CC BY
78
^ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 62-1/-9
ГАЗОИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Д.А. Иванов1, О.Н. Засухин2
1 Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, г. Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21; Балтийский государственный университет (БГТУ) «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,
190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
В данной работе рассматривается влияние обработки пульсирующим газовым потоком на структуру и механические свойства термически упрочненных углеродистых и легированных инструментальных сталей.
Ключевые слова: пульсирующий газовый поток, механические свойства, термообработка, инструментальные стали.
GAS-PULSE THE WORKING OF THE TOOL STEEL
D.A. Ivanov, O.N. Zasuhin
St. -Petersburg state university of economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, Sadovaya str., 21; The Baltic state university (BGTU) "VOYENMEKH" of D.F. Ustinov 190005, St. Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya St., 1
The influence of working by the pulsatory gas flow on the structure and the mechanical properties of the thermally reinforced carbon and alloy tool steel in this work is examined.
Keywords: pulsating gas flow, mechanical properties, heat treatment, the tool steel.
Углеродистые инструментальные стали, содержащие более 0,8% углерода (заэвтектоид-ные) широко используют для изготовления различных инструментов, применяющихся при изготовлении и ремонте деталей машин и приборов. К таким инструментам следует отнести: вытяжные штампы для холодной штамповки при диаметре пуансона до 25 мм, другой инструмент, применяемый при холодном пластическом деформировании, а также режущий инструмент, не испытывающий в процессе работы нагрева выше 190+200° С , т.е.: ручные метчики, метчики машинные мелкоразмерные, плашки, мелкоразмерные развертки, надфили, измерительный инструмент простой формы (гладкие калибры, мерительные скобы).
Стандартная упрочняющая термическая обработка подобных изделий из данных сталей заключается в неполной закалке с температуры 760+780°С, соответствующей аустенитно-цементитной структуре с получением структуры, состоящей из мартенсита закалки и вторичного цементита и последующего отпуска. Тех-
нология заключается в нагреве до температуры, не превышающей 150+170° С, что обеспечивает сохранение твёрдости на уровне 62+63 ИИС и выдержке при данной температуре продолжительностью 1+2,5 ч. в зависимости от сечения изделия. Так как отсутствие отпуска после закалки делает инструмент слишком хрупким, то закалочные остаточные напряжения сохраняются, а микроструктура его материала остаётся метастабильной, что в совокупности ведёт к выкрашиванию режущей кромки и образованию трещин.
Актуальной является задача снижения продолжительности отпуска инструмента из заэвтектоидной углеродистой стали У10+У13 при обеспечении достаточной вязкости его материала. В рамках решения данной задачи были проведены исследования эффективности применения воздействия пульсирующими газовыми потоками (газоимпульсной обработки), ранее описывавшегося в источниках [1+9], на структуру и механические свойства инструментальных сталей.
1Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры "Техническая механика" СПбГЭУ, тел.: +7(981)764 08 22, E_mail: tm_06@mail.ru;
2Засухин Отто Николаевич - заведующий лабораторией газодинамики БГТУ «ВОЕНМЕХ», тел.: +7(951) 648 45 44, e-mail: komdep@bstu.spb.su
Были проведены экспериментальные исследования возможности сокращения продолжительности технологического процесса упрочняющей термической обработки заэвтек-тоидных углеродистых инструментальных сталей и обеспечения более высоких значений показателей твёрдости при условии, что инструмент не становится более хрупким.
В ходе исследования углеродистые инструментальные стали У10^У13 подвергались закалке с температуры 760^780°С на структуру, состоящую из мартенсита закалки и вторичного цементита, после чего при комнатной температуре осуществлялась обработка в течение 10^15 минут пульсирующим дозвуковым воздушным потоком, обладающим частотой 1130^2100 Гц и звуковым давление 120^140 дБ, оказывающим комплексное влияние на мета-стабильную структуру мартенсита и способствующим протеканию в ней процессов, аналогичных превращениям при низком отпуске, вызывая при этом более значительное, чем при низком отпуске снижение остаточных напряжений.
Испытания, проведённые на образцах из углеродистой инструментальной стали У12 показали, что после описанной обработки их твёрдость до 2 единиц ИИС превышает твёрдость после стандартного отпуска.
