Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследования в области совершенствования структуры и повышения работоспособности быстрорежущих сталей 7
1.1 Свойства быстрорежущих сталей, определяющие их работоспособность 7
1.1.1 Характеристика свойств быстрорежущих сталей 7
1.1.2 Влияние химического состава на эксплуатационные свойства 8
1.1.3 Влияние термической обработки на эксплуатационные свойства ... 11
1.1.4 Оптимальные составы быстрорежущих сталей 16
1.2 Методы повышения работоспособности и совершенствования структуры быстрорежущих сталей 22
1.2.1 Методы повышения концентрации легирующих элементов в твердых растворах 22
1.2.2 Методы измельчения зерна и карбидов 24
1.2.3 Методы получения двухфазной структуры 31
1.2.4 Методы эффективного упрочнения быстрорежущих сталей 37
1.3 Постановка цели и задач исследования 46
ГЛАВА 2. Исследование процессов формирования двухфазной мелкозернистой структуры быстрорежущих сталей при закалке с температур кристаллизации при достижении максимально высокой концентрации легирующих элементов в твердом растворе 47
2.1 Формирования мелкозернистой структуры быстрорежущих сталей при максимально высокой концентрации легирующих элементов в твердых растворах при закалке с температур кристаллизации 47
2.1.1 Состояние вопроса
2.1.2 Исследование условий формирования мелкозернистой структуры и достижения высоколегированных твердых растворов при дуговой наплавке порошковой проволокой 48
2.2 Формирование двухфазной структуры быстрорежущих сталей с концентрацией легирующих элементов в твердом растворе, достигнутой при закалке с температур кристаллизации 62
2.2.1 Состояние вопроса 62
2.2.2 Выбор и обоснование способа получения двухфазной структуры быстрорежущих сталей при закалке с температур кристаллизации 63
2.2.3 Методика выполнения поверхностного пластического деформирования быстрорежущих сталей на стадии охлаждения при их закалке 72
2.3 Исследование структуры и свойств быстрорежущих сталей, закаленных с температур кристаллизации и подвергнутых поверхностному пластическому деформированию 77
Выводы по главе 94
ГЛАВА 3. Исследования влияния высокотемпературного отпуска после наплавки и ппд на структуру и свойства быстрорежущей стали 95
3.1 Состояние вопроса 95
3.2 Исследование зависимости режимов отпуска быстрорежущей стали на ее структуру и свойства 101
3.2.1 Методика проведения исследований 101
3.2.2 Результаты проведения исследований 102
Выводы по главе 109
ГЛАВА 4. Разработка энергоэффективной ресурсосберегающей технологии изготовления резьбового резца с упрочненной режущей частью
4.1 Возможная область применения быстрорежущих сталей, упрочненных наплавкой, ППД и высокотемпературным отпуском 110
4.2 Анализ известной конструкции резьбового резца и технологии его изготовления, возможности их совершенствования 115
4.2.1 Анализ известной конструкции и технологии изготовления резьбового резца 115
4.2.2 Возможности совершенствования конструкции и технологии изготовления резца 118
4.2.3 Обоснование выбора материала корпуса резца 120
4.2.4 Обоснование выбора материала режущей части 121
4.3 Описание предложенной технологии изготовления резьбового резца с упрочненной режущей частью 124
4.3.1 Технология изготовления резца 124
4.3.2 Результаты исследования структуры и свойств режущей части резьбового резца 129
4.3.3 Производственные испытания резьбового резца 133
Выводы по главе 136
Общие выводы 137
Библиографически список
- Влияние термической обработки на эксплуатационные свойства
- Исследование условий формирования мелкозернистой структуры и достижения высоколегированных твердых растворов при дуговой наплавке порошковой проволокой
- Исследование зависимости режимов отпуска быстрорежущей стали на ее структуру и свойства
- Анализ известной конструкции резьбового резца и технологии его изготовления, возможности их совершенствования
Введение к работе
Актуальность темы
Работоспособность - это состояние объекта, при котором значения параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Работоспособность быстрорежущих сталей, как инструментального материала, определяется уровнем их свойств (механических, технологических, эксплуатационных), характеризующих возможность изготавливать из них инструмент, соответствующий заданным требованиям.
Повышение работоспособности и технологичности изготовления инструмента при одновременном значительном сокращении расхода быстрорежущих сталей является весьма актуальной проблемой. Решение данной проблемы возможно, в том числе и за счет совершенствования структурного состояния быстрорежущих сталей - достижения двухфазной структуры закаленной стали, измельчения зерна и карбидов, увеличения концентрации углерода и легирующих элементов в твердом растворе, упрочнения мартенсита высокодисперсными карбидами при термической обработке.
