Сталь для изготовления режущего инструмента – метчиков и плашек

Сталь для изготовления режущего инструмента – метчиков и плашек

Курсовая работа

Сталь для изготовления режущего инструмента - метчиков и плашек

метчик плашка сталь режущий

Содержание

Введение

. Основные сведения о метчиках и плашках

. Требования к режущему инструменту

. Общие сведения об инструментальных легированных сталях

. Сталь ХВГ. Характеристика, структура, свойства

. Общие сведения о термической обработке

. Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали ХВГ

Выводы

Используемая литература

Введение

В данной работе изучается сталь для изготовления режущего инструмента - метчиков и плашек. Прежде чем приступать к стали необходимо описать и охарактеризовать инструменты.

Для изготовления режущего инструмента - метчиков, плашек выбрана сталь ХВГ. Твердость после термической обработки НРС 60-62.

Обосновать выбор стали. Указать на возможность замены. Назначить режим термообработки. Описать структуру после термообработки.

Для изготовления метчиков и плашек дана сталь ХВГ - инструментальная легированная. Эта марка стали применяется для изготовления измерительных и режущих инструментов, для которых повышенное коробление при закалке недопустимо, резьбовых калибров, длинных метчиков, длинных разверток и других видов специального инструмента.

1. Основные сведения о метчиках и плашках

Метчик - инструмент для нарезания внутренней резьбы. Представляет собой цилиндрический винт, сопряженный с нарезаемой резьбой, с режущими кромками на конце. В зависимости от назначения метчики делятся на ручные, машинно-ручные, гаечные и плашечные. В зависимости от профиля нарезаемой резьбы метчики делятся на пять типов: для метрической, дюймовой, трубной, трапецеидальной и конической резьб.

Плашка (круглая нарезная) - инструмент для нарезания (накатывания) наружной резьбы вручную или на станках. Круглая плашка представляет собой гайку, сопряженную с нарезаемой резьбой, превращенную в режущий инструмент путем прорезания стружечных канавок и затылования зубьев. Нарезные плашки бывают круглые (лерки), раздвижные (призматические).

В зависимости от области применения, метчики и плашки изготавливают из инструментальной углеродистой и легированной быстрорежущей стали.

Для изготовления ручных метчиков и плашек обычно применяют углеродистую (легированную) инструментальную сталь. Метчики и плашки ручные применяют для нарезания внутренней и внешней резьбы вручную, поэтому принимаем скорость резания незначительно малой. При малых скоростях резания не происходит перегрев режущего инструмента, что очень существенно при выборе марки стали.

. Требования к режущему инструменту

Определим необходимые параметры для изготовления метчиков и плашек из стали ХВГ. Метчики и плашки относятся к режущим инструментам, к которым необходимо предъявить следующие требования:

. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость, для того чтобы в течение длительного времени срезать стружку.

. Значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при нагреве инструмента в процессе резания.

. Режущая часть инструмента должна иметь большую износостойкость в условиях высоких давлений и нагрева.

. Важным требованием является также достаточно высокая прочность инструментального материала, так как при недостаточной прочности происходит выкрашивание режущих кромок, либо поломка инструмента, особенно при их небольших размерах.

. Инструментальные материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, т.е. легко обрабатываться в процессе изготовления инструмента, а также быть сравнительно дешевыми.

Для изготовления метчиков и плашек дана сталь ХВГ - инструментальная легированная. Эта марка стали применяется для изготовления измерительных и режущих инструментов, для которых повышенное коробление при закалке недопустимо, резьбовых калибров, длинных метчиков, длинных разверток и других видов специального инструмента.

3. Общие сведения об инструментальных легированных сталях

Легированной называется сталь, в которой наряду с обычными примесями имеются легированные элементы, резко улучшающие ее свойства.

По химическому составу легированная сталь делится на три группы:

Ø  низколегированная сталь - не более 2,5% примесей;

Ø  среднелегированная - 2,5-10%;

Ø  высоколегированная - свыше 10%.

Инструментальная легированная сталь имеет ряд преимуществ перед инструментальной углеродистой сталью. Штампы из углеродистой стали обладают высокой твердостью и прочностью, но плохо сопротивляются удару. Метчики, развертки и другие длинные и тонкие инструменты из углеродистой стали при закалке получаются хрупкими, они ненадежны в работе и часто ломаются.

