Как избавиться от цементитной сетки в инструментальных сталях

В последнее время для улучшения структуры сталей и повышения их механических свойств разрабатываются различные виды термической обработки металлов, основанные на использовании циклических тепловых воздействий, получивших название термоциклической обработки (ТЦО) [1].

В отличие от других видов термической обработки структурные и фазовые превращения при ТЦО совершаются многократно при изменяющейся температуре нагрева-охлаждения. Необходимость многократного повторения обработки при заданных температурах, как правило, обусловлена стремлением накопить изменения, которые коренным образом улучшают качество изделий и придают им свойства, недостижимые при одноразовой термической обработке [2, 3]. Чаще всего возникающие изменения от цикла к циклу связывают с изменениями, вызванными пластической деформацией. При ТЦО наклеп осуществляется в процессе термической обработки, но на этой основе разработаны и другие методы упрочнения сталей и сплавов, такие как механико-термическая обработка (МТО) [3, 4] и др. Основное отличие МТО от ТЦО в том, что при МТО предполагается предварительное механическое упрочнение (наклеп), после которого проводят термическую обработку.

Характер фазового взаимодействия компонентов в системе во многом определяет эффективность воздействия ТЦО на изменения структуры и свойств сплавов. В случае полной несмешиваемости компонентов в твердом состоянии термоциклирование не сопровождается изменением количества фаз в системе, а структурные изменения в сплавах этой системы под воздействием ТЦО могут быть связаны лишь с последствиями микропластической деформации и последующей рекристаллизации. Микропластические деформации упрочняют сплавы, а рекристаллизация повышает их пластичность [5].

При растворимости компонентов друг в друге в эвтектической и перитектической системе характер процессов ТЦО изменяется. Растворимость компонентов приводит к возможности диффузионного массопереноса через твердые растворы. Появляется возможность диффузионного деления протяженных частиц как в эвтектике, так и избыточных фаз, а также их сфероидизация и коагуляция [5 ,7].

При ТЦО сплавов, матрица которых претерпевает фазовые превращения (например, сплавы на основе железа), возникают значительные межфазные напряжения при повторных диффузионных превращениях, а также градиенты температур между отдельными элементами матрицы, которые приводят к увеличению центров превращения и, в итоге, к измельчению зерна [6]. Сплавы со сформированной таким образом структурой имеют повышенную ударную вязкость, высокую прочность и удовлетворительную пластичность.

В железоуглеродистых сплавах имеет место фазовое превращение, которое играет решающую роль в делении сетки карбидов и значительно упрощает ТЦО. Установлено [7, 9,13], что ТЦО оказывает существенное влияние на структурное состояние карбидов. Из непрерывной сетки пластинчатого строения в результате ТЦО образуются изолированные дисперсные карбиды глобулярной формы, располагающиеся как по границам аустенитных зерен, так и внутри зерна.

Эффективность влияния ТЦО на структуру и свойства стали во многом определяется режимом ее осуществления, то есть температурами в цикле, количеством циклов, а также скоростями нагрева и охлаждения. Так, Левицкий М.О. [8] исследовал влияние маятникового термоциклирования в области температур фазового превращения Ас1 на свойства стали 40Х электрошлакового производства. Термоциклирование в этой работе проводили в качестве промежуточной термической обработки после нормализации, а последующие закалку и отпуск — по стандартному режиму. ТЦО положительно сказывается на механических и физико-химических свойствах (изучали коррозионную стойкость) стали. Отмечается заметное повышение ударной вязкости.

Показано [9, 10], что термическое циклирование заэвтектоидной стали приводит к повышению комплекса её свойств. В этих работах ТЦО проводили вместо отжига и сопровождали закалкой от последнего цикла нагрева, что позволило уменьшить продолжительность процесса термообработки. Так, предложенный авторами [9] способ обеспечивает повышение износостойкости стали в 1,48 раза. В то же время отмечается [10], что с увеличением циклов более трех — пяти, при циклировании литой стали Р6М5 в интервале температур 850 — 1200 0С из-за укрупнения аустенитного зерна свойства стали ухудшаются. В [7] замечено, что число циклов ТЦО зависит от структуры стали, полученной в предыдущих термических обработках.

Читайте также: Gta 5 стали пропадать текстуры

Очевидно, что стали, обладающие небольшой толщиной эвтектоидных карбидов, требуют для получения одинаковых эффектов после ТЦО меньшего числа циклов, чем стали с грубой карбидной сеткой.

