CC BY
4
УДК 669.14.018:621.78
ЕФЕКТИВНИЙ МЕТОД ВИГОТОВЛЕННЯ ХОЛОДНОЮ ОБ'СМНОЮ ДЕФОРМАЦ1СЮ ВИРОБ1В 13 МАЛОПЛАСТИЧНИХ СТАЛЕЙ
I.B. Дощечкша, доц., к.т.н., В.А. Коблик, студ., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Показано ефективтсть еикористання метода zidp0dunaMi4H0Z0 еидаелюеання для отримання eupoôie i3 малопластичних ресорно-пружинних сталей i3 тдвищеним комплексом мехатчних еластиеостей.
Ключев1 слова: zidp0dunaMi4H0Z0 еидаелюеання, сталь, дислокацтна структура, мехатчт властивост1, конструкцтна мщтсть.
ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЁМНОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ СТАЛЕЙ
И.В. Дощечкина, доц., к.т.н., В.А. Коблик, студ., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Показана эффективность использования метода гидродинамического выдавливания для получения изделий из малопластичных рессорно-пружинных сталей с повышенным комплексом механических свойств.
Ключевы еслова: гидродинамическое выдавливание, сталь, дислокационная структура, механические свойства, конструкционная прочность.
EFFECTIVE METHOD OF PRODUCTION BY COLD VOLUME DEFORMATION OF PARTS MADE OF LOW-DUCTILE STEEL
I. Doschechkina, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), V. Koblik, St., Kharkov National Automobile and Highway University
Abstract. The efficiency of applying the of hydrodynamical extrusion for producing items using low -ductile spring steel with increase of a complex of mechanical properties is shown.
Key words: hydrodynamical extrusion, steel, dislocation structure, mechanical properties, structural strength.
Вступ
Одним з найефектившших способ1в холодно! об'емно! обробки метал1в тиском е пдроекс-труз1я (ГЕ) - пресування вироб1в у замкнутому контейнер! рщиною шд високим тис-ком. Цей метод е позаконкурентним у процес1 обробки тиском високомщних та малопластичних матер1ал1в, бо мае безперечш переваги: значна пластифшащя металу \ мо-жливють обробки його з великим ступенем деформацп за один прохщ без трщин 1 роз-
шарування, однорщнють деформацп, висока яюсть поверхш, значне зменшення (~ на 40 %) питомого тиску пресування 1 шдви-щення стшкосп матриць, покращення струк-тури та властивостей металу, який обробля-еться. Однак ГЕ мае 1 суттев1 недолши -потребуе складного 1 коштовного обладнан-ня, якого ще недостатньо на металообробних шдприемствах Украши, а сам процес е мало-продуктивним. Актуальним завданням е по-шук бшьш простого та дешевого способу ви-робництва заготовок ¿з важкодеформ1вних
матер1ал1в холодною обробкою тиском за умови збереження вс1х переваг ГЕ.
Анал1з публжацш
Метод холодного видавлювання (пресуван-ня) - це один ¿з найбшьш прогресивних та поширених процешв обробки метал1в тис-ком, бо дозволяе виготовляти вироби дуже точних розм1р1в та форми з високою чистотою поверхш. Заготовки (або готов! детал1), що отримаш пресуванням, бшьш економ!чш пор1вняно ¿з прокаткою чи штампуванням, коли необхщна подальша мехашчна обробка. Кр1м того, значний асортимент вироб1в складно! конф^урацп не може бути забезпечений шшими способами пластично! обробки.
Процес пресування здшснюеться в умовах усеб1чного об'емного стискання, яке шдви-щуе низьку природну пластичшсть матер1а-лу, однак трьохосьовий тиск вщбуваеться шд впливом значних зусиль, що потребуе шд-вищених витрат енергп на одиницю об'ему металу, який деформуеться. Особливо важко здшснювати холодне пресування високомщ-них малопластичних матер1ал1в. М1ж мета-лом, що деформуеться, та пресовим шстру-ментом виникають значш сили тертя, яю, навпъ за умови використання високоефекти-вних мастил, суттево знижують його стш-юсть 1 шдвищують енергоемнють процесу, бо на !х подолання витрачаеться близько 60 % зусиль. Наявнють сил тертя не дозволяе отримати однорщну деформащю заготовки, а отже, 1 однорщш властивосп матер1алу, який шдлягае деформацп. Варто також зазначити, що теля холодно! деформацп вироби суттево наклепан! й потребують спещально! тер-м!чно! обробки для повернення пластичност! та п!двищення опору крихкому руйнуванню.