Традиционные металлургические технологии получения и обработки быстрорежущих сталей практически исчерпали возможности дальнейшего повышения работоспособности. Так, при закалке быстрорежущих сталей исключается возможность одновременного получения мелкого зерна и высоколегированного твердого раствора. Для получения мелкого зерна необходимо ограничивать температуру нагрева стали значениями, близкими к А3, что исключает достаточное растворение карбидов для получения высоколегированного твердого раствора и приводит к снижению теплостойкости стали. Для достижения максимально легированного твердого раствора температуры нагрева при закалке должны быть приближены к температурам плавления, что, соответственно, вызывает рост зерна стали.
Предполагается, что одновременно получить высоколегированный твердый раствор и мелкое зерно возможно при закалке с температур кристаллизации сталей (лазерная закалка из жидкой фазы, наплавка и др.).
Другой сложно решаемой задачей является достижение при закалке быстрорежущих сталей двухфазной структуры (мартенсит + карбиды). Содержание остаточного аустенита в закаленной стали составляет более 30 % и может увеличиваться при повышении концентрации углерода и легирующих элементов в твердом растворе. Снижение содержания остаточного аустенита при высокотемпературном отпуске приводит к уменьшению концентрации углерода и легирующих элементов в мартенсите, что вызывает его разупрочнение. Охлаждение стали при закалке до температур Мк с целью превращения аустенита в мартенсит при сохранении легирующих элементов в твердом растворе и достижении двухфазной структуры мало исследовано и не получило широкого применения в промышленности.
Эффективным способом снижения содержания остаточного аустенита является поверхностное пластическое деформирование (ППД) закаленных быстрорежущих сталей. Актуальными представляются исследования в области применения ППД на стадии закалки с температур кристаллизации для интенсификации процессов превращения аустенита в мартенсит и достижения двухфазной структуры закаленной стали при сохранении концентрации углерода и легирующих элементов в твердом растворе, достигнутой при закалке.
Известно, что при выборе режима высокотемпературного отпуска для превращения остаточного аустенита в мартенсит руководствуются снижением концентрации углерода и легирующих элементов в аустените до уровня, обеспечивающего его полное превращение. Поскольку мартенсит является пересыщенным твердым раствором, то при таких режимах отпуска происходит его заметное разупрочнение.
При достижении мелкозернистой двухфазной структуры закаленных быстрорежущих сталей с высоколегированным мартенситом в процессе наплавки, а также применения ППД при закалке для полного превращения аустенита в мартенсит деформации становится возможным поиск режимов отпуска, при которых будет достигаться максимальное упрочнение мартенсита высокодисперсными карбидами, повышающими работоспособность сталей без существенного снижения концентрации углерода и легирующих элементов в твердом растворе.
Цель работы
Теоретически и экспериментально обосновать повышение работоспособности быстрорежущих сталей за счет совершенствования их структурного состояния методом термомеханических воздействий.
Основные задачи работы
-
Выполнить анализ литературных источников в области повышения работоспособности быстрорежущих сталей за счет совершенствования их структурного состояния.
-
Определить параметры режимов наплавки и ППД, способствующих совершенствованию структурного состояния быстрорежущей стали за счет формирования двухфазной мелкозернистой структуры при закалке с температур кристаллизации.
-
Исследовать влияние режимов высокотемпературного отпуска наплавленной закаленной и подвергнутой ППД быстрорежущей стали на ее дополнительное упрочнение.
-
Научно обосновать новую технологию изготовления режущего инструмента с повышенной работоспособностью. Изготовить опытно- промышленную партию инструмента и провести производственные испытания.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту
-
-
Теоретически обоснован метод совершенствования структурного состояния быстрорежущих сталей, основанный на термомеханических воздействиях (наплавка, ППД в температурном интервале мартенситного превращения и высокотемпературный отпуск), обеспечивающий повышение работоспособности и уровня эксплуатационных свойств быстрорежущих сталей и приводящий к увеличению ресурса работы режущего инструмента.
-
Установлены закономерности формирования двухфазной мелкозернистой структуры быстрорежущей стали Р2М8 с высоколегированным твердым раствором и равномерно распределенными по объему металла дисперсными карбидами размером менее 1,5 мкм. Выявлены зависимости влияния параметров режимов наплавки и ППД на структуру быстрорежущей стали, которые обеспечивают повышение работоспособности быстрорежущей стали, выраженное в улучшении ее механических, эксплуатационных и технологических свойств.