Проведено опробование ТЦО и в качестве окончательной термической обработки для инструментальных сталей 5ХНМ и 4Х5МФС (штамповые стали для горячего объемного деформирования), а также стали Х12Ф1 (сталь для штампов холодного деформирования) [2].Наиболее высокие значения ударной вязкости были получены после ТЦО в следующем режиме: первый нагрев на 50 — 100 градусов выше точки Ас1, после чего следует охлаждение в масле до комнатной температуры (первая закалка), затем повторный нагрев до температуры, на 30 градусов меньшей или равной температуре обычной закалки с последующим охлаждением в масле (вторая закалка). Проведение ТЦО в таком режиме обеспечивает твердость поверхности штампа, бóльшую или равную твердости, получаемой после традиционной закалки. Соответствующий отпуск позволяет снизить твердость до требуемого значения.

Окончательная ТЦО дает возможность получить мелкоигольчатый мартенсит. После отпуска образуется также мелкозернистая структура, обеспечивающая высокий комплекс механических свойств стали.

Авторы [10, 11] проводили термоциклическую обработку углеродистых сталей. С целью повышения прочности и пластичности среднеуглеродистых и низколегированных сталей проводили термоциклирование относительно точки А1 и закалку с нагрева до температуры выше Ас3 [10], Структура стали У8А после ТЦО (нагрев в соляной ванне до температуры закалки и охлаждения на спокойном воздухе) — зернистый перлит. Значительно измельчается зерно от 0,0244 до 0,0027 мм в стали У8А после шести циклов ТЦО [11]. Исходная структура грубопластинчатого перлита трансформируется в структуру зернистого перлита 1:2 балла по ГОСТ 8233-56. Повышенная пластичность стали после ТЦО обусловлена наличием мелкого действительного зерна и дисперсностью цементитных глобулей. В этой работе также исследовали катанку из стали У12А электрошлакового переплава. После шести циклов ТЦО (скоростной нагрев до 770 градусов и охлаждение на спокойном воздухе до 680 градусов по Цельсию) цементитную сетку в структуре стали удалось полностью разрушить. После ТЦО бывшая цементитная сетка представляла собой цепочку из отдельных карбидов сферической формы. Авторы делают вывод, что ТЦО является эффективным способом устранения цементитной сетки в структуре заэвтектоидной стали. При этом значительно повышается пластичность стали.

Таким образом, изложенное выше говорит об эффективности применения ТЦО для улучшения структуры и свойств сталей как простого, так и сложного химического состава.

Изучению возможностей применения ТЦО с целью улучшения структуры и механических свойств сталей, а следовательно и повышению работоспособности деталей машин и инструмента уделяется в последнее время большое внимание как со стороны производства, так и со стороны науки. В результате разработан ряд новых технологий предварительной термоциклической обработки, имеются сведения и об использовании ТЦО в качестве окончательной термической обработки (некоторые из них описаны выше). Однако выбор режимов ТЦО до сих пор ведется эмпирическим путем, а недостатками этих технологий является то, что повышение пластичности стали не сопровождается необходимым высоким уровнем ее прочностных свойств, а также то, что все ранее известные способы достаточно длительны во времени и трудоемки в исполнении.

Отсутствие обоснованных представлений о механизме формирования комплекса оптимальных свойств в процессе ТЦО создало условия нерационального выбора и зачастую неэффективного использования потенциальных возможностей перспективного метода упрочнения сталей и сплавов.

Противоречивое понимание взаимного влияния различных параметров термоциклирования (температура в цикле, скорость нагрева и охлаждения, количество термоциклов и др.) создало предпосылки для применения широкого спектра способов ТЦО, отличающихся не только принципом воздействия на структуру (с полными фазовыми превращениями, с частичными или без таковых), но и самое главное, различающихся до 20 — 50 раз энергозатратами для получения необходимого результата.

Читайте также: Мозги стали плохо соображать

В связи с этим разработка и внедрение новых более эффективных технологий упрочнения инструментальных сталей, повышающих качество готового инструмента и, в конечном итоге — эксплуатационную стойкость, обеспечивающую значительное снижение ресурсо — и энергозатрат, направлены на теоретическое обоснование и решение научно-теоретической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Целью настоящей работы являлась разработка новой высокоэффективной технологии термического упрочнения инструментальных сталей для штампового инструмента на основе установления обобщенного механизма формирования их структуры и свойств в процессе окончательной термоциклической обработки.

