Содержание к диссертации
Введение
1 Использование методов упрочняющей ТМО к различным схемам пластического формообразования заготовок 13
1.1 Физические основы пластической деформации и упрочнения металлических сплавов 13
1.2 Упрочнение и разупрочнение металла при деформационном воздействии 18
1.3 Особенности формирования структуры и механических свойств при термомеханической обработке 20
1.4 Применение ПТМО в условиях различных схем объемной штамповки
1.4.1 Горячая объемная штамповка 32
1.4.2 Теплая объемная штамповка 33
1.4.3 Холодная объемная штамповка 36
1.4.4 Выбор рационального метода штамповки с применением ПТМО 39
1.5 Постановка задачи исследования 57
2 Методика исследования 60
2.1 Материалы исследований. Исходные заготовки, опытные образцы, поковки 60
2.2 Исследование структурных изменений и механических свойств стали..62
2.3 Исследование технологического процесса полугорячей термомеханической обработки
2.3.1 Разработка корреляционных моделей технологического процесса 66
2.3.2 Физическое моделирование технологического процесса 73
2.3.3 Конечно-элементное моделирование объемной штамповки 79
2.3.4 Промышленное освоение технологического процесса
3 Исследование влияния деформационно-термических параметров ПТМО на формирование структуры и механических свойств изделий 91
3.1 Влияние температуры деформирования и степени деформации на прочность и структуру сталей 94
3.2 Влияние последеформационной паузы на структуру сталей 98
3.3 Математические модели технологического процесса объемной штамповки с применением ПТМО 101
3.4 Исследование микроструктуры сталей
3.4.1 Сталь перлитного класса 103
3.4.2 Сталь мартенситного класса 105
3.4.3 Сталь аустенитного класса 106
3.5 Исследование тонкой структуры сталей 108
3.5.1 Сталь перлитного и мартенситного класса 108
3.5.2 Сталь аустенитного класса 118
3.6 Краткие выводы 126
4 Исследование влияния температуры деформационного воздействия на энергосиловые параметры техпроцесса 128
4.1 Влияние температуры деформации на усилие штамповки и износостойкость штампа 128
4.2 Сравнительный анализ расчета усилий штамповки с применением ТМО 132
4.3 Закономерности механизма распределения сопротивления деформации при варьировании температурного интервала деформационного воздействия 143
4.4 Краткие выводы 149
5 Производственное освоение техпроцесса 152
5.1 Отработка режимов ПТМО для сталей перлитного класса 153
5.2 Отработка режимов ПТМО для сталей мартенситного класса 155
5.3 Отработка режимов ПТМО для сталей аустенитного класса 156 5.4 Сводный металлографический анализ 158
5.5 Расчет экономической эффективности техпроцесса 162
5.6 Краткие выводы 165
Заключение 166
Список сокращений и условных обозначений 168
Список литературы 169
- Применение ПТМО в условиях различных схем объемной штамповки
- Разработка корреляционных моделей технологического процесса
- Сталь перлитного класса
- Закономерности механизма распределения сопротивления деформации при варьировании температурного интервала деформационного воздействия
Введение к работе
Актуальность работы
Повышение надежности и продление ресурса работы деталей узлов машин и аппаратов весьма актуальные задачи российской науки, ориентированной на модернизацию промышленности.
Решение задачи модернизации возможно за счет разработки новых, а также оптимизации и рационализации существующих технологических процессов изготовления металлических заготовок за счет программирования структуры, а следовательно, механических свойств сталей и сплавов. При этом необходимо отметить, что для эксплуатации деталей важным является оптимальное сочетание прочности и запаса пластичности стали.
Одним из путей, позволяющим осуществить оптимизацию структуры металла, является применение режимов термомеханической обработки (ТМО) при производстве изделий. Под термомеханической обработкой понимают последовательное объединение в одном производственном цикле двух условно самостоятельных процессов — деформационного и термического воздействия на металлический сплав. Данная технология промышленно используется на протяжении длительного времени, но, несмотря на это, режимы и теоретические положения термомеханической обработки постоянно совершенствуются.
