Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 11
1.1. Характеристика быстрорежущих сталей и пути повышения работоспособности за счет совершенствования их структурного состояния. 11
1.2. Виды лазерной обработки и строение зоны лазерного воздействия 24
1.3. Закономерности процесса газолазерной резки стали . 27
1.4. Распределение температуры в зоне термического влияния при газолазерной резке 30
1.5. Перспективы применения обработки холодом после газолазерной резки быстрорежущей стали 40
Заключение по обзору и постановка цели и задач исследования 49
ГЛАВА 2. Методика проведения эксперимента 52
2.1. Получение образцов 52
2.2. Макроструктура наплавленной быстрорежущей стали 58
2.3. Структурные и фазовые исследования 60
2.3.1. Оптическая микроскопия и принципы цифровой обработки изображений микроструктур 60
2.3.2. Растровая электронная микроскопия и рентгено-спектральный микроанализ быстрорежущей стали 66
ГЛАВА 3. Анализ микроструктуры, фазового состава, распределения микротвердости в зоне термического влияния быстрорежущих сталей после газолазерной резки, криогенной обработки и лазерного отпуска 70
3.1. Строение зоны термического влияния при газолазерной резке быстрорежущей стали 70
3.2. Распределение микротвердости быстрорежущей стали в зоне лазерного воздействия 78
3.3. Качество поверхности газолазерного реза быстрорежущей стали 83
3.4. Влияние криогенной обработки на структуру и микротвердость быстрорежущей стали после ГЛР 94
3.5. Упрочнение быстрорежущей стали с помощью лазерного отпуска 100
Выводы по главе 102
ГЛАВА 4. Разработка технологии изготовления и упрочнения пуансонов и матриц разделительных штампов с применением лазерной и криогенной обработки 103
4.1. Условия работы вырубных штампов, пути повышения работоспособности штампового инструмента 103
4.2. Эффективность применения наплавки и газолазерной резки при изготовлении биметаллического инструмента 106
4.2.1. Обоснование выбора материала для изготовления штампового инструмента 106
4.2.2. Преимущества ГЛР при разделении быстрорежущих сталей 109
4.2.3. Расчет распределения температуры в зоне термического влияния при газолазерной резке 111
4.3. Технология изготовления и упрочнения пуансонов и матриц разделительных штампов 114
Выводы по главе 129
Общие выводы 130
Список цитированной литературы .
- Распределение температуры в зоне термического влияния при газолазерной резке
- Растровая электронная микроскопия и рентгено-спектральный микроанализ быстрорежущей стали
- Распределение микротвердости быстрорежущей стали в зоне лазерного воздействия
- Эффективность применения наплавки и газолазерной резки при изготовлении биметаллического инструмента
Введение к работе
Актуальность темы
Повышение работоспособности быстрорежущих сталей и разработка новых ресурсосберегающих технологий изготовления инструмента относится к числу актуальных и практически важных проблем, изучению которых уделяется большое внимание во всех промышленно развитых странах. Решение возникающих при этом задач возможно за счет совершенствования структурного состояния быстрорежущих сталей - достижения двухфазной структуры закаленной стали, увеличения концентрации углерода и легирующих компонентов в твердом растворе, упрочнения мартенсита высокодисперсными карбидами при термической обработке.
Одним из способов экономного использования быстрорежущих сталей является изготовление биметаллического инструмента с применением наплавки. Однако широкое применение наплавки при производстве инструмента сдерживается высокой трудоемкостью механической обработки наплавленного металла с твердостью 62 ... 65 HRC. Припуски на механическую обработку при изготовлении инструмента можно удалять с помощью газолазерной резки, которая сочетает высокие показатели производительности процесса с точностью и высоким качеством реза. При газолазерной резке образуется зона термического влияния, в которой происходит высокоскоростная закалка поверхностных слоев. В зоне оплавления и зоне закалки из твердой фазы возможно пересыщение аустенита углеродом и легирующими компонентами за счет полного или частичного растворения карбидов. В результате в структуре может содержаться повышенное (до 80 %) количество остаточного аустенита. В переходной зоне, где нагрев ниже точки Ас1, в предварительно закаленной и отпущенной стали происходит снижение микротвердости и разупрочнение мартенсита, связанное с образованием структур отпуска.