Значною м!рою цих недолтв позбавлений метод г!дроекструз!! (ГЕ), коли холодний метал деформуеться в умовах «м'якого» тертя [1-5]. Заготовка, що розмщена в замкнутому контейнер!, видавлюеться через матрицю рь диною шд великим тиском (102-104 МПа). М!ж заготовкою, матрицею, та контейнером юнуе тонкий шар р!дини, який шд тиском створюе (г!дродинам!чний) мастильний ефект ! практично н!велюе сили тертя. Як робочу р!дину застосовують воду, емульсп, м!неральне та касторове масло, глщерин, бензин !з р!зними присадками [4-8]. У цьому випадку в 2-3 рази знижуеться зусилля де-
формування, скорочуеться к!льк!сть прохо-д!в, забезпечуеться р!вном!рн!сть деформац!! за перер!зом та довжиною виробу, точшсть його розм!р!в ! висока чистота поверхш.
Найважлив!шим параметром процесу ГЕ е тиск видавлювання Р, на величину якого впливають характеристики металу, що деформуеться, матер!ал ! геометр!я матриц!, а також властивосп робочо! р!дини. Другий ва-жливий показник - як!сть поверхш виробу, що мае особливе значения для майже 70 % деталей, як! потребують високих показник!в втомно! м!цност!. Шорстк!сть поверхн! зме-ншуеться з! зб!льшенням ступеня деформа-цп, але для цього потр!бний високий тиск деформування, а це призводить до достроко-вого виходу з ладу ущшьнень та зношування матриць. 3 урахуванням цих фактор!в, заготовки з! сталей з р!внем м!цност! ов = 8001200 МПа у процес! гщроекструзивно! обробки варто деформувати з! ступенем ~ 4050 %. Вихщна м!цн!сть стал! також суттево впливае на як!сть поверхн!, що деформуеться: чим вона вища, тим менша шорстк!сть поверхн!. У робот! [9] надана номограма, що дозволяе визначити як!сть поверхн! та тиск видавлювання залежно в!д ступеня деформа-ц!! для сталей з р!зною вих!дною м!цн!стю.
У багатьох дослщженнях встановлено, що високий г!дростатичний усеб!чний тиск та !нтенсивна деформац!я значно зм!нюють властивост! матер!ал!в, як! обробляються [2, 10, 11]. Суттеве збшьшення пластичност! та зростання ударно! в'язкосп матер!ал!в за умови збереження, навггь п!двищення м!цно-ст!, обумовлено формуванням специф!чно! б!льш досконало! дислокац!йно! (так звано! барофрагментовано!) субструктури (12-14). Наявшсть ! характер тако! субструктури за-лежать в!д величини тиску, ступеня та швид-кост! деформац!! [9, 12, 13].
Для вироб!в, як! теля ГЕ п!длягають зм!ц-нювальнш терм!чн!й обробц! (гартуванню з вщпуском), з метою збереження терм!чно! стабшьносп дислокац!йно! структури, що утворилася внаслщок деформац!!, застосовують п!слядеформац!йний вщпуск за умови певно! температури. Вщпуск забезпечуе отримання максимально досконало! та термь чно ст!йко! пол!гонально! субструктури та !! закр!плення дом!шковими атомами вуглецю та азоту, а також високодисперсними част-ками х!м!чних з'еднань з цими елементами
(карбадв, штрид1в, карбоштрид!в) [12]. Як наслщок, у процес! наступного швидкого названия вироб1в шд гартування з наступним швидким охолодженням мае мюце ефект спадковосп за умови а-у-а-перетворень. Дрь бнозерниста структура наклепаного аустеш-ту з границями, що змщнеш дисперсними частками легованих карбщв, мае шдвище-ний запас пластичносп та ударно! в'язкость Така структура успадковуеться мартенситом, 1 мае мюце змщнення без втрати показниюв, яю запоб1гають окрихченню матер1алу.
Поеднання збшьшених значень мщносп, пластичносп, ударно! в'язкосп та трщино-ст!йкост! характеризуе шдвищення констру-кц!йно! м!цност! [15] матер!алу вироб!в, ви-готовлених методом ГЕ. А це одне !з найважливших завдань сучасного машино-будування в умовах ускладнення конструк-ц!й, збшьшення швидкостей руху механ!зм!в та !х експлуатац!йних напружень.