Теоретические и практические основы термомеханической обработки, освещены в работах ученых: М.Л. Берштейна, М.Е. Блантера, В.Д. Садовского, Р.И. Энтина, Е.Н. Соколова, B.C. Ивановой, А.П. Гуляева, К.Ф. Стародубова, В.И. Большакова. Исследования, касающиеся применения термомеханической обработки в интервале температур горячей пластической деформации отражены в работах ученых: А.И. Рудского, В.В. Рыбина, Г.Е. Коджаспирова, Е.И. Хлусовой, А.П. Атрошенко, В.В. Орлова, КН. Богоявленского, В.М. Счастливцева, А.А. Кругловой, В.Г. Хорошайлова. Теоретические и практические сведения, касающиеся применения термомеханической обработки в переходных интервалах температур горячей и теплой пластической деформации, имеются в работах зарубежных ученых: М. Dahme, Н. Kugler, О. Szebsdat, Н. Apholt.
Российскими предприятиями при производстве поковок для машиностроительной промышленности (тип «тяга соединительная», «вал инжектора», «вилка» и т.д.) применяются режимы термомеханической обработки в интервалах температур горячей пластической деформации, базирующиеся на следующих принципах: нагрев до Тн = Ас3 + (300 -^400)С, аустенизация, штамповка при Тд = Ас3 + (300 -^ 400)С, контролируемое охлаждение, отпуск при необходимости. Эта технология обеспечивает получение прочных изделий с ударной вязкостью, удовлетворяющей, как правило, техническим условиям (ТУ) завода-изготовителя. Анализ макроэкономической ситуации позволяет сделать вывод, что на современном этапе развития мирового машиностроения применяемые нашими заводами режимы ТМО не являются гибкими и не позволяют получать конкурентоспособные качественные стальные изделия с повышенной эксплуатационной прочностью.
Решить проблему повышения эксплуатационной прочности стальных деталей возможно при применении полугорячей термомеханической обработки (ПТМО) - термомеханической обработки в интервалах температур Тдє[0,6-Ю,7]Тпл, соответствующих переходу от горячей к теплой пластической деформации. Исследования показали, что технологический процесс ПТМО является промышленно реализуемым, способствует снижению затрат на энергоносители и металл. Может использоваться при производстве промышленных поковок различной номенклатуры.
Принципиальная схема реализации режимов полугорячей термомеханической обработки заключается в нагреве заготовки до температуры аустенизации, выдержке, штамповке при Тдє[Ас3...(Ас3+(5(Н150))]оС, последеформационной паузе до 50 секунд, термообработке в соответствии с техническими условиями.
Известно, что режимы термомеханической обработки в интервалах температур ТдЄ[0,6^-0,7]ТІШС назначаются в основном при прокатке стали. Применение ПТМО при штамповке поковок сдерживается тем, что недостаточно изучено влияние параметров технологических режимов на протекание процессов полигонизации и рекристаллизации в сталях и их влияние на конечную структуру и свойства металла. Дополнительным сдерживающим фактором является отсутствие данных о влиянии параметров полугорячей термомеханической обработки на усилия штамповки и износ штампов. При этом возникают вопросы правильного выбора штамповочного оборудования и вопросы экономической целесообразности.
Для решения вопросов, связанных с разработкой технологического процесса полугорячей термомеханической обработки, требуется проведение комплексных исследований по изучению влияния процессов полигонизации и рекристаллизации в сталях на формирование структуры и комплекса эксплуатационных свойств поковок, изготавливаемых штамповкой в открытых штампах по режимам ПТМО на кузнечно-штамповочном оборудовании. При этом необходимо оценить степень влияния параметров на формирование структуры сталей и на стойкость штамповой оснастки к износу. А также определить возможный экономический эффект от внедрения техпроцесса полугорячей термомеханической обработки в производство, провести апробацию его работоспособности. В соответствии с этим исследования влияния параметров технологического процесса полугорячей термомеханической обработки на свойства и структуру стальных поковок являются актуальными.
Цель работы и задачи исследования
Целью работы является разработка и исследование технологического процесса полугорячей термомеханической обработки, обеспечивающего однородность структуры и повышение комплекса механических свойств изделий из сталей основных структурных классов, изготавливаемых штамповкой.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
-
Определение закономерностей развития и протекания процессов полигонизации и рекристаллизации, установление механизма упрочнения и разупрочнения в сталях при термомеханической обработке в условиях штамповки поковок в открытых штампах в температурном интервале горячей и теплой упругопластической деформации.
-
Анализ влияния основных технологических параметров режима полугорячей термомеханической обработки (температуры деформирования - Тд, степени деформации - є, времени последеформационной паузы - тп, скорости деформирования - -9Д и температуры окончательного отпуска - Т0ТП) на формирование структуры и механических свойств сталей при штамповке поковок в открытых штампах.
-
Анализ влияния температуры деформирования на усилия штамповки и износостойкость ручьев штампа в интервале, соответствующем горячей и теплой деформации.