Снижение содержания остаточного аустенита при высокотемпературном отпуске приводит к дальнейшему разупрочнению переходной зоны. Кроме того, высокотемпературный отпуск приводит к уменьшению концентрации углерода и легирующих компонентов в мартенсите, что вызывает его разупрочнение. В представленной работе выполнены исследования по повышению работоспособности наплавленной быстрорежущей стали после газолазерной резки за счет совершенствования структурного и фазового состояния, повышения концентрации легирующих компонентов в твердом растворе, снижения количества остаточного аустенита в зоне закалки и минимизации процессов разупрочнения переходной зоны.
Эффективным способом превращения остаточного аустенита в мартенсит при сохранении легирующих компонентов в твердом растворе является криогенная обработка. Этот вид обработки представляет собой продолжение процессов закалки за счет возобновления мартенситного превращения остаточного аустенита при охлаждении стали до температуры Мк.
Высокую теплостойкость быстрорежущие стали приобретают за счет дисперсионного твердения при многократном отпуске при температуре 560 оС. Проведение отпуска на вторичную твердость без разупрочнения переходной зоны может быть осуществлено с помощью лазерного отпуска. Лазерное излучение является энергетическим инструментом, способным обеспечить стабильные предсказуемые энергетические параметры для термической обработки материалов. При лазерном упрочнении необходимо обеспечить равномерный подвод тепла в зону обработки для получения упрочнённого поверхностного слоя требуемой глубины с однородной структурой и микротвердостью. В работе для этой цели предлагается использовать многоканальный (40 лучей) СО2 лазер.
Таким образом, тема диссертационной работы – повышение работоспособности быстрорежущей стали методами лазерной и криогенной обработки является актуальной как в научном, так и в практическом отношении.
Основанием для выполнения работы являлось выполнение ГК № 10027р /16821 «Разработка способа изготовления разделительного штампа с применением высокоскоростной кристаллизации при лазерной обработке» по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.») Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (2010-2011 гг.); соглашения № 14.B37.21.1278 «Структурно-фазовые превращения в инструментальных сплавах и функциональных материалах при лазерной обработке поверхности» и соглашения № 14.132.21.1394 «Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ градиентно-упрочненной инструментальной стали» (2011-2013 гг.) по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».
Цель работы
Теоретически и экспериментально обосновать повышение работоспособности быстрорежущей стали за счет совершенствования структурного состояния методами лазерной и криогенной обработки.
Основные задачи работы
1. Выполнить анализ литературных источников в области повышения работоспособности быстрорежущей стали за счет совершенствования структурного состояния методами лазерной и криогенной обработки.
2. Рассчитать изменение температуры в зоне термического влияния при газолазерной резке и выяснить роль технологических условий резки на формирование зоны термического влияния в быстрорежущих сталях. Исследовать микроструктуру, фазовый состав, распределение микротвердости в зоне термического влияния быстрорежущих сталей после газолазерной резки и криогенной обработки.
3. Исследовать влияние режимов лазерного отпуска на упрочнение мартенсита закаленной стали при исключении разупрочнения стали в переходной зоне.
4. Научно обосновать новую технологию упрочнения наплавленных быстрорежущей сталью режущих кромок разделительных штампов координатно-револьверных прессов с применением газолазерной резки как разделительной и упрочняющей обработки, криогенной обработки и лазерного отпуска. Изготовить опытно-промышленную партию пуансонов и матриц разделительных штампов координатно-револьверных прессов и провести производственные испытания.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту
-
Теоретически обоснован метод совершенствования структурного состояния быстрорежущих сталей после газолазерной резки, основанный на криогенной обработке и лазерном отпуске, обеспечивающий повышение работоспособности и уровня эксплуатационных свойств быстрорежущих сталей и приводящий к увеличению ресурса работы штампов координатно-револьверных прессов в 1,5-1,6 раз.
