Дипломная работа: Исследования свойств штамповой стали после термической обработки

Сравнительная оценка износа исходного металла и металла с покрытием приведена на рис. 41.

Рис. 41. Гистограмма, представляющая сравнительную износостойкость стали с различными покрытиями

Наибольшее сопротивление износу дает покрытие нитридом титана. Износостойкость при этом увеличивается в три раза. Наоборот, износ покрытий из оксинитрида титана идет активнее, чем на исходном образце. Причем износостойкость тем меньше, чем больше процент кислорода, введенный в покрытие. Для образца с маркировочным номером 91 износостойкость после нанесения покрытия уменьшается в 20 раз, а для образца 30 – в 40 раз.

Таким образом, в перспективе возможно увеличение износостойкости материала за счет нанесения покрытий из нитрида титана.

Обсуждение результатов исследования

Известно, что прочность и вязкость снижаются в результате излишне высокого нагрева под закалку. Это ухудшение свойств – следствие роста зерна с повышением температуры, что является следствием стремления системы к уменьшению свободной энергии. При небольшом перегреве присутствующие в стали карбиды препятствуют росту зерна и заметному ухудшению свойств. Однако при высоких температурах закалки карбидная фаза растворяется в аустените, что снимает препятствия для роста зерна. Чувствительность к перегреву выявляется по величине зерна аустенита, получаемого после нагрева до разных температур. [1]

В штамповой стали 4Х5МФ1С величина зерна определяет прежде всего пластические свойства, ухудшение которых недопустимо для инструмента, так как ведет к образованию трещин и разрушению при эксплуатации. Таким образом, определение размера зерна после того или иного режима термообработки является практически важной задачей.

В настоящей работе была изучена зависимость размера аустенитного зерна от температуры нагрева под закалку. Так как с увеличением температуры аустенитное зерно растет (снижается вязкость стали), то согласно ГОСТ 5950–2000 для стали 4Х5МФ1С размер аустенитного зерна не должен превышать 8 балла. Исследования показали, что при температуре закалки 1 100°C обеспечивается достаточно мелкое зерно, соответствующее 8 баллу, что допустимо. Однако более предпочтительной для закалки является температура 1 070оС, так как в этом случае исключается возможность перегрева стали (балл аустенитного зерна 9).

Величина действительного зерна аустенита в конечном итоге определяет дисперсность мартенсита. В данной работе была изучена микроструктура стали после закалки на различные температуры (рис. 12). Выяснено, что штамповая сталь 4Х5МФ1С после закалки имеет структуру, состоящую из мартенсита, аустенита остаточного и карбидов, причем количество карбидной фазы уменьшается с ростом температуры закалки (рис. 15). Форма и размер включений также меняются. Если при закалке на 950оС в структуре наряду с вытянутыми включениями цементитного типа присутствуют карбиды округлой формы (специальные), то при более высоком нагреве цементитный карбид, не обладающий достаточной теплостойкостью, а также мелкие карбиды других типов, полностью растворяются в аустените. В результате этого средний размер включения растет вплоть до 1 070оС, когда начинают растворяться более крупные карбиды. Количество аустенита остаточного в комплекснолегированных сталях после закалки колеблется в пределах 15–30%. Кристаллы мартенсита в исследуемой стали имеют вытянутое (реечное) строение; дисперсность структуры падает при увеличении температуры нагрева под закалку [4].

Твердость является важнейшим свойством инструментальной стали. Инструменты с недостаточной твердостью не могут резать; под действием возникающих напряжений они быстро теряют форму и размеры. С увеличением твердости в большинстве случаев возрастает и износостойкость. [1]

Так как, инструментальная сталь должна обладать высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, то в работе была изучена зависимость твердости стали 4Х5МФ1С от температуры закалки. Было выяснено, что при повышении температуры закалки с 950 до 1 100оС объемная доля карбидов уменьшается от 17,3 до 3,3% за счет их растворения в аустените (табл. 13), который насыщается легирующими элементами, что способствует увеличению твердости вплоть до 54 HRC (рис. 13). Однако твердость мартенсита определяет общую твердость стали главным образом в закаленном состоянии. В процессе высокого отпуска происходит распад мартенсита, и твердость стали зависит от выделяющихся карбидов.