-
Оценка эффективности разработанного технологического процесса полугорячей термомеханической обработки при штамповке поковок из конструкционных сталей в условиях кузнечно-штамповочного производства.
Научная новизна:
Установлены закономерности совместного воздействия параметров полугорячей термомеханической обработки при объемной штамповке поковок на процессы полигонизации и рекристаллизации в сталях перлитного - 40Х, мартенситного - 20X13 и аустенитного - 08Х18Н10Т классов.
Установлены закономерности упрочнения и разупрочнения исследуемых сталей в зависимости от последеформационной выдержки при полугорячей (температура деформационного воздействия ТдЄ[0,6^-0,7]ТплоС) термомеханической обработке.
Получены зависимости усилия и контактного давления в ручье штампа в условиях облойной штамповки поковок удлиненной формы при деформационно-термической обработке.
Личный вклад автора заключается в разработке технологического процесса упрочняющей полугорячей термомеханической обработки при
штамповке поковок, позволяющего получать заготовки с повышенным комплексом механических свойств, исследовании структурно-фазовых превращений на различных уровнях, исследовании механических характеристик изделий, получаемых в результате применения технологического процесса ПТМО, установлении закономерностей изменения усилия штамповки, контактного давления в ручье штампа, износ формующей полости ручья штампа при понижении температурного интервала штамповки.
Практическая значимость работы:
Разработан технологический процесс упрочняющей полугорячей термомеханической обработки стальных заготовок удлиненной формы для схем объемной штамповки на КГШП, обеспечивающий изготовление изделий с повышенным комплексом механических свойств. Разработаны рекомендации по выбору режимов обработки.
Установлено влияние температуры деформационного воздействии в интервале 80(Н1200С на усилия штамповки и износостойкость ручья штампа. Даны рекомендации по повышению стойкости штампов к абразивному износу. Уточнены формулы расчета усилий штамповки, обеспечивающие более рациональный выбор штамповочного оборудования.
Результаты исследований апробированы в условиях ОАО «Климов» - РФ, Санкт-Петербург и ОАО «Октябрьский электровагоноремонтный завод» -РФ, Санкт-Петербург.
Основные положения, выносимые на защиту:
технологический процесс упрочняющей полугорячей термомеханической обработки стальных заготовок удлиненной формы для схем объемной штамповки на КГШП;
закономерности совместного воздействия параметров полугорячей термомеханической обработки при объемной штамповке поковок на процессы полигонизации и рекристаллизации в сталях перлитного - 40Х, мартенситного - 20X13 и аустенитного - 08Х18Н10Т классов;
закономерности упрочнения и разупрочнения исследуемых сталей в зависимости от последеформационной выдержки при полугорячей термомеханической обработке;
зависимости усилия и контактного давления в ручье штампа в условиях облойной штамповки поковок удлиненной формы при деформационно-термической обработке.
Достоверность результатов обеспечивается использованием
фундаментальных положений материаловедения, экспериментами,
выполненными с применением современных методов исследования (конечно-элементное и физическое моделирование), сопоставлением установленных в
работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями. Проведением опытно-промышленных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на 5 международных научно-технических конференциях, в том числе на:
Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование», Санкт-Петербург, 2013;
Научно-практической конференции с международным участием «XLI неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербург, 2012;
Международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении», Барнаул, 2012;
Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование», Санкт-Петербург, 2012;
Международной научно-практической конференции «XL неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербург, 2011;
Международной научно-практической конференции «XXXIX неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербург, 2010.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 статьях, 4 из них в изданиях, входящих в список ВАК РФ. Библиографический список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений, библиографического списка и приложений. Работа содержит 186 страниц основного текста, включая 63 рисунка и 34 таблицы. В приложениях помещены акты внедрения результатов работы и промышленных испытаний. Библиографический список включает 163 наименования.
Применение ПТМО в условиях различных схем объемной штамповки
Плоскостями скольжения называют такие кристаллографические плоскости, по которым под воздействием действующих в них сил могут произойти смещения или скольжения одних частей кристалла относительно других. При этом смещение или перемещение сохранится и после удаления внешней силы, так как не будет иметься никаких других причин, по которым обратное смещение могло бы произойти [14].
