X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Цели и задачи.

Требования к изготовляемому изделию: максимальный срок службы; способность материала выдерживать заданную нагрузку при активном использовании; минимальная себестоимость при максимальном качестве;оптимальная технология производства.

Цель:

Подбор материала, отвечающего вышеизложенным условиям, для изготовления столярного инструмента “Стамеска”

Задачи:

Анализ функций инструмента в рабочем состоянии;

Определения свойств материала изделия;

Определение химического состава материала;

Выбор оптимального материала;

Обоснование выбора термической обработки.

Функции изделия в рабочем состоянии.

В рабочем состоянии стамеска используется для выборки небольших углублений в древесине, зачистки пазов, снятия фасок, рельефной и контурной резьбы.

При резании на стамеску нажимают рукой, и лишь иногда торец ручки стамески испытывает ударные нагрузки, передаваемые от киянки или молотка. Работа инструмента происходит при комнатных условиях температуры и влажности

Определения свойств материала инструмента “Стамеска”.

Исходя из анализа функций столярного инструмента “Стамеска” в рабочем состоянии, обозначим требования к материалу. Зная требования, установим его характерные свойства:

Механические свойства (твёрдость, прочность, ударная вязкость):

Материал, из которого изготовлен инструмент “Стамеска”, должен беспрепятственно проникать в материал заготовки и выдерживать ударные нагрузки, то есть твердость материала инструмента должна быть выше твердости материала заготовки.

Химические свойства (коррозионная стойкость):

Материал, из которого изготовлен инструмент “Стамеска”, должен противостоять условиям окружающей среды.

Технологические свойства (жидкотекучесть, обрабатываемость резанием, прокаливаемость, закаливаемость):

Материал, из которого изготовлен инструмент “Стамеска”, должен при изготовлении методом литья создавать жидкую хорошо текущую струю, заполнять заданную форму и поддаваться обработке режущим инструментом. При термической обработке способом, называемым “Закалка”, должен закаливаться на определенную глубину и принимать высокую прочность после обработки.

Эксплуатационные свойства (хладноломкость, жаропрочность):

Материал, из которого изготовлен инструмент “Стамеска”, должен противостоять хрупкому разрушению в процессе использования, то есть крайний нижний порог хладноломкости должен быть выше верхней рабочей температуры (20 °С), и переносить механические нагрузки без особой деформации при температурах до 100 °С.

Определение химического состава материала.

Исходя из требуемых свойств материала, нами выбраны четыре марки стали. Рассмотрим их основные характеристики.

Сталь Р6М5:

Быстрорежущая инструментальная сталь, химический состав: С (0,82 – 0,90), W (5,5 – 6,5), Мо (4,8 – 5,3), Cr (3,8 – 4,4), V (1,7 – 2,1), Со (< 0,5). Твёрдость HRC – 63-65. Технологические свойства: жидкотекучесть, закаливаемость и прокаливаемость. Термическая обработка: закалка при 1220 °С с охлаждением в масле и высокий трёхкратный отпуск при 550 °С с охлаждением на воздухе. Применение: все виды режущих инструментов, работающих с ударными нагрузками.

Достоинства и недостатки:

Коррозионная стойкость средняя, твердость и прочность в термически-обработанном состоянии высокие, ударная вязкость и жидкотекучесть средние, термическая обработка сложная, высокая стоимость.

Сталь 8ХФ:

Низколегированная инструментальная сталь. Химический состав: С (0,7 – 0,8), Si (0,1 – 0,4), Mn (0,15 – 0,45), Cr (0,4 – 0,7), V (0,15 – 0,3). Твёрдость HRC – 61-63. Технологические свойства: жидкотекучесть, закаливаемость и прокаливаемость. Термическая обработка: закалка при 830°С с охлаждением в воде и низкий отпуск при 220 °С с охлаждением на воздухе. Применение: штемпели при холодной работе, ножи при холодной резке металлов, обрезка заусенцев, кернеры.

Достоинства и недостатки:

Коррозионная стойкость средняя, твердость в термически-обработанном состоянии высокая, а прочность ниже, чем у сталей Р6М5 и У8А, ударная вязкость выше среднего, жидкотекучесть средняя, термическая обработка простая, низкая стоимость производства по сравнению с Р6М5, но высокая по отношению к У8А.

