марочнике» представлены свойства этой стали для варианта закалки 840…860°С, что вполне приемлемо и будет далее рассматриваться в качестве ориентира. Учитывая, что выбранная сталь 6ХС – легированная, а закаливаемая деталь имеет сложную форму, охлаждение при проведении закалки следует проводить в

масле. Такую же рекомендацию находим и марочнике. В итоге такой закалки гарантируется получение структуры мартенсита и высокой твёрдости на уровне ≥ 57 НRC.

Примечание: Из-за повышенного содержания углерода в данной стали при закалке кроме получения мартенсита в принципе есть небольшая вероятность сохранения также остаточного аустенита. Однако температура начала мартенситного ^{превращения в ней М}н ^{= 250°С (см. табл. 2.5) – достаточно высокая, поэтому очевидно,} что значимого количества остаточного аустенита в этой стали не должно быть и обработку холодом после закалки проводить нет необходимости.

Любая закаленная стальная деталь из-за быстрого охлаждения имеет высокий уровень закалочных (остаточных) напряжений. Это же касается и объёмной закалки топора, учитывая явную разнотолщинность разных зон этого изделия. Поэтому отпуск должен проводиться сразу после закалки (не позднее 1…2 часов) во избежание коробления или растрескивания изделия. По условиям задания твердость обуха топора в зоне крепления рукоятки должна быть не более 45 HRC, что будет гарантировать необходимый запас пластичности и сопротивление ударным нагрузкам. Очевидно, что обе цели (понижение закалочных напряжений и снижение закалочной твёрдости до нужного уровня) достигаются одновременно точным выбором режима отпуска закалённой стали [2].

Режим отпуска был выбран в соответствии с данными, приведёнными в марочнике. Влияние температуры отпуска стали 6ХС на её механические свойства представлены в таблице 2.6 (закалка при 840…860°С).

Как следует из данных, приведенных в таблице 2.6, получение твёрдости менее 45 HRC должен гарантировать отпуск стали 6ХС при температуре > 500°C. Таким образом, в соответствии с требованием задания для получения нужного уровня твёрдости можно рекомендовать отпуск при 520…540°С. Такой отпуск называется высоким; он полностью снимает закалочные напряжения и обеспечивает в сталях распад

мартенсита с образованием дисперсной смеси феррита и цементита, получившей название «сорбит отпуска». Существенно, что показатели пластичности и ударной вязкости стали при таком отпуске заметно повышаются и оказываются на хорошем уровне. Это очень важно, учитывая ударный характер работы изделия.

Таблица 2.6 Влияние температуры отпуска на механические свойства стали 6ХС

В марочнике нет прямых сведений относительно склонности стали 6ХС к обратимой отпускной хрупкости, которая проявляется во многих сталях как раз после отпуска в диапазоне температур 500…600 °С. Поэтому следует проанализировать другие стали аналогичной системы легирования. Есть сведения, например, о стали 33ХС: она склонна к такой отпускной хрупкости. С учётом этого факта после выбранного режима отпуска 530°C следует использовать ускоренное охлаждение изделия из стали 6ХС. Учитывая тонкое сечение металла в лезвии топора, достаточно охлаждать топор после отпуска на воздухе или между стальными плитами. После такой термической обработки сталь 6ХС будет иметь следующий комплекс свойств: σ_в ≈ 1300 МПа, σ_0,2 ≈ 1150 МПа, δ ≥ 8%, KCU ≥ 39 Дж/см², HRC ≤ 45.

Таким образом, объёмная упрочняющая термическая обработка топора – фактически «улучшение» [2]: закалка и высокий отпуск. Однако рабочее лезвие топора на высоте до 25 мм должно иметь максимальную

твёрдость – 53-56 HRC. Это требование задания может быть выполнено путём применения дополнительной местной закалки лезвия с использованием индукционного нагрева токами высокой частоты (ТВЧ) [3].