Деформация вызывает напряженное состояние металлического тела, в результате чего между кристаллами и по плоскостям скольжения действуют сдвигающие напряжения, стремящиеся вызвать или перемещения внутри кристалла по плоскостям скольжения или перемещения самих кристаллов одного относительно другого[14,18]. При достижении критической величины, зависящей от природы металла, сдвигающие напряжения могут преодолеть сопротивление плоскостей скольжения или сопротивление границ кристаллов [19]. Результатом явятся или внутренние необратимые перемещения в кристаллах по плоскостям скольжения, или необратимое перемещение кристаллов одного относительно другого - пластическая деформация. Эти перемещения вызовут необратимое изменение пространственно-геометрической формы самого тела. Выделяют внутрикристаллитную деформацию - перемещение по плоскостям скольжения одних частей кристаллов относительно других [14]. И межкристаллитную деформацию - перемещение кристаллов одного относительно другого [14]. Внутрикристаллитная деформация определяет субструктуру металла, а межкристаллитная деформация определяет микроструктуру металла. Субструктура и микроструктура являются визуальным отражением процессов, происходящих при пластической деформации, и определяют эксплуатационные свойства металла.
Отметим, если напряженное состояние металлического тела инициирует в нем процесс пластической деформации, то результатом будет являться не только необратимое изменение формы, но и необратимое изменение механических, магнитных, электрических, физических и физико-химических свойств металла [16]. Заметим, что процесс необратимого изменения пространственно-геометрической формы и свойств металла прекратится при разрушении металлического тела [20,21]. Причиной разрушения будет служить межкристаллитная деформация, превышающая предел сопротивления тела разрушению или предел прочности. Прочность конгломерата кристаллов определяется прочностью границ кристаллов и прочностью плоскостей скольжения внутри кристаллов. Прочность плоскостей скольжения определяется свойствами решетки кристаллов и их химическим составом. Прочность границ кристаллов зависит от условий кристаллизации, предварительной обработки, величины зерен, количества и рода примесей [14]. Последний фактор оказывает особо сильное влияние на состояние границ кристаллов, так как по границам кристаллов с внутренней и внешней стороны расположены не растворившиеся прослойки примесей различных включений и легкоплавких составляющих, которые застывают последними [22].
Таким образом, состояние границ кристаллов в значительной степени определяют прочность и пластичность поликристалла. Именно вблизи границ кристаллов поверхностные силы создают области затрудненной деформации, что повышает сопротивление металла деформации, в тем большей степени, чем выше дисперсность поликристалла [22]. В то же время чем большим количеством возможных направлений скольжения обладают кристаллы, тем выше пластичность поликристалла [19]. Отметим, что управление прочностью и пластичностью металла является актуальной и важной задачей заготовительного производства [23]. Как правило, перед инженерно-техническими работниками стоят задачи повышения прочности и пластичности металла. Повышения прочности металла можно добиться в том случае, если способные к движению кристаллы, прослойки примесей и прочие структурные включения будут в той или иной мере заторможены [17]. Основные механизмы торможения структурных единиц в металлических сплавах [1,6]: а) образование скоплений атомов легирующих элементов вокруг дислокаций; б) повышение плотности дислокаций, приводящее к усилению взаимодействия атомов дислокаций, вследствие чего поле напряжений атомных сил у одних дислокаций будет мешать перемещению других дислокаций; в) образование барьеров для движения дислокаций в виде поверхности раздела, то есть создание внутри сплава структурных объектов с различной кристаллографией дислокаций; г) создание упорядоченных по составу или по кристаллографическим ориентировкам атомных построений. При движении через эти построения дислокации необходимо затратить часть своей энергии на совершение процессов упорядочения, что приводит к её торможению.
В [24,25] содержится информация, подтверждающая, что границы структурных единиц поликристалла служат барьерами для движения структурных единиц. При этом в [24,25] указывается, что при пластической деформации, сопровождающейся множественным скольжением структурных единиц, неизбежно образование сложной структуры в виде сетки неправильной формы, ячейки или сплетения, неравномерно распределенного в объеме поликристалла [26]. Необходимо отметить, что структура металла должна определять как торможение дислокаций барьерами, так и при возникновении опасных пиковых напряжений у барьеров возможность прорыва этих барьеров и как следствие релаксацию напряжений путем передачи деформации в смежные объемы [27].
Важно, что при температурах деформации выше Тд е(0,4-Ю,5)Тпл механизм торможения структурных единиц в объеме деформируемого металла может быть осложнен таким явлениям как рекристаллизация [14]. Явление рекристаллизации заключается в том, что начиная с некоторых температур, происходит повышение кинетической энергии атомов, в результате которого скорость обмена атомов местами увеличивается, что приводит к изменению величины и формы деформированных зерен [14,28]. Этот процесс протекает во времени, и тем скорее, чем выше температура. Рекристаллизация имеет две стадии. В первой стадии (рекристаллизация обработки) происходит видоизменение деформированного зерна, то есть появление зародышей, их рост и изменение деформированной структуры. Во второй стадии (собирательная рекристаллизация) происходит рост зерен измененной структуры [14,28].