-
Наплавкой обеспечивается получение быстрорежущей стали Р2М8 в закаленном состоянии с номером зерна 10...11 и высоколегированным твердым раствором за счет скоростей охлаждения наплавленной стали выше 40 0С/с в температурном интервале возможного выделения легирующих элементов из раствора. Применение ППД в температурном интервале 300.60 С на стадии охлаждения быстрорежущей стали Р2М8 при ее наплавке позволяет получать двухфазную структуру мартенсит + карбиды. Количество остаточного аустенита в стали Р2М8 после наплавки и ППД не превышает 2.4 %.
-
Установлена взаимосвязь между режимами высокотемпературного отпуска наплавленной и деформированной быстрорежущей стали и ее структурой и свойствами. Повышение микротвердости HV02 быстрорежущей стали Р2М8 на 1400 МПа в результате выполнения двухкратного отпуска при 540 С в течение 40 минут достигается за счет сохранения в структуре стали высоколегированного мартенсита и равномерно распределенных дисперсных карбидов.
Практическая значимость работы
Разработана энергоэффективная ресурсосберегающая технология совершенствования структурного состояния быстрорежущих сталей, обеспечивающая повышение их работоспособности за счет получения мелкозернистой двухфазной структуры с высоколегированным твердым раствором и дисперсными равномерно распределенными по объему стали карбидами.
Технология позволяет получать зерно быстрорежущей стали с номером 10.11 и первичные дисперсные карбиды размером менее 1,5 мкм, ограничивать термическую обработку однократным отпуском и повышать микротвердость HV0,2 после ППД и отпуска более чем на 3000 МПа при глубине упрочненного слоя до 0,75.1,0 мм.
Эксплуатационная стойкость экспериментальной партии режущего инструмента повышена на 30% при снижении расхода быстрорежущей стали в 3,6 раза по сравнению с типовой технологией.
Разработанная технология передана на ОАО «Электромеханика» (г. Ржев Тверской области) и ОАО «Центросвармаш» (г. Тверь) для внедрения в производство.
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.
Методы исследований
В работе наплавку и ППД осуществляли в производственных условиях. В лабораторных условиях выполнены механические испытания, металлографические исследования, электронно-микроскопический и спектрометрический анализ. При обработке экспериментальных данных использовали статистические методы. Применяли вычислительную технику с использованием стандартных и специальных программ обработки результатов экспериментов. Исследования проводились согласно существующим ГОСТам.
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. Научные положения и выводы по работе имеют теоретическое обоснование и не противоречат известным научным представлениям и результатам. Достоверность результатов исследований и выводов подтверждена результатами производственных испытаний.
Соответствие диссертации паспорту специальности научных работников
Диссертация соответствует пунктам 2-4, 6-8 паспорта специальности 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов.
Личный вклад автора
Автором теоретически обоснован, экспериментально подтвержден и практически реализован новый метод совершенствования структурного состояния быстрорежущих сталей, способствующий повышению их работоспособности. Автор участвовал в планировании и постановке экспериментов, обработке и анализе полученных результатов. Выполнял наплавку и ППД образцов, количественный и качественный металлографический анализ микроструктуры, исследовал механические свойства быстрорежущих сталей. Автором предложена для внедрения в производство технология изготовления резьбового резца.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на второй международной конференции стран СНГ «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения» (Москва, 2000 г.); на второй Международной научно-технической конференции «Дороги - 2001» (Брянск, 2001 г.); на научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития машиностроительного комплекса Тверской области» (Тверь, 2001 г.); на пятой Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2002 г.); в интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», сайт (Брянск, 2003, 2004, 2006, 2012 гг.); на тридцать второй ежегодной Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (Украина, г. Ялта, 2012 г.).
Изготовленный металлорежущий инструмент экспонировался на третьей выставке-ярмарке «Современная образовательная среда» (г. Москва, Всероссийский выставочный центр, 2001 г., 2002 г.). Способ упрочнения быстрорежущей стали отмечен дипломом и бронзовой медалью на VII-й Международной выставке изобретений и новых технологий (7-14 ноября 2012 г., Китай, г. Куньшань).
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе три - в рецензируемых научных журналах и изданиях.
Принято решение от 04.02.2013 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2012121023 от 22.05.2012 г.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и общих выводов. Общий объем работы составляет 154 страницы машинописного текста, включая 53 рисунка и 20 таблиц. Список литературы содержит 104 наименования, в том числе 7 - на иностранном языке.
