Термическая обработка стали

     

Рисунок 2 – Изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита стали 4Х5МФС 

     Легирование стали карбидообразующими элементами (Cr, Мо, V) способствует разделению максимумов диффузионного и бейнитного превращений.

Таблица 2 – Химический состав стали 4Х5МФС, масс. % (ГОСТ 5950– 73)

Таблица 3 – Температура критических точек  стали 4Х5МФС, ˚С

 

2. Механические  свойства стали

 

     Механические  свойства стали 4Х5МФС в зависимости  от температуры отпуска, а также от температуры испытаний представлены в таблицах 4, 5. Испытания на растяжение проведены в соответствии с ГОСТ 1497– 84 (Металлы. Методы испытаний на растяжение), а также в соответствии с ГОСТ 9651– 84 (Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах). Испытания на ударный изгиб проведены в соответствии с ГОСТ 9454– 80, ГОСТ 9456– 60 (Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при комнатной и повышенной температурах соответственно) на образцах с U– образным концентратором напряжений [2].

 Таблица 4 – Механические свойства в зависимости от температуры отпуска стали 4Х5МФС

σ_0,2– предел текучести условный, МПа;

σ_в– временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа;

δ₅– относительное удлинение после разрыва, %;

ψ–  относительно сужение, %;

KCU– ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U, Дж/см²;

HRC_э– твердость по Роквеллу, шкала С.

     Изменение механических свойств стали 4Х5МФС  в зависимости от температуры отпуска более наглядно продемонстрировать рисунки 3 и 4 [3]. Из рисунка 3 следует, что сталь 4Х5МФС склонна к вторичному твердению при отпуске. Пик вторичного твердения (максимум по твердости HRC50) наблюдается при температуре отпуска 500˚С. Вторичное твердение при отпуске возникает за счет выделения специальных карбидов. Чем выше карбидообразующая способность элемента, тем меньшее его количество необходимо, чтобы вторичное твердение получило существенное развитие. Наиболее сильным карбидообразующим элементом в стали 4Х5МФС является ванадий, а карбидообразующая способность хрома меньше, чем молибдена и ванадия. Как видно из таблицы 4, вторичное твердение одновременно с повышением прочностных свойств приводит к снижению ударной вязкости.

     Поэтому отпуск вторично твердеющих сталей обычно проводится при температурах лежащих выше температур максимального развития дисперсионного твердения. При этом несколько проигрывают в прочности, но увеличивают пластичность и ударную вязкость.

   Из  рисунка 4 видно, что с повышением температуры отпуска с 500˚С до 650˚С характеристики прочности (условный предел текучести, временное сопротивление разрыву) снижаются, а характеристики пластичности (относительное сужение и относительное удлинение после разрыва) возрастают.  

Таблица 5– Механические свойства в зависимости от температуры испытания стали 4Х5МФС

 

     Проанализировав данные, представленные в таблице 5, можно сделать вывод, что механические свойства стали при повышенных температурах испытания ниже, чем механические свойства стали при комнатной температуре,  но удовлетворяют предъявленным требованиям по курсовому проекту. 

1.3.3 Технологические свойства стали 4Х5МФС 

     Среди штамповых сталей для горячего деформирования сталь 4Х5МФС относится к группе сталей повышенной теплостойкости и вязкости. Она сохраняет удовлетворительный уровень прочности при длительном нагреве не выше 590˚С [4].

     Свариваемость является комплексной характеристикой  стали, определяющейся технологическими трудностями, возникающими при сварке, и эксплуатационной надежностью сварных соединений. В зависимости от сложности технологических приемов, устраняющих возможность образования трещин при сварке и обеспечивающих получения сварного соединения требуемого качества, стали условно разделяют на четыре группы по свариваемости:

    1. Стали свариваемые без ограничения; 

    2.Ограниченно  свариваемые стали; 

    3. Трудносвариваемые стали;

    4. Стали, не применяемые для сварных  конструкций. 

