Диаграмма рекристаллизации и свойства литой быстрорежущей стали 10р3м3ф2 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

УДК 621.789:669.14 Ю. К. КОРЗУНИН

В. П. РАСЩУПКИН О. Ю. БУРГОНОВА Д. А. ЦУРКАН

Омский государственный технический университет

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

ДИАГРАММА РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ И СВОЙСТВА ЛИТОЙ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ 10Р3М3Ф2

Проблема рекристаллизации в сталях, в том числе быстрорежущих, составляет важный раздел металловедения и физики твердого тела. Горячая пластическая деформация является основным технологическим процессом при получении ряда инструментов, в частности, сверл. Получены сведения об изменении структуры и свойств литой быстрорежущей стали 10Р3М3Ф2.

Ключевые слова: быстрорежущая сталь, рекристаллизация, горячая деформация, пластичность.

Многообразным процессам структурообразова-ния при рекристаллизации уделяется достаточное внимание, вместе с тем обобщающих работ, в которых рассматривалась бы проблема рекристаллизации в сложнолегированных сталях в большинстве ее проявлений, очень мало.

Целью данной работы является построение диаграммы рекристаллизации для литой быстрорежущей стали 10Р3М3Ф2 и исследование влияния малых пластических деформаций на формирование ее структуры и свойств. Диаграмма рекристаллизации позволяет выбирать оптимальных режим технологической схемы высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) при изготовлении инструмента (сверл) методом пластической деформации.

Быстрорежущие стали относятся к сталям ле-дебуритного класса с карбидным упрочнением и с повышенным содержанием углерода (свыше 0,8 %), сочетающие теплостойкость (600 — 700°С) с высокой твердостью (HRC 62 — 68) и повышенным сопротивлением пластической деформации [1].

Развитие процессов рекристаллизации в таких сталях происходит в результате миграции большеугловых границ. Явление развития коалесценции («рассыпания») состоит в том, что граница распадается на отдельные малоугловые границы, а они, двигаясь, переориентируют само зерно. Известен механизм коалесценции [2], который объясняет рост зерна в сложнолегированных сталях и сплавах. Он наблюдается и в быстрорежущих сталях, содержащих большое количество дисперсных частиц второй фазы, задерживающих обычный процесс миграции большеугловых границ. В таких случаях под влиянием высокой температуры нагрева большеугловая граница распадается на отдельные участки малоугловых границ, которым легче перемещаться по зерну при наличии в структуре второй фазы.

Для каждой марки стали, вида и сечения изделия необходимо подбирать оптимальное сочетание тем-

пературы, степени, скорости и дробности деформации, чтобы получить развитую полигонизацию в структуре аустенита. Знание закономерностей, управляющих размером зерна в сплавах является одной из основных проблем современного материаловедения. Исследованию процесса рекристаллизации, величины зерна и построению диаграмм рекристаллизации уделяется большое внимание, поскольку только при правильном подборе оптимального режима пластической деформации получается полигонизированная структура, обладающая высоким комплексом механических и режущих свойств.

Исследуемая быстрорежущая сталь 10Р3М3Ф2 (химический состав: 0,94 % — С, 2,45 % — W, 3,48 % — Мо, 4,25 % — Сг, 2,14 % — V) отливалась в индукционной печи МГП—102А в кислом тигле. Температура заливки в формы составляла 1540°С. Из отливок были получены образцы размером 15х15х180 мм, которые прокатывались в гладких ручьях на клин с различных температур: 900°С, 1000°С, 1050°С, 1100°С, 1150°С, 1200°С. При этих температурах исследуемая сталь обладает малым сопротивлением деформации в сочетании с хорошими пластическими свойствами. Полученные образца в форме клина имели деформацию от 0 до 70 %. По длине образцов изготовлены микрошлифы, на которых изучалась структура стали.

Для выявления границ зерна аустенита и изучения его состава опытные образцы закаливались при температуре 1190°С. Это позволило построить гистограммы распределения видимых и истинных диаметров зерен, определить средний диаметр зерна стали, его балл и дисперсию рассеяния [3].

Размер одного зерна можно охарактеризовать его объемом, площадью сечения и поперечным размером. Полную характеристику равноосной структуры дает гистограмма распределения истинных диаметров зерен. Однако гистограмма правильно отражает закон распределения лишь тогда, когда разбиение на оси абсцисс равномерно. Сравнение

Рис. 1. Зависимость среднего диаметра И , Рис. 2. Пространственная диаграмма

дисперсии рассеяния Бв и балла зерна М рекристаллизации быстрорежущей стали 10Р3М3Ф2

от степени деформации е при (=1050°С

Температура прокатки і °С

Рис. 3. Диаграмма пластичности стали 10Р3М3Ф2 Рис. 4. Зависимость ударной вязкости КСи

в литом состоянии от степени относительной деформации е (сталь 10Р3М3Ф2)

Рис. 5. Изменение прочности при изгибе оизг от степени деформации е (сталь 10Р3М3Ф2)

гистограмм двух структур возможно только при совпадении всех точек разбиения. Гистограмма должна содержать не менее 8—10 интервалов разбиения. Имея гистограмму плоского сечения, можно построить гистограмму объемных зерен, а по ней и все остальные характеристики строения.

