Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 16
1.1.Условия работы, причины выхода из строя и требования, предъявляемые к материалу штампов горячего деформирования 16
1.2.Основные пути повышения экономической эффективности штампов для горячего объёмного деформирования и методы ее оценки 25
1.3. Анализ информации по способам изготовления литых штампов. Выбор способа изготовления 30
1.4.Стали для штампов горячего деформирования 38
1.5. Перспективные источники легирующих элементов для штамповых сталей 45
1.6.Система легирования и состав сталей для литых штампов 59
1.7.Влияние модифицирования на структуру и свойства литых штамповых сталей 58
1.8. Особенности термической обработки литых штамповых сталей 63
1.9. Влияние циклических тепловых воздействий на свойства сталей 70
1.10. Химико-термическая обработка штампов 84
1.11. Цель и задачи исследования 106
2. Материалы и методика исследований по
3. исследование влияния состава стали на стойкость литого штампового инструмента 140
3.1. Технология получения экономно-легированной штамповои стали. 140
3.2. Выбор количества модифицирующих добавок и условия их введения 140
3.3. Получение литых штамповых вкладышей из экономнолегированной стали с применением отходов стали и оценка их эксплуатационной стойкости 151
3.4. Отработка технологии плавки и оптимизация химического состава инструментальной стали типа 5ХНМВФ 155
3.5. Особенности термической обработки литых сталей 161
4. Упрочнение штампового инструмента термоциклической обработкой 187
4.1. Оптимизация термоциклической обработки инструментальной стали 187
4.2. Изучение особенностей тонкой структуры стали У8А сформировавшейся в результате различных видов теплового воздействия 208
4.3. Оптимизация ТЦО штамповых сталей 235
5. Борирование штамповых сталей. влияние термоциклирования (ХТЦО) на структуру карбоборированных слоев феррито-перлитной стали 252
5.1. Структура стали 10 в исходном состоянии 253
5.2. Структура стали 10 после ХТО в изотермических условиях (после однократного нагрева) 262
5.3. Качественное сопоставление структур, возникающих при карбо-борировании стали после однократного нагрева и после термоциклирования 292
5.4. О возможности появления аморфных структур при реализации процессов борирования и карбоборирования 304
5.5. Механизмы проникновения атомов бора и углерода в a-Fe 308
5.6. Фазовый наклеп в процессе карбоборирования 312
5.7. Проблема углеродистого и борированного перлита 317
5.8. Механизм образования различных карбоборидов Рез(С,В) и Ре2з(С,В)б в процессе карбоборирования 326
5.9. О концентрации бора и углерода в фазе Fe3(C,B) 330
5.10. Количественные характеристики. Объемная доля карбоборидов и боридов в различных слоях материала 332
5.11. ос-фаза. Ее объемная доля и концентрация элементов (В + С) 337
5.12. Количественные данные. Информация о локальном расположении карбоборидов на дефектах строения, в объеме материала и в перлитной морфологии 341
5.13. Формирование границ разориентировки и других дефектов и роль этих процессов в карбоборировании 346
5.14. Результату процесса карбоборирования. Распределение атомов бора и углерода в стали 10 349
5.15. Химико-термоциклическая обработка штамповых сталей 357
6. Промышленные испытания и технология изготовления, термоциклической и химико-термоциклической обработки штампового инструмента из экономнолегированной стали с диффузионным покрытием 379
Основные результаты и выводы по работе 396
Литература 400
Приложения 442
- Анализ информации по способам изготовления литых штампов. Выбор способа изготовления
- Получение литых штамповых вкладышей из экономнолегированной стали с применением отходов стали и оценка их эксплуатационной стойкости
- Изучение особенностей тонкой структуры стали У8А сформировавшейся в результате различных видов теплового воздействия
- Качественное сопоставление структур, возникающих при карбо-борировании стали после однократного нагрева и после термоциклирования
Введение к работе
Актуальность. Задача повышения работоспособности штампового инструмента, несмотря на многочисленные исследования и многолетние поиски, до настоящего времени не имеет оптимального решения и является металловедческой проблемой, имеющей большое научно-техническое и практическое значение. Низкая стойкость штампов тормозит широкое внедрение ряда новых куз-нечно-прессовых машин и прогрессивных технологических процессов обработки давлением. Снижение расходов на штамповую оснастку является важной народнохозяйственной задачей.
На предприятиях США и Германии стоимость кузнечно-штамповой оснастки составляет 5-15 % от себестоимости поковок. По данным автозавода имени Лихачева и Минского тракторного завода эта цифра составляет 10 %, а на некоторых предприятиях она поднимается до 30 % [1]. Поэтому снижение стоимости и повышение стойкости штампов даёт значительный экономический эффект.
Для уменьшения расходов на изготовления штампов традиционно применяют высоколегированные стали и разрабатывают различные способы упрочняющей обработки поверхностей (наплавка, напыление и др.). Однако эти направления, приводя к повышению долговечности штампов, не обеспечивают ни снижения стоимости материала штампов, составляющей до 80% от общей стоимости их изготовления, ни уменьшения трудоемкости изготовления самих штампов.
Применение разнообразных отходов смежных производств, содержащих дорогостоящие и дефицитные материалы, для легирования инструментальных сталей представляет значительный практический интерес с точки зрения ресурсосбережения, снижения стоимости и расширения объемов производства упрочненных материалов. Но, в виду технологии образования, отходы, содержащие такие элементы, как никель, молибден, вольфрам, кобальт, по своим металлургическим свойствам существенно отличаются от традиционно применяемых ферросплавов. Легирующие элементы в них, как правило, находятся в окисленном состоянии, что, в свою очередь, требует разработки технологии плавки и легирования инструментальных сталей за счет восстановления легирующих элементов через шлаковую фазу [ 2 ].
Наиболее полно перечисленным требованиям отвечает использование литого штампового инструмента, которое приводит к сокращению расходов дорогостоящих инструментальных сталей, снижению расходов на изготовление штампов и повышению их стойкости [1, 4, 6]. Тем не менее, в настоящее время литой штамповыи инструмент не находит достаточно широкого применения на машиностроительных предприятиях России, несмотря на то, что существующие технологические процессы изготовления литых штампов обеспечивают значительное повышение коэффициента использования металла и снижение трудозатрат на его изготовление по сравнению со штампами из деформированного металла.