В зависимости от условий деформации существует несколько видов рекристаллизации - статическая, динамическая или метадинамическая. Статическая рекристаллизация имеет место, когда образование и рост нового зерна происходят после деформации. Если рост и образование нового зерна происходят во время деформации - это динамическая рекристаллизация. Если рекристаллизация не завершается в процессе деформации, а происходит без инкубационного периода сразу же после деформации с последующим ростом зерна, в соответствии с общей терминологией, происходит метадинамическая рекристаллизация [29]. Характерным различием между статической и метадинамической рекристаллизацией является наличие инкубационного периода. Важно отметить, что статическая рекристаллизация является основным механизмом разупрочнения, ликвидирующем следы динамического упрочнения, то есть снимаются изменения механических свойств поликристалла, которые были вызваны упрочнением.
Разработка корреляционных моделей технологического процесса
Для изучения процессов полигонизации и рекристаллизации в стали, а также определения прочностных характеристик металла при отработке режимов термомеханической обработки нами проводились механические и металлографические испытания. Механические испытания включали:
При анализе структурных изменений использовали металлографические исследования. Изучение микроструктуры производилось на специально изготовленных микрошлифах. Изготовление шлифов проводилось в соответствии с РД 5.9555-74 "Металлы и сплавы. Изготовление и травление металлографических микрошлифов" с использованием комплексной лаборатории пробоподготовки фирмы ATM. Образцы вырезали холодным механическим способом на отрезном станке «Brilliant», запрессовывали в термопластический оправочный материал для получения ровной поверхности и устранения заваливания кромок. Шлифование и полирование образцов производили на установке "Sapfir" с использованием шлифовальной пленки и абразивных суспензий. Скорость вращения диска со шлифовальной шкуркой 1000 об/мин.
Металлографические исследования с получением микроструктуры проводили с использованием светового инвертированного металлографического микроскопа AxioObserver (Zeiss), оснащенного цифровой видеокамерой и системой ввода изображений.
Оценку размеров зерен проводили методами количественной металлографии в соответствии с ГОСТ 5639-82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна». Для цифровой оценки использовали анализатор изображения Clemex.
Для выявления микроструктуры применяли химическое травление шлифов, время травления 2 -3 сек., травитель: H2NO3 (d=l,4) - 4мл; С2Н5ОН -96мл. Электрохимическое травление проводилось при комнатной температуре в 10%-ном растворе щавелевой кислоты при напряжении U=5-6B, время травления 15-КЗО сек., катод - нержавеющая сталь.
Тонкую структуру образцов исследовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai G2 30 SWIN при ускоряющем напряжении 200 кВ. Плотность дислокаций измеряли по методу секущих. Для получения заготовок тонких фольг брали головки образцов после механических испытаний на разрыв. Из них вытачивали прутки длиной 10 мм диаметром 3 мм.
Выточенные прутки при помощи высокоточного низкоскоростного отрезного станка Struers «Minitom» нарезали на заготовки толщиной 0,7 мм, после чего утоняли на шлифовальной бумаге до толщины 0,1 мм. Тонкие фольги изготавливались методом электролитического утонения в хлорно-спиртовом электролите А-П при напряжении 23 В и температуре плюс 2 С при помощи установки Struers «Tenupol-5». Для очистки тонких фольг от оксидной плёнки применялась установка ионного утонения Fischione Ion Mill Model 1010.
Сравнение механических свойств и структурных изменений в стали, полученных в результате штамповки с применением термомеханической обработкой, проводили сопоставлением со свойствами стандартных заводских изделий аналогичной конфигурации, изготовленных по стандартной заводской технологии с применением общей термообработки по стандартным режимам определяемым ГОСТ 5949-75 [4,6]. Режимы стандартной термообработки для исследуемых сталей и уровень механических свойств, полученных на образцах, приведены в таблице 15.
Исследование технологического процесса полугорячей термомеханической обработки В настоящей работе исследование процесса термомеханической обработки при штамповке поковок удлиненной формы в открытых штампах на кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) проводилось в несколько этапов: анализ современных научных данных по термомеханической обработке; физическое моделирование по температурным, силовым, скоростным и временным параметрам спроектированного технологического процесса на пластомере; компьютерное моделирование процесса упругопластического формоизменения заготовки при объемной штамповке; опытная штамповка по технологическому процессу термомеханической обработки поковок «тяга соединительная» в условиях кузнечно штамповочного цеха.