При этом ударная вязкость после данной обработки не уступает ударной вязкости образцов после аналогичной закалки и стандартного отпуска, что может быть объяснено, прежде всего, более интенсивной, чем при отпускном нагреве релаксацией остаточных закалочных напряжений в результате распространения в стали механических волн, генерируемых пульсациями газового потока.
Данный способ позволяет применять обработку пульсирующим газовым потоком к режущему, штамповому и другому инструменту из заэвтектоидных углеродистых инструментальных сталей, подвергаемых закалке на мар-тенситно-цементитную структуру.
Таким образом, получен технический результат, а именно: сокращение в 2^4 раза продолжительности технологического процесса упрочняющей термической обработки углеродистых инструментальных сталей и обеспечение более высоких значений показателей твёрдости притом, что инструмент не становится более хрупким.
Далее на примере образцов из углеродистой инструментальной стали У8 были проведены исследования влияния газоимпульсной обработки закалённых инструментальных сталей на их теплостойкость.
Закалка осуществлялась с температуры 760°С в воду на твёрдость 62^63 ИИС с последующим обдувом без нагрева пульсирующим дозвуковым воздушным потоком, обладающим частотой до 1200 Гц и звуковым давлением порядка 130 дБ, продолжительностью 15 мин. В результате - твёрдость снизилась до 61 ИИС, что свидетельствует о протекании в закалённой стали под действием пульсаций газового потока процессов, соответствующих низкому отпуску.
Контрольные образцы вместо обдува подвергались отпуску при температуре 200°С по стандартной технологии, в результате чего их твёрдость составила 58 ИИС. Затем были проведены сравнительные испытания на теплостойкость путём нагрева до температур 200, 225, 250, 275 и 300°С продолжительностью 30 минут каждое, сопровождаемого измерением твёрдости.
Результаты испытаний представленны на графике (рис. 1). Они свидетельствуют о положительном влиянии газоимпульсной обработки на её теплостойкость после закалки стали У8.
Повышенная теплостойкость обработанных образцов может быть объяснена высокой дисперсностью выделяющейся при газоимпульсной обработке из мартенсита карбидной фазы, в результате чего их коагуляция и снижение твёрдости стали происходит при более высокой температуре.
62
225 250 275 300 Температура нагрева °С ♦ Закалка+ отпуск
Закалка+газоимпульсная обработка
Рисунок 1 - Влияние газоимпульсной обработки после закалки стали У8 на её теплостойкость
Далее было проведено исследование влияния газоимпульсной обработки на стойкость готового металлорежущего инструмента.
Известно, что износ режущей кромки инструмента происходит вследствие совокупности таких факторов, как повреждение режу-
щей кромки под действием механических и термических нагрузок, изнашивание вследствие сваривания под давлением инструмента и заготовки (адгезия), механическое изнашивание, представляющее собой отрыв частиц режущей кромки под действием внешних сил, а при значительных температурах и угорание материала режущей кромки (тепловое изнашивание).
Стойкость обычно оценивается по износу передней и задней поверхности режущей кромки инструмента (рис. 2).
Рисунок 2 - Схема определения износа рабочей части спирального сверла: 1 - режущая кромка; 2 - износ задней поверхности режущей кромки; 3 -задняя поверхность; 4 - износ по передней поверхности режущей кромки
Влияние газоимпульсной обработки на стойкость готового металлорежущего инструмента оценивалось при помощи свёрл из легированной инструментальной стали перлитного класса 9ХС диаметром 7,6 мм. Такая сталь обладает повышенной в сравнении с углеродистыми инструментальными сталями теплостойкостью, составляющую 250^260 ° С.
Стандартная термическая обработка металлорежущего инструмента из данной стали заключается в закалке в масле с температуры 860-880 ° С с последующим низким отпуском при температуре 140^160° С.
Значения теплостойкости после стандартной термообработки представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения теплостойкости стали 9ХС
Газоимпульсная обработка готовых свёрл осуществлялась путём воздействия на их
рабочую часть пульсирующего дозвукового воздушного потока, обладающего частотой до 1200 Гц и звуковым давлением порядка 130 дБ в течение 20 минут без нагрева. Свёрла при этом размещались вдоль пульсирующего потока, рабочей частью ему навстречу.
Сравнительный анализ стойкости подвергнутого газоимпульсной обработке и стандартно обработанного инструмента осуществлялся по итогам сверления пластины из титанового сплава ВТ 14 одинаковой продолжительности.
