Введение к работе
Актуальность проблемы.
Актуальность решения проблемы увеличения стойкости инструмента обусловлена тем, что условия эксплуатации становятся все более «жесткими» (необходимость работы на больших скоростях и подачах), а также особыми требованиями к регламентируемой стойкости при обработке изделий в условиях автоматизированных поточных линий. Кроме того, "применение в металлообработке экономнолегированных вольфрамом сталей взамен классической быстрорежущей стали Р18, например сталей Р9, Р12, Р6М5, уступающих по стойкости стали Р18, также делает необходимым решение проблемы повышения эксплуатационных свойств инструмента из, таких сталей В данной работе для реализации резервов повышения стойкости инструмента предприняты исследования возможности управления свойствами инструментальных сталей путем специфической организации структуры за счет внешнего воздействия энергией постоянного магнитного поля в процессе фазовых превращений при термической обработке
Интерес к проблеме использования магнитного поля для улучшения свойств конструкционных и инструментальных материалов появился со времени публикации цикла работ Е.Герберта, в которых указывалось на возможность упрочнения при омагничивании термически обработанных быстрорежущих сталей. Дальнейшее развитие идеи применения магнитного поля при термической обработке было предпринято в работах профессора Московского института стали и сплавов Бернштейна МЛ, в трудах школы академика Садовского В.Д. и работ научной школы Донского государственного технического университета под руководством профессора Пустовойта В Н В этих исследованиях содержатся научные знания о природе влияния внешнего магнитного поля (импульсного, постоянного и переменного) различной напряженности на условия протекания фазовых превращений в стали, механизмы структурной перестройки, кинетику переходов, а также особенности формирования при термической обработке в магнитном поле особой структурной картины, обеспечивающей получение нетривиального комплекса свойств.
С учётом достигнутых успехов в развитии теории и практического использования технологии термической обработки в магнитном поле (ТОМП) следует отметить, что в настоящее время ещё имеются проблемы, не нашедшие полного разрешения. Это, в частности, относится к задаче улучшения эксплуатационных свойств сталей для металлообрабатывающего, деревообрабатывающего и измерительного инструмента использованием ТОМП. Применительно к этой группе материалов остаются неразрешенными ряд проблем теоретического характера, учитывающих особенности структурной организации, фазового состава и специфики режимов термической обработки инструментальных углеродистых и легированных
сталей. Имеется также дефицит экспериментальных данных о влиянии магнитного поля на кинетику протекания фазовых превращений в инструментальных сталях, формирование структурной картины при закалке, отпуске, изотермической обработке и связанных с этим изменений характеристик механических и эксплуатационных свойств. Требуется также обоснованно определить технологическую целесообразность использования так называемого, «эффекта Герберта» с целью повышения стойкости термообработанных быстрорежущих сталей.
Цели и задачи исследования. Цель настоящей работы заключается в теоретическом обосновании и разработке технологических приемов термической обработки в магнитном поле применительно к инструменту различного назначения, создании специализированного оборудования для ТОМП и его промышленного освоения.
Для достижения, поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Разработка частных методик и создание лабораторного оборудования, аппаратуры и приборов с учетом особенностей, обусловленных необходимостью проведения экспериментальных исследований в постоянном магнитном поле;
Опытная проверка возможности использования эффекта Герберта с целью повышения стойкости режущего инструмента;
Разработка и уточнение физических представлений о механизмах воздействия магнитного поля на фазовые переходы I рода в инструментальных сталях;
Изучение особенностей формирования структуры инструментальных сталей в процессе реализации различных режимов термической обработки в магнитном поле и изменений характеристик механических и эксплуатационных свойств, определяющих показатели долговечности и конструктивной прочности;
Разработка промышленных технологий ТОМП. создание специализи
рованного оборудования и их освоение в условиях термического
производства.
Научная новизна диссертационной работы заключается в получении следующих новых научных результатов, которые выносятся на защиту.