Сталь 15ХФ:

Хромованадиевая сталь, химический состав: С (0,12 – 0,18), Si (0,17 – 0,37), Mn (0,4 – 0,7), Cr (0,8 – 1,1), V (0,06 – 0,12), Ni (0,3), Cu (0,3). Твёрдость HRC – 63-64. Технологическим свойства: жидкотекучесть, закаливаемость и прокаливаемость. Термическая обработка: закалка при 790 °С с охлаждением в воде и низкий отпуск при 180 °С с охлаждением на воздухе. Применение: небольшие детали машин (зубчатые колёса, поршневые пальцы, плунжеры).

Достоинства и недостатки:

Коррозионная стойкость средняя, твердость в термически-обработанном состоянии высокая, а прочность ниже, чем у сталей Р6М5 и У8А, ударная вязкость выше среднего, жидкотекучесть средняя, термическая обработка простая, низкая стоимость производства по сравнению с Р6М5, но высокой по отношению к У8А.

Сталь У8А:

Углеродистая инструментальная сталь, химический состав: С (0,75 – 0,84), Mn (0,15 – 0,4), Cr (< 0,15), Si (0,17 – 0,33). Твёрдость HRC – 62-63. Технологические свойства: жидкотекучесть, закаливаемость и прокаливаемость. Термическая обработка: закалка при 770°С с охлаждением в воде и низкий отпуск при 150 °С с охлаждением на воздухе. Применение: инструменты, подвергающиеся ударам и толчкам (зубила, клейма, кернеры).

Достоинства и недостатки:

Коррозионная стойкость низкая, твердость в термически-обработанном состоянии высокая, а прочность ниже чем у Р6М5, но выше чем у 8ХФ и 15ХФ, ударная вязкость выше среднего, жидкотекучесть средняя, термическая обработка простая, низкая стоимость производства.

Выбор оптимального материала

На основе описанных свойств, их химического состава и достоинств и недостатков четырёх выбранных нами марок сталей делаем вывод, что для изготовления столярного инструмента “Стамеска” наиболее подходящим материалом является сталь У8А, которая удовлетворяет установленным требованиям и обладает рядом преимуществ по сравнению с другими: выгодное производство; простая термическая обработка; Необходимый и достаточный комплекс характеристик (твёрдость, прочность, ударная вязкость), который нужен нам в итоге производства изделия.

Проведение термической обработки.

Проведём анализ оптимальной термической обработки стали У8А.

В данной стали содержится 0,8 % С, она является эвтектоидной (рис. 1)

Рисунок 1. Расположение стали У8А на диаграмме железо – углерод

1) Полная закалка. Нагрев стали на 30 - 50⁰С выше критической точки А_с1, резкое охлаждением в воде, температура около 770⁰С, время выдержки определяется временем появления необходимых изменений структуры. Итог: мартенситная структура с остаточным аустенитом.

2) Высокотемпературный отпуск. Нагревом до 500 - 650⁰С. Итог: структура сорбита отпуска (С_отп.), твёрдость которого 20 - 30 HRC, а также для снижения внутренних напряжений и получения максимальной вязкости.

Но эта твёрдость не отвечает установленным требованиям, поэтому дальше проводим поверхностную закалку токами высокой частоты (ТВЧ), так как этим мы сможем регулировать глубину закалённого слоя частотой и временем и так как при закалке на поверхности детали практически не проявляется окисление.

Температура нагрева - 760 - 770⁰С, охлаждение проводится в воде. Время нагрева должно быть небольшим, поскольку размер основной части стамески не большой.

Далее проводится низкотемпературный отпуск с нагревом до 150 - 200⁰С. Он предвещает получение структуры мартенсита отпуска (М_отп) твёрдостью примерно 64 HRC. Также присутствуют внутренние напряжения.

В конце концов, получают сердцевину, структура которой С_отп, твердость в интервале 20 - 30 HRC и максимальная вязкость, которая будет противостоять ударной нагрузке. Поверхность же нашего изделия имеет структуру М_отп, твердость которого 64 HRC, это будет способствовать проникновению стамески в материал заготовки.

Схему термической обработки стали У8А представим на рис. 2.

Рисунок 2. Термическая обработка стали У8А

Структуру стали, после термообработки на рис. 3.

Рисунок 3. Структура стали после термообработки:

а) Сорбит отпуска; б) Мартенсит отпуска.

Заключение

Целью работы был подбор материала для изготовления столярного инструмента “Стамеска” так, чтобы он удовлетворял ряду требований (срок службы, себестоимость, технология изготовления) и выбор оптимальной термической обработки.

В ходе работы нами было установлено, что углеродистая инструментальная сталь У8А является самым оптимальным материалом для производства столярного инструмента “Стамеска”

Код для цитирования: Скопировать