На подготовительном этапе была систематизирована информация из литературных источников о влиянии температурных, временных, скоростных и силовых параметрах процесса термомеханической обработки на свойства и структуру сталей. Было установлено, что основными параметрами техпроцесса термомеханической обработки при штамповке являются: температура нагрева - Тн, температура деформирования - Тд, степень деформации - є, время последеформационной паузы - tn, скорость деформирования -&д, температура отпуска - Тотп. В результате анализа научно-технической литературы, была предложена наиболее рациональная агрегатная (рисунок 10) и температурно-временная схема штамповки поковок (рисунок 11). Рисунок 10 - Агрегатная схема штамповки, где:
Температурно-временная схема штамповки 2.3.1 Разработка корреляционных моделей технологического процесса
В главе 1 указано, что деформационные и термические параметры термомеханической обработки оказывают влияние на механические свойства стали. Управление этими параметрами определяет эффект упрочнения. Поэтому было важно определить рациональные параметры технологического процесса ТМО для схем облойной штамповки. Задача заключалась в нахождении совокупности варьируемых факторов, при которых выбранная целевая функция -механическое свойство принимает экстремальное значение, то есть решается оптимальным образом.
В качестве параметров оптимизации был выбран комплекс механических свойств, с помощью которого можно эффективно оценить упрочнение при термомеханической обработки в интервалах температур горячей и теплой пластической деформации. Поскольку необходимым условием обеспечения прочности является и определенный запас пластичности и вязкости, за основные выходные параметры процесса были приняты характеристики прочности, пластичности и вязкости, а именно: о"о.2_ условный предел текучести, МПа; ов -временное сопротивление, МПа; 5 - относительное удлинение, %; \/ -относительное сужение, %; KCU- ударная вязкость, кДж/м2. В качестве варьируемых факторов были выбраны: Тд - температура начала деформирования заготовок, С; тп - время подстуживания, сек.; Тотп - температура окончательного отпуска поковок, С. В исследованиях использовали результаты [4,6].
При определении области факторного пространства учитывалось, что температура деформации заготовок при применении термомеханической обработки в областях температур теплой и горячей пластической деформации должна быть несколько выше или близкой к Ас3, что позволяло бы обеспечить максимальное упрочнение аустенита [144,145]. Но наряду с этим учитывалось, то обстоятельство, что для большинства марок сталей и сплавов при снижении температуры деформации менее 800С имеет место возрастание сопротивления деформации и снижение пластичности, что создает технологические трудности [146,147]. При этом возникают вопросы повышенного износа штампа и увеличения нагрузки на штамповочный пресс.
Сталь перлитного класса
Отработка техпроцесса по предложенной температурно-временной схеме, показала, что структура стали перлитного и мартенситного класса после отпуска в основном состоит из реечного мартенсита с незначительным содержанием мартенсита самоотпуска. Заметим, что структура образовалась после отпуска, при этом тонкое строении мартенсита унаследовано от деформированного аустенита. По границам реечного мартенсита и в мартенсите самоотпуска присутствуют карбиды различной степени дисперсности. Увеличение длительности выдержки при температуре окончания деформации до 30 сек. приводит к уменьшению размера карбидов по границам в реечном мартенсите, образовавшихся в процессе отпуска с ПОнм до 40 нм. Отметим, что карбидные частицы образуются при отпуске на границах реек на месте прослоек остаточного аустенита. С ростом времени выдержки с 20 до 30 сек. происходит уменьшение плотности дислокаций в реечном мартенсите и увеличение плотности дислокаций и объемной плотности карбидов в мартенсите самоотпуска и нижнем бейните. Перераспределение дисперсных частиц (карбидов, дислокаций), по всей видимости, свидетельствует о более интенсивном развитии в стали полигонизационных процессов с ростом времени выдержки, подтверждает предположения о прохождении начальной стадии статической рекристаллизации во время последеформационной выдержки. Отметим, что выдержка равная 30 сек. обеспечивает формирование в стали более сбалансированной и стабильной тонкой структуры, что, вероятно, увеличит пластические свойства стали. Некоторое увеличение прочностных свойств, вероятно, будет наблюдаться при выдержке в 20 сек. Данные данного параграфа частично приведены в [163].