Влияние термической обработки на эксплуатационные свойства
Твердость характеризует напряженное состояние, близкое к неравномерному сжатию, и тем самым определяет сопротивление контактным напряжениям, возникающим в рабочей кромке инструмента. С увеличением твердости возрастают износостойкость и предел выносливости, но не по линейному закону, поскольку существенное влияние оказывает поведение карбидных фаз и изменение прочности и вязкости. Кроме того, при большей твердости улучшается чистота поверхности, получаемая при шлифовании и доводке, и уменьшается налипание обрабатываемого металла на его поверхность. При повышении твердости улучшается также чистота поверхности металла, обрабатываемого резанием. Большая твердость сохраняется и при кратковременных нагревах во время эксплуатации, так как разупрочнение стали, вызываемое распадом мартенсита и коагуляцией карбидов, протекает на первых стадиях нагрева почти одинаково интенсивно в сталях с более высокой и с более низкой твердостью. Вместе с тем, твердость не зависит от величины зерна, распределения карбидов и напряжений, которые сильно влияют на такие механические свойства, как прочность и вязкость.
Следовательно, высокая твердость быстрорежущей стали - не единственный и главный критерий качества изготовленного из нее инструмента. При значительном повышении твердости снижается прочность. Соответственно, уменьшается стойкость инструмента из быстрорежущей стали при снятии стружки большого сечения и, наоборот, возрастает его стойкость при чистовой обработке. Теплостойкость характеризует способность инструментального материала сохранять при нагреве рабочей кромки структуру и свойства необходимые для резания или деформирования. Кроме того, теплостойкость -важное технологическое свойство, определяющее способность стали сохранять свою структуру при нагреве, возникающем при шлифовании или заточке.
Влияние химического состава на эксплуатационные свойства Вольфрам - основной элемент, определяющий теплостойкость быстрорежущей стали. Такое действие вольфрама определяется в основном тем, что он образует стойкий против коагуляции сложный карбид типа М6С и усиливает межатомные связи в решетке мартенсита. Растворяясь в карбиде типа МгзСб, вольфрам также усиливает его стойкость против коагуляции. Однако это может влиять только на ход кривой твердости при отпуске до максимума и едва ли может заметно сказаться на вторичной стойкости и на теплостойкости. Зато вольфрам (вместе с хромом и железом), по предположению [49], участвует в образовании тройного металлического соединения, выделение которого из твердого раствора при высоких температурах отпуска дополнительно повышает теплостойкость стали. Правда, количество выделяющегося металлического соединения, вследствие того, что в твердом растворе содержится 0,3...0,4% С, должно быть невелико. Но оно обладает очень большой стойкостью против коагуляции.
Кроме того, как элемент, увеличивающий жаропрочность стали, вольфрам должен повышать твердость инструмента, также являющуюся одной из составляющих теплостойкости. Этому дополнительно способствуют его нерастворившиеся карбиды. Так как степень карбидной неоднородности при прочих равных условиях, как правило, тем больше, чем больше в стали не переходящих в раствор карбидов, то она меньше у менее легированной стали. Следовательно, в этом отношении понижение содержания вольфрама в быстрорежущей стали сообщает ей известное преимущество [49].
Ванадий «содействует» вольфраму в выполнении его основной роли -повышении теплостойкости. Растворяясь в сложном карбиде вольфрама, ванадий повышает стойкость его против коагуляции, усиливая в нем межатомные связи. Очевидно, в основном за счет этого (и дополнительно за счет хрома) карбид обладает большей стойкостью против коагуляции, чем карбид ванадия, и поэтому инертнее выделяется из мартенсита при отпуске и труднее переходит в раствор при нагреве для закалки, чем ванадиевый карбид.
Роль ванадия этим не ограничивается. Часть его карбидов переходит в твердый раствор при нагреве для закалки, обогащая раствор ванадием и углеродом, а при последующем отпуске стойкие против коагуляции карбиды ванадия выделяются из мартенсита, дополнительно повышая вторичную твердость (за счет дисперсионного твердения) и теплоостойкость стали. С увеличением общего содержания ванадия в стали все меньшая доля его переходит в раствор, и все большая часть остается вне раствора, главным образом в виде карбидов ванадия. Обладая высокой твердостью, эти избыточные карбиды сильно увеличивают износостойкость стали при рабочем нагреве и горячую твердость, а при температуре нагрева для закалки замедляют рост зерна.
