Содержание к диссертации
ВВВДЕБИЕ 5
1. УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ОСОБЕННОСТИ ИЗНОСА И СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТА ЖДКОЙ ШТАМПОВКИ МВДНЫХ СПЛАВОВ. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛУ ИНСТРУМЕНТА. 1ОТМЕНЯШЫЕ СТАЛИ 12
1.1. Температурно-силовой режим работы жнструїлента жидкой штамповки 12
1.2. Физико-химическое взаимодействие материала инструмента с расплавом 18
1.3. Основные виды ESM&sa, и-стойкость инструмента жидкой штамповки 20
1.4. Требования, предъявляемые к стали для инструмента жидкой штамповки 26
1.5. Штамповые стали, используемые для инструмента жидкой штамповки медных сплавов 29
2. ЛЕГИРОВАНИЕ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ УПРОЧНЕНИЯ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕИЩХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ 33
2.1. Механизмы дисперсионного упрочнения стали 33
2.2. Условия получения стабильной аустенитной структуры 37
2.3. Упрочнение аустенитных сталей при легировании у-твердого раствора 39
2.4. Влияние типа упрочняющих фаз на механические свойства высокопрочных аустенитных сталей 42
2.5. Выводы и выбор направлений исследований. Постановка задачи 46
3. РАЗРАБОТКА НОВОГО СОСТАВА ДИСПЕРСЙОННО-ТВЕРДЕЩШ АУСТЕНИТНОЙ ШТАМПОВОЙ СТАЖ 51
3.1. Разработка опытных составов аустенитных сталей систем fe-C-Cr-Mn и k-C-Cr-Mn-№ и материал для исследования 51
3.2. Методика исследований 57
3.3. Определение режимов термической обработки сталей опытных составов 68
3.4. Исследование механических и эксплуатационных свойств сталей опытных составов 86
3.5. Разработка и анализ математических моделей зависимости основных свойств опытных сталей от легирования. Оптимизация состава разрабатываемой стали 106
4. КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКРОСТРУКТУРЫ, ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СТАЖ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА .117
4.1. Рентгеноструктурный фазовый, микрорентгено-спектральный анализы и высокотемпературная металлография » 117
4.2. Оптимизация параметров решила термической обработки с использованием математических методов планирования эксперимента 140
4.3. Определение физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств 151
5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ЕЕЭДРЕНИЕ НОВОЙ СТМИ 169
5.1. Разработка технологии ковки и термической обработки стали марок 5ХІ0ГІ6М2Ф2СР и 5Х8ГІ6Н5МФ2С 169
5.2. Результаты промышленного внедрения разработанной стали 171
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 173
ЛИТЕРАТУРА 177
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Химический состав наиболее распространенных отечественных и зарубежных штамповых сталей 186
2. Межплоскостные расстояния, интенсивность рефлексов карбидных осадков разработанных сталей и идентифицированных соединений по данным картотеки 193
3. Математическое планирование и обработка результатов эксперимента при оптимизации составов и параметров режима термической обработки стали типа 5ХІ0ГІ6М2Ф2СР и 5Х8ГІ6Н5МФ2С 199
3.1. Проекции линий равного уровня твердости (!/f жУ2) на плоскости ХСХ2/ .*«$".*•*.*. х.'~х2 . 224
4. Ковка и термообработка стали марок 5Х8ГІ6Н5МФ2С и 5ХЮГІ6М2Ф2СР. Производственно-техническая инструкция. ВД0.9І2.006 231
5. Проект технических условий на прутки из инструментальной стали 5ХІ0ГІ6М2Ф2СР (опытная партия) 239
6. Расчет экономической эффективности от внедрения в производство новой аустенитной штамповой стали марки 5ХІ0ГІ6М2Ф2СР 246
7. Акт внедрения результатов диссертационной работы 254
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ, Экономическая стратегия, выработанная ХХУТ съездом КПСС, предусматривает систему мероприятий по повышению производительности труда и "...существенному сокращению отходов и потерь металлопродукции за счет замены технологических процессов, основанных на резании металла, экономичными методами формообразования деталей" [I]. Одним из таких методов является метод штамповки заготовок из жидких сплавов, эффективность которого существенно зависит от стойкости штампового инструмента.
Низкая стойкость штампов тормозит широкое внедрение ряда прогрессивных высокопроизводительных технологических процессов жидкой штамповки. В связи с широким освоением жидкой штамповки высокотемпературных медных сплавов, совершенствованием существующих и разработкой новых процессов жидкой штамповки, сопровождающихся повышением требований к штамповым материалам, возрастает актуальность проблемы повышения стойкости штампов.
