Введение к работе
Актуальность работы. Инструментальное обеспечение машиностроения вляется одним из решающих факторов, обеспечивающих надежное функцио-ирование всей технологической цепочки в целом. При относительно низ-ой себестоимости инструмента существенная доля простоев оборудования подавляющая часть технологического брака вызвана авариями и неудов-етворителышм состоянием инструмента. Применение щадящих режимов зкс-луатации инструмента ведет к экономическим потерям, к снижению произ-одительности труда. Поэтому задача повышения качества инструмента яв-яется весьма актуальной.
Качество инструмента, его служебные свойства зависят от многих акторов.Изучение причин преждевременного разрушения изделий указывает а весьма важное значение степени дисперсности карбидных и других вто-ичных фаз и равномерности их распределения в матрице. Для инструмен-ов, изготавливаемых из инструментальных высоколегированных стаией ле-ебуритного класса и заэвтектоидных этот факт имеет особенно важное начение, поскольку эти материалы отличаются повышенной карбидной ие-днородностью. Имеется много данных,показывающих, что уменьшение кар-идной неоднородности тем или иным способом, создание в матрице отно-ительно правильного чередования частиц карбидов или интерметаллидов, .е. образование типа микрорешетки из зтих фаз, позволяет значительно овысить эксплуатационные свойства инструмента. Применяемые на практи-е способы снижения карбидной неоднородности дают некоторый результат, о проблему преждевременного внезапного разрушения инструмента из вы-окоуглеродистых высоколегированных сталей не решает.
' Надежность работы инструмента определяется не только объемным остоянием материала, но состоянием поверхностных слоев, а часто имен-о последнее и определяет общую стоимость инструментов. Понимание провесов происходящих в поверхностном сдое инструментальных сталей при ополкительной'обработке их концентрированными потоками энергии позво-яот гарантировать надежную эксплуатацию инструментов.
В этой связи проблема комплексного подхода по выберу рационально-о легирования, мйкролегирования, режимов объемной и поверхностной ернической обработки для обеспечения предъявляемых к инструментальным талям требований является актуальной и определила необходимость пас-ановки для её разрешения целенаправленных исследований.
Цель я задачи работ».Целью работы являлось развитие представлений О однородном и неоднородном распадах твердых растворов высокоуглеро-истых сталей и роли однородного распределения первичных и вторичных
фаз в различных матрицах применительно к высоколегированным инструмен гальным сталям зазвтектоицкым и ледебурптного класса в обеспечении вы сокого комплекса служебных свойств в связи с условиями эксплуатации.
Достижение поставленной цели осуществлялось посредством решени следующих взаимосвязанных задач: - проведение комплексных исследовали особенностей структурообразования при растворении и выделении вторич ных фаз и изменения физико-механических свойств высокоуглеродистых вы сокохромистых сталей в широком интервале температурно-временных уело вий аустенитизации и старения; - изучение влияния на протекание про цессов структурных превращений и физико-механические, и эксплуатацион ные свойства снижения содержания углерода, корректировки химическог состава и микродегирования; - выявления особенностей структурообразо вания при поверхностной термической обработке концентрированными пото ка-ми энергии, роли неоднородных неравновесных структур в обеспечени высоких эксплуатационных свойств; - применение установленных гаконо мерностей для разработки химических составов и режимов термической об работки инструментальных сталей с повышенным комплексом свойств.
Научная 'Новизна. Развиты представления об однородном и неоднород ном распадах твердых растворов высокоуглеродистых сталей. Установлен, определяющая роль однородности распределения первичных и вторичны: карбидов в мартенситной, мартенситно-аустенитной и др. матрицах. Пока зано, что равномерность распределения и дисперсность карбидов обеспечивают более изотропное состояние твердого раствора, а это способствует повышению вязко-пластических свойств и более высокому сопротивлени хрупкому разрушению инструмента при ударных и изгибных воздействиях.
