Введение к работе
Актуальность проблемы. Задача получения повышенного комплекса гсплуатационных свойств стальных изделий решается путем выбора рационального >става стали и оптимальной термической обработки. Применительно к крупным деталям :чением более 0.6... 1 м разработка новых составов сталей и особенно технологий ірочняющей термообработки имеет ряд специфических особенностей. Основной из них іляется взаимоисключающий характер требований по прочности, с одной стороны, и ювнто возникающих при термообработке напряжений, с другой. Для получения высокого ювня прочности требуется обеспечить скорость охлаждения, при которой протекает артенситное или бейнитное превращение. При этом закалка детали не должна приводить к >зданию высоких временных и остаточных напряжений, уменьшающих ресурс надежности іделия. Современное решение данной проблемы возможно путем комплексного подхода, в яультате которого необходимо разработать новые составы сталей с повышенным уровнем еханических свойств для крупных деталей, а также создать технологии термической эработки, позволяющие реализовать на крупных сечениях потенциально заложенные )ставом стали свойства. В настоящее время наиболее перспективным является применение атематического моделирования процесса термообработки, позволяющее прогнозировать определение температурных, структурных полей во времени и по сечению детали, а ікже достоверно оценивать получаемые свойства по окончании процесса. Кроме того, при оделировании должно учитываться изменение термонапряженного состояния детали в роцессе термообработки.
Для оценки структурного и термонапряженного состояния стальной детали по 5вестному уравнению теплопроводности необходимо рассчитать изменение температурного эля во времени и по сечению детали в зависимости от применяемой технологии :рмообработки. На основе полученного расчета определяется распределение структур по :чению конкретного изделия, для чего требуется детальное знание кинетики процесса эразования второй фазы при распаде переохлажденного аустенита. К настоящему времени эстигнутая степень приближения в описании процесса распада переохлажденного 'стенита неудовлетворительна. Следовательно, необходимо подробно исследовать зоцессы перлитного и бейнитного превращения переохлажденного аустенита знструкционных и инструментальных сталей для создания адекватной модели фазового ревращения.
Применяя модель, объективно описывающую образование структурных )ставляющих сталей, и базируясь на уравнениях механики сплошных сред, определяется іпряженное состояние детали для любого момента времени процесса термической
обработки. Для численного моделирования процесса термической обработки необходимо знание ряда специальных физико-механических свойств сталей: температурные зависимости относительных деформаций при реализации перлитного, бейнитного и мартенситного превращений; релаксационные свойства сталей в различных структурных состояниях; температурные зависимости прочностных характеристик различных структурных составляющих сталей; изменение предела текучести в процессе фазовых превращений и т.д. Адекватность модели режима термообработки стальных деталей в большой степени определяется полнотой используемого в расчетах комплекса физико-механических свойств сталей.
Анализируя влияние температурно-временных параметров термообработки, степени легирования применяемой стали на получаемое распределение структур и напряженное состояние крупной детали, методами решения экстремальных задач выбирается наиболее рациональный режим термоупрочнения.
Для осуществления разработанных режимов необходимо создание специализированного термического оборудования, применение которого позволит существенно повысить качество упрочняемых крупных деталей.
Дель работы. Целью настоящей работы является решение научно-технической проблемы повышения качества крупногабаритных изделий из высокопрочных сталей путем создания современных технологий термической обработки на основе изучения и моделирования фазовых и структурных превращений и разработки составов сталей.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: создание и исследование новых композиций сталей повышенной конструктивной прочности для крупного инструмента горячего деформирования;
- теоретическое и экспериментальное обоснование закономерностей фазовых и структурных
превращений в конструкционных и инструментальных сталях;
- установление основных закономерностей влияния температурно-временных параметров
режимов термической обработки на эксплуатационные свойства крупных деталей;
расчетно-экспериментальное моделирование температурного, структурного и
напряженного состояния крупных деталей при термической обработке на основе
изучения комплекса физико-механических свойств экспериментальных и применяемых
сталей;
разработка оптимальных режимов термической обработки крупных деталей на основе
численного моделирования;
создание специализированного термического оборудования для осуществления оптимальных технологий термообработки крупных деталей. Гаучняя новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем: . Разработаны новые композиции сталей для инструмента горячего деформирования, обеспечивающие в деталях больших сечений повышенный уровень механических свойств. . Предложен общий алгоритм аналитического описания структурных превращений в конструкционных и инструментальных сталях, позволяющий прогнозировать кинетику распада переохлажденного аустенита для различных условий термической обработки, уровня легирования, структурных факторов. Установлено немонотонное закономерно-периодическое изменение скорости перлитного и бейнитного превращений в конструкционных и инструментальных сталях в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении. . Для широкого круга конструкционных и инструментальных высокопрочных сталей обобщена совокупность физико-механических свойств, необходимых для расчета температурного, структурного и напряженного состояний крупных деталей при термической обработке.