-
Установлены закономерности формирования микроструктуры и распределения микротвердости в зоне термического влияния при газолазерной резке, криогенной обработке и лазерном отпуске. Криогенная обработка позволяет сохранить в быстрорежущей стали высоколегированный твердый раствор при снижении количества остаточного аустенита с 50-60% до 7-9%. Сталь приобретает повышенные значения микротвердости до 10000-10200 МПа.
-
Теоретически обосновано и практически реализовано выполнение после криогенной обработки лазерного отпуска. Расчет максимально достижимой глубины отпуска в интервале температур 600-550 оС совпадает с экспериментальными результатами с погрешностью менее 10 %.
-
Обобщены и развиты представления о влиянии технологических параметров газолазерной резки быстрорежущих сталей на качество поверхности реза. Экспериментально найдены критические скорости газолазерной резки, при которых шероховатость поверхности реза минимизирована (Ra = 0,6…1,2 мкм), что позволяет отказаться от операции шлифования рабочих поверхностей пуансонов и матриц координатно-револьверных прессов.
Практическая значимость работы
1. Разработана новая ресурсосберегающая технология упрочнения наплавленных быстрорежущей сталью режущих кромок разделительных штампов координатно-револьверных прессов с применением газолазерной резки как разделительной и упрочняющей обработки, криогенной обработки и лазерного отпуска.
2. Разработанная технология обеспечивает повышение микротвердости HV0,2 наплавленной быстрорежущей стали в зоне закалки до 10000…10200 МПа. Шероховатость рабочей поверхности пуансонов и матриц составила Ra = 0,6…1,2 мкм, что позволило отказаться от дальнейшей механической обработки упрочненной поверхности.
3. Эксплуатационная стойкость экспериментальной партии разделительных штампов повышена в 1,5-1,6 раз по сравнению с типовой технологией.
4. Разработанная технология упрочнения быстрорежущих сталей передана на ОАО «Электромеханика» (г. Ржев Тверской области) и обособленное подразделение предприятия ООО «Центр лазерных технологий» (г. Владимир) для внедрения в производство.
5. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе по дисциплинам «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов» при подготовке бакалавров по техническим направлениям в Тверском государственном техническом университете.
Методы исследований
Основные задачи работы решались на основе экспериментальных и теоретических методов исследования. Газолазерную резку, криогенную обработку и лазерный отпуск выполняли в производственных условиях. В лабораторных условиях выполняли механические испытания, металлографические исследования, электронно-микроскопический, рентгеноспектральный микроанализ, рентгеноструктурный фазовый анализ. При обработке экспериментальных данных использовали статистические методы. Расчеты распределения температуры выполнялись с использованием системы компьютерной математики Maple.
Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов
Достоверность результатов обеспечена применением стандартных и современных методов металлографических исследований, апробированных методов механических испытаний, а также большим объемом экспериментального материала с использованием статистической обработки результатов измерений. Все теоретические расчеты неоднократно проверялись экспериментально. Погрешность расчетов не превышала 10 %. Научные положения и выводы по работе имеют теоретическое обоснование и не противоречат известным научным представлениям и результатам.
Соответствие диссертации паспорту специальности научных работников
Диссертация соответствует пунктам 2,3,4,6,7,8 паспорта специальности 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов.
Личный вклад автора
Автор участвовала в планировании и постановке экспериментов, обработке и анализе полученных результатов. Выполняла подготовку образцов, количественный и качественный металлографический анализ микроструктуры, исследовала механические свойства быстрорежущих сталей. Автором предложена для внедрения в производство новая технология упрочнения наплавленных быстрорежущей сталью режущих кромок разделительных штампов координатно-револьверных прессов с применением газолазерной резки как разделительной и упрочняющей обработки, криогенной обработки и лазерного отпуска. Стойкость экспериментальной партии разделительных штампов, упрочненных по новой технологии, повышена в 1,5-1,6 раз по сравнению с типовой технологией.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на: X-ой, XII-ой международной научно-практической конференции «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, 2008, 2010); VI-ой международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2008); студенческой научно-технической конференции «Проблемы машиностроения» (Тверь, ТГТУ, 2009); областной научно-технической конференции молодых ученых «Физика, химия и новые технологии» (Тверь, 2009, 2010); IX-ой, XIV международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010; 2012); II Всероссийском Форуме «Умное производство: высокотехнологичная промышленность в России. Задачи и перспективы» (Завидово, Тверская обл, 2011); VII международной конференции «Лучевые технологии и применение лазеров» (Санкт-Петербург, 2012); Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «Инновации в материаловедении» (Москва, 2013); XIII-й международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий» (Крым, Ялта, 2013).
