Термическая обработка стали

 
 
 

 

 
 

 

Рисунок 5 – Технологическая схема обработки прошивных пуансонов 

5. Выбор и  обоснование параметров термической  обработки

 

     Наиболее  распространенный технологический  процесс окончательной термической обработки штампов для горячего деформирования состоит из закалки и отпуска. Температура которых колеблется в зависимости от предъявляемых требований к инструменту. 
 

1. Закалка

 

     Закалку пуансона для прошивки нелегированных сталей рекомендуется проводить  в соляных ваннах.

     При использовании соляных электродных  ванн отсутствие окисления и обезуглероживания поверхности инструмента обеспечивается раскислением ванн и своевременной их очисткой от загрязнений и шлака. Вследствие пониженной теплопроводности штамповых сталей нагрев под закалку следует проводить с промежуточным подогревом. Промежуточный подогрев способствует выравниванию температуры по сечению и уменьшению тепловых напряжений. Согласно справочным данным для стали 4Х5МФС температура промежуточного подогрева составляет 700– 750˚С [2].

     Температуру нагрева под закалку назначают в зависимости от марки стали и условий работы инструмента, используя имеющиеся в литературе данные о твердости и величине зерна аустенита при разных температурах закалки. На рисунке 6 приведен график зависимости твердости и величины зерна аустенита стали 4Х5МФС от температуры закалки. Обычно температуру нагрева под закалку выбирают с целью получения зерна 9– 10 баллов. Из рисунка 6 следует, что для получения зерна аустенита 10 балла температура закалки составляет 1000– 1020˚С.

Рисунок 6 – Зависимость твердости и величины зерна аустенита штамповой стали 4Х5МФС от температуры закалки [3] 

     Продолжительность выдержки при температурах аустенитизации устанавливают не только с учетом полного прогрева инструментов, но и растворения того количества углерода и легирующих элементов, которое может быть переведено в аустенит при данных условиях нагрева. Короткая выдержка не обеспечивает достаточной прокаливаемости и теплостойкости, а излишне длительная выдержка вызывает рост зерна и обезуглероживание.

     Охлаждение при закалке должно быть достаточно быстрым, чтобы предотвратить выделение карбидов по границам зерен и образование структуры верхнего бейнита, понижающих вязкость и пластичность стали, а соответственно и работоспособность инструмента. В связи с этим охлаждение на воздухе не рекомендуется. Однако излишне быстрое охлаждение увеличивает вероятность коробления и трещинообразования. Практически необходимая интенсивность охлаждения в области температур выделения карбидов и в области промежуточного превращения обеспечивается при закалке в масле с температурой 40– 70˚С. Немедленная передача горячих (150– 250˚С) деталей на отпуск не рекомендуется, так как это приводит к снижению прочности и вязкости штампов из–за возможности появления бейнита в структуре стали.

   Структура после закалки стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита (5– 12%) и карбидов (2– 6%).  

2. Отпуск

 

     Температуру отпуска выбирают в зависимости  от марки стали, условий работы инструмента, необходимой твердости, прочности и вязкости. Температура отпуска должна быть не ниже температуры разогрева штампа в процессе эксплуатации. Согласно справочным данным температура отпуска для стали 4Х5МФС составляет 560˚С. Время отпуска назначают из расчета 2 часа плюс 1,5минуты на 1 миллиметр наименьшей толщины детали [4]. Согласно эскизу пуансона, приведенному на рисунке 1, наименьшая толщина детали – 20мм, тогда время отпуска составляет:

     τ_отп=2ч+1,5мин∙20мм=2,5ч.       (3)

     Охлаждение  после отпуска проводят на воздухе.

     Температурные режимы закалки и отпуска штамповой стали 4Х5МФС для горячего деформирования представлены в таблице 6.

     Контроль  качества термической обработки  штамповых инструментов осуществляется наружным осмотром (выявлением закалочных трещин, оплавленных участков, вмятин и других поверхностных дефектов), а также проверяют твердость.

Таблица 6 – Температурные режимы закалки  и отпуска стали 4Х5МФС

 

     На  рисунке 7 приведен график окончательной термической обработки пуансонов из стали 4Х5МФС. 

t,˚С

 

 

     

Рисунок 7 – Режим окончательной термической обработки пуансонов из стали 4Х5МФС для прошивки нелегированных сталей 

6.  Контроль  качества термической обработки

 

     Твердость проверяют на специально зачищенных (бормашиной или наждачной бумагой) участках поверхности вблизи гравюры. Используются специальные стационарные приборы Бринелля, оснащенные рольгангом и подъемным столом с червячным механизмом.

     У штамповых инструментов из высоколегированных и среднелегированных сталей, подвергаемых закалке от высоких температур, необходимо контролировать наличие и глубину обезуглероженного слоя, а также величину зерна аустенита после закалки[1].

     Для этого вместе с партией инструментов закаливают специальные образцы  – свидетели.