Часто, когда речь заходит об изготовлении таких ответственных изделий, как кузнечный инструмент, к литой стали относятся с традиционным недоверием. Представление о кованой или прокатанной стали ассоциируется с высокой прочностью и ударной вязкостью, а о литой - с наличием значительного количества дефектов, пониженной прочностью и повышенной хрупкостью. Однако отливки имеют более однородную структуру и менее выраженную анизотропию свойств, чем прокат и поковки, а литая штамповая сталь при меньшем запасе пластичности имеет повышенное сопротивление деформированию. Литая сталь имеет более цысокое сопротивление истиранию по сравнению с деформированной [ 3, 4 ], и особенно при повышенных температурах, уступая деформированной в пластичности [ 5 ]. Поэтому высокая эффективность литого инструмента может быть получена в случаях, когда непосредственными причинами выхода штампов из строя является истирание или смятые. Анализ выхода из строя штампов ковочных машин, проведенный на Минском ПО тракторных запчастей при производстве заготовок шестерен, показывает, что около 80% штампов выходит из строя по причине смятая центральной бобылки и износа рабочей фигуры штамповых вставок [ 6 ]. Это обстоятельство, а также то, что у литого инструмента имеется еще одно важное преимущество - снижение стоимости (до 40 %), сыграло решающую роль в выборе способа его изготовления.
Ударная вязкость и пластичность литой стали могут быть повышены за счет соответствующих металлургических (рафинирование, модифицирование) и металловедческих (оптимизация термической обработки) мер, что делает возможной успешную эксплуатацию различных видов кузнечных штампов благодаря сохранению преимуществ литой структуры.
Основными причинами ограниченного использования литого инструмента в нашей стране являются: - недостаточное знание особенностей структуры и свойств современных штамповых сталей в литом состоянии в их взаимосвязи с эксплуатационной долговечностью штампов; -отсутствие достаточных рекомендаций по составу стали для изготовления штампов и оптимальным режимам термической и химико-термической обработки литого инструмента, рациональным технологическим процессам изготовления литых штампов; -противоречивость данных о работоспособности литых штампов и свойствах литого материала по сравнению с деформированным; -организационные затруднения, связанные с необходимостью создания специализированных участков по изготовлению литых штампов.
Поэтому при изготовлении литых штампов необходимо решить проблему разработки технологических процессов, обеспечивающих получение отливок высокой точности и чистоты поверхности, а также получения в литых штампах металла высокого качества.
Задачу получения в литых штампах металла с высокими механическими свойствами, не уступающими кованому, можно решить за счет повышения пластичности и вязкости литых штамповых сталей при сохранении высокой прочности. Этого, в свою очередь, можно добиться посредством корректировки их химического состава, применения рафинирующих переплавных процессов и модифицирования, а также оптимизацией термической обработки.
Что касается создания специализированных участков по изготовлению литого инструмента, то, как свидетельствует опыт некоторых предприятий, с этой проблемой может успешно справиться коллектив любого завода, цеха или ремонтного предприятия [6, 9 - 12]. Экономически же преимущества литых штампов очевидны.
О целесообразности применения литых штампов впервые сообщалось в нашей стране более 60 лет назад [ 7 ]. Однако из-за несовершенства литейной технологии, недостаточной изученности особенностей эксплуатации и повреждения, литые штампы в то время не нашли применения на отечественных предприятиях.
Вопросы формирования отливок, т. е. получение литых заготовок или деталей, обладающих иными по сравнению с исходными материалами свойствами, являются основными в теории и практике литейного производства [ 8 ]. Отличие технологии литья от технологии изготовления деталей методами механической обработки заключается в возможности управления процессами получения отливок не только необходимой конфигурации и размеров, но и с заданным комплексом физических, химических и механических свойств.
Одним из наиболее рациональных технологических средств повышения точности и качества отливки является использование процесса изготовления стержней по нагреваемой оснастке, который основывается на свойствах термо -8-реактивных связующих, способных быстро затвердевать при контакте с нагретой модельной оснасткой, благодаря чему можно получать за короткое время готовый стержень непосредственно в ящике [ 8 ]. Данный процесс развивается по трем направлениям: изготовление оболочковых стержней из сухих песчано-смоляных смесей на основе термореактивной фенолоформальдегидной смолы (СФ- 015 или СФ-200, ранее использовался пульвербакелит ПК-104); изготовление цельных или облегченных стержней из маловлажных песчано-смоляных смесей на основе жидких термореактивных смол или быстротвердеющих связующих КФ-90, КФ 40 (карбомидо-фурановые), МЗ и ВК1 (карбомидные), Фу-ритол-107, Фуритол-125; изготовление стержней из жидкоподвижных смесей на основе органических или минеральных (жидкое стекло) связующих.
Время изготовления стержней сокращается в десятки раз по сравнению с традиционным способом изготовления, исключается часть операций: транспортировка стержней в печь и их сушка; в большинстве случаев подгонка и склейка. Полностью исключается применение каркасов. Качество и точность стержней значительно повышается, уменьшается расход стержневой смеси, улучшается газоотвод, облегчаются условия выбивки стержней из отливок за счет термической деструкции связующего под действием тепла жидкого металла, сокращается брак при отливке деталей (стержни не препятствуют усадке), повышается точность размеров и чистота поверхности отливок.
Понижение шероховатости поверхности отливки является одним из направлений повышения качества литого штампового инструмента, а чистота рабочей поверхности (гравюры штампа) влияет на качество поковок и на долговечность самого штампа.
Изыскание новых возможностей изменения комплекса физико-механических свойств металлов в заданном направлении является актуальной задачей современного металловедения. Решение этой задачи требует совершенствования существующих и создания новых методов обработки металлов. Её решение в настоящее время связывается с интенсивным распространением, наряду с другими видами термической и химико-термической обработки, термоциклической обработки (ТЦО) - термической обработки в условиях циклических тепловых воздействий [13].