Проведена оптимизация режимов окончательной термоциклической обработки для инструментальных сталей У8А, У10, 9ХС, Х12Ф1 и др.

Построены математические модели, связывающие технологические факторы ТЦО (температура нагрева и охлаждения, время выдержки при этих температурах, скорость нагрева и охлаждения) со структурой и механическими свойствами наиболее широко применяемых углеродистых и легированных инструментальных сталей.

Математические модели отчетливо выявили те параметры режима ТЦО, которые наиболее сильно влияют на механические свойства, а также эффекты их взаимодействия. Установлено, что основными критериями, определяющими пластичность и ударную вязкость эвтектоидной стали является температура в термоцикле и время выдержки при максимальной температуре.

Изучено влияние параметров высокотемпературной ТЦО с неполными фазовыми превращениями на структуру и физико-механические свойства холодно — штамповых сталей.

Исследования показали, что повышение ударной вязкости образцов из стали Х12Ф1, обработанных по оптимальным режимам высокотемпературной термоциклической обработки с неполными фазовыми превращениями, происходит уже после двух термоциклов (табл. 1).

Механические свойства стали Х12МФ

Традиционная ТО: 59,5 — 61,5 30 — 40

ТЦО + отпуск 60 — 61 65 — 75

Как видно из таблицы, повышение ударной вязкости при сохранении твердости образцов, подвергнутых ТЦО, по сравнению с традиционной термообработкой составило 1,6 — 2,5 раза.

Рентгенографические исследования показали, что мартенсит имеет меньшую степень тетрагональности, что объясняется снижением в нем углерода при ТЦО по оптимальным для этой стали режимам. Также отмечено уменьшение интенсивности на углах существования карбидов хрома и молибдена, что можно объяснить измельчением и более равномерным их распределением по объему металла. Это подтверждается и металлографическими исследованиями, которые кроме измельчения карбидной фазы показали уменьшение исходного зерна. Всеми этими изменениями можно объяснить полученный высокий комплекс физико-механических свойств исследуемой стали.

Разработан новый способ термоциклической обработки углеродистых инструментальных сталей [14, 17, 19] и способ термоциклической обработки легированных инструментальных сталей [13, 15, 16, 18, 20]. Разработанная технология термоциклического упрочнения инструментальных сталей является окончательной операцией термической обработки деталей машин и инструментов и защищена патентами Российской Федерации на изобретения.

Выполнение ТЦО по разработанным режимам позволяет повысить ударную вязкость углеродистых инструментальных сталей при сохранении высокой твердости и прочности (табл. 2) за счет чередующегося повторения процессов взаимного растворения между феррито-карбидной смесью и аустенитом, способствующего получению благоприятного структурного состояния в конечной структуре стали и возможности протекания процессов коагуляции и сфероидизации частиц избыточных фаз (сульфидов, фосфидов и др.), уменьшающих вредное влияние этих примесей. Кроме того, в разработанном способе ТЦО снижена длительность процесса за счет уменьшения количества циклов нагрева и охлаждения.

Механические свойства углеродистых

инструментальных сталей после различных видов термической обработки (ТО)

Вид ТО Марка Твердость Ударная

Применение нового способа термоциклической обработки позволяет повысить ударную вязкость углеродистой инструментальной стали в 4 — 6 раз по сравнению с традиционной закалкой при сохранении высокой твердости и прочности. Улучшение комплекса физико — механических свойств позволяет повысить эксплуатационную стойкость инструмента, особенно испытывающего динамические нагрузки.

Новая технология термической обработки предназначена для повышения эксплуатационной стойкости холодноштампового инструмента из этих сталей и наиболее эффективна для инструмента, испытывающего большие ударные нагрузки, в частности для мелкоразмерного инструмента, а также для инструмента, применяемого при вырубке- пробивке, благодаря более высоким показателям ударной вязкости и прочности [16, 18, 20].

Читайте также: Материал нержавеющая сталь виды

Более полное изучение кинетики формирования окончательной структуры легированных сталей в процессе проведения ТЦО с использованием тонких методов исследований позволит предложить обобщенный механизм формирования структуры и свойств этих сталей при окончательной ТЦО, а понимание механизма формирования свойств и структуры, их определяющей, позволит сформулировать принципы и возможные направления оптимизации параметров ТЦО в целях повышения качества инструмента, стабилизации его свойств и повышения эксплуатационной стойкости.

