Lab

скорость достигается охлаждением в различных средах: масле, солях, в струе воздуха - для мелкого инструмента. Различные способы и скорости охлаждения следует выбирать также в зависимости от формы и размеров сечения инструмента, так как они главным образом оказывают влияние на величину напряжений и деформаций в закаленном состоянии.

Закалку инструмента можно проводить в расплаве солей (60-65 % KNО3 + 40-35 % NaOH) при температуре 400-450 °С с изотермической выдержкой и последующим охлаждением на воздухе. Изотермическую закалку применяют с целью уменьшения деформации инструмента в области мартенситного превращения.

После закалки с оптимальных температур микроструктура стали Р6М5 состоит из мартенсита, карбидов и большого количества остаточного аустенита. На рисунке 11.4 а приведена микроструктура стали Р6М5 после закалки от температуры 1220 °С. При травлении плохо выявляется основная структурная составляющая - мартенсит. Он настолько мелкоигольчатый ("бесструктурный"), что структура кажется состоящей только из аустенита и карбидов. В действительности после закалки в быстрорежущих сталях содержится примерно 60-70 % мартенсита, 10-15 % карбидов и 25-З0 % остаточного аустенита.

Микроструктура быстрорежущей стали закаленной с температуры выше оптимальной (перегрев) характеризуется значительным ростом зерна, образованием сетки карбидов (рисунок 11.4 б).

а - нормальный нагрев, закалка от температуры 1220 °С б – перегрев, закалка от температуры 1250 °С

Рисунок 11.4 - Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 после закалки с различных температур

Наличие аустенита снижает твердость, режущие свойства и стабильность размеров инструмента. Для устранения этих явлений инструмент подвергают отпуску. Отпуск необходим для превращения остаточного аустенита в мартенсит и выделения карбидов.

Наиболее полно превращения обеспечиваются при трехкратном отпуске, который проводится при температуре 550-570 °С с выдержкой по 1 часу

126

с каждым отпуском (рисунок 11.5). За счет уменьшения остаточного аустенита будет возрастать количество мартенсита и твердость стали.

а) – стандартный режим; б) – с обработкой холодом (по А.П. Гуляеву); в) – режим Оренбургского завода свёрл

Рисунок 11.5 – Схемы режимов термической обработки быстрорежущих сталей

Наиболее часто применяют традиционный режим (рисунок 11.5 а), реже режим термической обработки, предложенный в 1939 году профессором А.П. Гуляевым (рисунок 11.5 б). Так как точка конца мартенситного превращения располагается в области отрицательных температур, поэтому для уменьшения количества остаточного аустенита быстрорежущую сталь непосредственно после закалки обрабатывают холодом при температуре минус

127

75-80 °С, при этом значительная часть аустенита переходит в мартенсит, что позволяет ограничиться одним отпуском.

В 1960-1964 годах на Оренбургском заводе сверл был разработан режим термической обработки сверл (таблица 11.2), достоинство которого состоит в том, что за счет повышения температуры отпуска резко сократилась длительность процесса отпуска (рисунок 11.5 в).

Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 после термической обработки показана на рисунке 11.6.

Рисунок 11.6 – Микроструктура быстрорежущей стали Р6М5 после термической обработки по режиму завода свёрл

11.3 Порядок выполнения работы

11.3.1Получите образцы из стали Р6М5, измерьте твердость НRС образцов на приборе ТК-2.

11.3.2Поместите образцы стали в электропечь СУОЛ-0,4.4/12 в зо-ну, разогретую до температуры 800 °С, дайте выдержку в течение 10 ми-нут. Продвиньте образцы в зону печи с температурой 1220 °С и выдер-жите образцы при этой температуре 3-5 минут из расчета 15-20 с на каж-дый миллиметр толщины при нагреве в электропечах.

11.3.3Половину загруженных в электропечь образцов закалить в масле, другую половину - на воздухе.

11.3.4Сошлифовать верхний слой на глубину 0,3 мм.

11.3.5Измерьте твердость HRС закаленных образцов на приборе

ТК-2.

11.3.6Проведите двукратный отпуск закаленных образцов в электропечи, разогретой до 600 °С с выдержкой по 10 минут, охлаждение образцов после отпуска на воздухе.

11.3.7Измерьте твердость НRС образцов после отпуска.

11.3.8Опишите микроструктуру стали.

128

Таблица 11.2 - Технология термической обработки сверл из стали Р6М5 на автоматической линии Оренбургского завода сверл

129

Продолжение таблицы 11.2

130

Содержание отчета

11.4.1Цель работы.

11.4.2Краткое описание процессов, протекающих при термической обработке быстрорежущих сталей.

11.4.3Таблица с результатами экспериментальной работы.

11.4.4Схемы микроструктур стали в отожженном состоянии и после термической обработки.

11.4.5Выводы.

Контрольные вопросы

11.5.1Какие вы знаете марки быстрорежущих сталей?

11.5.2В чем преимущество быстрорежущих сталей перед углеродис-

тыми?

11.5.3Какие легирующие элементы обеспечивают высокую теплостойкость режущих инструментов?

11.5.4Для чего быстрорежущие стали нагревают под закалку до высоких температур, близких к температурам плавления?

11.5.5Для чего после закалки проводят многократный отпуск?

11.5.6Объясните, какие структурные превращения происходят при закалке, отпуске и какие свойства при этом приобретает быстрорежущая сталь?

11.5.7Какие свойства быстрорежущих сталей ухудшает остаточный

аустенит?

11.5.8К какому классу по структуре относятся быстрорежущие стали в нормализованном состоянии?

11.5.9Какова структура быстрорежущей стали после закалки и отпус-

ка?

