Курсовая работа: Фазові і структурні перетворення під час термічної обробки сталей 5ХНМ та ШХ15
Операція відпалу полягає в нагрівання сталі на 20 - 40 ºС вище т. 
, витримка при цій температурі до повного завершення фазових перетворень і повільному охолодженні для забезпечення розпаду аустеніту в області високих температур. Зменшення твердості і міцності штампової сталі під час відпалу досягається за рахунок обособлення в структурі карбідної фази. При цьому найчастіше під час відпалу штампової сталі за мету ставлять отримання структури зернистого перліту. Кінцева структура сталі після відпалу залежить від температури відпалу і швидкості охолодження. Чим менша швидкість охолодження, тим більше зростають глобули карбіду при розпаді аустеніту. Більш дрібнозернистий перліт характеризується підвищеною твердістю і міцністю [7].
Для сталі 5ХНМ назначаємо наступний режим попередньої термічної обробки: температура відпалу 760-790 ºС; витримка із розрахунку 1год + 1,5хв на 1мм товщини становить близько 6 годин; уповільнене охолодження спочатку з піччю до температури 500-400 ºС, потім у охолоджувальному пристрої (колодязі чи термостаті) до температури 250-150ºС. В результаті отримуємо структуру зернистого перлиту з твердістю 197-241 HB. Режим попередньої термічної обробки наведено на рисунку 1.5.
Для попередньої термічної обробки поковок використовують універсальні камерні або прохідні електричні і газові печі з автоматичним регулюванням теплового режиму. Якість поковок повинна задовольняти вимогам ГОСТ 5950-73. При цьому контролюється відсутність дефектів поверхності, що виявляються виешним оглядом (тріщин, волосовини, заходів, полон і ін.), внутрішні дефект (ультразвуковим і іншими методами контролю), глибина зневуглецьованого шару, макроструктура (по зламу), твердість (НВ), макроструктура, карбідна неоднорідність.
Мета остаточної термічної обробки - отримання в готовому інструменті оптимального поєднання основних властивостей: твердості, міцності, зносостійкості (що забезпечують високий опір змину і стиранню гравюри штампу), в'язкості (для запобігання передчасному аварійному руйнуванню штампу) і теплостійкості [1].
Кінцева термічна обробка штампової сталі для гарячого деформування 5ХНМ – гартування і високий відпуск.
Гартування. Технологічний процес гартування складається з нагрівання сталі до температури вище за критичну т. на 30-50 ºС, витримці при цій температурі протягом певного часу, охолодження зі швидкістю вище критичної швидкості гартування для утворення структури мартенситу.
Залежно від призначення штампа можливий вибір різних температур нагріву під гартування, гартувального середовища і засобів охолодження, температур відпуска. Крім того, необхідно враховувати, що при підвищенні температури нагріву під гартування, зростають теплостійкість і прогартованість сталі, але через укрупнення зерна знижується їх в’язкість [7].
Для нагріву крупних штампів під гартування використовують газові або електричні печі з подом, що висувається; іноді застосовуються печі з кулями на поду, по яких можна пересувати піддони з штампами. Після завантаження штампів (найбільш великі – ближче до задньої стінки печі) щілини у заслінки і висувного пода промазують вогнетривкою глиною. Крім того, можуть бути застосовані і полум’яні печі.
Обираємо наступний режим гартування: нагрівання для зменшення короблення і запобігання тріщин здійснюємо при температурі підігрівання 700-750 ºС та остаточного нагрівання до температури 840-860 ºС. Тривалість нагріву встановлюють з необхідності прогрівання штампів і достатньою насиченості аустеніту вуглецем і легуючими елементами. Недостатня витримка не забезпечує необхідної прогартованості і теплостійкості, надмірно тривала - викликає зростання зерна і додаткове зневуглення.
В таблиці 1.3 наведено тривалість нагріву (в полум’яній печі), витримки, охолодження штампов під час гартування.
Таблиця 1.3 - Тривалість нагріву (в полум’яній печі), витримки, охолодження штампов під час гартування [2]
| Операція | Тривалість операціі, год.-хв. для штампов, з найменшою стороною, мм |
| 350 | |
| Витримка після завантаження в піч | 0 – 30 |
| Нагрів до температури гартування | 10 – 00 |
| Витримка при температурі гартування | 2 – 10 |
| Підстуження на повітрі | 0 – 15 |
| Охолодження в маслі | 0 - 50 |
Штампи охолоджують по засобу перивистого гартування, підстуживая на повітрі до температури 750 - 780ºС. Основним середовищем для охолодження штампу є мінеральне масло з температурою 40-70 ºС. Штамп з піддоном витягують з печі, знімають з піддона, очищують поверхню гравюри від карбюризатору, закріплюють штампи на піднімаючому пристрої і опускають у масло, спочатку похитуючи їх, а потім залишаючи висіти за допомогою спеціального пристосування в маслянном баку при включеній циркуляції масла.
Структура сталі після гартування складається з мартенситу і залишкового аустеніту. Сталь 5ХНМ характеризується невисокою стійкістю проти росту зерна аустеніту, тому що її карбідна фаза представлена в основному легкорозчинними частинками типу М
С. Твердість після гартування становить 56-60 HRC. Режим гартування і структура, яка отримується після ньго наведено на рисунку 1.6.