По теме диссертации автор награждена дипломом за участие в смене Зворыкинского проекта «Инновации и техническое творчество» форума «Селигер-2010»; ректоратом ГОУ ВПО «ТГТУ» грамотой за достигнутые успехи в научной работе и учебе (Тверь, 2011 г.); удостоена гранта по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») (Тверь, 2010-2011 гг.); награждена медалью «За лучшую научную студенческую работу» по итогам открытого конкурса на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в ВУЗах Российской Федерации (2010 г.).
«Способ изготовления разделительного штампа с применением лазерной размерной и упрочняющей обработки» отмечен дипломом и бронзовой медалью на XV Юбилейном международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД-2012» г. Москва. Автор работы является лауреатом стипендии Президента Российской Федерации, направленной на проведение перспективных научных исследований и разработок по приоритетному направлению модернизации российской экономики (2012-2014 г.).
Публикации
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 23 печатных работах, включая 5 статей в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных к размещению публикаций Высшей аттестационной комиссией (ВАК). Получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и общих выводов. Общий объем работы составляет 148 страниц машинописного текста, включая 59 рисунков и 16 таблиц. Список литературы содержит 128 наименований.
Распределение температуры в зоне термического влияния при газолазерной резке
Быстрорежущими сталями называют теплостойкие стали, используемые для изготовления инструментов высокой производительности. Они сочетают теплостойкость 600-700 оС с высокой твердостью 63-70 HRC и повышенным сопротивлением пластической деформации [3, 30, 46, 58]. Теплостойкость быстрорежущих сталей обеспечивается легированием вольфрамом совместно с другими карбидообразующими элементами – молибденом, хромом, ванадием, закалкой с высоких температур 1200-1300 оС и трехкратным отпуском. Вольфрам и молибден в присутствии хрома связывают углерод в специальный трудно коагулируемый при отпуске карбид типа Ме6С и задерживают распад мартенсита. Увеличению теплостойкости способствует также кобальт. Он не образует карбидов, но, повышая энергию межатомных сил связи, затрудняет коагуляцию карбидов [3, 58].
При отпуске при температуре 560 оС мартенсит сохраняется, но из него выпадают очень мелкие (10 нм) карбиды VC [56]. Происходит вторичное твердение. В сталях с 6-10 % кобальта самых теплостойких и дорогих, применяемых для резания нержавеющих сталей и титана – при вторичном твердении выделяется также интерметаллид Со7W6. Отпуск на вторичную твердость вызывает также превращение остаточного аустенита в мартенсит. Поэтому в структуре быстрорежущих сталей аустенит не сохраняется, что обеспечивает высокое сопротивление пластической деформации. ГОСТ 19265-73 предусматривает 14 марок быстрорежущих сталей, которые по эксплуатационным свойствам делятся на две группы: нормальной и повышенной производительности [34]. Группу сталей нормальной производительности образуют вольфрамовые (Р18, Р12, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6МЗ, Р6М5) стали, сохраняющие твердость не ниже 58 НRС до 620 С. К группе сталей повышенной производительности относятся стали, содержащие кобальт и повышенное количество ванадия (Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2). Они превосходят стали первой группы по теплостойкости (630 … 640С), твердости ( 64 НRС) и износостойкости, но уступают им по прочности и пластичности. Стали повышенной производительности предназначены для обработки высокопрочных сталей, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей с аустенитной структурой и других труднообрабатываемых материалов.