В процессе эксплуатации наиболее интенсивно подвергаются темпера-турно-силовым воздействиям поверхностные слои деталей и инструмента, поэтому структура и свойства поверхностных слоев оказывает важное влияние на их работоспособность.
Существуют различные методы упрочнения поверхностных слоев, такие как напыление износостойких соединений, наплавление легированным металлом, пластическое деформирование, обработка в магнитном поле. Одним из наиболее эффективных способов повышения износостойкости деталей и инструмента является химико-термическая обработка (ХТО), позволяющая повысить их срок службы за счет изменения состояния материала рабочей поверхности [14]. Методы ХТО, изменяя структуру поверхностного слоя, повышают прочность, износостойкость и теплостойкость инструментального материала за счет образования более устойчивых при нагреве соединений (карбидов, нитридов, боридов).
Диффузионное насыщение поверхности стали обычно проводят при высокотемпературной изотермической выдержке с полной перекристаллизацией в аустенитное состояние. Это приводит к перегреву -структура и механические свойства стали, кроме твёрдости и износостойкости, ухудшаются. Недостатками процессов традиционной ХТО являются также их высокая энергоёмкость и продолжительность.
Основные недостатки традиционных способов ХТО во многом устраняются при совмещении этого процесса с ТЦО. Во-первых, структурные изменения ускоряют последующую диффузию атомов в металлическом материале, и использование ТЦО как предварительной ТО перед обычной ХТО представляется достаточно перспективным. Во-вторых, проведение ХТО в температурном режиме ТЦО является наиболее эффективным методом интенсификации химического насыщения поверхности деталей при одновременном улучшении их качества. В-третьих, использование ТЦО после ХТО в одном технологическом процессе исправляет перегрев (крупнозернистость) и другие дефекты структуры, получаемые обычно при высокотемпературной ХТО.
Процесс насыщения металла различными элементами состоит из трёх этапов: диссоциация молекул с образованием активных атомов, способных диффундировать в металл; адсорбции, т.е. присоединения и удержание поверхностью свободных активных атомов; диффузии - проникновения насыщающего элемента в глубь материала [15, 16]. Интенсификация ХТО возможна путём воздействия на указанные явления. На скорость диффузии, кроме температуры и легированности, члияют следующие параметры: размер аустенитного зерна (чем мельче зерно, тем быстрее протекает насыщение), наличие дефектов кристаллического строения (чем выше плотность дефектов, тем быстрее диффун -10-дирует насыщающий элемент), наличие градиента концентрации насыщающего элемента. Последнее создаётся нестационарностью и неоднородностью температурного поля. И чем выше отклонения от положения термодинамического равновесия, тем выше градиент концентрации и, следовательно, выше скорость распространения насыщающего элемента. В сталях, например, градиент концентрации углерода при изотермической цементации всегда направлен в глубь металла. Скорость насыщения здесь определяется температурой и коэффициентом диффузии. Но рри изменении температуры (охлаждении) поверхностные слои изделия охлаждаются быстрее, чем внутренние. Следовательно, в этом слое охлаждаемый аустенит будет менее способен растворять углерод. Зато более глубокие слои с более высокой температурой будут более склонны к растворению углерода. Таким образом, образуется мощный стимул массопереноса углерода из более "голодных" поверхностных слоев в более "горячую" сердцевину. Аналогичным способом активизируются и другие процессы насыщения (азотирование, нитррцементация, борирование). Поэтому ХТО сталей при некоторых циклически изменяющихся температурных режимах более эффективна, чем при постоянной температуре насыщения.
В силу специфики процессов, происходящих в условиях циклических воздействий, при термоциклической обработке возможно изменение и кинетики и механизмов процессов структурообразования, целенаправленное изменение комплекса свойств сплавов, а, следовательно, надежности и долговечности изделий, из них изготовленных. Научные исследования и практический опыт применения убеждают в ее перспективности для повышения конструкционной прочности, пластичности, износостойкости и других физико-механических свойств сталей и сплавов.
Таким образом, требуется комплексный подход к решению задачи повышения работоспособности штампового инструмента. Необходима разработка сквозной технологии получения литых штамповых вставок, обеспечивающей получение высоких эксплуатационных свойств штампов и включающей ряд мер, направленных на повышение их стойкости, таких как: оптимизация химического состава штамповой стали, применение рафинирующих переплавных процессов, модифицирование, применение прогрессивных методов литья, оптимизация термической и химико-термической обработки.
Основной целью данной работы является изучение закономерностей структурных изменений, физико-механических свойств и износостойкости инструментальных сталей и твердых диффузионных покрытий после термоцикли -11 ческой обработки, а также повышение стойкости и снижение себестоимости изготовления горячештампового инструмента за счет изучения закономерностей структурообразования в литых штамповых сталях как функции условий выплавки и модифицирования, состава стали и последующей термической и химико-термической обработки.
В работе поставлены следующие задачи:
1. Определить оптимальное сочетание и количественное содержание легирующих элементов и модифицирующих добавок в сталях для литых вставокштампов горячего деформирования с применением нетрадиционных источников легирующих элементов для легирования штамповых сталей.
2. Изучить влияние окончательной термоциклической обработки наструктуру и свойства инструментальных сталей.
3. Изучить особенности формирования структуры диффузионного слоя и сердцевины стали при изотермическом и при термоциклическом воздействии во время борирования из обмазки.
4. На основе изученных представлений о поведении инструментальных сталей и диффузионных покрытий при термоциклической обработке рекомендовать оптимальные режимы термической и химико-термической обработки штамповых сталей.
5. Разработать, опробовать и внедрить в производство новые штамповые стали, режимы термоциклической и химико-термоциклической обработки в виде сквозной технологии изготовления литого инструмента, обеспечивающей получение высоких эксплуатационных свойств штампов.
Для решения этих задач в работе использованы следующие экспериментальные методы: оптическая микроскопия; просвечивающая и растровая электронная микроскопия; рентгеноструктурныи и микрорентгеноспектральные анализы; стандартные методы исследования физико-механических свойств и др. методы. Проводили опытно-промышленные и промышленные плавки штамповых сталей. Исследовали структуру этих сталей и проводили испытания изготовленного из них инструмента, подвергнутого термической, термоциклической, химико-термической и химико-термоциклической обработке по разработанным нами режимам.