Відпуск. Оскільки тріщини виникають не лише під час охолодження, але й через деякий час після нього, відпуск проводять для зняття напружень і зменшення тетрагональності гратки мартенситу. Підвищення температури відпуска, як правило, знижує твердість і підвищує в’язкість сталі, але знижує її міцність та зносостійкість. У зв’язку з цим для збереження зносостійкості і твердості сталі 5ХНМ температуру відпуска обирають пониженою, однак не нижче температури розігрівання штампа під час експлуатації.
Відпуск штампу проводять відразу ж після завершення гартування, але не пізніше, як через 2 години після гартування. Найчастіше використовують подвійний відпуск: спочатку штамп відпускають у камерній печі до отримання заданої твердості гравюри, а потім його встановлюють хвостовиком в спеціальну піч і витримують для отримання заданої нижчої твердості хвостовика; при цьому твердість гравюри не змінюється [1].
Зниження твердості штампової сталі 5ХНМ з вихідною загартованою структурою можна досягнути шляхом відпуска при високій температурі, близької до критичної т. Ас
. Високий відпуск є економічною і простою операцією, піч час якої сталь нагрівають до температури, що лежить дещо нижче т. А, витримують до повного прогрівання і завершення дифузійних процесів, потім охолодження на спокійному повітрі. Витримка під час відпуска приймається з розрахунку 2 години + 1,5 хвилини на 1мм товщини.
В таблиці 1.4 наведено режим відпуска штампів з найменшею стороною 350 мм.
Таблиця 1.4 - Режим відпуска штампів з найменшею стороною 350 мм (в полум’яній печі) [2].
| Нагрів до температури відпуска, год. - хв | Температура нагріву, ºС | Витримка під час відпуска, год. - хв | Твердість, HRC |
| 10 - 30 | 530 - 560 | 2 - 10 | 38 -40 |
Тривалість нагріву і витримки в електрічній печі збільшують на 20%.
Хвостовик штампу повинен володіти високою вязкістю. Це досягається додатковим зниженням його твердості. Після відпалу, штампи встановлюють хвостовиком на плиту і нагрівають до температури 580 - 610 ºС. При цьому твердість знижується до 30-37 HRC. Оскільки під час нагрівання для відпуска в структурі штампа залишається багато аустеніта і він перетворюється під час відпуска, доцільно проводити двохратний відпуск. Температура другого відпуска приймають на 10-20 ºС нижче, а його тривалість на 20-25% менше, ніж першого відпуска, тобто t = 530 - 560ºС. Після відпуску знижується міцність сталі внаслідок протікання безворотніх структурних перетворень, тому що її карбідна фаза складається з цементиту, а також підвищується пластичність і ударна в’язкість.
Заключною операцією технологічного процесу термічної обробки є контроль якості. Для штампів горячого деформування він складається з візуального огляду і виміру твердості. Візуальним оглядом перевіряють відсутність тріщин, забоин, вм'ятин і окалини на гравюрі штампу, а також твердість гравюри і хвостовика. Твердість перевіряють на спеціально зачищених (бормашиною або наждачним папером) ділянках поверхні поблизу гравюри. Використовуються спеціальні стаціонарні прилади Брінеля, оснащені рольгангом і підйомним столом з черв'ячним механізмом [1].
Для маловідповідальних штампів твердість може бути оцінена по методу Польді за допомогою переносних приладів (навантажених пружиною або ударом молотка, відлік твердості - по еталону) або по методу Шора (по величині відскоку індентора). Застосовують також переносні прилади ТПП-2 для вимірювання твердості по методу Віккерса. Ці прилади мають магнітне захоплення, яке дозволяє проводити вимір твердості на штампі, встановленому на будь-якій ділянці, стенді або верстаті. Необхідна лише ретельна зачистка поверхні для виміри твердості і подвод електроенергії напругою 220В. Точність виміру 
HV5, маса приладу з магнітним захопленням 5,4кг. Розрахунок твердості виконують по ГОСТ 2999 – 75 [4].
1.4 Фазовові і структурні перетворення під час нагріву сталі 5ХНМ
Відповідно до діаграми стану Fe – C, при зміні концентрації вуглецю в сплаві або температури один стан є більш стійким, ніж інший. Цим і викликані фазові перетворення, які протікають в сталі.
Відобразимо схему розташування досліджувальної сталі 5ХНМ на діаграмі стану Fe-C [7] (рисунок 1.8) і прослідкуємо, що буде відбуватися при нагріванні до кінцевої температури, тобто які фазово-структурні перетворення розвиваються під час аустенітизацї.
Аустенітизація – це процес отримання аустенітної структури при нагріванні в аустенітну область. Процес аустенітизації спостерігається під час відпалу та гартування сталі 5ХНМ. Утворення аустеніту під час нагріву є дифузійним процесом і підкоряється основним вимогам теорії кристалізації. У досліджувальній марці сталі 5ХНМ (0,5% С) під час нагрівання до кінцевої температури 840-860 ºС відбуваються наступні перетворення. Маємо вихідну Ф-К структуру. До речі, швидкість перетворення Ф-Ц структури в аустенітну, окрім температури нагріву, залежить від її вихідного стану. Попередня сфероїдизація цементиту уповільнює процес утворення аустеніту. Тому початок перетворення Ф-К структури в аустенітну буде відповідати температурі трохи вище за т. Ас (730 ºС для сталі 5ХНМ). Після перетворення перліту в аустеніт отримується двохфазна структура – аустеніт і ферит. При подальшому нагріві в інтервалі температур Ас - Ас ферит поступово перетворюється в аустеніт. При температурі Ас