Режущий инструмент - резцы, фрезы, сверла из углеродистой стали при незначительном нагреве (около 200°C) теряют свою твердость, поэтому применение их при обработке металла с большой скоростью резания невозможно. При введении определенных легирующих примесей сталь приобретает красностойкость, износоустойчивость, получает глубокую прокаливаемость; она имеет высокую твердость (примерно 60-65 HRС), прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании и хорошо противостоит ударным нагрузкам.

Важнейшие легирующие примеси инструментальной легированной стали: хром, вольфрам, молибден, марганец, кремний. Содержание углерода в этой стали может быть ниже, чем в углеродистой, и колеблется от 0,3 до 2,3%.

Обозначение марки легированной стали, например 25ХГ2С, показывает, что в ней содержится 0,25% углерода, 1% хрома, 2% марганца и 1% кремния. Таким образом первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, остальные - содержание легирующего элемента.

При маркировке высококачественной легированной стали в конце ставится буква А. Например, 30 ХМА - легированная хромомолибденовая высококачественная сталь.

Чаще всего инструментальные - это заэвтектоидные или ледебуритные стали, со структурой после закалки и низкого отпуска - мартенсит и избыточные карбиды.

Все инструментальные стали подразделяются на три группы:

. нетеплостойкие (углеродистые и легированные с содержанием легирующих элементов до 3-4%).

. полутеплостойкие (до 400-500°С, с содержанием углерода до 6-7%, а хрома 4-18%).

. теплостойкие (до 550-650°С. это в основном высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие Cr, W, V, Mo, Co - их ещё называют быстрорежущими).

Одной из важнейших характеристик инструментальных сталей является прокаливаемость. Из всех инструментальных сталей высокой прокаливаемостью обладают только высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали. Инструментальные стали, которые не обладают теплостойкостью, делят на две группы:

. стали небольшой прокаливаемости (углеродистые).

. стали повышенной прокаливаемости (легированные).

. Сталь ХВГ. Характеристика, структура, свойства

Из указанных ранее общих сведений об инструментальных сталях мы можем сделать вывод, что предложенная нам для изготовления метчиков и плашек сталь ХВГ относится к легированным сталям повышенной прокаливаемости, необладающей теплостойкостью, именно поэтому эту сталь применяют для изготовления инструментов небольших размеров, таких, например, как метчики и плашки.

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента, только тогда, когда процесс резанья происходит при малых скоростях, т.к. при нагреве выше температуры 190-200°С сильно снижается высокая твердость данной стали.

Сталь ХВГ - содержание углерода примерно 1%, содержание каждого из легирующих элементов в среднем 1%.

Химический состав стали в %

Ø  Кремний: 0,10-0,40

Ø  Марганец: 0,80-1,10

Ø  Медь: до 0,3

Ø  Никель: до 0,35

Ø  Сера: 0,03

Ø  Углерод: 0,90-1,05

Ø  Фосфор: 0,03

Ø  Хром: 0,90-1,20

Ø  Молибден: 0,30

Ø  Вольфрам: 1,20-1,60

Температуры критических точек материала знать необходимо для дальнейшего проведения анализа стали и последующего выбора термообработки.

По отношению к углероду хром и вольфрам относятся к карбидообразующим элементам. Они растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Влияние легирующих элементов на свойства стали заключается в основном в воздействии их на характер превращения переохлажденного аустенита и на состав карбидных фаз, образующихся в стали и выделяющихся в процессе распада мартенсита при отпуске.

Влияние хрома: повышает точку Ас1. Хромистый феррит обладает повышенными прочностными свойствами, хром уменьшает склонность феррита к хрупкому разрушению, смещает максимальную скорость превращения аустенита в перлитной области к более высоким температурам, уменьшает скорость перлитного превращения. В случае полного растворения карбидов и, таким образом, значительного насыщения твердого раствора углеродом и хромом мартенситная точка стали существенно снижается, и в стали сохраняется много остаточного аустенита. Хромистая сталь обладает повышенной устойчивостью против отпуска. Хром повышает прокаливаемость стали, способствует получению высокой и равномерной твердости. Наличие карбидов хрома или карбидов цементитного типа, легированных хромом, обеспечивает стали повышенную износостойкость.

Влияние вольфрама: повышает точки Ас3 и Ас1. Повышает температуру рекристаллизации, твердость, предел прочности и предел текучести феррита, снижает пластичность. Вольфрам и образуемые им карбиды уменьшают склонность аустенита к росту зерна. Вольфрам повышает устойчивость аустенита в перлитной области, почти не влияя на его устойчивость в промежуточной области. Повышает устойчивость против отпуска. Придает теплостойкость.