Учитывая важность для народного хозяйства проблемы повышения стойкости инструмента горячей и жидкой штамповки, последняя включена в Координационный план НИР на І98І-І985 гг. Научного совета при Президиуме АН СССР по решению научных проблем:
- 2.26.14 "Физико-химические основы металлургических процессов".
- 2.26.15 "Разработка теории литейных процессов, обеспечивающих создание и развитие высокоэффективных малоотходных и безотходных технологий с применением внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл".
Диссертационная работа явилась частью важнейших научно-исследовательских работ, выполняемых кафедрой материаловедения ЛМИ и ДенПО "слектроаппарат" по указанным научным проблемам.
Известные штамповые стали на основе Ы. -железа, получающие Еысокую твердость в результате карбидного или интерметаллидного упрочнений, не удовлетворяют требованию по теплостойкости при штамповке медных сплавов и имеют предельную температуру эксплуатации не более 740°С вместо требуемой 800-820°С. Возможность повышения теплостойкости этих сталей ограничена температурами,равными 0,7-0,8 от температуры полиморфного k—-у-превращения.
Более эффективным может оказаться использование в качестве инструментального материала сталей с ГЦК-решеткой, имеющих теплостойкость не ниже 800°С [2,3] . Отсутствие Л—у -превращения, малая диффузионная подвижность атомов кристаллической решетки основы (на 2-3 порядка ниже, чем в ОЩ-решетке), высокая термическая стабильность упрочняющих фаз в аустенитных сталях могут обеспечить их превосходство над штамповыми сталями мартенситного класса при температурах жидкой штамповки медных сплавов.
Однако, оптимальные составы штампових сталей аустенитного класса в настоящее время еще не определены.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в разработке, комплексном исследовании и внедрении в производство новой аустенитной штамповои стали для инструмента жидкой штамповки медных сплавов, обеспечивающей повышение его теплостойкости и разгаростойкости.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
- анализ применяемых штамповых сталей, условий их эксплуатации, особенностей износа и стойкости инструмента жидкой штамповки медных сплавов; определение требований к штамповои стали и выбор направлений исследований;
- разработка, выплавка аустенитной штамповои стали опытных составов и исследование ее основных механических и эксплуатационных свойств; определение исходных данных для разработки математических моделей зависимостей этих свойств от легирования;
разработка и анализ математических моделей зависимости основных свойств опытной стали от легирования с использованием математических методов теории эксперимента; оптимизация составов разрабатываемой аустенитной стали на основе полученных математических моделей; выплавка стали оптимальных составов;
- комплексные исследования физико-механических, технологических и эксплуатационных характеристик аустенитной стали оптимальных составов; разработка методики испытаний и исследование штампо-вой стали на сопротивления термомеханической усталости в прессуемом расплаве с использованием разработанной методики; регламентирование требований к основным свойствам разработанной стали;
- исследование структурно-фазовых превращений, особенностей дисперсионного упрочнения и оптимизация на их основе параметров режима термической обработки разработанной стали с использованием математических методов планирования эксперимента;
- опытно-промышленные испытания и внедрение в производство новых марок стали; расчет экономического проекта от реализации в производстве результатов работы.
МЕТОДИКА ИССЛЕЩОВАШЙ. Исследования по разработке новых составов аустенитной штамповой стали включали расчетно-эксперимен-тальный, экспериментальный и технологический этапы.
Расчетно-экспериментальные исследования включали поиск оптимального состава разрабатываемой аустенитной штамповой стали с помощью построенных математических моделей зависимостей основных рабочих свойств опытной стали 17 составов от легирования, а также разработку технологии термической обработки новых марок стали с помощью математических методов планирования эксперимента.
Разработанные с использованием ЭВМ EC-I060 математические мо дели имели максимальную долю объяснимой вариации (более 95$). Математическую обработку результатов экспериментов осуществляли с доверительной вероятностью не менее 95$.
Экспериментальные исследования предусматривали определение физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств опытной стали в широком интервале температур (20-900°С).изучение структурно-фазовых превращений в стали на различных этапах изготовления и эксплуатации инструмента, а также сравнительные испытания штамповой стали на сопротивление термомеханической усталости (W) в расплаве латуни.
Механические свойства,технологические и эксплуатационные характеристики опытной стали при нормальной и повышенных температурах определяли на стандартных разрывных и ударных образцах по известным методикам.
Сравнительные испытания штампових сталей на сопротивление ТМУ в прессуемом расплаве в работе проводили по новой разработанной автором методике, в основу которой положено воспроизведение реальных температурно-силовых и физико-химических условий нагружения инструмента.
При определении природы и характера залегания упрочняющих карбидных фаз и изменений в структуре стали после различных режимов термической обработки были использованы методы рентгенострук-турного фазового анализа, растровой электронной микроскопии, мик-рорентгеноспектрального анализа и высокотемпературной металлографии.