Научная новизна.
Разработаны новые экономно легированные стали для литого штампового инструмента горячего объемного деформирования, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретение.
Впервые установлено положительное влияние окончательной термоциклической обработки (ТЦО) на структуру и свойства литых штамповых сталей. Установлены зависимости (математические модели), связывающие механические свойства (прочность, ударная вязкость) инструментальных сталей с технологическими параметрами ТЦО и определены оптимальные режимы окончательной ТЦО штамповых сталей.
Исследования макро-, мезо- и микроструктуры образцов инструментальной стали У8, подвергнутых различным видам термической и термоциклической обработки, позволяют сделать выводы о роли ТЦО и его влиянии на механические свойства. J3 результате ТЦО происходят следующие основные изменения: изменяется структура, размеры и морфология карбидов; одновременно снижается уровень внутренних напряжений; основным местом зарождения трещин являются большие частицы карбидов, основным путем распространения трещин - межфазные границы "а-фаза - карбид" и внутрифазовые границы в а-фазе. Измельчение и перераспределение карбидов затрудняет, во-первых, зарождение микротрещин и, во-вторых, распространение их по указанным выше траекториям. В сочетании с уменьшением внутренних полей напряжений указанные эффекты повышают ударную вязкость в результате ТЦО и последующего низкого отпуска. Благодаря тому, что параметры мартенситной и дислокационной структуры меняются при ТЦО незначительно, сохраняется высокое сопротивление деформированию стали. Таким образом, роль ТЦО проявляется через комплексный характер изменения параметров микроструктуры и внутренних напряжений.
Впервые детально изучено зональное строение карбоборированноых слоев, полученных при изотермических и при циклических тепловых воздействиях во время борирования феррито-перлитной стали. Проанализированы известные закономерности диффузии, формирования структуры боридного слоя сталей, описаны особенности процессов структурообразования при борировании и кар-боборировании при циклических тепловых воздействиях в феррито-перлитних углеродистых и инструментальных сталях с учетом их предварительной обработки. Показано, что циклический нагрев и охлаждение значительно ускоряют кинетику процесса.
Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом карбоборирования за исключением наружного слоя, где решающим фактором является реакционная диффузия.
Методами дифракционной электронной микроскопии и рентгенострук-турного анализа изучено послойное строение карбоборированного материала и выявлена физическая причина образования такой структуры. Установлено, что формирующиеся в ходе карбоборирования новые границы зерен и субзерен выполняют тройную роль. Во-первых, они служат основным каналом насыщения атомами бора и углерода основных глубинных слоев. Во-вторых, на них локализована больщая часть карбоборидов. В-третьих, на них расположена значительная часть атомов бора и углерода, еще не образовавшихся карбоборидов.
Установлено, что в процессе карбоборирования происходит образование борированного перлита, изучена его структура и роль миграции границ в его образовании.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением современных методов исследования, статистическим характером обработки результатов, проведением опытных и промышленных плавок стали и испытанием инструмента, сопоставлением полученных результатов и соответствием с литературными данными, а также проведенным патентным поиском.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты и установленные закономерности дают новые, более полные представления о пррцессах, происходящих в стали при термоциклировании с фазовыми превращениями и позволяют осуществить научный подход к упрочнению инструмента.
Полученные результаты могут быть непосредственно использованы для анализа процессов, происходящих в литых сталях, а также для разработки способов термической, термоциклической и химико-термоциклической обработки инструментальных сталей с целью повышения их износостойкости.
Разработаны новые экономнолегированные стали для литого штампового инструмента и оснастки (А.С. №№, 1627586, 1712455, Патенты №№ 1445242, 2095460), а также способы упрочнения инструментальных сталей (А.С. №№ 1463774, Патенты №№ 2078440, 2090629, 2131469), основанные на установленных положениях по составу, структуре и свойствам инструментальных материалов и износостойких покрытий при работе в тяжело нагруженных условиях. Разработана и внедрена комплексная технология изготовления и термической обработки литых штампов горячего объёмного деформирования с износостойким диффузионным покрытием гравюры, включающая технологию переплава изношенного инструмента, легирование из отходов смежных производств, мо -15-Влияние параметров ТЦО на измельчение частиц карбидной фазы и равномерное их распределение.
4. Разработанные, опробованные и внедренные в производство новые технологии термоциклической и химико-термоциклической обработки литого штампового инструмента.
5. Установленные закономерности структурных изменений в диффузионном слое при термоциклическом борировании поверхности феррито-перлитной стали. Влияние термоциклирования во время борирования на фазовый состав и роль различных диффузионных процессов в формировании переходной зоны.
Апробация работы.
Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 38 -ми научных и научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах в России и за рубежом с 1987 по 2000г.
Началом настоящей работы послужила кандидатская диссертация «Разработка технологии изготовления и термической обработки литого штампового инструмента» выполненная автором под руководством заведующего кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» Белорусского политехнического института доктором технических наук, профессором Л.Г. Ворошни-ным. Начиная с 1989 года по теме настоящей диссертации автором опубликовано более 100 работ в научных журналах и сборниках, издано 4 монографии и получено 9 авторских свидетельств и патентов на изобретение.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы, изложенных на 441 страницах и приложения. Она содержит 171 рисунок, 71 таблица и список литературы из 453 наименований.
Дифицирование и технологию термоциклической обработки, обеспечивающих его высокую эксплуатационную стойкость, сформулированы рекомендации, увеличивающие срок службы штампового инструмента. Литой инструмент, изготовленный и упрочненный по разработанной технологии, по стойкости в 1,4 — 3,2 раза превосходит аналогичный инструмент, изготовленный из проката сталей 4Х5МФС и 5Х2МНФ. Акты приложены к работе.
