CC BY
141
УДК 669.539.43
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ШТАМПОВ
© 2017 Е. В. Трусова
канд. техн. наук, доцент кафедры общетехнических дисциплин e-mail: nikolay-kostin@,yandex. ru Курский государственный университет
В работе отражены особенности технологического процесса термической обработки деталей штампов. Проведён анализ технологии упрочнения различных штамповых сталей. Даны рекомендации по выбору карбюризатора для химико-термической обработки деталей штампов. Рассмотрены характерные особенности механизма процесса упрочнения при различном диапазоне температур
Ключевые слова: штамповая сталь, термическая обработка
Термическая обработка стальных изделий, в том числе и деталей штамповых инструментов, имеет целью изменение структуры, фазового состава и свойств материалов этих изделий в заданном направлении. Термообработку применяют как промежуточную (смягчающую) операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением и резанием и улучшения структуры перед закалкой) и как окончательную (упрочняющую) операцию для придания металлу требуемого комплекса механических, физических, химических и других свойств.
Основные операции термической обработки стальных изделий, в том числе деталей, штампов, - это отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение и обработка холодом. Любая термическая обработка определяется следующими основными параметрами: начальной и конечной температурами, скоростью изменения температуры (при нагревании или охлаждении) и временем выдержки при заданной температуре.
Для проведения качественной термической обработки штамповых деталей необходимо применять такие средства нагрева, которые гарантируют отсутствие образования на них дефектных поверхностей (например, обезуглероженных участков). Кроме того, необходимо по возможности точное соблюдение температур нагрева стальных изделий и условий их охлаждения, что должно обеспечивать получение одинаковых свойств в разных партиях однотипных инструментов. Кроме того, необходимо применение наиболее рациональных закалочных сред, обеспечивающих меньшую деформацию инструментов.
Штамповые инструменты обычно нагревают под закалку в соляных электродных ваннах или в камерных электрических печах. Нагрев в ваннах освобождает от необходимости защиты поверхностей штамповых сталей от окисления и обезуглероживания, является наиболее экономичным и позволяет проводить закалку после окончательной механической обработки [Трусова 2016].
При нагреве инструментов в камерных печах важной проблемой является защита поверхности штамповых инструментов от окисления и обезуглероживания. Для этого рекомендуется проводить нагрев деталей не в воздушной атмосфере, а в контейнерах со специальным наполнителем. Для сталей с температурой закалки до 900°С в качестве наполнителя рекомендуется использовать древесный уголь или
отработанный древесноугольный карбюризатор. Возможно также использование в качестве наполнителя в контейнерах для нагрева деталей штампов чугунной стружки (50 % свежей + 50 % пережжённой). Инструменты, температура закалки которых 900...950°С, перед упаковкой в контейнер рекомендуется оборачивать несколькими слоями бумаги [Костин и соав. 2013].
Поскольку практически все инструментальные штамповые стали обладают пониженной теплопроводностью, при их нагреве рекомендуется ступенчатое повышение температуры, то есть предварительный подогрев. Температуру подогрева необходимо выбирать в зависимости от марки стали и размера и формы инструмента. Для последнего подогрева температура должна составлять 700...850°С. Продолжительность выдержки при температурах аустенизации устанавливается не только с учетом полного прогрева инструментов, но и растворения того количества углерода и легирующих элементов, которое может быть переведено в аустенит при данной температуре. Здесь надо отметить, что излишне длительная выдержка, как и повышенная температура, вызывает рост зерна и обезуглероживания, а короткая выдержка не обеспечивает достаточной прокаливаемости [Костин, Трусова 2016].
Для высоколегированных штамповых сталей, которые содержат в структуре труднорастворимые карбиды (типа MC и М6С), продолжительность выдержки должна быть больше, чем для низколегированных сталей с менее стойкими карбидами (типа М3С, М7С3 и М23С6).
Охлаждение после аустенизации производится в различных средах, в зависимости от марки стали, из которой изготовлен данный инструмент, и от его формы. Закалка штамповых инструментов может проводиться в масле (наиболее часто), в воде, водных растворах солей и щелочей, в расплавленных солях, а также на воздухе. Для инструментов сложной конфигурации и с большими перепадами сечений рекомендуется применять ступенчатую или изотермическую закалку, при которой снижается коробление и уменьшается вероятность появления закалочных трещин.
При ступенчатой закалке инструмент охлаждается в средах с температурой несколько ниже температуры начала мартенситного превращения, а затем на воздухе. Структура стали при этом не отличается от структуры, получаемой при непрерывной закалке, а внутреннее напряжение и деформации уменьшаются. Это происходит за счет снижения скорости охлаждения в интервале мартенситного превращения. Ступенчатая закалка эффективна для заэфтектоидных легированных сталей (Х, ХВГ, ХВСГ и т. п.). Температура охлаждающих сред для таких сталей составляет обычно 160.. ,180°С [Костин, Трусова и др. 2016].