Рентгеноструктурный фазовый анализ проводили на дифрактомет-ре ДРОН-2,0 и установке УРС-2,0 с фотографической регистрацией рентгеновских рефлексов по методу Дебая-Шерера в Си K-d излучении.
Наблюдение и фотографирование карбидных выделений проводили на растровом электронном микроскопе РЬЕМ-ЬШ (Япония); микро рентгеноспектральний анализ - на анализаторе СатеЗох.
Высокотемпературные металлографические исследования проводили на высокотемпературном микроскопе модели w//eo/o/.
Кроме того, в исследованиях в большом объеме использовали оптическую микроскопию, микрорентгеноспектральный анализ, дилатометрические испытания, химический анализ выделенных карбидных осадков и .др.
Для оценки технологических свойств разрабатываемой стали проводили отработку режимов ковки, оптимизацию параметров режима термической обработки, испытания окалиностойкости и др.,на основании чего были разработаны производственно-техническая инструкция по ковке и термической обработке стали новых марок, проект технических условий на поставку стали марки 5Х10И6М2Ф2СР,а также даны рекомендации по применению разработанной стали в зависимости от имеющегося в производстве прессового оборудования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА:
- на основании экспериментальных исследований установлены закономерности влияния легирующих элементов на изменение теплостойкости, ударной вязкости, твердости, пределов прочности и текучести при рабочих температурах до 900°С и разработаны расчетные модели зависимости этих свойств для сталей, содержащих 0,47-0,59$ углерода, 7,9-16,9$ хрома, 6,0-16,5$ марганца, 0-0,52$ никеля, 0,99-2,60$ ванадия, 0-2,6$ молибдена, 0;12-1,20$ кремния, 0-0,008$ бора;
- установлены оптимальные составы безникелевой (5ХІ0ГІ6М2Ф2СР a.c.CCCP & 648648) и никельсодержащий (5Х8ГІ6Н5МФ2С) аустенитных штамповых сталей, обеспечивающих в сочетании с их термической обработкой теплостойкость до уровня 830-820°С и разгаро-стойкость в 1,5-2,0 раза выше по сравнению с применяемыми в настоящее время сталями для инструмента жидкой штамповки медных сплавов;
- с использованием планируемого эксперимента установлены закономерности влияния термообработки на изменение твердости сталей 5ХІ0ГІ6М2Ф2СР и 5ШГІ6Н5МФ2С, построены расчетные модели зависимости твердости этих сталей от параметров режима термообработки и установлены их оптимальные значения в изученном диапазоне температур закалки (П00-1200°С) и старения (700-800°С) разной продолжительности 2-6 ч.;
- разработана и экспериментально проверена новая методика оценки штампових сталей на сопротивление термомеханической усталости, воспроизводящая реальные температурно-силовые и физико-химические условия нагружения инструмента при жидкой штамповке медных сплавов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. На основании выполненных в работе исследований разработана дисперсионно-твердеющая аустенитная штамповая сталь типа 5ХІ0ГІ6М2Ф2СР .для инструмента, жидкой штамповки медных сплавов, обеспечивающая повышение стойкости инструмента в 5-7 раз по сравнению со сталями аналогичного назначения.
Разработана и внедрена производственно-техническая инструкция по ковке и термической обработке разработанной стали при изготовлении инструмента жидкой штамповки медных сплавов, а также разработан проект технических условий на поставку новой стали.
Результаты работы внедрены на Ленинградском производственном объединении "Электроаппарат" с экономическим эффектом 60,0 т.руб.
По запросам Ленинградского Адмиралтейского объединения, Ленинградского научно-производственного объединения "Азимут", Верх-несалдинского металлургического объединения им.В.И.Ленина, ВНИМИ "Сириус" последним были переданы рекомендации по использованию разработанной стали и технологии изготовления из нее штампового инструмента.
На защиту выносятся:
1. Состав новой аустенитной стали повышенной теплостойкости и разгаростойкости типа 5ХІ0ГІ6М2Ф2СР для инструмента жидкой штамповки медных сплавов и технологический процесс ее термической обработки.
2. Результаты комплексных исследований микроструктуры, механических свойств и основных эксплуатационных характеристик, подтверждающих необхо.димость применения разработанной стали в качестве материала инструмента жидкой штамповки медных сплавов.
3. Зависимости, характеризующие изменение теплостойкости, ударной вязкости, пределов прочности, текучести и твердости при рабочих (900°С) температурах от содержания легирующих.
4. Методика сравнительных испытаний штамповых сталей на сопротивление термомеханической усталости в прессуемом расплаве.