В ремонтных цехах и на малых предприятиях чаще всего нагрев под закалку проводится в окислительной среде, поэтому важно знать глубину обезуглероженного слоя, который необходимо удалять. В работе были использованы методы оценки обезуглероживания по изменению твердости и микротвердости в сечении образца. Результаты исследования показали, что глубина обезуглероженного слоя при температуре нагрева под закалку 1 070°C достигает 0,16 мм, а при 1 100°C – 0,18 мм, что гораздо меньше припуска, который дается на производстве на обезуглероженный слой.

В результате термической обработки существенно изменяются свойства стали, особенно механические свойства. Закалка при нагреве на высокие температуры проводится для растворения значительной части карбидов и получения высоколегированного мартенсита, в результате чего обеспечивается высокая твердость. Последующий отпуск на температуры 500–600°C вызывает дополнительное упрочнение. При указанных температурах возрастает диффузионная подвижность карбидообразующих элементов, что приводит к изменению химического состава мартенсита, увеличению содержания карбидов и эффекту упрочнения. Причина вторичного твердения – замена растворяющихся сравнительно грубых частиц цементита значительно более дисперсными выделениями специального карбида (V4С3, Мо2С и др.). В молибденовых сталях в последовательности карбидных превращений Fе3С → Ме2С + Ме23С6 → Ме6С максимум вторичного твердения соответствует стадии выделения дисперсных частиц Ме2С и Ме23С6. В работе было выявлено, что дисперсионное твердение стали 4Х5МФ1С происходит при температурах порядка 530–570оС (рис. 14). Одновременно с увеличением твердости возрастает и износостойкость, достигая максимального значения при отпуске на 600оС (рис. 38). Наряду с отмеченными выше процессами при отпуске происходит распад остаточного аустенита. Он протекает при 480–580оС, как правило, изотермически, заканчивается полностью и не оказывает влияния на работоспособность материала [4]. В результате превращения остаточного аустенита немного повышается твердость, но его влияние незаметно на фоне вторичного твердения.

В настоящей работе также было проведено исследование износостойкости покрытий из нитрида и оксинитрида титана, нанесенных на сталь 4Х5МФ1С. Установлено, что покрытие из нитрида титана подвергается износу почти в три раза меньшему, чем поверхность исходной стали при одинаковых условиях эксперимента. Таким образом, открывается возможность увеличения износостойкости материала за счет нанесения покрытий методом ионно-плазменной имплантации (п. 2.2.6).

1. Исследовано влияние температуры закалки и отпуска на изменение твердости стали 4Х5МФ1С. Показано, что сталь данной марки склонна к вторичному твердению при температурах порядка 550оС.

2. Изучено влияние температуры закалки на глубину обезуглероженного слоя и показано, что с увеличением температуры нагрева увеличивается глубина обезуглероживания до 0,2 мм при 1 100оС.

3. Разработана методика выявления аустенитного зерна и определена его величина в зависимости от температуры закалки.

4. Изучено влияние температуры отпуска на износостойкость данной стали. Выявлена оптимальная температура отпуска, соответствующая максимальной износостойкости. Изучена износостойкость покрытий из нитрида и оксинитрида титана, нанесенных на образцы с помощью ионно-плазменной имплантации.

5. Проведено электронное микроскопическое исследование структуры закаленной стали. Показано, что с увеличением температуры закалки с 950 до 1 100оС объемная доля карбидной фазы в структуре уменьшается за счет ее более полного растворения в аустените.

