Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1 Состояние вопроса
1.1 Условия работы пружинных материалов и требования к ним 11
1.2 Технология изготовления и качество проволоки
1.2.1 Способы упрочнения и виды проволоки 13
1.2.2 Технология изготовления термически обработанной пружинной проволоки 14
1.2.3 Анализ качества проволоки 17
1.3 Возможные причины неоднородности механических свойств 22
1.3.1 Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства стали 23
1.3.2 Характеристика уровня внутренней дефектности холоднодеформированной проволоки 28
1.3.3 Роль зерна аустенита в обеспечении структурной однородности проволоки и изготовленных из нее изделий 31
1.4 Показатели, характеризующие структуру зерна аустенита 32
1.5 Современные представления о механизме образования аустенита 33
1.6 Кинетика а— у- превращения
1.6.1 Этапы образования аустенита 38
1.6.2 Факторы, влияющие на кинетику образования аустенита 39
1.7 Особенности образования аустенита в предварительно холоднодеформированных сталях 44
1.7.1 Процессы, протекающие в докритическом интервале температур при... нагреве предварительно холоднодеформированных сталей 45
1.7.2 Влияние искажений решетки на фазовые превращения 47
1.7.3 Преждевременная аустенитизация 48
1.7.4 Влияние дефектов на положение критической точки 49
1.7.5 Наследование дефектов при а— у- превращении 50
1.8 Рост зерна аустенита 52
1.8.1 Термодинамика процесса роста зерен 54
1.8.2 Механизмы роста зерен
1.8.3 Кинетика роста зерна 60
1.8.4 Возможность протекания рекристаллизационных процессов в аустенитной области 62
1.8.5 Особенности роста зерна в предварительно холоднодеформированных сталях 67
Выводы по главе 1 70
Задачи и программа исследования 72
Глава 2 Методика подготовки металла и проведения экспериментов
2.1 Объект исследования 76
2.2 Обоснование выбора исходного состояния 76
2.3 Подготовка образцов 77
2.4 Характеристика оборудования для термической обработки 78
2.5 Выбор режимов термической обработки 80
2.6 Использованные методы исследования
2.6.1 Металлографические исследования 81
2.6.2 Рентгенографические исследования 85
2.6.3 Пикнометрические исследования 89
2.6.4 Механические испытания 89
2.6.5 Релаксационные испытания
2.7 Расчеты комплексов синергетики 93
2.8 Ультразвуковые исследования 94
2.9 Использование ЭВМ и статистических методов анализа
2.10 Использование методов планирования эксперимента 98
2.11 Оценка точности эксперимента 99
Метрологическая проработка 99
Выводы по главе 2 99
Глава 3 Результаты исследования
3.1 Исследование влияния технологических факторов на состояние зерна аустенита 101
3.1.1 Влияние температуры аустенитизации на величину зерна в сталях с разным химическим составом (68А, 65ГА/70ХГФА) 101
3.1.2 Исследование влияния исходной структуры на состояние действительного зерна аустенита (ДЗА) в недеформированных сталях 103
3.1.2.1 Влияние параметров исходной структуры перлитного типа на характеристики ДЗА 105
3.1.2.1.1 Влияние формы перлита 106
3.1.2.1.2 Влияние дисперсности пластинчатого перлита 115
3.1.2.1.3 Влияние неоднородности исходной структуры перлита по степени дисперсности 118
3.1.2.2 Особенности ДЗА при исходной структуре, образованной по разным механизмам (диффузионному и промежуточному) 122
3.1.2.3 Влияние неоднородности исходной структуры на характеристики ДЗА 123
3.1.3 Исследование влияния времени выдержки на состояние ДЗА в сталях с разным химическим составом (68А, 65ГА, 70ХГФА) 130
3.1.3.1 Влияние времени выдержки на параметры ДЗА в сталях с исходной структурой перлита разной формы 130
3.1.3.2 Влияние времени выдержки на параметры ДЗА в сталях с исходной структурой пластинчатого перлита разной степени дисперсности 136
3.1.4 Исследование закономерностей формирования ДЗА в деформированных сталях 139
3.1.4.1 Влияния степени ПХПД и температуры аустенитизации на характеристики ДЗА при разных исходных структурах 139
3.1.4.1.1 Исследование влияния степени ПХПД 139
3.1.4.1.2 Исследование влияния температуры аустенитизации при характерных степенях ПХПД 150
3.1.5 Исследование влияния характера ПХПД на величину зерна и его однородность по размерам 160
3.2 Исследование влияния температуры аустенитизации и параметров исходной структуры перлита на механические свойства недеформированной стали 162