Быстрорежущие стали, особенно второй группы, отличаются высокой стоимостью. Для уменьшения расхода дорогих и дефицитных элементов, особенно вольфрама, преимущественно используют экономно-легированные стали [3]. Из них наиболее широкое применение имеет сталь Р6М5. Разрабатываются безвольфрамовые быстрорежущие стали.
При изготовлении и упрочнении быстрорежущих сталей по стандартной технологии – лить, ковка и отжиг, закалка, трехкратный отпуск часть легирующих компонентов, таких как W, Mo, V остается в крупных (до 10-15 мкм) карбидах типа МС, М6С, М23С6. В состоянии поставки они занимают до 30 % объема, а после закалки и трехкратного отпуска 10-15 %. Эти карбиды обеспечивают износостойкость, но по слишком крупным карбидам лезвие выкрашивается, особенно если вследствие ликвации в прокате есть карбидные строчки [3, 30, 89]. Скопление карбидов и их полосчатость отрицательно влияют на эксплуатационную стойкость инструментов. Одним из эффективных способов устранения такого структурного дефекта - изготовление быстрорежущих сталей порошковой технологией.
Порошковые быстрорежущие стали (ГОСТ 28393-89) получают распылением жидкой быстрорежущей стали в азоте или аргоне и последующим горячим компактированием [2, 35, 96]. Металл приобретает высокую плотность и отличается равномерным распределением дисперсных (1 мкм и менее) частиц карбидов. Повышение структурной однородности сопровождается улучшением шлифуемости, ударной вязкости, прочности при изгибе. Порошковые быстрорежущие стали (Р6М5ФЗ-МП, Р7М2Ф6-МП, Р12МФ5-МП и др.) имеют повышенное количество углерода (1,20 - 1,75%) и ванадия (2,3 - 3,7%). Благодаря этому они содержат больше высокотвердых дисперсных карбидов типа МеС и, как следствие, имеют высокую вторичную твердость (65 - 67 НRС) и износостойкость). Инструмент из порошковых быстрорежущих сталей также подвергают закалке и трехкратному отпуску [3, 89, 69]. При изготовлении порошковых быстрорежущих сталей должна быть высокая технологическая дисциплина, так как убытки от внезапной поломки инструмента из-за загрязнения металла оксидами обычно много больше, чем цена металла в нем. В работе [2] показано негативное влияние остатков оксидной пленки порошковых частиц на прочность быстрорежущей стали в состоянии высокой твердости.
К основным свойствам инструментальных сталей относятся механические, тепловые, некоторые физические и химические свойства, которые сталь имеет после окончательной обработки, т.е. свойства готового инструмента. В большинстве случаев не удается получить у одной стали максимальные значения всех основных свойств. Улучшение одних свойств часто неизбежно сопровождается ухудшением других. Поэтому задача состоит в правильном выборе оптимальных значений тех свойств, которые в данных конкретных условиях эксплуатации наиболее важны. Потребитель для изготовления определенного инструмента должен делать выбор оптимальных свойств в треугольнике: теплостойкость – износостойкость – хрупкость [30, 89].
Работоспособность инструмента из быстрорежущих сталей определяется ее свойствами, важнейшими из которых являются твердость, прочность, теплостойкость и износостойкость. Твердость определяет сопротивление контактным напряжениям, возникающим в рабочей кромке инструмента. С увеличением твердости возрастают износостойкость и предел выносливости [27-29]. Инструменты, имеющие недостаточную твердость, не могут резать или деформировать, так как быстро теряют форму и размеры. Твердость быстрорежущих сталей зависит главным образом от дисперсности и количества карбидов (или интерметаллидов), выделившихся при отпуске, концентрации углерода в мартенсите, а также от количества остаточного аустенита как более мягкой структурной составляющей стали [13, 30, 46, 89,]. Твердость не зависит от других структурных факторов – размера зерна, распределения карбидов, напряжений. Высокая твердость быстрорежущей стали - не единственный критерий качества изготовленного из нее инструмента.