В рамках отработки режимов термомеханической обработки стали аустенитного класса 08Х18Н10Т было исследовано несколько режимов, которые приведены в таблице 18. Таблица
Тонкая структура образца стали 08Х18Н10Т после пластической деформации при температуре 1000С и последеформационной выдержки в течение 20 сек. состоит в основном из фрагментированной компоненты (рисунок 43,а-б), доля которой оценивается в 80%. Размер фрагментов, разделённых малоугловыми границами, около 0,84-1,2 мкм. Высокая плотность дислокаций внутри фрагментов (2,4-r3,0)xl0] м" и наличие оборванных границ позволяет предположить, что эта фрагментированная структура образовалась в процессе горячей деформации, а не в ходе возврата/полигонизации при последеформационной выдержке 40 сек.
Другой компонентой тонкой структуры являются зёрна, видимо, подвергшиеся меньшей степени деформации. Доля этой компоненты около 10%, фрагменты в ней разделены дислокационными субграницами с углом разориентировки в десятые доли градуса и имеют размер около 1- 2 мкм. Плотность дислокаций здесь (2,5-кЗ,5)х1013 м"2. Снимок этой структурной составляющей приведен на рисунок 44.
Тонкая структура стали 08Х18Н10Т, режим 1,х5900: а) — фрагментированная и горяченаклёпанная структура; б) — горяченаклёпанная структура В структуре образца, изготовленного по режиму №1, не обнаружено признаков рекристаллизации. Тонкая структура образца стали 08Х18Н10Т после пластической деформации при температуре 1100С и последеформационной выдержки в течение 20 сек. представляет собой крупные, как правило, более 10 мкм, зёрна с равномерно распределёнными в них дислокациями (рисунок 46,а). Плотность дислокаций в зёрнах составляет (2,5-нЗ,5)х1013 м"2, что характерно для состояния аустенитной стали после горячего наклёпа[2]. В отдельных зёрнах (рисунок 46,6) наблюдаются признаки возврата в виде формирования дислокационных субграниц с разориентировками -0,1.
В некоторых зёрнах (рисунок 46,в), по всей видимости, дислокации перешли в субгранцицы, которые разделяют отдельные фрагменты исходных зёрен друг от друга. Плотность дислокаций в таких областях ниже, чем в зёрнах, где формирование субграниц ещё не началось, и составляет (0,9ч-1,5)х1013 м"2. Также возможно, что эти зёрна подверглись меньшему наклёпу в процессе горячей деформации.
В тонкой структуре образца стали 08Х18Н10Т после пластической деформации при температуре 1100С и последеформационной выдержки в течение 40 сек. происходит формирование фрагментированной структуры субграниц внутри зёрен. Если после выдержки в течение 20 сек. такие субграницы лишь начинали образовываться, то по прошествии 40 сек. после деформации сформировались отчётливые субграницы, разделяющие исходное деформированное зерно на фрагменты размерами 1н-2 мкм (рисунок 49, а-б). Доля такой фрагментированной структуры достигает 90%. Плотность дислокаций внутри фрагментов (1,5-н2,0)х1013 м"2.
В результате деформационного воздействия при температуре пластического деформирования (0,6-0,7)Тпл в стали 08Х18Н10Т формируется высокодисперсная горяченаклепанная субструктуры металла с высокой плотностью дислокаций, равномерно распределенных в объеме кристаллита. Очаг деформации распространяется неравномерно, поэтому в субструктуре присутствуют зерна, подвергшиеся меньше деформации. Во время последеформационный выдержки развивается процесс статической полигонизации. При статической полигонизации происходит формирование дислокационных субграниц с различными разориентировками, в результате чего происходит уменьшение плотности дислокации. Скорость протекания процесса различна в объеме поковки, поэтому после деформации и выдержки стали 20 сек. в субструктуре металла имеется горяченаклепанная и полигонизированная структурные доли. При этом соотношение долей изменяется с течением времени выдержки. И при выдержке 40 сек. горяченаклепанная структура трансформируется в полигонизованную. Совместно с процессом полигонизации развивается статическая рекристаллизация, которая выражается в зарождении центров рекристаллизации при выдержке 20 сек. С увеличением последеформационной выдержки до 40 сек. происходит значительный рост размеров рекристаллизованных зерен и дальнейшее формирование рекристаллизованной структуры.