Указано, что важным структурным фактором, определяющим сопротивляемость зарождению и развитию трещин, является также объемная дилата-ция на границе раздела "формирующаяся фаза - матрица", предопределяющая появление упругоискаженных (растянутых и сжатых) областей в матрице, глубину их распространения и уровень напряжений.
Учитывая, что все рассмотренные инструментальные стали относятсі к высикоугдеродйстым материалам, . и наличие переменной растворишеті углерода в аустените, следует, отметить, что имеет место развитості процессов карбадшбразоваиия к полиморфных превращений в течение температурно-временных циклов при нагреве и охлаждении. А это обусловливает важность фактора концентрационного и размерного несоответстви между матрицей и формируема* состоянием фазы в инкубационном период* распада, от качала зарождения (появления сегрегатов) до потери когерентности (появления сбособденяой фазы). ' .
Показано, что варождекие новей избыточной фазы требует определен-
эго, иногда очень длительного времени для выделения этой фазы, при том последовательно происходят следующие процессы: появление сегрега-xj, двумерных, а затем трехмерных образований типа зон Гинье-Престо-1-Вагаряцкого, различных промежуточных состояний, когерентной фазы, «еющей границу раздела, с последующим изменением химического состава ;олегированием) и последующей коагуляцией. Для рассматриваемых спла-зв эти процессы сильно выражены. Весь процесс распада можно разделить і три периода: дораспадный, инкубационный и коагуляцию вторичных фаз, эичем необходимо учитывать важные, иногда определяющие явления, проводящие до обособления фаз - инкубационный период распада, т.е. провесы предвыделения фаз. Именно в эти моменты образуются напряжения ^соответствия, что вызывает большие искажения, определенную лоїсальную ^однородность и дополнительные стопоры движущимся дислокациям. Это, в інозком, определяет и твердение сталей и сплавов.
На основе изложенной концепции, показано не только доминирующее шяние процессов, протекающих в скрытом инкубационном периоде, но и шюсть их в период обособления, делегирования и коагуляции. При атом мтываются не только процессы дилатации, тип карбидов, расстояние ?жду ними и т.д, но и состояние матрицы, претерпевающей указанные иг.-жения.
Установлено, что высокая скорость нагрева и охлаждения при терми-юкой обработке концентрированными потоками энергии не приводят к )зникновении новых структурных составляющих. В таких случаях высоко-горосткая поверхностная обработка не вызывает принципиальных исмеие-гй в механизме превращений. Зтим процессам, в основном, свойственно "раничение временного фактора. Недостаток времени резко меняет кине-іку превращения и их завершенность. При значительных скоростях нагре-i и охлаївдения в большей мере подавляются не только процессы диффузии іементов замещения, но и элементов внедрения, в частности углерода.
Показано, что определяющей стадией скоростной закалки является юцесс нагрева, а при быстром охлаждении происходит лжаь "фиксация" (лученных при нагреве весьма неоднородных, неравновесных структур, однородный мелкозернистый аустенит способствует и образованию неод->родного мелкозернистого мартенсита при охлаждении. Это значит, что >тя сам по себе мартенсит неоднороден (даже по содержанию углерода), > он вследствие мелкозернистости имеет и мелкие фрагменты. Это обес-ічивает квазиоднородность механических свойств и заметно повышает >ррозиоиную усталость.
Установлено, что наличие слаботравящейся зоны свидетельствует о !м, что размерный,фактор является определяющим, несмотря на химичес-
кую неоднородность, наличие большого количества остаточного аустенитЕ Эта зона представляет бесструктурный мартенсит (гарденит). Он наслед> ет мелкозернистость и неоднородность по химическому составу аустенитг полученного в момент окончания нагрева. Ему сопутствуют остаточнь аустенит и нерастворенные карбиды.
Показано, что обеспечение равномерного однородного распада твес дого раствора приводит к более качественным (неоднородным) поверхност ным слоям при термической обработке концентрированными потоками энер гии. Это способствует предотвращению или замедлению процессов деформг ции, что затрудняет, зарождение и развитие трещин.
