X Международная студенческая научная конференция
«Студенческий научный форум» - 2018
 
     

ВЫБОР МАРКИ СТАЛИ И ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОЗЯЙСТВЕННЫХ НОЖЕЙ
Артюхина Д.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


В статье подобрали марку сталей для изготовления хозяйственных ножей и выбрали для нее наиболее оптимальную термическую обработку, обеспечивающую длительный срок службы.

Выбирая тот или иной нож, мы пытаемся понять, на что он способен, как долго прослужит, как быстро затупится и где его можно применять. Конечно же сложно ответить на все возникающие у нас вопросы, только лишь посмотрев на внешний вид рукояти и лезвия. Однако существует один критерий, благодаря которому можно оценить режущий инструмент и понять, чего от него ждать в будущем. Это марка стали.

В настоящее время для лезвия ножа используется сталь удовлетворяющая следующими требованиям:- режущая кромка остается острой в течение долгого времени;- нож легко затачивается;- структура прочная, не ломается;- стойкость к коррозии.Известно, что для изготовления лезвия используют следующие марки стали:

  • Сталь марки 95Х18;

  • Сталь марки 65Х13;

  • Сталь марки Х12МФ;

  • Сталь марки 9ХС;

  • Дамасская сталь;

  • Алмазная сталь марки ХВ5;

  • Быстрорежущая сталь;

  • Сталь марки У8;

  • Сталь 40Х13;

  • Сталь 50Х14МФ и т.д.

Хозяйственные ножи используют для нарезания мяса, овощей, фруктов, сыра и т.д. Но они не применяются для сервировки стола, в связи с этим их изготавливают из более дешевых материалов, с более простой отделкой.

В соответствии с ГОСТ 51015 – 97 [1] хлеборезные ножи имеют размеры от 165 до 360 мм. Их лезвие длинное с волнистой кромкой. Нож для мяса имеет характерную изогнутую форму с расширяющимся к острию лезвием, что позволяет концентрировать усилие в определенном месте. Нож для сыра имеет изогнутую форму, благодаря чему он не прилипает к лезвию и не ломается. [2, с.142].

Согласно основному требованию по ГОСТ 51015 – 97, материалом, идущим на изготовление клинков, являются углеродистые стали марок У8 и У10. При этом клинки должны быть прямолинейными с твердостью не менее 49 HRC.Для этой цели выбран оптимальный режим термической обработки, включающий в себя неполную закалку. Данный вид термообработки измельчает структуру, повышает твердость, прочность, износоустойчивость.

Была произведена термическая обработка стали У10, химический состав которой представлен в табл.1.

Таблица 1

Химический состав стали У10 (% вес)

Химический элемент

%

Кремний (Si)

0.17-0.33

Марганец (Mn)

0.17-0.33

Медь (Cu), не более

0.25

Никель (Ni)

0.25

Сера (S), не более

0.008

Углерод (C)

0.96-1.03

Фосфор (P), не более

0.030

Хром (Cr)

0.20

Углеродистые инструментальные стали этого класса имеют небольшую прокаливаемость вследствие неустойчивости переохлаждённого аустенита. Именно поэтому эти стали применяют для изготовления инструментов небольших размеров.

Все экспериментальные исследования по термической обработке проводились на кафедре «Материаловедение и товарная экспертиза» Самарского государственного технического университета.

Первоначально производили нагрев стали до температуры 750С

( выше линии А3, но ниже, чем Аст, для того, чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита). До температуры Аc1 c1 = 730º С, А=800º С) все еще сохраняется первоначальная структура. При температуре Аc1 происходит превращение перлита в аустенит. При нагреве выше точки Ас1 происходит растворение цементита в аустените. При увеличении температуры выше точки Аст происходит рост зерна аустенита. Поэтому после закалки (охлаждения со скоростью выше критической) имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У10. Следующая стадия – выдержка около 30 - 40 минут. Охлаждение инструмента после неполной закалки выполняли в воде, температура которой была примерно 20С. При более низких температурах охлаждения возникает риск увеличения растрескивания изделий, а при более высоких – получается неравномерной твердость инструмента. То же самое возможно, когда закалочная среда загрязнена минеральными и органическими остатками. В результате образуется мартенсит (М) закалки и цементит вторичный с твердостью HRC 58 – 59 (табл. 2).

Таблица 2

Твёрдость изделия до и после закалки.

Величина

До термообработки

После термообработки

Твёрдость

170-180 НВ

58-59 HRС

Структура

зернистый перлит

Мартенсит + цементит вторичный

После закалки производится отпуск изделия. Здесь происходит полное мартенситное превращение, уменьшаются внутренне напряжения, а вязкость сердцевины возрастает, что необходимо в данном случае для повышения износостойкости изделия.

Экспериментально получена твердость для трех видов отпуска:

  • Низкий - HRC 55 - нагрев до 200С - применяется для снятия внутренних напряжений ( структура : мартенсит отпуска );

  • Средний - HRC 48 - нагрев на 350 - 500С - повышает пластичность ( структура : троостит отпуска );

  • Высокий - HRC 35 - нагрев до 600С - возрастает удельная вязкость , следовательно падает прочность.

Для стали У10 был выбран средний отпуск, проводимый в воде. Температура отпуска после закалки составила 180 °С, так как после таких температур конечная продукция сохраняет достаточную твёрдость, и обладает достаточно вязкой сердцевиной. Время выдержки около 120 секунд. В результате получили структуру троостита (Т) отпуска (рис.1).

В результате назначенной термообработки – закалка при температуре 750С в воде с последующим отпуском при 180С и охлаждении изделия в воде – были достигнуты следующие результаты:

  • твёрдость после термообработки - 48 HRС;

  • повышение прочности и износостойкости;

  • переход структуры из зернистого перлита в мартенсит и затем образование троостита отпуска.

   

a

б

Рис. 1. Структура стали У10: а – исходная, б – после термической обработки

Вывод по проделанной работе: изделия из стали У10 , прошедшие термообработку, полностью соответствуют предъявляемым к ним требованиям (высокая твёрдость, износостойкость, прочность).

Так же возможная замена на сталь У8, которая тоже относится к классу инструментальных сталей. Её состав и микроструктура аналогичны составу и микроструктуре стали У10, при назначенной термической обработке её твёрдость окажется равной 57 HRС (вместо неполной закалки проводят полную закалку, так как сталь доэвтектоидная), прочность и износостойкость увеличатся, трещины, образованные при закалке будут незначительны (по сравнению со сталью У10 при предлагаемом режиме термообработки).

Таким образом, нами установлено, что для изготовления хозяйственных ножей оптимальным является использование стали У8 с применением закалки и среднего отпуска.

Список литературы:

1. ГОСТ 51015 – 97. Ножи хозяйственные и специальные. Общие технические условия. – Москва: Госстандарт России, 1998. – 15с.

2.Товароведение и экспертиза металлохозяйственных товаров: учебное пособие / Л.А. Мигачева, Е.А.Морозова, В.С.Муратов. – Самара: ООО «Офорт»; Самар.гос.техн. ун – т, 2009, - 320с.