Установлены закономерности влияния на термонапряженное состояние, твердость и глубину рабочего слоя крупных деталей из высокопрочных сталей температурно-временных параметров традиционных видов термообработки, термообработки с применением градиентного нагрева, с использованием водовоздушного охлаждения. . Расчетно-экспериментальными исследованиями обосновано технологическое обеспечение проектирования и создание серии специализированных агрегатов типа "СТАРТ" для термообработки с использованием градиентного нагрева крупных валков, а также широкой гаммы установок водовоздушного охлаждения для закалки крупных штампов, дорнов, поковок. [рактическая ценность и результаты внедрения. Основные научные положения иссертации легли в основу разработок составов сталей новых композиций и режимов кончательной термической обработки крупных деталей. Реализация работы осуществлялась о следующим направлениям:
Стали 70Х2МФБ, 55Х2МФБ, 34ХЗМФРТ, составы которых защищены авторскими свидетельствами, внедрены на предприятиях тяжелого машиностроения и черной металлургии в качестве материала для инструмента горячего деформирования по ТУ 14-19-93-90 - штампов молотовых и прессовых на АО «Уралмаш», выгибных и
формообразующих штампов колесопрокатного стана на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате, штамповых вставок для горизонтально-ковочной машины и пресса усилием 25 МН на Ново-Краматорском машиностроительном заводе, штампов для труднодеформируемых цветных сплавов на Екатеринбургском заводе ОЦМ.
-
Сконструирован ряд специализированных установок водовоздушной закалки изделий из инструментальных марок сталей различного назначения - штампов массой до 8 тонн, втулок контейнеров диаметром до 700 мм для Верхне-Салдинского металлургического производственного объединения; дорнов диаметром 210...390 мм, длиной 6000 мм для Северского трубного завода; созданы промышленные стенды для отработки конструкций форсуночных устройств и основных этапов технологии водовоздушной закалки.
-
Разработаны производственные технологии окончательной термообработки крупных деталей из конструкционных и инструментальных высокопрочных сталей, позволяющие получить наиболее высокий уровень механических свойств при благоприятном распределении временных и остаточных напряжений по сечению. Предложенные режимы термической обработки крупных деталей защищены 4 авторскими свидетельствами.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах: Республиканской научно-технической конференции «Легирование и свойства сталей и сплавов» (Киев, 1980 г.); V Всесоюзном совещании по взаимодействию между дислокациями и атомами примесей и свойствам сплавов (Тула, 1982 г.); Всесоюзном семинаре «Теплофизические основы и оптимизация технологических процессов термической обработки изделий энергомашиностроения» (Киев, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Экономия металла и энергии на основе прогрессивных процессов термической и химико-термической обработки» ( Пенза, 1984 г.); III Всесоюзной конференции по расчетам на прочность металлургических машин (Москва, 1985 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработок деталей машин и инструмента» ( Махачкала, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической обработки в машиностроении и металлургии» (Новокузнецк, 1991 г.); VII Международном конгрессе «МОТО-90» (Москва, 1990 г.); VII-XI, XIV Уральских школах металловедов-термистов (Свердловск, Пермь, Ижевск, 1981...1998 гг.); Международном симпозиуме «Materials
геек'96» (Цинциннати, 1996 г.); Международной конференции «Synthesis, processing and modelling of advanced materials» (Париж, 1997 г.); V Российско-китайском международном импозиуме «Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий XXI ека» (Байкальск, 1999 г.); Международной конференции «Пластическая, термическая и ермомеханическая обработка современных металлических материалов» (Санкт-Петербург, 999 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 36 работ, в том меле 8 авторских свидетельств.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, аключения. Работа изложена на 205 страницах машинописного текста, содержит 136 тсунков, 18 таблиц, список литературы из 303 наименований.