Однако карбиды ванадия, связывая значительное количество углерода, уменьшают закаливаемость стали. Поэтому эффект от повышенного содержания ванадия может быть использован только при условии одновременного повышения в стали содержания углерода. Так, при содержании ванадия в количестве 3; 4 и 4,5% содержание углерода должно составлять 1; 1,3 и 1,4% соответственно [49]. В то же время очень твердые карбиды сильно ухудшают шлифуемость стали. Повышенное содержание углерода в мартенсите не только после закалки, но и отпуска понижает также хрупкую прочность и вязкость высокованадиевой стали. В узких пределах свойства высоко ванадиевой стали можно, по-видимому, регулировать и за счет углерода. Молибден, будучи химическим близнецом вольфрама, влияет на процессы, протекающие в быстрорежущей стали, и на ее свойства аналогично вольфраму. В частности, в легированных молибденом сталях роль ванадия и хрома также аналогична их роли в вольфрамовых сталях. Естественно поэтому, что в странах, где молибден доступнее вольфрама, при решении проблемы уменьшения содержания вольфрама в быстрорежущей стали внимание обращалось прежде всего в сторону молибдена. При этом считалось, что молибден и количественно оказывает такое же влияние, как вольфрам, если их содержание в стали выразить в атомных процентах, т.е. что один весовой процент молибдена эквивалентен двум весовым процентам вольфрама. Так в США во время первой мировой войны и было положено начало применению молибденовых и молибденовольфрамовых быстрорежущих сталей, исходя, в основном, из указанного эквивалента.
Следует заметить, что молибденовые быстрорежущие стали обладают и некоторыми достоинствами по сравнению с вольфрамовыми, в частности, несколько лучшими механическими свойствами. Кроме того, молибденовые стали меньше вольфрамовых чувствительны к порче при длительном отжиге перед закалкой, по-видимому, вследствие того, что коагулировавшие карбиды в этих сталях легче переходят в раствор, чем в вольфрамовых.
По данным [49], понижение содержания углерода в стали сказывается на увеличении ее ударной вязкости сильнее, чем понижение температуры закалки. Наконец, повышение содержания углерода должно также усилить склонность зерна к росту при нагреве. Ухудшает деформируемость стали в горячем состоянии и ее обрабатываемость резанием.
Исследование условий формирования мелкозернистой структуры и достижения высоколегированных твердых растворов при дуговой наплавке порошковой проволокой
Азотирование быстрорежущих сталей является наиболее распространенным видом их химико-термической обработки. Азотирование осуществляют путем нагрева в тлеющем разряде в атмосфере аммиака до температуры насыщения [87], известен способ упрочнения инструмента из быстрорежущей стали, включающий обработку в растворе эпилама, предварительный нагрев и обработку инструмента в среде жидкого азота, отличающийся тем, что предварительный нагрев инструмента осуществляют до температуры 590...610С, а в качестве эпилама используют раствор Полизам-0,5 [94].
Известны способы химико-термической обработки быстрорежущей стали титанированием и цементацией [97].
Интересным представляется способ упрочнения при изготовлении режущего и штампового инструмента из быстрорежущей стали, в частности из стали Р6М5. Способ включает закалку, высокотемпературный однократный отпуск и окончательный отпуск, при этом закалку проводят от температуры, превышающей стандартную на 20...40 С, а окончательный отпуск проводят при 150...350 С. После высокотемпературного отпуска возможно проведение обработки холодом. Данный способ обеспечивает повышение износостойкости быстрорежущей стали [90].
Трехкратный отпуск в классической схеме термической обработки быстрорежущей стали не всегда обеспечивает получение максимально высокого уровня износостойкости. Это связано с тем, что при многократном высоком отпуске в процессе каждого последующего нагрева отпускается мартенсит, образующийся из остаточного аустенита при охлаждении после предыдущего отпуска. В результате матрица стали состоит из высокоотпущенного низкоуглеродистого мартенсита, который не обладает максимальной износостойкостью.
Известна схема термической обработки инструмента из быстрорежущей стали, включающая закалку от 1225±5 С, отпуск при 540...560 С, обработку холодом и отпуск при 380...400 С [25]. Однако данная схема термообработки не обеспечивает быстрорежущей стали максимальной износостойкости, так как после отпуска при 400 С в мартенсите стали Р6М5 сохраняется приблизительно 0,2 массы углерода, что соответствует концентрации углерода в мартенсите быстрорежущих сталей, подвергнутых стандартному трехкратному отпуску при 560 С. Следовательно, после проведения заключительного отпуска при 380...400 С матрица стали состоит из низкоуглеродистого мартенсита, не обладающего максимальной износостойкостью, как и в случае стандартного способа термообработки быстрорежущей стали.