Дуже привабливий як сво!ми технолог!чними перевагами, так ! п!двищенням експлуатацш-них властивостей вироб!в метод ГЕ мае ! суттев! недол!ки - коштовне, конструктивно складне та малопродуктивне обладнання; труднощ! у процес! його експлуатац!!; недос-коналють ущ!льнювальних вузл!в для затри-мання високого тиску р!дини, а також потреба в багатошарових контейнерах; дуже р!зке зростання швидкост! руху (сотш метр!в за секунду) достатньо м!цно! заготовки з зрос-танням тиску р!дини, що потребуе складних ! потужних гальм!вних пристро!в.
У зв'язку з цим актуальним е пошук б!льш простого ! дешевого способу обробки тиском легованих сталей, як! важко деформуються, !з збереженням безумовних переваг ГЕ -отримання вироб!в будь-яко! складно! форми з точними розм!рами, матер!ал яких набувае необх!дних механ!чних властивостей для складних умов експлуатацп.
Мета 1 постановка завдання
Метою ц1е! роботи е обгрунтування доцшь-ност! використання простого ! дешевого методу пдродинам!чного видавлювання (ГДВ) для виготовлення заготовок важконаванта-жених деталей приводу нагштальника двигу-на внутр!шнього згоряння (ДВЗ) !з м!цно! та малопластично! леговано! стал!.
Матер1ал 1 методики дослщження
На п!дприемств! детал! приводу нагштальника форсованого ДВЗ (вали та пружини) екс-плуатуються в умовах пружно! деформац!! п!д значним тиском ! виготовляються з ресо-рно-пружинно! стал! 4ХН2МФА, х!м!чний склад яко! наведено у табл. 1.
Суть методу полягае в такому. Перед розмь щенням заготовки в контейнер! вона густо змащуеться веретенним маслом, яке е своерь дним кваз!рщким середовищем. П!д тиском це середовище д!е лише на цил!ндричну по-верхню заготовки, а !! верхнш торець конта-ктуе безпосередньо з металевим плунжером. За умови значного тиску плунжера на масти-ло створюються умови г!дродинам!чного видавлювання, реал!зуеться схема всеб!чного стискання матер!алу. У випадку тако! схеми деформування майже повн!стю в!дсутн! на-пруження розтягання дозволяють деформу-вати заготовку на 40 % за один прохщ. Як ! за умови ГЕ, заготовка р!вном!рно деформу-еться за перер!зом та довжиною, зменшують-ся зусилля пресування. П!сля деформацп заготовки проводили стабшзуючий вщпуск за умови 350 °С з витримкою 3 години для за-безпечення терм!чно! стаб!льност! субструк-тури деформованого металу.
К!нцевою була змщнювальна терм!чна обро-бка заготовок - гартування вщ температури 870 °С в м!неральному мастил! та наступний низький в!дпуск за умови 220 °С протягом 2,5 годин. Для бшьш повного збереження субструктури деформовано! методом ГДВ стал! нагр!в шд гартування проводили в со-лянш ванн!, щоб суттево скоротити час зна-ходження !! в умовах високих температур ! запоб!гти росту зерна (рис. 1).
Рис. 1. Схема отримання заготовок методом ГДВ
Таблиця 1 Хппчний склад стал1
Вмют елеменпв,%
С Мп Si Сг № Мо У Р S
0,43-0,50 0,5-0,8 0,17-0,36 0,9-1,1 1,3-1,8 0,2-0,3 0,12-0,18 0,2 <0,02
3 метою перев1рки р1вном1рносп деформацп розподш твердосп, дослщження макро- I мшроструктури проводили в поздовжньому та поперечному перер1зах деформовано! заготовки. Твердють вим1рювалася за Вшкер-сом на тверд ом1р1 и1Т ИУ-10/30/50 згщно з ГОСТ 2999-75. Значения твердосп визнача-лися за умови зусилля 294,3 Н через кожш 2 мм.
Дислокацшна структура дослщжувалася методом трансмюшно! електронно! мшроскопп на РЕМ 106. Мехашчш характеристики (св, с0>2, 5, у, КСи) стал1 визначалися за стан-дартними методами. Випробування на втому проводили на машиш МУИ-6000 на най-бшьш жорсткому цикл1 - чистий згин з обер-танням.