Влияние марганца: легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность. Содержание марганца более 1% увеличивает ударную вязкость, расширяет область аустенита, увеличивает прокаливаемость, способствует раскислению, образует устойчивые карбиды, повышает сопротивление коррозии.

Свойства стали:

Сталь ХВГ - качественная сталь, по структуре относится к заэвтектоидной. Структура стали в закаленном состоянии -мартенсит, остаточный аустенит и вторичный цементит.

Преимущества стали, как нетеплостойкой:

1.      Однородная структура с мелкими и равномерно распределенными карбидами.

2.      Очень хорошо обрабатывается после отжига резаньем и давлением в холодном состоянии.

.        Пригодна для закалки с индукционным нагревом.

Недостатки:

1.      Пригодна только для резанья относительно мягких материалов с небольшой скоростью.

2.      Используется для инструмента, не подвергаемого в работе, нагреву свыше 200-250⁰С.

Исходя из выше перечисленных требований (пункт 2.2.) для изготовления метчиков и плашек, можно сделать вывод, что углеродистая легированная сталь ХВГ отвечает эти требованиям.

. Общие сведения о термической обработке

Для того чтобы определиться с термической обработкой для стали ХВГ, рассмотрим основные понятия термической обработки и суть их применения.

Термической обработкой называется нагрев сплава до определенной температуры, выдержка его при данной температуре и последующее охлаждение с заданной скоростью. Целью термической обработки является получение заданных свойств сплава путем изменения его структуры без изменения формы и состава. Термической обработкой можно изменять свойства сплавов в самых различных целях. Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых полуфабрикатом и готовым изделиям, является отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Закалка - термическая обработка - заключается в нагреве стали до температуры выше критической, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск - термическая обработка - заключается в нагреве закалённой стали ниже Ас1, в выдержке и последующем охлаждении.

Инструментальную сталь (У10) в основном подвергают закалке и отпуску для повышения твердости, износостойкости и прочности, т.е. именно для улучшения тех параметров которые нам необходимы для изготовления метчиков и плашек.

. Выбор термообработки для метчиков и плашек изготовленных из стали ХВГ

Изучив основы термической обработки стали назначим для стали ХВГ режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска).

Сталь ХВГ - сталь повышенной прокаливаемости. Инструмент из этой стали закаливается в масле (при ступенчатой закалке - в соли) и прокаливается, как правило, насквозь. Сталь получает высокую твердость, что позволяет значительно уменьшить деформацию инструментов.

Режимы закалки приведены в таблице. При нагреве до указанных в ней температур сталь сохраняет мелкое зерно и более высокую прочность. Структура после охлаждения - скрытокристаллический мартенсит, вторичный цементит и остаточный аустенит.

Для предупреждения обезуглероживания и окисления нагрев выполняют в расплавленных солях BaCl2 и NaCl.

Выдержка на каждый миллиметр диаметра 20-35 с при нагреве в соли и 50-80 с при нагреве в печи. Ее увеличивают на 20-25% для мелких инструментов.

Стали охлаждают в а) масле (20-25⁰С) или б) расплавленной соли (55% NaNO3 и 45% NaNO2), а затем на воздухе, выдержка в соли равна 30-50% от выдержки, принятой для окончательного нагрева.

Режимы закалки нетеплостойких сталей высокой твердости

Режим отпуска 180-200⁰С. Такой отпуск является низким отпуском. Низкий отпуск проводят при нагреве до 250°С. При этом снижаются закалочные микронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,6-1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость 60-62 HRC, а, следовательно, высокую износостойкость. Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку. Продолжительность отпуска составляет обычно 1-2,5 часа.

В структуре сохраняется более мягкая составляющая - остаточный аустенит, полученный при закалке.

Выводы

После проделанной работы получили сталь высокой и равномерной твердости, с повышенной износостойкостью, а также с высокой прочностью. Полученная сталь отвечает основным требованиям, предъявляемым к стали для режущего инструмента. Значит, метчики и плашки можно делать из стали ХВГ.

Данную сталь можно заменить другой, с похожими свойствами и структурой. Например, сталями марок ХВСГ, У11А, Х, 9ХС, У10.

Используемая литература

1.      Гуляев А.П., Металловедение; "Металлургия" 2010 г.

2.      Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение 2006 г.

.        И.И. Новиков "Теория термической обработки металлов" 2011 г.

.        М.Л. Бернштейн "Металловедение и термическая обработка стали" том 3 "Термическая обработка металлопродукции".

.        Справочник металлиста.