Изотермическая закалка производится при охлаждении стали из аустенитного состояния в среде, температура которой превышает (на 10...20°С) температуру начала мартенситного превращения стали, с последующим охлаждением на воздухе. Такая закалка обеспечивает получение достаточно высокой твёрдости, повышенной прочности и снижение коробления деталей. Она способствует прохождению промежуточного превращения, наряду с мартенситным, а также сохранению в структуре большого количества остаточного аустенита.
Изотермическая закалка рациональна для штампов холодного деформирования и сложной формы из заэвтектоидных легированных сталей (9ХС, Х и др.), высокохромистых сталей (12Х, Х12М, Х6ВФ) и комплекснолегированных высокопрочных сталей (6Х3В3МФС, 8Х4В2С2МФ и т. п.). Изотермическая закалка может применяться и для ударных инструментов из сталей 6ХВ2С, 6ХВ3ФС, 7Х3 и др., для которых допустима пониженная твёрдость (НЯС 45.52). Структура таких сталей - бейнит и остаточный аустенит. Вязкость сталей при изотермической возрастает в два раза по сравнению с закалкой в масле.
Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017. № 3 (15)
Для уменьшения деформации инструментов сложной конфигурации из всех сталей перед аустенизацией целесообразно подвергать их высокому отпуску или предварительной закалке с высоким отпуском при 600.. ,650°С.
Необходимо отметить, что исходной структурой сталей, подвергаемых отпуску, является мартенсит с тем или иным количеством остаточного аустенита и избыточных карбидов.
Стали типа Х12 (ледебуритного класса) закаливают с температур 1050...1075°С и подвергают низкому отпуску при 150...180°С. Если размеры штампа изменяются при закалке (за счёт разницы в объёмах структурных составляющих), температуру отпуска повышают до 350...520°С, то есть проводят термическую доводку.
Стали для горячего деформирования типа 5ХНМ закаливаются с температур на 20...30°С выше точки А3 и отпускают при температурах 480...580°С. Продолжительность выдержки при отпуске тем больше, чем больше размеры штампа.
Надо отметить, что феррито-цементитные смеси, получаемые при высоком отпуске, то есть при распаде мартенсита, значительно отличаются от таких же смесей, получаемых при распаде аустенита: в первом случае включения цементита имеют сферическую форму, во втором - пластинчатую. Различная форма цементита предопределяет и различие в свойствах сталей.
Стали, упрочнённые наклёпом, имеют неустойчивую структуру, которая с течением времени стремится перейти к более равновесному состоянию, в результате чего уменьшается твёрдость, но повышаются механические свойства. Эти процессы могут происходить самопроизвольно при комнатной температуре (старении), однако их интенсивность значительно повышается при повышении температуры (отпуске).
Старение наклёпанной стали приводит к повышению предела текучести и к снижению пластических свойств и ударной вялости. Процесс старения идёт значительно быстрее при нагреве выше 200°С. Так, например, нелегированная сталь с 0,3% углерода после пластической деформации (холодной прокатки с обжатием на 4%) непосредственно после прокатки имела ударную вязкость КС=80 Дж/см3, после выдержки при комнатной температуре в течение трёх дней КС=60 Дж/см3, а после четырнадцати дней КС=25 Дж/см3. Процесс старения идёт значительно быстрее при нагреве до температуры 200°С и выше. Отпуск указанной стали после прокатки с обжатием 4% при температуре 200°С снижает ударную вязкость до КС=18 Дж/см3. Такое же снижение ударной вязкости стали наблюдается, если деформация (обжатие) проводится не при нормальной комнатной температуре, а при температуре 200.. ,450°С.
Причиной развития хрупкости при старении, а также синеломкости стали многие исследователи считают дисперсионное твердение, происходящее вследствие выделения в дисперсном состоянии карбидов, нитратов или окислов. Склонность к старению успокоенной стали заметно меньше, чем у кипящей.
Нагрев наклёпанной стали вызывает возвращение её механических свойств к отожжённому состоянию. При этом наблюдается повышение свойств, характеризующих пластичность, и понижение свойств, характеризующих прочность. При сравнительно низких температурах нагрева это явление не сопровождается изменением микроструктуры и называется «возвратом». Однако при возврате наблюдаются изменения в кристаллической решётке. На рентгенограммах деформированных металлов линии отражений размыты, а на рентгенограммах металлов возврата они чёткие. Это доказывает, что при возврате уменьшаются искажения в кристаллической решётке, то есть уменьшаются внутренние напряжения. При некоторой температуре нагрева происходит
интенсивное изменение свойств деформированного металла. Одновременно в структуре наблюдается возникновение и рост зёрен, имеющих более или менее равноосную форму и правильную кристаллическую решётку. Новые зёрна быстро развиваются за счёт окружающих их зёрен, искажённых предварительной деформацией. Это явление называют рекристаллизацией.
Контроль качества термической обработки штамповых инструментов осуществляется визуально (закалочные трещины, поверхностные дефекты и т.п.), а также проверяется коробление и твёрдость закалённых деталей. У штампов, закаливаемых с высоких температур (например, на вторичную твёрдость), проверяется наличие обезуглероженного или науглероженного слоя на поверхности, а также проверяется величина зерна после закалки. Эти характеристики определяются металлографическим анализом на специальных образцах-свидетелях из данной стали, обработанных по соответствующим режимам.
