Термическая обработка стали. 2

ОГЛАВЛЕНИЕ 

    Введение...…………………………………………………………………………5 

1. Технологическая часть

1. Условия работы прошивных пуансонов.…………………………..………6
2. Обоснование выбора материала…………………………………………....8
3. Описание стали 4Х5МФС…………………………………………………..9

1.3.1 Назначение и особенности химического состава стали………………….9

1.3.2 Механические свойства стали…………………………………………….11

1.3.3 Технологические свойства стали 4Х5МФС……………………………...13

4. Технологическая схема обработки прошивных пуансонов……………..15
5. Выбор и обоснование параметров термической обработки……………..16

1.5.1 Закалка……………………………………………………………………...17

1.5.2 Отпуск………………………………………………………………………18

6. Контроль качества термической обработки……………………………...19
7. Возможный брак и способы его устранения……………………………..20

2.  Выбор,  описание и расчет основного,  дополнительного и вспомогательного оборудования 

    2.1 Выбор и расчет необходимого количества оборудования………………...23

 2.2 Описание выбранного оборудования……………………………………….26

 2.2.1 Описание основного оборудования………………………………………26

 2.2.2 Описание дополнительного и вспомогательного оборудования……….30

 2.2.2.1 Дополнительное  оборудование…………………………………………30

 2.2.2.2 Вспомогательное оборудование………………………………………...31

    2.3 Расчет нагрева металла………………………………………………………33

    2.4 Тепловой расчет электродной печи–ванны СП–35/15…………………….36 

3.  Автоматизация……………………………………………………………......47

4. Планировка участка цеха…………………………………………………….49

.

     Библиографический список …………………………………………….…….51

     Приложения                          

1. Чертеж основного оборудования на 1 листах формата А1
2. Чертеж планировки участка на 1 листе формата А2
3. Схема автоматизации на 1 листе формата А3
4. Спецификация на 2 листах формата А4
5. Чертеж детали прошивного пуансона А4

Введение 

     Термическая обработка применяется в металлургии, машиностроении, и других важных отраслях промышленности. Она является неотъемлемым элементом технологического процесса полуфабрикатов, изделий и инструмента, определяет их надежность и долговечность в условиях эксплуатации.

     Важным видом обработки материалов является обработка металлов давлением. Благодаря повышению требований к качеству деформирующего инструмента и развитию современных промышленных мощностей существенно сокращены время, затрачиваемое на ту или иную операцию, а также повышено качество изготавливаемой продукции.

     Рассматриваемые в данной курсовой работе прошивные пуансоны являются штамповым инструмент для горячего деформирования. Качество инструмента для прошивки существенным образом зависит от условий проведения термической обработки на машиностроительных заводах.

     В настоящем курсовом проекте произведен выбор марки стали для штампового инструмента, режим их термической обработки. А также осуществлено проектирование цеха термической обработки прошивных пуансонов с годовой программой 700 т. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

1. Условия работы прошивных пуансонов и предъявляемые к ним требования

     Прошивные пуансоны - это штамповый инструмент для горячего деформирования, работающий в условиях одновременного циклического воздействия высоких температур и удельных давлений при динамическом характере нагружения [1].  По сравнению с молотовыми штампами, штамповый инструмент для горячей высадки, протяжки, прессования и выдавливания находится более длительное время в соприкосновении с горячим металлом, нагревается до более высоких температур и испытывает при работе высокие давления без больших ударных нагрузок. 

     При работе пуансона для прошивки нелегированных  сталей на него оказываются следующие воздействия:

1. высокие температуры нагрева (может доходить до 500 ˚С);
2. циклическое воздействие напряжений от знакопеременных усилий при деформации;
3. высокие действующие напряжения, уровни которых приближаются к пределам текучести штамповых сталей для горячего деформирования;
4. термические напряжения, определяемые условиями нагрева и охлаждения штампов;
5. химическое взаимодействие деформируемых материалов.

     Таким образом, материалы из которых будет  изготовлен штамповый инструмент для горячего деформирования должны обладать следующими эксплуатационными свойствами:

     – высокой теплостойкостью, определяющей сопротивление стали пластической деформации, смятию при нагреве. Теплостойкость обеспечивает сохранение необходимых прочностных свойств при нагреве. Она характеризуется пределом текучести сталей при температурах деформирования;

     –   высокой вязкостью, которая определяет сопротивление стали хрупким разрушениям после термической обработки на твердость HRC 45– 50 и характеризуется чаще всего ударной вязкостью;

     –   окалиностойкостью и сопротивлением коррозии под напряжением;

     – сопротивлением термической усталости (разгаростойкостью). Разгаростойкость характеризуется устойчивостью против образования трещин при многократном нагреве и охлаждении. При каждом цикле штамповки в момент разогрева поверхностные слои испытывают сжимающие напряжения, так как их тепловое расширение затруднено менее нагретыми глубинными слоями. В первый момент охлаждения охлаждаемый слой тоньше, чем разогретый слой металла. В результате этого в охлаждаемом слое появляются растягивающие напряжения. Многократное повторение действия напряжений, обусловленных сложным характером циклического температурно–силового воздействия, приводит к усталостной повреждаемости путем образования сетки разгарных трещин на рабочих поверхностях.