При значительном повышении твердости снижается прочность. Прямо пропорциональная зависимость между прочностью и твердостью в 0,34НВ (в – предел прочности на растяжение; НВ – твердость по Бринеллю), установленная для конструкционных сталей, не сохраняется для быстрорежущих сталей [3, 30]. В них увеличение твердости наоборот приводит к снижению прочности. Сопротивление пластической деформации определяет устойчивость рабочих поверхностей инструментов против смятия в условиях высоких давлений, возникающих в процессе эксплуатации инструмента. Оно характеризуется пределом текучести при сжатии и зависит от тех же факторов, что и твердость: количества и дисперсности карбидов (интерметаллидов), количества остаточного аустенита, концентрации углерода в мартенсите.
Растровая электронная микроскопия и рентгено-спектральный микроанализ быстрорежущей стали
Исследования микроструктуры изготовленных шлифов выполняли с помощью оптической и растровой электронной микроскопии. Компьютерная установка для структурных исследований базируется на стандартном оборудовании - горизонтальном металлографическом микроскопе типа МИМ-8, на оптической скамье которого установлена цифровая видеокамера (рисунок 2.5).
При отражении света от полированной поверхности металла или сплава возможности создания заметного оптического контраста ограничены. В результате специальной металлографической подготовки на поверхности образца (шлифа) создается рельеф или образуются продукты травления (обычно в виде тонких пленок), характер которых в разных участках шлифа соответствует различиям в физико-химической природе этих участков [24, 59, 60].
Зеркально полированные тела отражают свет в соответствии с законом отражения, согласно которому угол отражения равен углу падения. Рельеф на отражающей поверхности способствует тому, что в некоторых направлениях отражения возникает разность фаз между лучами, отраженными от выступов и от впадин рельефа. В результате вместо зеркального отражения происходит рассеяние света. Наибольший эффект рассеяния наблюдается при величине неровностей, соизмеримых с длиной волны света (h«Л, где h - высота неровностей, Л - длина волны света). Если же высота неровностей значительно меньше длины волны света (h « Л), наблюдается зеркальное отражение (рисунок 2.6).
Поскольку различные структурные составляющие металлографического образца в связи с их природой и внутренним строением или в связи с ориентировкой по отношению к плоскости шлифа имеют различные размеры и распределение микронеровностей, степень рассеяния различна. В объектив попадает различное количество света от разных структурных составляющих, и, таким образом, возникает оптический контраст в их изображении.
Человеческий глаз может видеть изображение, если контрастность его составляет не менее нескольких процентов. С помощью оцифровки мы имеем возможность повысить контраст изображения, так что оно будет доступно для наблюдения и анализа. Компьютер имеет дело с массивами чисел в качестве данных. Таким образом, первой задачей компьютерной обработки изображений микроструктур является перевод изображений в числовую форму. Изображение -это ограниченная функция двух пространственных переменных, заданная на ограниченной прямоугольной области. Ввод изображений в память компьютера осуществляется с помощью видеодатчиков. Видеодатчик переводит оптическое распределение яркости изображения в электрические сигналы и далее в цифровые коды [77, 86].
Исходное изображение микроструктуры представляет собой функцию двух непрерывных аргументов. В то же время цифровая память компьютера способна хранить только массивы данных. Поэтому ввод изображения в компьютер неизбежно связан с дискретизацией изображений по пространственным координатам и по яркости. Элемент таблицы, полученной путем дискретизации изображения, называют пиксел. Пиксел изображения кодируется одним байтом информации. Таким образом, пикселы, хранящиеся в памяти компьютера, представляют собой результат дискретизации исходного непрерывного изображения по аргументам и по уровням [77, 86].
Важнейшие задачи стереометрической металлографии при использовании цифровой обработки изображений микроструктур находят свое достаточно удобное и быстрое решение. При этом в полной мере используется богатый арсенал методов количественной металлографии и их строгое математическое обоснование, разработанное в прошлые годы [84, 95, 119].
Для бинарных изображений автоматический подсчт числа пикселов двух классов по признаку яркости средствами графического процессора позволяет определить долю фазы на площади шлифа ZFa. В свою очередь, по С.А. Салтыкову [84] значение ZFa связано с долей фазы в объме сплава ЪУа первым основным стереометрическим соотношением
Соотношение (2.1) позволяют автоматически определять важнейшие количественные параметры структурных составляющих в сплавах, которые при ручном подсчте определяются методом случайных точек А.А.Глаголева или случайных секущих [84].