Результаты, полученные в настоящей работе, вошли в лекционные курсы «металловедение и термическая обработка металлов» и «физика прочности и материаловедение», читаемые автором на кафедре «Металловедение и термическая обработка металлов» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, а также включены в пособие по лабораторным работам по курсу «Материаловедение» (Бутыгин В.Б., Гурьев A.M., Жданов А.Н. и др. Металловедение и термическая обработка металлов. Пособие по лабораторным работам/ Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000.- 184 с). Материалы работы включены в учебные пособия:
1. Гурьев A.M., Жданов А.Н., Евтушенко А.Т., Кириенко A.M. Проблемы повышения стойкости литого штампового инструмента: Учебное пособие / Алт. гос. техн. ун-т. им. И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997.- 142 с.
2. Гурьев A.M., 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.
Автор защищает следующие основные положения.
1 .Разработанные составы новых экономно легированных инструментальных сталей повышенной теплостойкости для штамповых вставок горячего объёмного деформирования. Установленное сочетание и оптимальное количественное содержание в них легирующих карбидообразующих элементов (W, V) и модифицирующих добавок (РЗМ и ЩЗМ).
2. Совокупность экспериментальных данных о влиянии состава, структуры и физико-механических свойств инструментальных сталей на износостойкость штампового инструмента работающего в тяжелых температурно-силовых условиях. Двукратное повышение эксплуатационной стойкости штампов обеспечивается дополнительным введением вольфрама и ванадия при электрошлаковом переплаве отходов стали 5ХНМ.
3. Установленные закономерности структурных изменений при окончательной термоциклической обработке инструментальной эвтектоидной стали.
Анализ информации по способам изготовления литых штампов. Выбор способа изготовления
Исследования макро-, мезо- и микроструктуры образцов инструментальной стали У8, подвергнутых различным видам термической и термоциклической обработки, позволяют сделать выводы о роли ТЦО и его влиянии на механические свойства. J3 результате ТЦО происходят следующие основные изменения: изменяется структура, размеры и морфология карбидов; одновременно снижается уровень внутренних напряжений; основным местом зарождения трещин являются большие частицы карбидов, основным путем распространения трещин - межфазные границы "а-фаза - карбид" и внутрифазовые границы в а-фазе. Измельчение и перераспределение карбидов затрудняет, во-первых, зарождение микротрещин и, во-вторых, распространение их по указанным выше траекториям. В сочетании с уменьшением внутренних полей напряжений указанные эффекты повышают ударную вязкость в результате ТЦО и последующего низкого отпуска. Благодаря тому, что параметры мартенситной и дислокационной структуры меняются при ТЦО незначительно, сохраняется высокое сопротивление деформированию стали. Таким образом, роль ТЦО проявляется через комплексный характер изменения параметров микроструктуры и внутренних напряжений.
Впервые детально изучено зональное строение карбоборированноых слоев, полученных при изотермических и при циклических тепловых воздействиях во время борирования феррито-перлитной стали. Проанализированы известные закономерности диффузии, формирования структуры боридного слоя сталей, описаны особенности процессов структурообразования при борировании и кар-боборировании при циклических тепловых воздействиях в феррито-перлитних углеродистых и инструментальных сталях с учетом их предварительной обработки. Показано, что циклический нагрев и охлаждение значительно ускоряют кинетику процесса.
Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом карбоборирования за исключением наружного слоя, где решающим фактором является реакционная диффузия.
Методами дифракционной электронной микроскопии и рентгенострук-турного анализа изучено послойное строение карбоборированного материала и выявлена физическая причина образования такой структуры. Установлено, что формирующиеся в ходе карбоборирования новые границы зерен и субзерен выполняют тройную роль. Во-первых, они служат основным каналом насыщения атомами бора и углерода основных глубинных слоев. Во-вторых, на них локализована больщая часть карбоборидов. В-третьих, на них расположена значительная часть атомов бора и углерода, еще не образовавшихся карбоборидов.
Установлено, что в процессе карбоборирования происходит образование борированного перлита, изучена его структура и роль миграции границ в его образовании.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением современных методов исследования, статистическим характером обработки результатов, проведением опытных и промышленных плавок стали и испытанием инструмента, сопоставлением полученных результатов и соответствием с литературными данными, а также проведенным патентным поиском.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты и установленные закономерности дают новые, более полные представления о пррцессах, происходящих в стали при термоциклировании с фазовыми превращениями и позволяют осуществить научный подход к упрочнению инструмента.
Полученные результаты могут быть непосредственно использованы для анализа процессов, происходящих в литых сталях, а также для разработки способов термической, термоциклической и химико-термоциклической обработки инструментальных сталей с целью повышения их износостойкости.
Разработаны новые экономнолегированные стали для литого штампового инструмента и оснастки (А.С. №№, 1627586, 1712455, Патенты №№ 1445242, 2095460), а также способы упрочнения инструментальных сталей (А.С. №№ 1463774, Патенты №№ 2078440, 2090629, 2131469), основанные на установленных положениях по составу, структуре и свойствам инструментальных материалов и износостойких покрытий при работе в тяжело нагруженных условиях. Разработана и внедрена комплексная технология изготовления и термической обработки литых штампов горячего объёмного деформирования с износостойким диффузионным покрытием гравюры, включающая технологию переплава изношенного инструмента, легирование из отходов смежных производств, мо Влияние параметров ТЦО на измельчение частиц карбидной фазы и равномерное их распределение. 4. Разработанные, опробованные и внедренные в производство новые технологии термоциклической и химико-термоциклической обработки литого штампового инструмента. 5. Установленные закономерности структурных изменений в диффузионном слое при термоциклическом борировании поверхности феррито-перлитной стали. Влияние термоциклирования во время борирования на фазовый состав и роль различных диффузионных процессов в формировании переходной зоны. Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 38 -ми научных и научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах в России и за рубежом с 1987 по 2000г. Началом настоящей работы послужила кандидатская диссертация «Разработка технологии изготовления и термической обработки литого штампового инструмента» выполненная автором под руководством заведующего кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» Белорусского политехнического института доктором технических наук, профессором Л.Г. Ворошни-ным. Начиная с 1989 года по теме настоящей диссертации автором опубликовано более 100 работ в научных журналах и сборниках, издано 4 монографии и получено 9 авторских свидетельств и патентов на изобретение.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы, изложенных на 441 страницах и приложения. Она содержит 171 рисунок, 71 таблица и список литературы из 453 наименований. дифицирование и технологию термоциклической обработки, обеспечивающих его высокую эксплуатационную стойкость, сформулированы рекомендации, увеличивающие срок службы штампового инструмента. Литой инструмент, изготовленный и упрочненный по разработанной технологии, по стойкости в 1,4 — 3,2 раза превосходит аналогичный инструмент, изготовленный из проката сталей 4Х5МФС и 5Х2МНФ. Акты приложены к работе.