Основным условием предотвращения брака при термической обработке является строгое соблюдение параметров технологического процесса, которые должны устанавливаться на основании литературных (справочных) данных, для освоенных промышленностью процессов, либо на основании опытных данных, для новых процессов. При этом одним из главных факторов является учёт особенностей обрабатываемых сталей.
Отечественные штамповые стали, согласно требованиям действующих ГОСТов, поставляются в виде круглого (штанги) и квадратного сечения, в виде горячекатанных круглых и шестигранных профилей, а также в виде полосовой и калиброванной стали и серебрянки. Для крупных изделий допускается поставка литых заготовок, полученных открытыми плавками (мартеновскими и электродуговыми), а также литых заготовок после электрошлакового переплава.
Углеродистые штамповые стали (У 7... У10), низколегированные стали неглубокой прокаливаемости (7ХФ.. ,11ХФ,13Х, ХВ4, В2Ф и др.), а также стали глубокой прокаливаемости (9Х1, Х, 9ХС, 12Х1, ХВГ, ХВГС и др.) имеют исходную структуру, сформированную при ковке или прокатке. Стали для штампов холодного деформирования (типа Х12) и высоколегированные стали для штампов горячего деформирования (4Х5МФС, 4Х5МФ1С, 3Х3МФ и др.) поставляются в термически обработанном состоянии - после отжига или высокого отпуска.
Отличительной особенностью микроструктур всех штамповых сталей в состоянии поставки является их гетерогенность. Различают следующие виды гетерогенности микроструктуры: зональную, анизотропную и изотропную. Зональная гетерогенность распространяется на большие области заготовок, причём форма этих зон (например, областей с повышенной долей выделившихся фаз или областей с повышенным содержанием примесей) зависит от внешней формы, литой или кованой заготовки. Анизотропная гетерогенность связана с наличием в материале преимущественного направления структурных составляющих, которое возникает в результате пластической деформации (т. н. зоны течения). К анизотропной гетерогенности относится также вторичная строчечная структура в феррито-перлитных сталях и строчечные скопления карбидов в сталях с повышенным содержанием углерода (т.н. карбидная строчечность). Изотропная гетерогенность не связана с каким-либо преимущественным направлением в материале. Для неё типично наличие скоплений некоторых структурных составляющих в кластеры, которые, однако, равномерно распределены по всему объёму заготовки.
Ликвидация в микрообъёмах (дендритная или кристаллическая) приводит к анизотропной гетерогенности. Причиной является то, что в практических условиях, то есть при неравновесном затвердевании расплава, всегда возникает различие в составе отдельных микроучастков объёма. Вследствие этого всегда имеют место
Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017. № 3 (15)
различия по составу между первично образовавшимися дендритами и междендритным пространством.
На склонность к ликвидации в процессе затвердевания металла (например, сварочной ванны при наплавке износостойкого покрытия) оказывает влияние вид и количество легирующих элементов. Такие широко используемые для легирования штамповых сталей элементы как хром и вольфрам (и некоторые другие), способствуют усилению дендритной и зональной ликвидации в слитках штамповой стали и увеличивают неоднородность литого металла.
Такая неоднородность приводит при последующем переделе (например, путём ковки или прокатки) к образованию полосчатых структур, ориентированных в направлении деформации. При этом ликвационные области, в зависимости от их сопротивления деформации, в большей или в меньшей степени вытягиваются в длину. Они проявляются в виде строчечных структур.
Неоднородное распределение карбидной фазы по объёму стали (гетерогенность структуры) является одной из главных причин существенного снижения эксплуатационных свойств штамповых сталей. В крупногабаритных заготовках, кроме того, отрицательное влияние на свойства оказывает неравномерное распределение вредных примесей, а также различная плотность металла по сечению заготовки.
Очевидно, что стали с подобными структурами не смогут обеспечить работоспособность и долговечность штамповых инструментов, изготовленных из них. Улучшить структуру и устранить названные выше неблагоприятные явления возможно путём термообработки, связанной с нагревом этих сталей и с последующим охлаждением с определённой скоростью.
Библиографический список
Трусова Е.В. Разработка насыщающей среды для упрочнения штампового инструмента при различных температурных режимах // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. Курск. 2016. № 4. URL: http://auditorium.kursksu.ru. /pdf/012-006.pdf (дата обращения: 13.07.2017)
Костин, Н.А. Способ нитроцементации деталей из штамповых сталей: Патент № 2501884 от 20.12.13. Заявитель: ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет», Авторы: Н.А. Костин, Е.В. Трусова, В.И. Колмыков, Д.В. Колмыков.
Костин Н. А., Трусова Е. В. и др. Рост зерна аустенита при нагревании штамповых сталей //Новая наука: современное состояние и пути развития. Сборник статей международн. науч.-практ. конф. Научный центр «АЭТЕРНА». Уфа. 2016. № 3. С. 145-148.
Костин Н. А., Трусова Е. В. Влияние температурного режима при отпуске штамповых сталей // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. Курск. 2016. № 2. URL: http://auditorium.kursksu.ru. /pdf/010-014.pdf (дата обращения: 13.07.2017)