Ниже приведен анализ существующих методов упрочнения, основанных на механическом или термомеханическом воздействии упрочняемого металла. Высокий эффект применения механического поверхностного упрочнения достигается в отношении сварных соединений и наплавленных деталей, имеющих пониженную прочность вследствие наличия внутренних концентраторов напряжений, обусловленных различными дефектами наплавленного металла и его неоднородностью. Вибродуговая и электродуговая наплавки под легирующим флюсом снижают предел выносливости соответственно на 13 и 17 % , а поверхностное пластическое деформирование наплавленного металла повышает предел выносливости: при обкатывании роликом на 24 % , при упрочнении резцом на 34 % , при вибрационном обкатывании роликом на 42 % [46].
По данным Г. П. Тончаева, поверхностное пластическое деформирование ротационной обработкой повышает предел выносливости при наплавке в углекислом газе с 160 до 250 МПа, в потоке воздуха - с 140 до 230 МПа, в водяном паре - с 190 до 240 МПа, под флюсом АН-60 - с 240 до 300 МПа.
Износостойкость в результате такой обработки повышается на 5 - 10 % [46]. По данным В. В. Юшина, повысить усталостную прочность на 19% и износостойкость на 15...20 % удалось горячей проковкой металла при наплавке под слоем флюса. При проковке первичная структура металла измельчается, уменьшается количество трещин и пор, на 2...3 единицы HRC повышается твердость [46].
Горячая проковка металла, наплавленного в среде углекислого газа проволокой ПП-ЗХ2В8ГТ, снижает внутренние растягивающие напряжения и склонность металла к образованию горячих трещин. Однако твердость в этом случае снижается на 3...7 единиц HRC вследствие ускоренного распада деформированного аустенита [46]. Таким образом, износостойкость изделий можно повысить, применив после наплавки термическую или механическую упрочняющую обработку. Известен один из эффективных методов повышения прочности и износостойкости - термомеханическая обработка. При такой обработке упрочнение достигается благодаря пластической деформации и полиморфным превращениям в металле [5, 16, 59, 61, 63, 70, 86, 92, 93, 98]. Однако получение только высокой прочности металла еще не обеспечивает повышения надежности и долговечности. Их определяют комплексом свойств: износостойкостью, коррозионной стойкостью, усталостной прочностью, сопротивлением хрупкому разрушению и т.д.
Говоря о термомеханической обработке, как об одном из эффективных способов повышения эксплуатационных свойств изделий, изготовляемых при помощи наплавки, необходимо учитывать при какой температуре наплавленного металла эта обработка осуществляется.
Исследование зависимости режимов отпуска быстрорежущей стали на ее структуру и свойства
Образование карбидов, даже при объемной пластической деформации наиболее интенсивно протекает у поверхности. Тем более естественен такой характер процесса при ППД. Прямым следствием этого является интенсивное блокирование карбидными частицами сдвигов плоскостей скольжения непосредственно у поверхности, что имеет важное значение при процессах изнашивания. Причины мартенситного превращения аустенита не отличаются от причин всех других фазовых переходов в твердом состоянии; в области ниже определенной температуры существует состояние твердого раствора с меньшей свободной энергией, чем при аустенитном состоянии. Так как мартенситное превращение происходит без изменения концентрации легирующих элементов в твердом растворе, то оно может рассматриваться как превращение в однокомпонентной системе [56].
Пластическое деформирование поверхностных слоев осуществляется с помощью различных методов, которые в соответствии с ГОСТ 18296-72 подразделяются на статические и ударные [28].
При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с определенной силой Р и создание деформационного усилия от инструмента происходит путем непрерывного контакта с деталью. При этом происходит плавное перемещение очагов воздействия, которые последовательно проходят всю поверхность, подлежащую обработке. К таким методам относятся различные виды выглаживания и накатывания, а также метод однократного обжатия обрабатываемой поверхности [17].
При ударных методах инструмент, рабочее тело или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или на ее часть. При этом сила воздействия Р в каждом цикле может изменяться от нуля или от некоторого значения Р1 до максимума [51]. Ударное ГШД имеет определенные преимущества и может применяться в случаях, когда статическое ГШД применить нельзя. Несмотря на различие методов ППД, их объединяет общность основных процессов и воздействий на состояние металла и обрабатываемой поверхности.
Известно, что при полиморфном у - а превращении в металле ослабевают силы межатомного взаимодействия. Это вызывает снижение прочности и твердости, что способствует росту пластичности, а, значит, приложению меньших усилий при проведении ППД [19, 20].
Большинство известных методов ППД используется при комнатных температурах упрочняемого металла. Одним из распространенных таких методов считается алмазное выглаживание.