     А также к штамповому инструменту  предъявляются следующие технологические свойства:

     – минимальной деформируемостью при термической обработке;

     – широким интервалом закалочных температур;

     – высокой закаливаемостью и прокаливаемостью;

     – устойчивостью против обезуглероживания  и окисления;

     – удовлетворительной обрабатываемостью  давлением, резанием;

     – удовлетворительной  шлифуемостью.

     Так как прошивной пуансон, эскиз  которого приведен на рисунке 1, в процессе работы нагревается до высоких температур и испытывает высокие действующие напряжения, не подвергаясь значительным ударным нагрузкам, то преобладающими требованиями к стали, предназначенной для их изготовления, являются высокая прочность при рабочих температурах и стойкость против разгара. Повышенная пластичность и теплопроводность, малый коэффициент теплового расширения и высокое положение критических точек также имеют важное значение, так как способствуют уменьшению разгара.

Рисунок 1 – Эскиз прошивного пуансона

     Кроме того, такие стали должны обладать большей устойчивостью против отпуска, чем стали для молотовых штампов. 

2.  Обоснование  выбора материала

     В таблице 2 представлены марки сталей, которые могут обеспечить необходимый комплекс свойств прошивных пуансонов, и их химический

состав [2]. 

Таблица 1–Химический состав сталей 4Х5МФС, 4Х5МФ1С, 4Х2В5МФ     (ГОСТ 5950– 73)

   Сталь 4Х2В5МФ относится к группе сталей высокой теплостойкости. Ее используют при горячем деформировании легированных сталей и жаропрочных сплавов в условиях разогрева до 650˚С. Так как пуансон для прошивки нелегированных сталей работает в условиях разогрева до 500– 520˚С, то необходимую теплостойкость смогут обеспечить и менее легированные, и как следствие более дешевые, - это стали 4Х5МФС, 4Х5МФ1С. Они относятся к группе сталей повышенной теплостойкости и вязкости. Сталь 4Х5МФС сохраняет удовлетворительный уровень прочности при длительном нагреве не выше 590˚С [2].

   Из  таблицы 1 видно, что сталь 4Х5МФ1С  имеет сходный химический состав со сталью 4Х5МФС и отличается лишь несколько большим содержанием  ванадия, поэтому является более  дорогостоящей.

     В связи с дороговизной сталей 4Х2В5МФ и 4Х5МФ1С, а также удовлетворительными характеристиками  стали 4Х5МФС, для изготовления прошивных пуансонов, работающих при температурах не превышающими 520°С, выбираем сталь 4Х5МФС. 

3. Описание  стали 4Х5МФС

1.3.1 Назначение и особенности химического  состава стали 

     Назначение: мелкие молотовые штампы, крупные (сечением более 200мм) молотовые и прессовые  вставки при горячем деформировании конструкционных сталей и цветных  сплавов в условиях крупносерийного  и массового производства, инструмент для высадки и выдавливания, пресс– формы литья под давлением алюминиевых, а также цинковых и магниевых сплавов.

     На  изотермической диаграмме, приведенной  на рисунке 2, при температурах выше мартенситной точки отчетливо видны два кинетических максимума, соответствующих диффузионному и промежуточному превращениям.

     Для обеспечения высокой прочности, а, следовательно, и требуемой закаливаемости в стали для горячих штампов должно содержаться достаточное количество углерода. Однако углерод понижает не только пластичность и вязкость стали, но и ее теплопроводность и стойкость против термической усталости. Поэтому содержание углерода в стали 4Х5МФС ограничивается 0,32– 0,40%. Химический состав стали приведен в таблице 2. Видно, что сталь 4Х5МФС легирована карбидообразующими элементами (хромом, ванадием, молибденом), повышающими стойкость против отпуска, а из элементов не образующих карбидов используется кремний. Хром придает стали хорошую окалиностойкость и повышенную износостойкость при нагреве. Молибден способствует уменьшению склонности стали к обратимой отпускной хрупкости при охлаждении после отпуска. Кремний, заметно повышающий критические точки, способствуют уменьшению разгара [1]. Температура критических точек стали 4Х5МФС представлена в таблице 3.

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.