Практическая ценность диссертационной работы. Показано, что деі ответным путем уменьшения карбидной неоднородности является снижем содержания углерода в высокохромистых инструментальных сталях: х 0,7-1,1 X типа Х12; до 0,55-0,85 % типа Х8'(дополнительно легированнь Mo, W,).
Установлены температурно-временные закономерности растворения выделения карбидов Ме?Сз в инструментальных сталях типа Х12 и карбиде МЄ7С3 и МегзСб в сталях типа Х8 при умеренных и высоких температура Определена предельная Г'астшримостъ углерода (карбидов) в аустенит при высоких температурах и установлено положение кривой предельно растворимости. Изучены особенности структурных превращений на разлив кых стадиях распада ьысокохромистых инструментальных сталей.
Проведено комплексное целенаправленное исследование закономе; ностей изменения основных критериев работоспособности инструментальнь сталей (твердости, теплостойкости, сопротивления изгибу и удару, изнс состоккости и режущей способности) в зависимости от различного дегирс вания сильными карбидообразующими элементами при переменном содержані углерода и легирующих элементов с учетом различных температур закат и режимов кратковременного и длительного отпуска. Еще раз показано, чч в процессе отпуска закаленных высокохромистых инструментальных стал* различных композиций в интервале температур 350-550 С еозможно прояі ленио вторичного твердения, которое связывается как с процессами обр< вования свежего мартенсита, так и о процессами предвыделения вторичш карбидов.' Этот процесс даже возможен при комнатной температуре щ длительном старении.
Показано положительное влияние дозированного микролегировакия \ Zr, Со сталей типа Х12 и Х8 на уменьшение карбидной неоднородності повышение ударной вязкости и деформационной способности.
Разработали р'&жимы термической обработки как обычных, так и pew
мелованных каик инструментальных сталей типа Х12 и Х8: режущего ик<
4 '
румекта, работающего без ударных натрусок, штампового инструмента., аботающего в условиях динамического нагружения. Предложены химические эставы инструментальных сталей,защищенные свидетельствами и патентом. Создание однородной равномерной структуры в объеме материала веет к уменьшению деформации или даже значительно снижает дефекты на ранице раздела "закаленный поверхностный слой при нагреве концентри-ованными потоками энергии - основа". Наличие вязкого изотропного одслоя обеспечивает высокое сопротивление переходной зоны зарождению развитию трещин.
Промышленное опробование режущего инструмента, прошедшего обра-отку по разработанным режимам и из новых предложенных сталей показали го более высокую в 1,30-4,68 раз стойкость и стабильность. Промышлен-ое опробование штампового инструмента из разработанных сталей показа-о его высокую стойкость и надежность, отсутствие преждевременного вы-ода из строя из-за хрупких сколов и трещин. Причина снятия с эксплуа-ации - износ. Пуансоны, изготовленные из стали Х12Ф1Ч, микролегиро-анной иттрием, показали стойкость при пробивке отверстий в 3-5 раз, уансоны из стали 70Х12ФБЦЧ для пробивки отверстий в 1,4 раза, а чека-очные пуансоны в 3,0 раза более высокую, чем стойкость такого же ин-трумента из стали Х12Ф1, применяемой на этих предприятиях.
Результаты работы использованы в учебном процессе в СПбГТУ (курсы Основы технологии обработки металлов давлением" и "Станки и техноло-ия инструментального производства); выпущены 3 учебно-методических казачий: "Металловедение и термическая обработка", ч.III, Л., 1989. .80-91; "Термическая обработка заготовок",СПб., 1994. 40 с.; "Методы оверхностного упрочнения деталей маиин и инструментов", СПб., 1995. 8 с.
Апробация работы, материалы диссертации докладывались и обсуэда-
ксь на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Республ. конф.