Используя основные принципы цифровой обработки изображений микроструктур, проведем анализ распределения карбидов в быстрорежущей стали марки Р6М5, упрочненной по стандартной технологии. На рисунке 2.7 представлено изображение микроструктуры быстрорежущей стали - мартенсит, остаточный аустенит и карбиды.
Количественный анализ изображений микроструктур в подавляющем большинстве случаев связан с их препарированием, под которым обычно понимается приведение их к виду, удобному для машинной обработки [77, 86]. На рисунке 2.8 представлено бинарное изображение микроструктуры быстрорежущей стали после пороговой обработки. Для бинарных изображений автоматический подсчт числа пикселов двух классов по признаку яркости средствами графического редактора позволяет определить долю фазы на площади шлифа IF, .Автоматический подсчет числа красных пикселов показал, что площадь карбидной фазы около 12 %.
Распределение микротвердости быстрорежущей стали в зоне лазерного воздействия
Таким образом, высокое качество поверхности реза обеспечивается при определенных соотношениях между скоростью газолазерной резки и плотностью мощности подводимого в зону обработки излучения. Бороздки выполняют функцию концентраторов напряжений, влияющую на усталостную прочность металлов. Уменьшение бороздчатости представляет собой важнейшую задачу для готовых деталей и инструмента. Минимизируя параметры шероховатости, появляется возможность исключить дальнейшую механическую обработку поверхности газолазерного реза, что значительно повышает экономическую эффективность технологического процесса.
Стандартной термической обработкой отожженной быстрорежущей стали является ее закалка с относительно высоких температур и последующий многократный отпуск при температурах 540-560 оС, в результате которого из мартенсита и остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды. Аустенит, обедняясь углеродом и легирующими компонентами, становится менее устойчивым и при охлаждении ниже точки Мн превращается в мартенсит [92]. При многократном отпуске происходит обеднение мартенсита углеродом и легирующими компонентами, что приводит к его разупрочнению. Стандартной термической обработкой в быстрорежущих сталях не достигаются потенциально возможные свойства. Наиболее эффективным способом устранения остаточного аустенита и сохранения легированности твердых растворов является криогенная обработка.
Повышенное количество остаточного аустенита в закаленной лазером стали существенно снижает эффект лазерного упрочнения и требует поиск решений по уменьшению его содержания в упрочненном металле. Остаточный аустенит быстрорежущих сталей из-за высокой легированности очень устойчив и превращается лишь в результате отпуска при температуре выше 500 оС [30]. В данном случае объемный высокотемпературный отпуск выполнять нежелательно, так как нагрев выше 500 оС приведет к дальнейшему разупрочнению переходной зоны. Остаточный аустенит можно перевести в мартенсит используя криогенную обработку. Известно, что криогенная обработка представляет дальнейшее продолжение закалки и возобновляет мартенситное превращение остаточного аустенита [12, 87].
Температура окончания мартенситного превращения Мк легированных сталей изменяется в широких пределах, поэтому при обработке холодом их охлаждают от -40 оС до -196 оС (температуры жидкого азота). При обработке холодом быстрорежущих сталей продолжается мартенситная реакция и после охлаждения до -70 -80 С, все же количество остаточного аустенита сохраняется около 10 % (допустимо более глубокое охлаждение вплоть до температуры жидкого азота (-196 оС), но это не ведет к уменьшению количества остаточного аустенита. При обработке закаленной стали холодом превращение аустенита в мартенсит происходит только в процессе охлаждения до температуры Мк. Дальнейшее понижение температуры не приводит к более полному превращению аустенита в мартенсит. Тем не менее, в последнее время все чаще стали на практике применять обработку в жидком азоте и других жидких газах. Это связано с тем [104, 105], что в результате шокового охлаждения происходят процессы дестабилизации стабилизированного аустенита.