Для построения гистограмм распределения истинных диаметров зерен было измерено не менее 200 зерен.

Кроме графического представления гистограмм при исследовании разнозернистости необходимо давать количественную характеристику — дисперсию распределения диаметров зерен в закаленной

структуре стали. На рис. 1 показана зависимость среднего диаметра И, дисперсии рассеяния и балла зерна аустенита от степени деформации при температуре прокатки 1050°С. Такие зависимости были построены во всем интервале температур прокатки 950—1200°С.

Заключительным этапом этих исследований явилось построение диаграммы рекристаллизации литой быстрорежущей стали 10Р3М3Ф2 — трехмерной диаграммы, изображающей зависимость средней величины И от степени деформации 8 и температуры прокатки (рис. 2). Анализ этой диаграммы показывает, что при всех температурах прокатки

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

Рис. 6. Полигонизированная структура аустенита,

t =1150°С (х450)

пр

наиболее крупное зерно получается при деформации 8 =10 — 30 %. При этих условиях не происходит дробление карбидной сетки, что затрудняет рост зерен и при этом в стали сохраняется значительная разнозернистость. Наиболее мелкозернистое строение закаленной стали наблюдается при степенях деформации 8 = 50 — 70 % на образцах, прокатанных при температуре 1000— 1050°С. При таких деформациях успевают пройти процессы полигонизации, увеличивается количество дефектов и при их скоплении начинаются процессы рекристаллизации. Центров рекристаллизации образуется множество, что способствует измельчению зерна. Кроме того, при этих температурах и деформациях наблюдается наименьшая разнозернистость. Начиная с температуры 1100°С происходит сильный рост зерна.

По оценке категории пластичности, предложенной Ю. М. Чижиковым [4], была построена диаграмма пластичности методом прокатки на клин (рис. 3). Из диаграммы видно, что максимальная пластичность достигается при температуре прокатки 1050±30°С. Предел пластичности определяется на высоте клина в той его части, где произведено нарушение сплошности, т. е.

Н-А

Н

100%,

где Н — исходная высота клина, мм; Л — высота клина, где произошло нарушение сплошности, мм.

На рис. 4 приведены испытания исследуемой стали на ударную вязкость в зависимости от степени деформации. Эти исследования свидетельствуют о повышении механических свойств с увеличением деформации, что связано с измельчением ледебу-ритной эвтектики и повышением плотности дефектов структуры стали.

Определение прочности при изгибе производилось на разрывной машине ZOMИ—10 с расстоянием между опорами, равными 100 мм. Результаты испытаний (рис. 5) показали, что у исследуемой стали этот показатель значительно возрастает по мере увеличения степени деформации, особенно в диапазоне 8 = 30 — 60 %. Этот диапазон деформаций следует выбирать при выборе схемы дробности деформаций в процессе получения сверл методом секторного проката.

Металлографический анализ клиновых проб, прокатанных по разным режимам, исследование механических свойств позволили изучить основные особенности формирования структуры стали 10Р3М3Ф2.

Начало динамической рекристаллизации у исследуемой стали отмечено при температуре прокатки 1050°С и степени деформации 8>30 %. Начало этого процесса было зафиксировано металлографи-

Рис. 7. Структура аустенита, ^ =1150°С (х450)

ческим методом по образованию в клиновых пробах безблочных (рекристаллизационных) зерен аустенита после прокатки и охлаждения на воздухе. Прокатка стали при температурах выше 1075°С сопровождается образованием полигонизированной структуры аустенита, в которой не обнаруживаются границы зерен (рис. 6). При повторной закалке стали, прокатанной при температуре более 1100°С в рекристаллизованных зернах со структурой скрытокристаллического мартенсита возникает фазовый наклеп, что приводит к их росту до размеров значительно превышающих допустимые (рис. 7).

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы.

1. На формирование структуры литой быстрорежущей стали 10Р3М3Ф2 оказывает влияние предварительная горячая пластическая деформация — происходит раздробление ледебуритной эвтектики, изменение карбидов и в зависимости от температуры и степени деформации формируется аустенит-ное зерно с различными свойствами.

2. Оптимальным режимом прокатки литой быстрорежущей стали 10Р3М3Ф2 является t = 1000 — 1050°С и относительная деформация 8 = 50 — 70 %. При этих условиях в стали образуется наиболее мелкозернистая структура при минимальной разнозер-нистости.