     Действительное  зерно аустенита в штамповых сталях чаще всего выявляют химическим или электрохимическим травлением микрошлифов, полученных на образцах свидетелях, охлажденных на воздухе. В первом случае используют 4– 10% – ный спиртовой раствор азотной кислоты или 4%– ный спиртовой раствор пикриновой кислоты; во втором случае – 10%– ный водный раствор щавелевой кислоты. Чаще лучшие результаты достигаются при комбинированном травлении (химическое + электролитическое) с несколькими переполировками. Однако перечисленные способы имеют общий недостаток: нечеткость выявления границ из-за одновременного вытравливания основной структуры и нестабильность в различных плавках одной и той же стали. Вследствие большой дисперсности структуры штамповых сталей номер аустенитного зерна лучше определять при 400– или 500– кратном увеличении с последующим пересчетом на номер зерна при 100– кратном увеличении (по ГОСТ 5639– 65). 

     1.7 Возможный брак и способы его устранения 

     При закалке штамповых инструментов могут возникнуть следующие дефекты: оплавление инструментов, перегрев, недостаточная твердость, пониженная теплостойкость, деформация инструментов, а также трещины и обезуглероживание поверхности инструментов. В результате нарушений режима или условий отпуска инструментов возможна пониженная твердость, являющаяся следствием отпуска при слишком высокой температуре.

     Оплавление  инструментов возникает вследствие общего или местного нагрева стали  выше точки ее плавления. Практически  оплавление инструментов при нагреве  под закалку в соляных ваннах наблюдается в следующих случаях: при нагреве инструмента выше точки плавления стали, из которой он изготовлен (общее оплавление); при соприкосновении инструмента с одним из электродов соляной ванны в процессе нагрева (местное оплавление). Для предупреждения указанного брака должны быть обеспечены: поддержание температуры закалки в строго заданном интервале; установка инструментов в ванну таким образом, чтобы они находились от электродов на расстоянии не менее 50– 60мм.

     Возможные виды брака при термической обработке штамповых инструментов, а также причины брака, методы их предупреждения и контроля приведены в таблице 7.

    Перегрев  инструментов при закалке характеризуют  следующие изменения в микроструктуре стали: рост зерна, выделение карбидов по границам зерен. Перегрев приводит к резкому возрастанию хрупкости и снижению прочности инструмента. Для исправления данного дефекта инструменты подвергают отжигу и последующей повторной закалке по нормальным режимам.

    Пониженная  теплостойкость связана с недостаточным  насыщением твердого раствора углеродом и легирующими элементами из–за пониженной температуры закалки или недостаточной выдержки при нагреве. Этот дефект, проявляющийся в условиях эксплуатации готовых инструментов, может резко снижать их стойкость.

    Обезуглероживание поверхности инструментов, резко снижающее их стойкость в эксплуатации, может быть надежно предотвращено при правильно подобранном составе ванны и регулярной очистки соляных ванн от образующегося шлама. 
 
 
 
 
 

Таблица 7– Виды брака, возможные причины  брака, методы его предупреждения и контроля

 
 
 
 
 

2. ВЫБОР,  ОПИСАНИЕ И РАСЧЕТ ОСНОВНОГО,  ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО  ОБОРУДОВАНИЯ 

2.1 Выбор  и расчет необходимого количества  оборудования 

     При определении количества оборудования необходимо знать действительный фонд времени работы оборудования [5], который можно определить по выражению:

    (4)

где Т_к – календарное время суток; Т_к=365дней;

Т_нераб – нерабочее время (выходные и праздничные дни). Принимаем Т_нераб=10дней;

   Н – число рабочих часов в  сутках; Н=16 часов;

   Р – процент времени, отведенный на ремонт и обслуживание оборудование; для трехсменного рабочего дня принимаем Р=5%.

    Подставим численные значения в формулу (4):

     Необходимый фонд эффективного времени работы оборудования (электродной печи–ванны) для обработки деталей, при условии что годовая программа А=700000кг, можно вычислить по формуле:

              (5)

где Q – часовая производительность оборудования, кг/ч; Q=150кг/ч.

    После подстановки численных значений в формулу (5) получаем:

     

    Количество  единиц оборудования (электродная печь–ванна) можно определить по следующему выражению:

             (6)

     Расчетное количество печей будет составлять 0,864. Дробное число округляем до целого и получаем принятое количество печей равным одному (N=1). Тогда коэффициент загрузки каждой печи-ванны составляет:

.     (7)

     Расчет  определения количества электродных  печей–ванн СП 35/15 для закалки будет справедлив для такой же печи, которая используется для предварительного подогрева.

     Для отпуска выбираем камерную печь типа СНО-8,5.17.5/10. При этом, производительность печи составляет Q=300кг/ч.

     Необходимый фонд эффективного времени работы оборудования (камерной печи) для обработки деталей  можно вычислить по формуле (5):