11.5.10Почему сверла после термической обработки деформируются?

131

12 Лабораторная работа № 12

Структура, свойства и назначение порошковых сталей

12.1 Цель работы

Ознакомится с технологией изготовления порошковых материалов на основе железа, маркировкой, структурой, свойствами и областью их применения.

12.2 Основные сведения

Порошковая металлургия – это область техники, охватывающая совокупность методов изготовления металлических порошков и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Быстрое развитие порошковой металлургии создало предпосылки для разработки широкого класса сплавов, которые используются как заменители традиционных литых и кованых сталей и сплавов, так и в качестве материалов со свойствами, которые не могут быть получены при использовании других технологических процессов.

Преимущества порошковой металлургии по сравнению с другими методами изготовления деталей машин и приборов состоят в следующем:

-получение изделий, которые невозможно изготовить никакими другими методами (фильтры, пористые подшипники, контакты из псевдосплавов на основе тугоплавких металлов и др.);

-большая экономия металлов, так как можно использовать для получения порошков отходы (например, стружку, окалину) и получать изделия без дальнейшей механической обработки (втулки, шестерни, кулачки и др.), что приводит к значительному снижению себестоимости материалов и готовой продукции.

-наряду с преимуществами порошковая металлургия имеет ряд недостатков: дорогостоящая оснастка (экономически выгодна при серийном и крупносерийном производстве), нестабильность свойств, трудности изготовления крупногабаритных и сложных по форме изделий.

Основными технологическими операциями изготовления порошковых изделий являются:

1)приготовление порошковой шихты заданного химического и гранулометрического составов;

2)формование (прессование) заготовок;

3)спекание спрессованных заготовок с целью придания им необходимой прочности и физико-механических свойств;

4)дополнительная обработка в зависимости от назначения изделий и предъявляемых к ним требований (механическая, термическая и др.).

132

Порошки металлов и неметаллов являются основными исходными материалами для изготовления порошковых изделий. Промышленностью выпускаются металлические порошки: железный, медный, никелевый, хромовый, кобальтовый, вольфрамовый, молибденовый, титановый и другие. Существуют различные методы получения металлических порошков: механическим размельчением (размолом), распылением металлов, восстановлением окалины или чистых окислов, карбонильный, электролизный и другие. В зависимости от химической природы металла и способа получения частицы порошка могут иметь различную форму: сферическую, каплеобразную, губчатую, тарельчатую и другие.

12.3 Прессование

Прессование (формование) металлических порошков и их смесей – операция, при которой из сыпучего порошка получаются относительно прочные полуфабрикаты или заготовки, имеющие форму и размеры готовых изделий с учётом изменения размеров при спекании, а также припусков, связанных с какой-либо необходимой обработкой.

Среди методов формования порошковых полуфабрикатов и заготовок – однократное, многократное, горячее, динамическое, гидростатическое, взрывное и др.) – наибольшее распространение получил метод холодного прессования в закрытых пресс-формах. Этот метод является наиболее простым и легко поддаётся автоматизации.

Состоит он в засыпке шихты в пресс-форму, прессовании, непродолжительной выдержке под давлением и выталкивании прессовок из прессформы. Для получения достаточно прочных заготовок при холодном прессовании применяются значительные давления, которые в зависимости от заданной пористости и свойств порошковой шихты могут колебаться от 600 МПа до 1000 МПа.

Заготовки, полученные после прессования, как правило, имеют пористость 15-25 %, обладают низкими механическими свойствами. Высота прессовки обычно бывает в 3-5 раз меньше по сравнению с высотой засыпанного в матрицу порошка, что приводит к деформационной анизотропии свойств прессовок (механических, формы и размера пор, проницаемости).

Прессование в закрытых пресс-формах может быть односторонним и двусторонним. Одностороннее применяется при изготовлении изделий простой формы, у которых отношение длины или высоты к диаметру или толщине не превышает трёх.

12.4 Спекание

Холодное прессование не обеспечивает механической прочности прессовок. Для повышения механических свойств и придания порошковым заготовкам необходимых физико-механических свойств заготовки подвергают

133

спеканию. Спекание производят при температуре 0,7 - 0,9 от абсолютной температуры плавления металла основного компонента в многокомпонентной порошковой смеси. Спекание любой системы состоит из нагрева изделий до заданной температуры, изотермической выдержки при этой температуре и охлаждении до комнатной температуры. Одним из характерных проявлений процесса спекания является уменьшение размеров – «усадка» изделия.

Спекание порошковых заготовок производится в восстановительных или нейтральных атмосферах (вакууме, водороде, конвертированном газе и др.). Длительность выдержки при температуре спекания в зависимости от состава шихты может быть до нескольких часов (таблица 12.1).

Таблица 12.1 - Режимы изготовления конструкционных порошковых материалов

При спекании порошковых материалов происходит удаление газов и адсорбированных на поверхности частиц, возгонка различных примесей, снятие остаточных напряжений на контактных участках между частицами и в самих частицах, восстановление оксидных плёнок, растворение или коагуляция, перестройка поверхностного слоя в результате диффузии и переноса металла в виде пара с одних мест в другие, рекристаллизация и др.

В процессе спекания за счёт качественного и количественного изменения контактов, связанных с большой подвижностью атомов при повышенных температурах, увеличивается поверхность сцепления частиц, повышается плотность и прочность изделий, достигаются необходимые физикохимические свойства. В результате спекания предел прочности при растяжении железографита увеличивается от 100 МПа до 300 МПа в зависимости от материала, режимов, пористости), твёрдость увеличивается от 60 НВ до 100 НВ (таблица 12.2).

134