3.3 Исследование влияния температуры аустенитизации и смешанной исходной структуры на уровень и равномерность механических свойств деформированной стали 166
3.4 Влияние величины зерна на механические свойства стали 65ГА 168
3.5 Исследование возможности определения величины действительного зерна аустенита в пружинной проволоки ультразвуковым методом 171
Выводы по главе 3 173
Глава 4 Анализ результатов исследования и их обсуждение
4.1 Анализ закономерностей роста зерна аустенита в недеформированной стали с различной исходной структурой 178
4.2 Анализ закономерностей роста зерна аустенита в деформированной стали с различной исходной структурой 193
4.2.1 Анализ процессов; обусловливающих состояние стали к началу фазового превращения 193
4.2.2 Влияние степени деформации на процессы аустенитообразования в стали с разной исходной структурой 196
4.2.3 Анализ температурных зависимостей величины зерна при характерных степенях деформации 200
4.2.4 Анализ процессов гомогенизации 201
4.2.4 Анализ зависимостей изменения плотности дислокаций 205
4.3 Анализ результатов статистической обработки данных 206
4.3.1 Построение аналитических зависимостей зеренных характеристик от технологических факторов (температуры, степени ПХПД) 211
4.3.2 Построение математической модели зависимости величины зерна аустенита от параметров исходной структуры и температуры аустенитизации 213
4.4 Комплексная оценка влияния характеристик зерна аустенита на механические свойства пружинных сталей 216
Выводы по главе 4 231
Глава 5 Практические рекомендации 235
Выводы по работе 240
Литература 243
Приложения 252
Введение к работе
Актуальность проблемы. Переход к рыночной экономике и ожидаемое вступление России в ВТО способствует развитию жесткой конкуренции среди машиностроительных предприятий как на внутреннем, так и на внешнем рынке. В создавшихся условиях решающую роль играет качество выпускаемой металлопродукции.
В современном машиностроении широко используются упругие элементы, изготавливаемые из пружинной термически обработанной (т/о) проволоки. Качество этого вида продукции характеризуется:
- уровнем стандартных механических свойств, к которым относятся: временное сопротивление разрыву (сів), число перегибов на 180° (п) и скручиваний на 360° (к) с нормами по ГОСТ 1071;
— равномерностью свойств по длине мотка.
Однако т/о проволока, производимая на отечественных предприятиях, во многих случаях имеет пониженный уровень тех или иных механических характеристик и отличается неравномерностью свойств.
Среди возможных видов неравномерности (в партии одновременно обработанных мотков, а также на одном мотке - по его концам) особое место занимает локальная неравномерность свойств (ЛНС), заключающаяся в разбросе механических характеристик (в наибольшей мере - числа кручений) на соседних образцах небольшой длины, отобранных от мотка подряд. В отличие от первых двух видов неравномерности, оцениваемых по стандарту, ЛНС - по сути дела, скрытый дефект проволоки, который при приемочных испытаниях (на 1-3 образцах с каждого конца мотка) не выявляется. Однако это явление объективное, характерное для проволоки разных марок сталей, размеров и различных производителей (в том числе, и для высококачественной шведской проволоки). Его наличие делает результаты механических испытаний при окончательной приемке продукции и при повторных испытаниях, допускаемых стандартом, непоказательными, поскольку они определяются состоянием того локального участка проволоки, от которого отобраны образцы, и не характеризуют весь моток в целом. Нестабильность механических характеристик проволоки по длине мотка обусловливает негарантированность свойств изготовленной из него партии пружин, что особенно недопустимо для продукции ответственного назначения - такой, как пружины тормозов, клапана ДВС и т.п.
При решении данной проблемы необходимо учитывать, что особенностью проволочного производства является чередование холодной пластической деформации (ХПД) и термообработок (предварительной, промежуточной и окончательной), их сочетание позволяет достичь требуемого комплекса свойств за счет формирования при волочении особой дислокационной субструктуры, которая должна сохраняться и при окончательной термообработке (ОТО) проволоки (закалке с отпуском), что требует ускоренного нагрева с кратковременными выдержками.