3. Диаграмма рекристаллизации может быть полезна при назначении технологических режимов горячей пластической деформации при изготовлении режущего инструмента (например, сверл) способами секторной, поперечной и винтовой прокатки.

Библиографический список

1. Геллер, Ю. А. Инструментальные стали / Ю. А. Геллер. — М. : Металлургия, 1983. — 526 с.

2. Горелик, С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов / С. С. Горелик. — М. : Металлургия, 1978. — 563 с.

3. Салтыков, С. А. Стереохимическая металлография / С. Ф. Салтыков. — М. : Металлургия, 1976. — 281 с.

4. Чижиков, Ю. М. Прокатываемость сталей и сплавов / Ю. М. Чижиков. — М. : Металлургия, 1961. — 296 с.

КОРЗУНИН Юрий Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

РАСЩУПКИН Валерий Павлович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Конструкционные материалы и специальные технологии» Сибирской автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).

ЦУРКАН Дмитрий Александрович, старший преподаватель Военно-учебного центра СибАДИ.

БУРГОНОВА Оксана Юрьевна, доцент кафедры

«Материаловедение и технология конструкцион- Статья поступила в редакцию 03.12.2012 г.

ных материалов» ОмГТУ. © Ю. К. Корзунин, В. П. Расщупкин, Д. А. Цуркан,

Адрес для переписки: [email protected] О. Ю. Бургонова

УДК 621.865.8+519.688 А. П. ЛУКИНОВ

А. Н. СЫРОМЯТИН

Московский государственный технический университет «СТАНКИН»

Научно-исследовательский центр электронной вычислительной техники,

г. Москва

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ УДЕРЖАНИЯ

ОБЪЕКТА МАНИПУЛИРОВАНИЯ

АНТРОПОМОРФНЫМ

ЗАХВАТНЫМ УСТРОЙСТВОМ

ПРИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОМ ЗАМЫКАНИИ

В ТРЕХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

В работе выводятся доказательства математических условий гарантированного удержания объектов манипулирования антропоморфным захватным устройством при геометрическом замыкании. Авторы предлагают математические критерии, определяющие достаточные условия поступательной и вращательной неподвижности трехмерных твердых тел, которые можно использовать в создании математического обеспечения систем управления антропоморфными захватными устройствами.

Ключевые слова: антропоморфное захватное устройство, объект манипулирования, геометрическое замыкание, силовое замыкание, гарантированное удержание, ограниченное связное точечное множество.

1. Введение. С развитием робототехники все большую роль играют антропоморфные захватные устройства (АЗУ), кинематические схемы которых и внешний вид похожи на кисть руки человека. Процесс сжатия пальцев АЗУ называется замыканием объекта манипулирования (ОМ). Свершившееся замыкание не гарантирует того, что АЗУ обеспечит удержание ОМ. Задача замыкания может иметь успешное регулярное решение только в случае, когда получены математические условия гарантированного удержания (ГУ) ОМ в АЗУ минимально необходимым количеством удерживающих факторов, которыми являются активные и диссипативные реакции со стороны ладони и фаланг. Если ОМ удерживается только нормальными реакциями опор, то такое замыкание считается геометрическим (ГЗ). Этот способ удержания и рассматривается в данной работе. Задача получения условий удержания рассматривалась неоднократно, например, в работах [1 — 3] показано, что для полного замыкания ОМ в трехмерном пространстве необходимо иметь 7 точек, но исчерпывающих доказательств задач ГЗ ОМ и математических условий гарантированного удер-

жания в этих работах не получено. В данной работе предлагаются математические условия ГУ ОМ при ГЗ, без которых разработка математического обеспечения систем управления АЗУ невозможна.

2. Условия неподвижности точечных множеств. Рассматриваются несчетные или счетные точечные подмножества, M, множества Х, обладающие [4 — 6]: ограниченностью, метрикой, связностью, открытые в 3-мерном евклидовом пространстве. Определим вытекающие из принятых научно-технических парадигм [4 — 7] некоторые понятия, на которые мы опираемся в данной работе.

Неподвижная точка ц0 множества М — это точка, для которой в рассматриваемом классе отображений ^ц) всегда выполняется условие, ^ц0) = ц0. Неподвижный отрезок (ось) [ц0,ц0.], ]=1,2,...Л<<» множества М — это подмножество точек, лежащих на одной прямой, для каждой из которых в рассматриваемом классе отображений ^ц) всегда выполняется условие, ) = ц . Движение подмножества — это такое отображение М в М', при котором для каждой пары точек, ц1еМ, ц2М, ц'1еМ', ц'2еМ', выполняется условие р(ц1, ц2)=р(ц'1,ц'2). Поступательное движе-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