Сущность процесса алмазного выглаживания заключается в упруго-пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом - алмазным индентором. При этом неровности поверхности, оставшиеся от предшествующей обработки, сглаживаются, повышается твердость поверхностного слоя. В нем образуются остаточные сжимающие напряжения и изменяется микроструктура. В результате чистота поверхности улучшается на2...4 класса, микротвердость повышается на20...40% [54].
Метод выглаживания характеризуется достаточно высокой производительностью, универсальностью и возможностью обработки различных поверхностей, простотой технологической наладки и оснастки.
В результате применения этого метода повышается антимагнитность и износостойкость поверхности за счет отсутствия шаржирования ее металлическими абразивными частицами, улучшаются эксплуатационные характеристики поверхности за счет отсутствия растягивающих напряжений в поверхностном слое металла и его упрочнения, сохранения волокон металла и отсутствия микровпадин заостренной формы, увеличения контактной поверхности и т.п.; отсутствует высокий нагрев поверхностного слоя [57]. Так, по данным [44] глубина упрочнения поверхностного слоя наплавленного металла при проведении алмазного выглаживания достигает примерно 150 мкм, твердость на поверхности - 11560 МПа, в глубинных слоях - 8800 МПа. При этом содержание остаточного аустенита снижается. Данная обработка применялась при изготовлении сборного токарного отрезного резца с наплавленной режущей вставкой. Ее результатом стало повышение стойкости: Т = 75 мин при скорости резания V = 35 м/мин и подаче S = 0,075 мм / об; Т = 60 мин при скорости резания V = 45 м/мин и подаче S = 0,075 мм / об. Использование алмазного выглаживания в качестве метода ППД подразумевает обработку металла при комнатной температуре с затратами большого количества времени, сопоставимого со временем всей механической обработки детали. Применение алмазного выглаживания в процессе выполнения термической обработки или охлаждения при наплавке быстрорежущих сталей ограничено тем, что процесс охлаждения в интервале температур мартенситного превращения составляет всего несколько минут (в зависимости от размеров изделия). Принудительное же снижение скорости охлаждения металла с целью возможности использования алмазного выглаживания в качестве ППД реализуется с дополнительными затратами средств и времени (теплоизоляция изделия, дополнительный подогрев и т.д.).
Ограниченный рост кристаллов мартенсита и быстрое уменьшение скорости образования зародышей при остановке охлаждения приводят к тому, что в закаленной стали может остаться непревращенным некоторое количество остаточного аустенита.
Анализ известной конструкции резьбового резца и технологии его изготовления, возможности их совершенствования
Приблизительно при 550 С вследствие того, что твердый раствор обогащен вольфрамом и хромом, становится возможным выделение из него интерметаллоидной фазы, представляющей собой либо твердый раствор хрома в Fe7W3, либо тройное соединение железа с вольфрамом и хромом. Эта фаза может быть только промежуточной, метастабильной и при дальнейшем повышении температуры отпуска и разложении твердого раствора заменяется карбидными фазами. Ее выделением можно объяснить обнаруживаемое при фазовом анализе увеличение содержания железа и значительное дальнейшее повышение содержания хрома в «карбидном» осадке быстрорежущей стали при температурах выше 550 С. Эта фаза обладает большой устойчивостью против коагуляции в широком интервале температур. Выделение ее в высокодисперсном состоянии должно, следовательно, не только вызвать некоторое дополнительное повышение твердости, но и замедлить ее падение при дальнейшем повышении температуры отпуска, обусловленное коагуляцией карбидных фаз.
Качественное повышение эксплуатационных свойств стали при отпуске определяется в основном структурой закаленной стали, т.е. для эффективного упрочнения стали при отпуске необходимо выбрать соответствующий состав стали и технологию ее закалки, при которых становится возможным получение в структуре закаленной стали максимальной концентрации легирующих элементов в твердом растворе. При этом количественное соотношение между этими легирующими элементами должно обеспечивать образование при отпуске высокодисперсных карбидов, обладающих максимальной устойчивостью к коагуляции (т.е. сохранением высокой теплостойкости. При этом количество эвтектических карбидов должно быть сведено к минимуму и они должны быть дисперсными и равномерно распределенными по объему стали.
Закаленные быстрорежущие стали упрочняются при отпуске в результате дисперсионного твердения, т.е. выделения из пересыщенного углеродом и легирующими элементами мартенсита большого количества (до 10 ...10і -1/см ) мелких карбидных или интерметаллидных частиц наноуровня, которые задерживают перемещение дислокаций упрочняют сталь. Согласно теории легирования теплостойких инструментальных сталей, разработанной школой металловедов-инструментальщиков, организованной профессором Ю.А. Геллером [22], твердость и теплостойкость быстрорежущих сталей тем выше, чем больше количество упрочняющих частиц и выше их свойства, в частности, устойчивость против коагуляции, в процессе которой частицы укрупняются и, как следствие, уменьшается их количество, а также понижается твердость изготовленного из этих сталей инструмента, в том числе и при нагреве.