В результате износ задней поверхности режущей кромки составил 1,6 мм для обработанного сверла и 2,6 мм для необработанного. Износ задней поверхности режущей кромки оказался более чем в 1,5 раза (1,63) меньше в результате газоимпульсной обработки. Износ передней поверхности режущей кромки (рис. 3) составил 1,5 мм у обработанного сверла против 2,5 мм у необработанного (1,67 раза).
Сравнительные данные стойкости свёрл представлены на гистограмме (рис. 4).
Повышение стойкости осуществляется, в основном, за счёт инициирования колебаниями параметров газового потока мартенситного превращения остаточного аустенита со снятием остаточных микронапряжений, обеспечивается благоприятное расположение дислокаций вокруг карбидных включений.
Рисунок 3 - Износ передней поверхности режущей кромки сверла из 9ХС: а - необработанного; б - обработанного пульсирующим дозвуковым газовым потоком
Далее исследовалось влияние газоимпульсной обработки на стойкость готового металлорежущего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5, являющейся на сегодняшний день одной из наиболее распространённых легированных сталей для подобного инструмента.
Быстрорежущие стали, такие как сталь Р6М5 обладают способностью сохранять высокую твёрдость и износостойкость при температурах 600°С и более (красностойкостью), что
Температура нагрева, °С Продолжительность нагрева, мин Твёрдость, ЫЯС
150^160 60 63
240^250 60 59
позволяет в 2^4 раза повысить скорость резания по сравнению с инструментальными сталями, не обладающими красностойкостью.
□ Газоимпульсная обработка □ Стандартная обработка —
2500 2000 1500 1000 500 0
Передняя поверхность, мкм
Задняя поверхность, мкм
Рисунок 4 - Сравнительный износ (за одинаковый промежуток времени передней и задней поверхностей режущей кромки стандартно термообработан-ных свёрл из инструментальной легированной стали 9ХС диаметром 7,6 мм и свёрл, того же материала и
диаметра, подвергнутых дополнительной газоимпульсной обработке без нагрева в течение 20 минут)
Их широко используют для изготовления всех видов режущего инструмента, предназначенного для обработки углеродистых и легированных конструкционных сталей при изготовлении и ремонте деталей бытовых машин; предпочтительно для изготовления резьбонарезного инструмента, а также инструмента, работающего с ударными нагрузками.
Стандартная упрочняющая термическая обработка подобных изделий из данных сталей заключается в закалке с температуры 1220^1270°С, необходимой для получения в результате нагрева высоколегированного вольфрамом и молибденом аустенита, а после закалочного охлаждения - обладающего высокой теплостойкостью мартенсита и двух или трёхкратном отпуске при температуре 550^570°С продолжительностью 1 час каждый, вызывающем превращение остаточного аусте-нита в мартенсит и выделение дисперсных вторичных карбидов.
После такой термообработки инструмент из быстрорежущей стали Р6М5 имеет структуру, представляющую собой смесь отпущенного высоколегированного мартенсита, первичных и вторичных карбидов и некоторого количества остаточного аустенита, что обеспечивает высокую износостойкость и теплостойкость стали.
Вместе с тем актуальной остаётся задача повышения стойкости металлорежущего инструмента из быстрорежущих сталей и уменьшения, тем самым, расхода дорогостоящего
инструмента, а также увеличения производительности труда.
Газоимпульсная обработка готовых свёрл из стали Р6М5 диаметром 9,5 мм осуществлялась, как и в случае стали 9ХС воздействием без нагрева на их рабочую часть пульсирующего дозвукового воздушного потока, в течение 15 минут без использования нагрева изделия. Свёрла при этом так же размещались вдоль пульсирующего потока, рабочей частью ему навстречу. Обработка осуществлялась по двум режимам. При первом режиме частота пульсаций воздушного потока составляла 1130 Гц, а звуковое давление достигало значения 120 дБ, что достигалось избыточным давлением на входе в генератор 0,5 атмосферы. Второй режим характеризовался частотой пульсаций 1200 Гц и звуковым давлением до 130 дБ, достигаемым при избыточном давлении на входе 0,9 атмосферы. При данном режиме существенно возрастает скорость газового потока без значительного роста частоты пульсаций.