Механике-термическая обработка и субструктурное упрочнение металлов
Киев, 1981 г.); Всес. иауно-техн. конф. "Прогрессивная технология и
втоматизацич технологических процессов з машиностроении и приборост-
оении" (Л., 1982 г.); I и III заседании семинара "Физике-технологи-
еские проблемы поверхности металлов" (Л., 1982 и 1984 гг.); Республ.
аучно-техн. конф. "Высокопроизводительные металлосберегающие процессы
брайотки металлов" (Кнаинев, 1984 г.); семинаре "Легирование и свой-
тва конструкционных сталей" (Киев, 1934г.); XIV и XV научно-техн.
снф. молодых специалистов ПО "Невский завод" (Л., 1S83 и 1984 гг.);
сес. научно- техн. кемф. "Экономия металла и энергия на основе прог-
'.:с):зн:іх процессов термической и химико-термической обработки" (Псн-
..' 5
oa, 1984 г.); VI Всес. конф. "Теплофивига технологических процессов' (Ташкент, 1984 г.); Всес. научно-.техн. конф. "Новые материалы и технологии термической обработки металлов" (Киев, 1985 г.); Всес. науч-ко-техн. конф. "Современные проблемы технологии машиностроения" (Москва, 1985 г.); Всес. научно-техн. конф. "Новые материалы и упрочняющш технологии на основе прогрессивных методов термической и химика-термической обработки в автостроении" (Тольятти, 1986 г.); I и II Всес. конф.' "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочнорть металлов и сплавов" (Юрмала, 1987 и 1990 гг.); Всес. научно-техн. конф. "Металл и технический прогресс" (Москва, 1987 г.); Всес. научно-техн. конф. "Повышение надежности материалов и деталей машин на основе методов термической и химико-термической обработки" (Хмельницкий, 198Е г.); Зональной конф. "Обработка материалов высококонцентрированным!! источниками энергии (Пенза, 1988 г.); I Всес. конф. "Модификация свойств материалов пучками заряженных частиц" (Томск, 1988 г.); семинаре РДЭНТП "Структура и методы исследования легированных сталей" (Киев, 1991-г.); I Всес. семинаре "Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1991 г.); Межреспубл. научно-теки. конф. "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (Волгоград, 1991 г.); Республ. научно-техн. конф. "Материалы и упрочняющие технологии -92" (Курск, 1992 г.); Всес. конф. "Прочность и живучесть конструкций" (Вологда, 1993 г.); IV и VI Межотраслевом совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1933 и 1995 г.); семинарах при ДЦНТП "Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных, порошковых и инструментальных сталей и сплавов" (Л., 1981, 1982, 1Э83, 1985, 1986 гг.), "Пути повышения стойкости штампов при горячей обработке металлов" (Л., 1984 г.), "Стали для штамповгорячего и холодного деформирования" (Л., 1988 г.), "Hosue стали и сплавы, режимы их термической обработки" (Д., 1991 и І992 гг.), "Новое.в металлообработке и термической обработке" (Л., 1983, 1986 и 1992 гг.); I-VI заседаниях Всес. и !.:с;кгосударств. семинара "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов" (Псков, 1984, 1986 и 1993; Полярные Зори 1993; Петрозаводск, 1990, Белгород, 1995 гг.); российской научно-техн. конф. ."Инновационные наукоёмкие технологии для России" (СПб., 1995 г.): российской научно-техн. ко.чф. "Перспективные технологические процессы ойраоот:?и материалов" (СПб., 19&5 г.); I Мевдун. кокф. "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности л долговечности ме-тамо*окструкций и-методы их решения" (СПб., 1995 г.);'. научно-техн. 6
эминарах каф."Металловедение" ЛШ1-СП6ГТУ (Л.- СПб., 1980 - 1995 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликована книга, брошюра, б? гатей в научно-технических журналах и сборниках, получено 3 авторских зидетельства и патент РФ.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, 11 глав, ос-эвных выводов и списка использованной литературы и содержит 173 стра-щы основного текста, 16 таблиц, 117 рисунков и 340 литературных ис-эчников.