Сталь 4Х5МФС  относится к четвертой  группе по свариваемости, то есть не применяется для сварных конструкций.

     Обрабатываемость  стали 4Х5МФС оценена по скорости резания [1], соответствующей 60–минутной стойкости резцов υ₆₀ и выражена коэффициентами К_{υ тв.спл}=0,7; К_{υ б.ст}=0,55 ( в отожженном состоянии при ≤241НВ).

К_{υ тв.спл}, К_{υ б.ст} – коэффициенты обрабатываемости для условий точения резцами соответственно твердосплавными и из быстрорежущей стали:

     К_{υ тв.спл}= υ₆₀/145,           (1)

            К_{υ б.ст}= υ₆₀/70,          (2)

где υ₆₀– скорость резания, соответствующая 60– минутной стойкости резцов, при точении данной стали, м/мин;

145 –  значения скорости резания при  60– минутной стойкости твердосплавных резцов при точении эталонной стали 45;

  70 – значение скорости резания  при 60– минутной стойкости  быстрорежущих резцов при точении  эталонной стали 45.

     Если  взять для сравнения конструкционную  углеродистую качественную   сталь 25. Она имеет следующие коэффициенты обрабатываемости К_{υ тв.спл}=1,7;  К_{υ б.ст}=1,6.

     При точении сталей 25 и 4Х5МФС скорость резания, соответствующая 60– минутной стойкости резцов соответственно твердосплавных и из быстрорежущей стали составляет:

Сталь 25:  υ₆₀= К_{υ тв.спл}∙145=246,5м/мин; υ' ₆₀= К_{υ б.ст} ∙70=112м/мин.

Сталь 4Х5МФС : υ₆₀= К_{υ тв.спл}∙145=101,5м/мин; υ' ₆₀= К_{υ б.ст} ∙70=38,5м/мин.

     Таким образом, скорость резания соответствующая 60– минутной стойкости резцов для  стали 4Х5МФС значительно меньше, чем для стали 25. Поэтому обрабатываемость резанием конструкционной, углеродистой качественной стали 25 выше, чем у стали 4Х5МФС.

     Склонность  к обратимой отпускной хрупкости  сталей проявляется в снижении ударной вязкости при медленном охлаждении после высокого отпуска или при длительных выдержках в интервале температур 450– 600˚С. Стали условно разбиты на три группы: не склонные к отпускной хрупкости, малосклонны, склонны. Сталь 4Х5МФС относится к группе сталей не склонных к обратимой отпускной хрупкости.

     Еще одной важной технологической характеристикой стали является флокеночувствительность. Рассматриваемая сталь 4Х5МФС мало чувствительна к образованию флокенов. 

4. Технологическая схема обработки прошивных пуансонов

 

     Технологическая схема обработки прошивных пуансонов  представлена на рисунке 5. Предварительную термическую обработку штампового инструмента проводят для улучшения обрабатываемости резанием и подготовки структуры к окончательной термической обработке. Поковки малых размеров, предназначенные для изготовления инструментов несложной формы, с целью уменьшения обезуглероживания, сокращения цикла обработки проводят высокий отпуск при температурах, близких к А_с1. Для стали 4Х5МФС температура высокого отпуска составляет 750– 780˚С [3].

     Механическая  обработка подразделяется на черновую (с припусками 1– 2 мм на сторону) и чистовую механическую обработку. После чистовой механической обработки инструмент подвергают окончательной термической обработке, в основном закалке и отпуску. Цель окончательной термической обработки – получение в готовом инструменте оптимального сочетания основных свойств: твердости, прочности, износостойкости (обеспечивающих высокое сопротивление смятию и истиранию гравюры штампа), вязкости (для предотвращения преждевременного аварийного разрушения штампа) и теплостойкости.

           После шлифования инструмента  целесообразно провести отжиг для  уменьшения внутренних напряжений от шлифовки при температурах на 30– 50˚С ниже температуры основного отпуска в течение 2– 5 часов с охлаждением на воздухе или в масле.