В ходе следования стойкости первоначально сверлили пластину из холоднокатаной листовой среднеуглеродистой стали (многократно, по 7 отверстий каждым сверлом) толщиной 6 мм, чтобы проверить, сохранится ли эффект газоимпульсной обработки при многократном нагреве режущей кромки, а затем пластину из титанового сплава ВТ14 толщиной 10 мм (одно отверстие). В результате износ задней поверхности главной режущей кромки составил более 0,5 мм (близко к полному износу) у необработанного инструмента, 0,25 мм после обдува пульсирующим воздушным потоком при частоте пульсаций 1130 Гц и звуковом давлении до 120 дБ, и 0,2 мм при частоте пульсаций 1200 Гц и звуковом давлении до 130 дБ (таблица 2, рис. 5 и 6). Таким образом, далось повысить стойкость готового быстрорежущего инструмента в 2^2,5 раза.
По всей видимости, газоимпульсная обработка позволяет инициировать процессы, соответствующие начальным стадиям распада мартенсита - выделение из него высокодисперсных карбидных частиц - дисперсионное твердение. Наличие значительного числа мелких карбидных частиц сдвигает процесс коагуляции карбидов, а следовательно и разупрочнение в область более высоких температур. Кроме того, можно предположить, что в ходе описанного воздействия на быстрорежущий инструмент происходит продолжение мартенситно-го превращения остаточного аустенита.
Таким образом, газоимпульсная обработка позволяет повысить стойкость использующегося при изготовлении и ремонте деталей транспортных средств, технологических машин и оборудования бытового и жилищно-
коммунального назначения металлорежущего инструмента, в том числе готового.
Таблица 2 - Износ режущей кромки стандартно термообработанных свёрл (из быстрорежущей стали Р6М5 и таких же свёрл, подвергнутых дополнительной газоимпульсной обработке без нагрева в течение 15 минут при прочих равных условиях)
500
Обработка Износ задней поверхности режущей кромки, мм
Стандартная термообработка 0,5
Дополнительная газоимпульсная обработка Частота пульсаций 1130 Гц, звуковое давление до 120 дБ 0,25
Дополнительная газоимпульсная обработка Частота пульсаций 1200 Гц, звуковое давление до 130 дБ 0,2
б
Рисунок 5 - Износ задней поверхности главной режущей кромки сверла из быстрорежущей стали Р6М5: а - без обработки, б - газоимпульсная обработка в течение 15 минут при частоте пульсаций 1200 Гц и звуковом давлении до 130 дБ.
Литература
1. Иванов Д. А. Влияние дозвукового пульсирующего водовоздушного потока на напряженное состояние сталей при термообработке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2007, №1, с. 97-100.
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
200
□ Без обработки
□ Обработка 1130
Гц, 120 дБ.
О Обработка 1200
Гц, 130 дБ.
Износ, мкм
Рисунок 6 - Сравнительный износ режущей кромки стандартно термообработанных свёрл из быстрорежущей стали Р6М5 и свёрл того же материала и диаметра, подвергнутых дополнительной газоимпульсной обработке без нагрева в течение 15 минут при прочих равных условиях
2. Иванов Д. А. Повышение конструктивной прочности материалов за счет воздействия пульсирующих дозвуковых низкочастотных газовых потоков. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. - 123 с.
3. Иванов Д. А. Закалка сталей, алюминиевых и титановых сплавов в пульсирующем дозвуковом водо-воздушном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2008, №2, с. 57-61.
4. Иванов Д. А. Прокаливаемость сталей при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоз-душном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2010, № 11, с. 50-53.
5. Иванов Д. А. Повышение конструктивной прочности металлических материалов путём их обработки нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2011, №4, с. 24-29.
6. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения деталей бытовых машин // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2012, № 4, с. 33-37.
7. Иванов Д. А., Засухин О.Н. Повышение конструктивной прочности машиностроительных материалов в результате сочетания термической и газоимпульсной обработки // Двигателестроение. - СПб., 2012, №3, с. 12-15.
8. Иванов Д. А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру и механические свойства нормализуемых сталей // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2013, № 3, с. 19-22.
9. Булычев А.В., Иванов Д. А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру, свойства и напряженное состояние металлических изделий // Технология металлов. - М., 2013, № 11, с. 30-33.