Изучение влияния величины промежутка времени между газолазерной резкой и криогенной обработкой на полноту фазового превращения остаточного аустенита в наплавленной быстрорежущей стали Р2М8 показало, что временной интервал до 3 часов между газолазерной резкой и криогенной обработкой не влияет на полноту превращения. Увеличение временного интервала до 1 месяца приводит к снижению микротвердости на 500 МПа, что свидетельствует о некоторой стабилизации аустенита (рисунок 3.19).
Эффективность применения наплавки и газолазерной резки при изготовлении биметаллического инструмента
Разработана новая технология упрочнения наплавленных быстрорежущей сталью режущих кромок разделительных штампов координатно-револьверных прессов с применением газолазерной резки как разделительной и упрочняющей обработки, криогенной обработки и лазерного отпуска.
Применение для наплавленной быстрорежущей стали газолазерной резки как разделительной и упрочняющей обработки обеспечивает в оплавленной зоне растворение крупных карбидов, и получение структуры высоколегированных твердых растворов мартенсита и аустенита. Последующая криогенная обработка представляет дальнейшее продолжение закалки и возобновляет мартенситное превращение остаточного аустенита. При этом сохраняется высокая степень легированности мартенсита. Применение лазерного отпуска позволяет повысить однородность структуры и свойств металлической основы, твердость и теплостойкость быстрорежущих сталей за счет дисперсионного твердения. Инструмент, упрочненный данным способом, будет обладать повышенным комплексом эксплуатационных свойств, снижается риск преждевременного выхода его из строя из-за выкрошивания крупных карбидных включений в режущей кромке [18].
Изготовлена опытно-промышленная партия пуансонов и матриц разделительных штампов координатно-револьверных прессов и проведены производственные испытания на ОАО «Электромеханика» (г. Ржев Тверской области). Эксплуатационная стойкость экспериментальной партии разделительных штампов повышена в 1,5-1,6 раз по сравнению с типовой технологией. Разработанная технология упрочнения быстрорежущих сталей передана на ОАО «Электромеханика» (г. Ржев Тверской области) и обособленное подразделение предприятия ООО «Центр лазерных технологий» (г. Владимир) для внедрения в производство, о чем составлены акты, приведенные в Приложениях А и Б.
Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе по дисциплинам «Материаловедение», «Технологические процессы в машиностроении» и «Технология конструкционных материалов» при подготовке бакалавров по техническим направлениям в Тверском государственном техническом университете, о чем составлен акт, приведенный в приложении В.
1. Разработана ресурсосберегающая технология упрочнения наплавленных быстрорежущей сталью режущих кромок разделительных штампов координатно-револьверных прессов с применением газолазерной резки как разделительной и упрочняющей обработки, криогенной обработки и лазерного отпуска.
2. Разработанная технология способствует повышению микротвердости наплавленной и упрочненной режущей кромки разделительного штампа до 10000…10200 МПа. Шероховатость боковых рабочих поверхностей пуансонов и матриц после газолазерной резки Rа = 1,2 ± 0,05 мкм, что позволяет отказаться от дальнейшей обработки шлифованием упрочненной поверхности.
3. В соответствии с результатами производственных испытаний опытно-промышленной партии пуансонов и матриц разделительных штампов координатно-револьверных прессов установлено повышение предельной стойкости инструмента относительно нормативной на 50%.
4. Рассчитано изменение температуры в зоне термического влияния при газолазерной резке. Выполнен анализ влияния технологических параметров мощности лазерного излучения Р и скорости газолазерной резки v на формирование зоны термического влияния. Размер зоны термического влияния в основном зависит от скорости газолазерной резки. Увеличение мощности лазерного излучения не приводит к заметному изменению протяженности зоны термического влияния.
5. Рассчитаны режимы и экспериментально реализовано проведение после газолазерной резки и криогенной обработки лазерного отпуска быстрорежущей стали. После выполнения лазерного отпуска микротвердость возросла на 200-250 МПа, что свидетельствует о прохождении процессов дисперсионного твердения. Погрешность расчета режимов выполнения лазерного отпуска не превышает 10 %.
Похожие диссертации на Повышение работоспособности быстрорежущей стали методами лазерной и криогенной обработки