Температура 1000С и выдержка 20 сек. позволяет обеспечить скорость при которой происходит только начальная стадия рекристаллизации - зарождение центров рекристаллизации. Увеличение температуры деформации 1100С увеличивает скорость протекания процессов рекристаллизации в стали 08Х18Н10Т, что приводит к значительному росту аустенитного зерна. Рост скорости протекания процессов рекристаллизации скорее всего обусловлен увеличением подвижности субзеренных границ. Данные данного параграфа частично приведены в [7].
Закономерности механизма распределения сопротивления деформации при варьировании температурного интервала деформационного воздействия
Проведенные в главе 3 исследования по влиянию пониженных температур деформирования на эксплуатационные свойства штампового инструмента, показали, что более низкие температуры деформирования при ТМО не приводит к значительному износу ручьев штампа.
Предлагаемый технологический процесс, как показали исследования в главе 4 и 5, позволяет производить упрочненные стальные поковки за счет изменений происходящих в строении и тонкой структуре стали под действием деформационного воздействия в интервалах температур теплой пластической деформации. То есть штамповка поковок в отрытых штампах в рамках технологического процесса в интервале температур (0,6ч-0,7)Тпл более эффективна с точки зрения эксплуатационных характеристик в сравнении со стандартным заводским процессом горячей пластической деформации при условии недопущения прохождения полной рекристаллизации.
Технологические ограничения по применению техпроцесса термомеханической обработки в интервалах температур теплой пластической деформации, связанные с необходимостью применения кузнечно-штамповочного оборудования повышенной мощности, для производства поковок удлиненной формы в открытых штампах, отсутствуют.
На наш взгляд, предлагаемый техпроцесс является еще и более эффективным с экономической точки зрения так как позволяет снизить затраты на электроэнергию, необходимую для нагрева и поддержания температуры заготовок, затраты на излишек металла, который требуется назначать, чтобы компенсировать угар и обеспечить требуемую размерную точность поковки. А так же снизить затраты на металл, который расходуется при механической обработки поковок. Имеется в виду тот металл, который необходимо срезать, чтобы получить качественную структур во всем объеме поковки, иначе на наружной поверхности поковки будут скапливаться деструктивные структурные элементы (окалина), образовавшиеся при угаре и отрицательно влияющие на эксплуатационные свойства стального изделии. Стоит отметить, что образование окалины тем больше, чем выше температура нагрева и деформации заготовки. Также при применении ТМО снизятся затраты на электроэнергию и оплату труда на этапе механической обработке поковок.
Дополнительный положительный экономический эффект должен быть получен от увеличения срока службы поковок по причине повышения их эксплуатационных характеристик. Стоит отметить возможное снижение экономического эффекта за счет повышенного износа штампов и увеличении времени производственного цикла за счет назначения времени подстуживания.
Необходимо отметить, что в данной работе расчет экономической эффективности применения техпроцесса ТМО для облойной штамповки поковок удлиненной формы производили с точки зрения техпроцесса изготовления, так как достоверно определить экономический эффект с точки зрения эксплуатационных показателей в настоящий момент не представляется возможным из-за отсутствия методики расчета. Расчет производится на основе данных, предоставленных ОАО «Октябрьский электровагоноремонтный завод» при опытном производстве поковок типа «тяга соединительная», предназначенных для изготовления детали «тяга соединительная» для установки в колесные . тележки подвижного железнодорожного состава (приложение Б, страница 223). При этом сравнивался заводской техпроцесс термомеханической обработки при деформировании заготовки в интервале температур горячей упругопластической деформации (более 0,7ТПЛ) и теплой пластической деформации (0,6-гО,7)ТШ1. Расчет приведен в таблице 34.
Так по результатам опытной отработки режимов термомеханической обработки для ОАО «Октябрьский электровагоноремонтныи завод», установлено, что при производстве поковок в рамках техпроцесса ТМО в интервале температуры деформационного воздействия (0,6+0,7)Тпл затраты на материал сокращаются на 87%, механическую обработку на 33%, а затраты связанные с увеличением продолжительности производственного цикла увеличиваются в среднем на 60%.
В табл. 34 представлен расчет себестоимости производства поковки за единицу. Результаты расчета показали, что возможный экономический эффект от внедрения техпроцесса термомеханической обработки поковок удлиненной формы при штамповке в открытых штампах на КЛИП в интервале температур (0,6н-0,7)Тпл будет выражаться в экономии около 10 руб., что составляет 23%. При этом необходимо отметить, что в расчете не учитывался тот факт, что производимые по рекомендуемому техпроцессу поковки будут иметь повышенный эксплуатационный ресурс, а, следовательно, могут быть более конкурентоспособны.