Упрочняющими фазами быстрорежущих сталей являются карбиды на основе вольфрама и молибдена (М2С), ванадия (МС), железа и хрома (М23С6) [40].
Количество упрочняющих карбидов увеличивается по мере повышения растворимости углерода и легирующих элементов в аустените и, следовательно, в мартенсите теплостойких сталей в результате закалки. Наибольшая растворимость в аустените характерна для хрома, далее - по мере уменьшения - молибдена, вольфрама и ванадия.
Свойства карбидов зависят от их химического состава и определяются соотношением концентрации легирующих элементов и углерода в мартенсите, из которого они выделяются в процессе отпуска. Чем больше вольфрама, молибдена, ванадия и углерода растворено в мартенсите, тем выше свойства упрочненной стали.
Карбиды МС на основе ванадия сравнительно мало упрочняют теплостойкие стали, так как растворимость ванадия в аустените этих сталей весьма ограничена и не превышает 1... 1,5 %.
Предельная температура отпуска, нагрев при которой позволяет получать наибольшую твердость быстрорежущих сталей за время, принятое в производстве (2...4 часа), не так сильно зависит от количества, природы и свойств упрочняющих фаз, как от температуры полиморфного а— у превращения. Предельная температура отпуска сталей и сплавов, упрочняемых дисперсионным твердением, тем выше, чем выше температура их полиморфного превращения. Количество растворимых и нерастворимых карбидов в быстрорежущих сталях примерно одинаковое и, чем больше углерода и легирующих элементов будет в растворе, тем больше дисперсных карбидов выделится при отпуске и, следовательно, будет выше твердость и теплостойкость стали. Если растворимые карбиды способствуют повышению твердости и теплостойкости, то нерастворимые - пределу прочности при изгибе и ударной вязкости.
В настоящей работе предполагается добиться повышения работоспособности быстрорежущих сталей за счет высоких значений твердости и теплостойкости, а также прочности при изгибе и ударной вязкости несколько иным методом.
Так как в результате применения ППД наплавленной быстрорежущей стали получена двухфазная структура и остаточный аустенит практически отсутствует, предполагали, что увеличение твердости в результате выполнения отпуска возможно за счет сохранения высоколегированного твердого раствора и выделения мелкодисперсных равномерно распределенных в структуре стали карбидов.
Применением ППД в температурном интервале мартенситного превращения на стадии охлаждения наплавленной быстрорежущей стали с температур закалки достигли получение в структуре стали тонкой и прерывистой сетки эвтектических карбидов и дополнительное их измельчение.
Полученное мелкое зерно аустенита №№ 10... 11 при закалке стали с температур кристаллизации при высоких скоростях охлаждения металла сварочной ванны при наплавке позволяет обеспечить высокие значения прочности при изгибе и ударной вязкости, а за счет уменьшения избыточных нерастворимых карбидов в результате повышения скоростей охлаждения повысить концентрацию легирующих элементов в растворе. В этом случае при отпуске существует возможность увеличить количество дисперсных карбидов и повысить твердость и теплостойкость быстрорежущей стали. Образующиеся при отпуске дисперсные карбиды должны быть устойчивы к коагуляции. Чем выше устойчивость карбидов к коагуляции, тем выше твердость и теплостойкость. Наиболее устойчивым к коагуляции считается карбид М2С. При образовании карбида М2зСб устойчивость к коагуляции карбидной фазы снижается.
При кристаллизации высокоуглеродистых молибденовых быстрорежущих сталей в их структуре формируется эвтектика на основе карбида М2С с высокой концентрацией молибдена (около 30 %) и ванадия (около 20%) [43]. Считают, что карбиды М2С имеют характерную для них вытянутую стержнеобразную форму и направленность и распадаются на более округлые и мелкие карбиды М6С (2...5 мкм) и на многочисленные еще более мелкие карбиды МС (0,5... 1 мкм).
Настоящая глава посвящена исследованию возможности дополнительного упрочнения наплавленной и подвергнутой ППД быстрорежущей стали за счет проведения высокотемпературного отпуска и определению параметров режима такого отпуска (его кратности, температуры и продолжительности отпуска).
Похожие диссертации на Повышение работоспособности быстрорежущих сталей за счет совершенствования их структурного состояния
-