Получение литых штамповых вкладышей из экономнолегированной стали с применением отходов стали и оценка их эксплуатационной стойкости
Авторы [91] при введении 0,1-0,5% РЗМ в сталь марок Л30, Л50Г не достигли результата достаточного удаления серы. РЗМ вводили на дно ковша, температурный режим в работе не указан. Возможно, что при введении РЗМ в ковш получаются менее стабильные результаты, так как в этом случае сложнее создать оптимальные температурные условия для удаления сульфидов [95].
Рекомендуют [95] выпускать металл сразу после введения добавок РЗМ в печь (емкость 5 кг) иди выдерживать 8-10 мин. под слоем синтетического шлака (60% извести, 30%) соды и 10%) плавикового шпата). При содержании под слоем шлака, содержащего большое количество марганца, сера переходит из шлака в металл.
Из проведенного анализа ряда работ [76, 78-97] можно сказать, что добавки РЗМ существенно изменяют структуру и свойства литых и кованых сталей следующим образом: -заметно измельчают структуру сталей; -способствует образрванию включений глобулярной формы; -повышают пластичность при температуре ковки; -увеличивают выход годного метал-ла;-повышают пластичность и ударную вязкость стали.
Повышение пластичности и вязкости литых штамповых сталей особенно актуально для теплостойких сталей типа 5Х2МНФ, 4Х5МФС и др., так как эти стали имеют очень низкие значения этих характеристик, что часто является основной причиной вьдхода из строя литого инструмента. Из работ [49, 84-87, 96,97] следует, что совместные добавки модифицирующих элементов оказывают более эффективное воздействие на структуру и свойства литой штамповой стали. Так, хорошие результаты получены в работе [86] при модифицировании комплексными присадками, содержащими Ті, Al, Са, Zn и Се. Отливки стали с 0,35% С, модифициррванные комплексными присадками, имеют более высокий по сравнению со сталью, раскисляемой алюминием, уровень литейных и прочностных свойств, а также несколько более высокие значения пластичности.
На Днепродзержинском заводе [84] при производстве в кислых печах емкостью 5 т, в целях стабилизации механических свойств и химического состава, исследовали влияние различных модификаторов на пластичность сталей. Исследования показали, что применение совместного раскисления и модифицирования стали алюминием и РЗМ позволяет повысить пластичность литого металла и уменьшить угар элементов, что приводит к снижению их расхода.
В работе [83] исследовали влияние модифицирования на изменение механический свойств литой штамповой стали 5ХНМ. Введение 0,3% модификатора, содержащего Са, Mg и РЗМ, заметно не влияя на прочность стали, значительно повышает пластичность ( в 1,5 раза повышается 8 и ф ) и вязкость металла ( ударная вязкость стали KCU без модифицирования составляла 32 Дж/см2, а модифицированной стали - 52 Дж/см2).
В Донецком политехническом институте [96, 97] разработали технологию ввода и стабильного усвоения активных модифицирующих элементов при электрошлаковой выплавке стали 4Х5МФС для штампового инструмента горячего деформирования. Исрледовали влияние модифицирования на структуру и служебные свойства стали. Промышленные испытания показали, что введение в сталь 0,003% Се и 0,039% Са обеспечивает повышение стойкости штампового инструмента на 42,7 т 74,6% по сравнению с не модифицированной сталью.
Кроме легирования (см. раздел 1.6) и модифицирования (раздел 1.7) существенное влияние на рвойства стали оказывает способ выплавки стали. Одной из основных проблем, стоящей перед специалистами в черной металлургии, является улучшение качества стали, которое во многих случаях неразрывно связано с чистотой стали [98-99]. Получение высококачественной стали возможно металлургическими методами - раскислением, легированием, рафинированием и дегазацией, а также различными рафинирующими переплавами электронно-лучевой, электрошлаковой и др. [99].Наиболее перспективным, в частности для получения литых штампов, является электрошлаковая технология, так как электрошлаковый рафинирующий процесс (ЭШП) наиболее распространен, широко применяется в промышленности [99-127] и имеет ряд преимуществ перед другими технологиями. Подробнее он рассмотрен в следующей главе.
Основой успешной эксплуатации литого штампового инструмента является правильный выбор стали для его изготовления и соответствующая термическая обработка этой стали. Термическая обработка может обеспечить оптимальные, с точки зрения условий эксплуатации инструмента, свойства штамповой стали, а стойкость инструмента во многих случаях определяется, главным образом, качеством термической обработки [49, 141].
Обычно режимы термической обработки литого штампового инструмента называют по аналогии с режимами кованого инструмента, ссылаясь при этом на одинаковый или близкий химический состав литой и деформированной стали, из которой он изготовлен [9-11, 49, 123, 140, 141 и др.]. Хотя некоторые исследования и показывают, что для получения в литой штамповой стали структуры и механических свойств, обеспечивающих высокие свойства при эксплуатации, необходимо корректировать не только ее химический состав, но и режимы предварительной термическрй обработки [105, 133-135, 142, 143].
В работе [145] приведены традиционные температурные режимы предварительной термической обработки и твердость поковок штамповых сталей для горячего деформирования (табл. 1.13). Загрузку поковок в печь рекомендуют проводить при температуре рабочего пространства печи не выше 600 С. Для штампов крупнцх и средних размеров и сложной формы рекомендуют полный или изотермичеркий отжиг с получением структуры зернистого перлита. Для высоколегированных штамповых сталей скорость охлаждения при полном отжиге не должна превышать 30 С/час. Применение изотермического отжига наиболее эффективнр для крупных штампов сложной формы и обеспечивает минимальное коробление при закалке. Структура после изотермического отжига более однородна т.к. распад аустенита происходит практически при постоянной температуре. Рекомендуют выбирать время выдержки: при нагреве до температуры отжига из расчета 1 час + (1,2 - 1,5) мин. на 1 мм толщины поковки; при изотермической выдержке 1 час. + (1,5 - 2,0) мин. на 1 мм толщины поковки. Металл из печи рекомендуют выгружать при температуре, не выше 400С.