1.Федюкин В.К. Термоциклическая обработка сталей и чугунов. — Л.: Машиностроение, 1977. — 384 с.

2.Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. — Л.: Машиностроение. Ленинград. отд-ние. 1989. — 255 с.

3.Термоциклическая обработка сталей, сплавов и композиционных материалов/ А.С. Тихонов, И.Г. Леушин и др. — М.: Наука, 1984. — 186 с.

4. Баранов А.А. Особенности фазовых и структурных превращений при ТЦО металлов// 11 Всесоюзная конф.: Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа: — Днепропетровск, 1982. -С. 5 — 6.

5. Биронт В.С., Заиграйкина Б.С. Роль фазовых взаимодействий в ТЦО сплавов.// там же -С. 10 — 11.

6.Биронт В.С., Носовец Н.Г., Комендровская О.М. Термическая обработка доэвтектоидной стали // там же. С. 68 — 71.

7. Рейнага Мартинес Марселино. Разработка литой микролегированной быстрорежущей стали Р6М5 на основе структурных исследований: Дисс. канд. техн. наук.- Минск. 1985.- 214 с.

8. Левицкий М.О. Влияние термоциклической обработки на коррозионно-механические свойства литой электрошлаковой стали 40Х // Физ.-хим. механика материалов.- 1984 — ?14.- С 50 — 52.

9. А. С. 1102815 СССР. МКИ С 21 Д 9/ 22, 1/78. Способ термической обработки заэвтектоидной стали / В.С. Биронт.

10 Тофпенец Р.Л., Бельский С. Е., Шиманский И.И. Оптимизация режимов термоциклической обработки быстрорежущих сталей // Пути повышения эффективности использования материалов: Тез. докл. НТК.- Минск, 1983.- С. 35 — 37.

11. А.с. 1315487 СССР, МКИ С 21 Д 1/78. Способ термоциклической обработки среднеуглеродистых низколегированных сталей / В.В. Порубов, И.В. Порубов.

12. Термоциклическая обработка проволоки из углеродистой стали / А.В. Анашкин, А.В. Белов, А.А. Соколов и др. // МиТОМ. — 1988.- ?2.- С. 10 — 12.

13. Гурьев А.М., Ворошнин Л.Г. и др. Способ термоциклической обработки инструментальных сталей // Патент ?2078440, РФ, кл. С 21 Д 1/78 от 27.14.97.

14.Гурьев А.М., Кириенко А.М., Рубцов А.А. Способ термоциклической обработки углеродистых инструментальных сталей // Патент ?2090629, РФ, кл. С21 Д 1/78 от 20.09.97.

15. Гурьев А.М. Влияние упрочняющей термоциклической обработки на свойства литых штамповых сталей // Пути повышения качества и надежности деталей машин и инструмента: Сб. тез. НК. Барнаул — Рубцовск, 1991.- С. 151.

16. Гурьев А.М., Андросов А.П., Кириенко А.М. Высокоэффективная не требующая больших затрат технология термического упрочнения инструмента // Юбилейная НПК БТИ: Сб. тез. докл. НПК, ч. 2. БТИ, — Бийск: Изд-во АлтГТУ, 1995.-С. 31 — 33.

17. Гурьев А.М., Чепрасов Д.П., Рубцов А.А. Кинетика изменения структуры и свойств углеродистой стали эвтектоидного состава при термоциклической обработке // Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин: СБ. тез. докл. Международной НПК. Волгоград, 1996. С. 81-82.

18. Гурьев А.М., Чепрасов Д.П. Рубцов А.А. Термоциклическое упрочнение штампового инструмента // Нефть и газ Западной Сибири: Тез. докл. Международной НТК ТюмГНГУ.- Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 1996. С. 41-42.

19. Гурьев А.М., Чепрасов Д.П., Рубцов А.А. ТЦО углеродистых инструментальных сталей // Всероссийская НТК.: Сб. тез. докл. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1996. С. 87.

20. Гурьев А.М., Евтушенко А.Т. Новые материалы и технологии для литых штампов горячего деформирования: Учебное пособие для вузов / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998. — 208 с.

  • Свежие записи
    • Укладываем художественный паркет самостоятельно
    • Как лучше всего защитить стены из газоблока от разрушения в первую зиму после строительства дома
    • Арболит, он же — опилкобетон
    • Особенности звукоизоляции помещений
    • Глина с опилками – самый лучший и дешевый способ утепления бетонных стен дома