Скоростной индукционный нагрев осуществляется при помещении изделия в специальной индуктор, создающий переменное электромагнитное поле высокой частоты [3]. В соответствии с законами электродинамики в изделии возникает индукционный ток, сосредоточенный в тонком слое металла, который разогревается за счёт теплоты Джоуля – Ленца. Регулируя частоту поля, можно создать условия, обеспечивающие определённую глубину поверхностного нагрева или полный прогрев тонкого сечения (как в нашем случае). При этом скорость нагрева весьма высока (100…500 °С/с). При таких скоростях нагрева температуры критических точек всех сталей существенно повышаются, поэтому режим скоростной закалки назначается технологом по особым правилам, где главные параметры – скорость и температура нагрева, поскольку собственно выдержку при этом фактически не делают [3].

При местном скоростном нагреве детали во многих случаях для закалки не применяют специальную охлаждающую среду, поскольку теплоотвод в холодную часть детали вполне обеспечивает высокую скорость охлаждения. Применительно к закалке ТВЧ режущей кромки топора можно (при необходимости) рекомендовать охлаждение его нагретой части между стальными плитами, чтобы сохранить плоскостность лезвия топора.

После скоростной закалки в рабочей части лезвия будет получена структура мартенсита, гарантирующая твёрдость 58-59 HRC. После такой местной закалки лезвия топор необходимо подвергнуть низкому отпуску при 250 °С (см. табл. 2.6) для достижения в лезвии твердости 53…56 HRC и понижения в нём закалочных (остаточных) напряжений.

Скоростная закалка изделий с использованием токов высокой частоты – сложная техническая и технологическая проблема, однако её применение при массовом производстве (как указано в задании) и технически, и экономически обосновано.

В результате для стали 6ХС рекомендуется использовать комбинированную упрочняющую термическую обработку, гарантирующую получение высокой твёрдости лезвия (53…56 HRC) и твёрдости полотна и обуха топора не более 45 HRC. Топор может выдерживать ударные нагрузки уровня 39 Дж/см² при эксплуатации в условиях 20 °С и до 21 Дж/см² при температурах до –60 °С. Полная схема разработанной упрочняющей термической обработки стали 6ХС представлена на рисунке 2.2. Она включает объёмную закалку при температуре 840…860°C, охлаждение в масле, высокий отпуск при 520- 540°С с ускоренным охлаждением, закалку лезвия топора с нагревом ТВЧ, отпуск при 250°С.

Рис. 2.2 – Схема упрочняющей термической обработки строительного топора

из стали 6ХС

В соответствии с разработанной схемой упрочняющей термической обработки можно представить последовательность структурных превращений в стали 6ХС на каждой её стадии.

Исходное структурное состояние стали – феррит и перлит с преобладанием перлитной компоненты, так как сталь с повышенным содержанием углерода.

1. Объёмная закалка.

При нагреве превращение протекает в две стадии:

• при переходе стали через критическую точку Ас₁ перлит превращается в аустенит;

• при переходе стали через критическую точку Ас₃ завершается полиморфное превращение феррита в аустенит, химический состав которого при выдержке становится однородным и соответствует содержанию элементов в стали.

Охлаждение в масле гарантирует бездиффузионный характер превращения аустенита и получение структуры мартенсита во всём объёме изделия.

1. Высокий отпуск при 530⁰С.

В процессе выдержки протекает распад мартенсита с образованием феррито-цементитной смеси (образуется сорбит отпуска) и полностью снимаются закалочные напряжения.

1. Скоростная закалка лезвия.

В рабочей зоне лезвия топора дисперсная феррито-цементитная смесь (сорбит отпуска) в условиях скоростного нагрева и значительного превышения критической точки Ас₃ превращается в аустенит. Такое превышение критической точки позволяет не проводить выдержку при выполнении скоростной закалки. Ускоренное охлаждение гарантирует получение в рабочей зоне лезвия топора мартенситной структуры и высокой твёрдости.

1. Низкий отпуск при 250⁰С.

На этой стадии понижаются закалочные напряжения в зоне лезвия, формируется структура мартенсита отпуска и немного снижается твёрдость до заданного уровня.

Заключение

Таким образом, в результате выполнения домашнего задания для изготовления строительного топора выбрана экономно легированная сталь 6ХС, разработан режим её комплексной упрочняющей термической обработки, гарантирующий получение заданных свойств в строительном топоре: твёрдость рабочего лезвия 53-56 HRC, твёрдость в зоне обуха менее 45 HRC, ударная вязкость при – 60⁰С 21 Дж/см².

Характеристики

Список файлов книги