Поковки малых размеров, обработанные в оптимальном интервале температур, предназначенные для инструмента простой формы и имеющие после ковки бейнитную или мартенситную структуру, целесообразно подвергать высокому отпуску при температурах, близких к Acj.
Изучение особенностей тонкой структуры стали У8А сформировавшейся в результате различных видов теплового воздействия
В работе [146] также рекомендуют применять изотермический отжиг в качестве предварительной термообработки штамповой стали 4ХМ2Фч, модифицированной РЗМ, позволяющий получить мелкозернистую структуру и улучшить обрабатываемость резанием. Режим обработки следующий: нормализация 950С, 1,2-2ч, отжиг при 75Р-760С, 2-3 ч, охлаждение до температуры 670-680С, выдержка 3-4 ч, дальнейшее охлаждение на воздухе. Структура после такой термообработки представляет собой зернистый перлит, балл 1-2 и твердость НВ 220-250.
Однако, отжиг по режимам, приведенным в табл. 1.13 и последующая закалка с температур, рекомендуемых для деформированного материала, не устраняет химическую неоднородность распределения элементов в литых сталях. Структура участков, роответствующих осям дендритов после закалки, состоит из мартенсита, а междендритные зоны наряду с мартенситом, первичными карбидными выделениями срдержат и остаточный аустенит.
При указанны операциях термической обработки в твердый раствор не переходит большая часть первичных карбидов, количество их и протяженность определяется составдм стали и скоростью охлаждения соответствующих участков отливки при кристаллизации. Химический состав первичных карбидных включений практически не меняется по высоте отливок.
Последующий после закалки отпуск, вызывая превращение мартенсита и остаточного аустенита, уже не влияет на фиксированную закалкой химическую неоднородность в распределении легирующих элементов. Для полного завершения превращений в междендритных участках всех, кроме 5ХНМ, сталей требуется двойной отпуск [1].
После учета осрбенностей строения литых штамповых сталей в сравнении с деформированными аналогами, заключающимися в ликвационной неоднородности распределения легирующих элементов и выделении первичных карбидных фаз в междендритных участках, требуется применение специальных режимов термической обработки, направленных в первую очередь на перевод в твердый раствор большей части карбидных выделений. В этой связи ударная вязкость литых сталей может быть повышена за счет применения высокотемпературного отжига [ 1 ].
Так, в работах [105, 133, 134] изучали влияние высокотемпературной термообработки на свойства стали 5ХНВ электрошлакового переплава. Отжиг при 900-950С с изотермической выдержкой при охлаждении в интервале температур 650-670С и дальнейшим охлаждением с печью значительно повышает вязкость литой стали 5ХНВ электрошлакового переплава. Высокотемпературный отжиг (гомогенизация) хромоникельмолибденовой стали 5ХНМ при 1100С и последующая нормализация при 930С повышает, примерно в 2 раза, ударную вязкость стали по сравнению с исходным состоянием.
Аналогичные результаты для стали типа 5ХНМФ получены в работе [143]. В результате гомогенизированного отжига при 1200С вязкость литой штампо-вой стали 5ХНМФ повышается в 1,5 раза.
Сравнение механических свойств литой стали 5ХНМ электрошлакового обогрева до и после гомогенизации при 1150С [143] также показывает ее положительное влияние, главным образом, на показатели пластичности металла.
Таким образом, гомогенизация является одним из важнейших этапов термической обработки литой штамповой стали, существенно влияющих на ее структуру и механические свойства.
Однако повышение температуры аустенизации может вызвать нежелательный рост зерна аустенита. Поэтому меры по устранению первичной неоднородности литого металла должны сопровождаться мерами по уменьшению размера зерна.
В работе [143] установлено, что укрупнение зерна в исходном (без термообработки) литом металле менее интенсивно, чем в деформированном. Поэтому, если металл заготовки, отлитой электрошлаковым способом, не претерпевал деформации, в большинстве случаев ее высокотемпературный нагрев до 1150С не вызывает значительного роста зерен [144]. В работе [143] установлено, что в литой стали 5ХНМ при температурах аустенизации 800, 900С и выдержке 1-5 ч наряду с действительным зерном аустенита сохраняется исходное (первичное) очень крупное зерно (балл 0-1). При нагревании 800-900С с увеличением выдержки действительное зерно несколько укрупняется, однако не превышает балла 7-8. Повышение температуры аустенизации до 1000С и более вызывает резкое увеличение размера действительных зерен и развитие разнозернистости. При нагреве выше 1000С рост зерен замедляется. При нагреве до 1150С и выше при выдержке более 6 часов в литом металле 5ХНМ достигается устранение первичной неоднородности. Выросшее во время гомогенизации зерно аустенита после закалки по режиму для кованой стали 5ХНМ измельчается до 8-9 балла.
Повышение пластичности и вязкости литых штамповых сталей может быть еще более значительным, если подвергать гомогенизации с последующей кристаллизацией модифицированные стали [1, 124]. Так, Коваль А.Е. с соавто -68-рами [124], изучал влияние присадок РЗМ и высокотемпературного отжига на свойства литых сталей после электрошлакового переплава. Модифицирование стали 4Х5МФСШ РЗМ несколько снижает степень ликвации основных легирующих элементов, но наиболее сильное снижение междендритной ликвации в литой стали 4Х5МФСШ происходит после гомогенизирующего отжига при 1150С в течение 8 часов. Последующую после отжига закалку и отпуск проводили по стандартным режимам. Стойкость литого штампового инструмента из модифицированной ртали 4Х5МФСШ электрошлакового производства после гомогенизирующего ртжига в 2 раза выше серийного инструмента из проката.