6. Экономика и организация производства

6.1 Технико-экономическое обоснование темы дипломной работы

При изготовлении инструмента из стали 4Х5МФ1С применяют термическую обработку (улучшение), оптимизация которой позволит сократить производственные затраты. При назначении температур закалки руководствуются данными по размеру аустенитного зерна, получаемой твердости и глубине обезуглероженного слоя. Все эти факторы имеют тенденцию к росту при повышении температуры обработки. При этом уменьшение дисперсности структуры отрицательно сказывается на пластических свойствах стали и приводит к браку. С другой стороны при понижении температуры получают меньшие значения твердости, что проявляется при дальнейшей эксплуатации изделия, т.е. сокращается время его службы. Увеличение глубины обезуглероженного слоя ведет к потерям материала. Также необходимо экспериментально установить температуру отпуска, соответствующую максимуму вторичного твердения и наилучшей износостойкости, позволяющей продлить срок службы инструмента.

Таким образом, является весьма важным определение оптимального режима термообработки данной стали.

6.2 Организация проведения работы (сетевой график)

С целью лучшей организации и контроля над ходом выполнения дипломной работы исследовательского характера в начале дипломирования был составлен и рассчитан сетевой график.

Сетевой график представляет собой графическое изображение взаимосвязи событий и работ, имеющих место при проведении исследования. График устанавливает сроки выполнения каждого этапа работы, входящей в план исследования, и резервы времени, позволяющие маневрировать ресурсами и сроками начала работ. Кроме этого сетевой график позволяет рационально организовать рабочее время исполнителей, порядок выполнения работ и контролировать процесс выполнения исследования в установленные сроки. [16]

6.2.1 Составление перечня работ и построение сетевого графика

Сетевой график включает в себя три комплекса работ:

1)  комплекс подготовительных работ: изучение технической литературы по теме, обоснование актуальности темы, разработка мер защиты от потенциальных опасностей и вредностей, заказ и получение материалов и т.д.;

2)  комплекс экспериментальных работ: проведение экспериментов, выполнение расчетов, обсуждение результатов и т.д.;

3)  комплекс заключительных работ: обобщение полученных результатов, формулировка выводов, написание пояснительной записки, построение необходимых графиков, предварительная защита и т.д.

Общая продолжительность выполнения дипломной работы рассчитывалась с момента окончания преддипломной практики (3 марта 2007 г.) и до 1 июня 2007 г., с учетом 40-часовой рабочей недели и двух выходных. Таким образом, общая продолжительность выполнения работы составила 62 дня (496 часов).

Перечень работ, выполняемых в дипломной работе, представлен в таблице 34. Сетевой график выполнения дипломной работы изображен на рис. 38.

Таблица 35. Перечень работ, выполняемых в дипломной работе

Шифр работ	Наименование работ	Формулировка событий
1–2	Получение задания	Задание получено
2–3	Подготовка литературного обзора	Литературный обзор подготовлен
3–4	Составление технико-экономического обоснования	Технико-экономическое обоснование составлено
4–5	Формулировка цели исследования	Цель исследования сформулирована
5–6	Изучение действующего оборудования	Действующее оборудование изучено
5–7	Изучение безопасных приемов работы	Безопасные приемы работы изучены
6–7	Разработка мер защиты по технике безопасности	Меры защиты по технике безопасности разработаны
7–8	Составление методики экспериментов	Составлена методика экспериментов
8–9	Подготовка образцов	Образцы готовы
9–10	Получение экспериментальных данных	Экспериментальные данные получены
10–11	Оформление раздела по ОБЖ	Раздел по ОБЖ оформлен
11–15	Расчет технико-экономической эффективност	Технико-экономическая эффективность рассчитана
10–12	Проведение расчетов и их обработка	Расчеты проведены и обработаны
12–13	Обобщение результатов экспериментов	Результаты экспериментов обобщены
13–14	Обсуждение полученных данных	Полученные данные обсуждены
14–15	Выводы по работе	Выводы сделаны
15–16	Оформление пояснительной записки	Пояснительная записка оформлена
16–17	Оформление плакатов	Плакаты оформлены
17–18	Подготовка дипломной работы к защите	Дипломная работа к защите подготовлена
18–19	Защита дипломной работы	Дипломная работа защищена

6.2.2 Расчет основных параметров сетевого графика

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21