Изучение состояния вопроса показало, что возможными причинами локальной неравномерности свойств т/о проволоки могут быть:
- внутренняя дефектность, накапливаемая при волочении;
- структурная неоднородность, формирующаяся при ОТО и определяемая состоянием зерна аустенита, образование которого осложняется протекающими при нагреве холоднодеформированных (х/д) сталей процессами рекристаллизации, гомогенизации и аннигиляцией дислокаций.
При оптимальных технологических схемах, обеспечивающих уменьшение поврежденности проволоки при волочении, основным фактором, формирующим окончательную структуру и свойства пружинной т/о проволоки, является состояние зерна аустенита.
Вопросы образования аустенита и кинетики роста его зерна под воздействием разных факторов рассмотрены в ряде работ: Садовского В.Д., Гуляева А.П., Дьяченко С.С., Бернштейна М.Л., Малышева В.А. и др. авторов. Однако закономерности формирования зеренных характеристик в предварительно холоднодеформированных сталях при нагреве с повышенной скоростью (150-200°С/мин) и кратковременных выдержках, свойственных проволочно-пружинному производству, изучены недостаточно. Принято считать, что требуемые показатели механических свойств во многом обеспечиваются получением для клапанной проволоки мелкоигольчатого мартенсита (балл 2), для проволоки другого назначения - среднеигольчатого (балл 5) и, соответственно, мелкого зерна аустенита при нагреве под закалку. Однако для проволоки, в силу кратковременности выдержек при аустенитизации, состояние аустенита определяется не только и не столько величиной его зерна (Dycj,), но и такими параметрами, как разнозернистость (/?), степень негомогенности по химсоставу (N) и плотность дислокаций (/?). Эти характеристики, в свою очередь, зависят от ряда технологических факторов, важнейшими из которых для пружинной проволоки являются температура и кратковременные выдержки при аустенитизации, степень предварительной холодной деформации (ПХПД) и исходная структура заготовки под волочение. Изучение влияния исходной структуры на формирование зерна аустенита при ОТО приобретает важное значение в связи с тем, что в процессе изготовления проволоки используются различные операции предварительной и промежуточной термообработки (отжиг на зернистый перлит, нормализация, патентирование на троостит и нижний бейнит), при проведении которых образуются структуры, сформированные по разным механизмам (диффузионному, промежуточному, сдвиговому), а при последующей ХПД с различной степенью деформации — субструктура разного типа.
В связи с вышеизложенным исследование закономерностей аустенитообразования, изменения зеренных характеристик в результате совместного воздействия ХПД и ТО при ускоренном нагреве, применение комплексного подхода для оценки влияния параметров зерна аустенита на уровень и равномерность свойств в пружинной термически обработанной проволоке является актуальным и имеет научный и практический интерес. Объект исследования
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования влияния различных характеристик исходной структуры (формы, дисперсности, однородности перлита), смешанных структур и структур, полученных по разным механизмам, на параметры состояния действительного зерна аустенита — размер, разнозернистость, степень негомогенности и плотность дислокаций недеформированных пружинных сталей.
2. Закономерности изменения характеристик зерна аустенита проволоки с разной исходной структурой в результате комплексного воздействия ХПД и ТО в условиях ускоренного нагрева и кратковременных выдержек при аустенитизации, характерных для проволочно-пружинного производства.
3. Типы зависимостей величины зерна, разнозернистости, негомогенности и плотности дислокаций от степени ПХПД, исходной структуры и температуры аустенитизации, позволяющие уточнить представления о механизме процесса аустенитообразования и роста зерна с позиций теории рекристаллизации.
4. Закономерности развития процессов рекристаллизации в аустените предварительно недеформированных и деформированных пружинных сталей; влияние устойчивости субструктуры, сформировавшейся при ПХПД и докритическом нагреве к началу фазового превращения, на температурные интервалы развития рекристаллизации. 5. Новый подход к оптимизации температуры нагрева под закалку на основе обобщенного показателя состояния действительного зерна аустенита, позволяющий учитывать разноплановое влияние зеренных характеристик на уровень и равномерность механических свойств.
6. Результаты оценки вклада структурной неоднородности и уровня дефектности проволоки в развитие явления локальной неравномерности свойств.