Аналогичные результаты получены Куниловским В.В. [1]. Отливки стали 4Х5МФС массой 50 кг, модифицированные 0,35% РЗМ, подвергали высокотемпературной аустенизации при 1150С в течение 2 ч, охлаждали в масле, отпускали при 750С в течение 5 ч, охлаждали на воздухе, нагревали до 1100С, выдерживали 10 мин, охлаждали в масле, отпускали при 630-640С в течение 4 ч и охлаждали на воздухе. Второй отпуск выполняли при температуре 570-590С. Ударная вязкость после такой обработки повышается на 60%. Однако выполнение высокотемпературной обработки в производственных условиях сопряжено с определенными трудностями. Возникает проблема качественной защиты поверхности фигуры литых штампов от обезуглероживания и окисления.
Качественное сопоставление структур, возникающих при карбо-борировании стали после однократного нагрева и после термоциклирования
Любая борированная поверхность, как правило, состоит из двух зон: 1) зона боридов (однофазная и двухфазная) и 2) переходная зона. Боридная зона в двухфазных боридных слрях независимо от химического состава стали представлена боридами FeB и Fe2B. Борид FeB располагается в верхнем слое, a Fe2B - под ним. Однофазные боридные слои состоят из фазы Fe2B [378, 380]. Переходная зона представляет твердый раствор бора в железе. Ее структура, глубина и состав определяют, в частности, характер распределения остаточных напряжений, прочность связи боридного слоя с основным металлом, склонность его к хрупкому разрушению, условия образования и развития усталостных трещин, возможность продавливания слоя и пр. Поэтому при выборе стали и режима борирова-ния необходимо учитывать влияние структуры переходной зоны.
В работе [380] методом рентгеноструктурного фазового анализа было показано, что независимо от состава насыщающей смеси двухфазный боридный слой (FeB+Fe2B). образуется при 940С, а однофазный слой (Fe2B) - при 900С. Бори-рование при 920С приводит к образованию высокобористой фазы FeB лишь на отдельных участках Дорида Fe2B.
В тройной системе Fe - С - В в зависимости от концентрации углерода и бора может возникнуть как тройной твердый раствор бора и углерода в железе, так и тройные химические соединения этих элементов - карбобориды [379]. С ростом температуры борирования относительное увеличение концентрации углерода в пограничном слое падает. Поэтому возникновению карбоборидов железа способствует понижение температуры процесса насыщения и повышение начального содержания углерода в стали. Карбобориды, кристаллизующиеся на боридах, ориентированы относительно последних и имеют своеобразное перистое строение.
Фазовый состав и толщина слоя, согласно литературным данным, определялись, как правило, металлографическим методом с применением "цветного травления" [387] и по результатам измерения микротвердости по толщине слоев, а также с помощью рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа. Если травление проводить при температуре 45 - 48С, то фаза FeB окрашивается в темно-коричневый цвет, а фаза БегВ - в желтый. При более высокой температуре травления фаза FeB - белая, a Fe2B - темная
Необходимо отметить, что на структуру боридного покрытия влияет фазовый состав стали, на которую нанесено покрытие, а также ряд других факторов (активность насыщающей среды, способ борирования, температура процесса). Так, при борировании стали с высоким содержанием углерода (например, предварительно цементированной) в боридном слое образуется структура с крупными зубьями боридов Fe2B [380, 385, 386]. При борировании малоуглеродистой стали структура боридного слоя - игольчатая и состоит из тонких длинных кристаллов Fe2B и FeB, плотно прижатых друг к другу. Борирование высокоуглеродистой стали при температурах, меньших 900С, выявляет еще одну особенность - наличие белой, не окрашиваемой при "цветном" травлении, фазы, которая располагается между зубьями боридов и на их корнях. При обычном травлении эта фаза не отличается от боридов железа. При борировании низкоуглеродистой стали эта фаза отсутствует. Поэтому ее образование авторы работ [380, 385, 386] связывают с наличием углерода в стали. При высокой концентрации углерода в приповерхностных областях рост зародыша борида сопровождается оттеснением углерода в глубь металла. В зависимости от температуры борирования углерод а) либо успевает продиффундировать, б) либо скапливается между зубьями боридов и в их основании, образуя фазу, которую авторы этих работ интерпретировали как борный цементит Fe3(B,C). В случае (а) при охлаждении под борид-ным слоем формируется перлитная структура, в случае (б) - борный цементит и перлит в соотношении, которое определяется концентрацией углерода, вытесненного бором. Итак, в результате получается сложная структура поверхностного слоя, состоящая и разных фаз. А именно: для случая (а) это - борид и перлит, для случая (б) - борид, бороцементит и перлит. При последующей закалке структура борида и бороцементита не изменится, а вместо перлита должен образоваться мартенсит.
Таким образом, как следует из приведенных литературных данных, бо-ридные слои, полученные в различных условиях, не являются однородными в структурном отношении и могут иметь более или менее выраженное сложное зубчатое строение. Совершенно очевидно, что в проблеме борирования много нерешенных вопросов, которые заслуживают глубокого исследования. Часть этих проблем ставится и исследуется в последующих разделах работы.
Необходимо отметить, что ранее метод просвечивающей электронной микроскопии для изучения тонкой структуры боридных слоев в полной мере практически не применялся. В отдельных работах, например в [380,386], используется метод просвечивающей электронной микроскопии для изучения переходного слоя. Однако идентификация фаз (расшифровка микроэлектронограмм и использование в качестве подтверждения темнопольной методики) в этих работах отсутствует. Таким образом, фазовый анализ на мезо- и микроуровне бори-рованных слоев не проводился. Между тем проникновение бора в сталь происходит на большую глубину исключительно по траекториям, сформированным на микроуровне, путем диффузии изолированных атомов или их групп. В то же время образование поверхностных боридных слоев, по-видимому, происходит в зоне сплошной диффузии на мезоуровне. Без детального электронно-микроскопического исследования понять сущность процессов и выяснить их закономерность при вотировании невозможно. Поэтому в настоящей работе был выполнен детальный фазовый и структурный анализ на макро-, мезо- и микроуровнях в исследованных слоях, борированной по различным режимам стали (см. гл.5).