1. Предложена и количественно обоснована доменно-дислокационная модель, объясняющая физическую природу эффекта Герберта. Основополагающая роль при этом отводится взаимодействию при намагничивании полей упругих напряжений дислокаций и междоменных границ, при движении которых отрезки дислокационных петель между
точками закрепления выгибаются в поле мапштоупругих напряжений доменной границы, в результате чего происходит увеличение суммарной длины таких-отрезков, то есть плотности дислокаций. После выключения магнитного поля измененные дислокационные конфигурации не восстанавливаются до исходных под действием сил линейного натяжения в связи с явлением магнитного гистерезиса, а время релаксации дислокационной деформации определяется соотношением линейного натяжения, величиной барьера Пайерлса и магнитоупругим взаимодействием выгнутых отрезков дислокационных петель с доменными границами, занимающими после выключения новое положение
Данные испытаний характеристик механических свойств и эксплуатационной стойкости убедительно доказывают, что омагничивание термически обработанного режущего инструмента не может рассматриваться как практический метод повышения долговечности, поскольку рассматриваемые эффекты очень малы, практически полностью релаксируют в течение нескольких часов, а в условиях реального процесса резания даже за несколько минут,
-
Теоретически и экспериментально показано, что при действии магнитного поля напряженностью порядка 2 МА/м в процессе фазового перехода объемная скорость превращения аустенита с образованием ферромагнитных продуктов может увеличиться до 2,5 раз. В уравнении, описывающем изменение скорости превращения, кроме магнитной энергии Ш, учитывающей снижение термодинамического потенциала ферромагнитных продуктов превращения, впервые учтен вклад энергии А/*, увеличивающей движущую силу фазового перехода по причине локального прироста свободной энергии матричной фазы (аустенита), вызванного образованием флуктуации дальнего ферромагнитного порядка.
-
Экспериментально доказано, что упрочнение углеродистых инструментальных сталей в процессе отжига или нормализации в магнитном поле обусловлено нарушением сплошности сетки избыточного цементита, уменьшением межпластиночного расстояния в эвтектоиде, образованием структуры с более развитой межфазной поверхностью и большим количеством барьеров, препятствующих скольжению.
-
Показано, что осуществление мартенситного превращения по мультипликативному механизму способствует протеканию процессов распада пересыщенного твердого раствора уже в период закалочного охлаждения ("in statu nascendi"), что особенно характерно для мартенсита напряжения, который образуется под действием магнитного поля выше М„ в температурном интервале сверхпластичного аустенита. Это имеет следствием усиление сегрегации углерода на структурных дефектах и выделение высокодисперсных частиц -карбида, то есть увеличение степени распада мартенсита по двухфазному механизму. В результате закалки в магнитном поле фиксируется
структурное состояние, свойственное стали после обычной закалки и отпуска при 120-150С.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Проведенные в работе исследования показали практическую нецелесообразность применения омагничивания термически обработанного инструмента с целью повышения характеристик эксплуатационной стойкости. Показано, что значимые для практики результаты могут быть получены только при воздействии магнитным полем в процессе фазовых превращений. При этом структурные изменения, обусловленные действием магнитного поля на механизм и кинетику фазовых превращений, обеспечивают получение уникального сочетания свойств, когда одновременно с повышением сопротивления пластической деформации растет и сопротивление хрупкому разрушению
Применение технологии термической обработки в магнитном поле делает возможным эффективную реализацию резервов долговечности режущего, штампового и измерительного инструмента. Установленное в результате лабораторных и цеховых испытаний повышение характеристик эксплуатационной стойкости достигает 1,2-1,5 раз. Указанные изменения являются статистически значимыми и экономически целесообразными.
В результате промышленного освоения процесса ТОМП определены оптимальные режимы упрочнения инструментальных сталей, разработана технологическая документация, специализированное технологическое оборудование и оснастка для обработки инструмента различных типоразмеров иназначения.
Основные положения метода термической обработки в магнитном поле нашли применение в программах учебных курсов «Теория и технология термической обработки;), «Оборудование и автоматизация тепловых процессов», а также в заданиях на курсовые и дипломные проекты для студентов специальности 120800- «Материаловедение в машиностроении» ДГТУ.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации -2004» (Москва), на всероссийской электронной конференции «Фундаментальные исследования», а также на ежегодных научно-технических конференциях Донского государственного технического университета, 2003-2004 г.г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 218 страницах машинописного текста, включая 114 рисунков и 27 таблиц, и состоит из введения; 6 глав основной части; выводов; списка литературы из 171 наименования; приложения.