Результати дослщження
У вихщному стат теля гартування з насту-пним середтм вщпуском сталь мала бейшт-ну структуру з дшянками троститу по грани-цях зерен. Розм1р зерна дор1внював ~ 0,03 мм. Така структура забезпечуе високу границю текучосп, але у цьому випадку знижуються тимчасовий ошр (св) та пластичнють сталг Оскшьки валик нагштальника е важконаван-таженим, то необхщно зберегти на високому р1вш св. Для цього достатньо знизити температуру вщпуску.
Пюля гартування з низьким вщпуском (200220 °С) сталь мала структуру грубоголчасто-го мартенситу (рис. 2) з твердютю по перерь зу 530 НУ.
Рис. 2. Мшроструктура стал1 теля гартування 1 низького вщпуску, ><500
Така термообробка за умови достатньо висо-ко1 мщносп призводить до зниження показ-ниюв пластичносп та трщиностшкость
3 метою збереження мщносп в поеднанш з високими характеристиками пластичносп та ударно! в'язкосп заготовку сталевого валика нагштальника д1аметром 25 мм виготовили методом ГДВ з наступним стабшзуючим вщпуском. У цьому випадку твердють збшь-шилася до 275-285 ИУ через наклеп 1 за перер1зом та довжиною заготовки вона май-же не вщр1знялася (И вщхилення в межах похибки - усього на 10 ИУ).
Пюля кшцево! змщнювально! терм1чно! об-робки - гартування 1 низького вщпуску ф1к-суеться структура др1бноголчастого мартенситу з твердютю 550-560 ИУ з др1бними карбщами (рис. 3).
Рис. 3. Мшроструктура стал1 теля ГДВ та стабшзуючого вщпуску, х 500
Пор1вняно з1 структурою недеформовано! стал1 (рис. 2) структура стал1 теля деформацп ГДВ та однаково! терм1чно! обробки бшьш дисперсна. Кр1м того, унаслщок все-б1чного стискання матер1алу пщ високим ти-ском у процес1 ГПД значно змшилася тонка структура. Сформувалися високодисперсш ком1рки з розм1ром 0,2-2 мкм, усередиш яких майже немае дислокацш 1 яю значно разор1ентоваш (до 12°) (рис. 4).
Утворення ще! субструктури можна розгля-дати як подр1бнення зерна, оскшьки субграниц! з такою разор1ентащею впливають на мехашчш властивосп аналопчно границям
Ц1 структуры! змши суттево вплинули на ме-хашчш властивосп стал1.
Результаты випробування на розтягання та ударну в'язюсть заготовок до деформацп та теля деформацп ГДВ, яю шдлягали однако-вш змщнювальнш терм1чнш обробщ - гар-туванню з низьким вщпуском, вщображеш в табл. 2.
Одшею ¿з важливших характеристик сталей, яю використовуються для вироб1в, що екс-плуатуються в умовах пружних деформацш, е ошр руйнуванню за умови цикл1чних нава-нтажень - ошр втомг Показники випробу-вань заготовок в р1зному сташ на втому наведен! в табл. 3.
Як свщчать таблиц!, ус1 мехашчш властивос-т1 теля ГДВ значно шдвищуються. Це пояс-нюеться подр1бненням мшроструктури, а та-кож 1 змшами тонко! субструктури. Як видно з табл. 3, теля виготовлення заготовок ГДВ з подальшою терм1чною обробкою !х ошр втом1, тобто довгов1чшсть, шдвищуеться втричг
Таблиця 2 Мехашчш властивост1 заготовок теля р1зних вар1аш!в обробки
Стан заготовки Мехашчш властивосп, %
ств, МПа ст0,2, МПа 5, % V, % КС, Дж/см2
Термообробка без попередньо! деформацп 1950-1960 1740-1800 8-10 30-34 36-37
ГДВ + термообробка 2190-2200 1850-1900 14-16 52-53 54-55
Таблиця 3 Результаты випробувань заготовок на втому теля р1зних вар1аш!в обробки
Стан заготовки Номер зразка Кшьшсть циктв наванта- Середня кшьшсть циктв
ження до руинування до руинування
1 -
2 794000
До деформацп термообробка 3 850000 871400
4 890000
5 1 042000
1 2068000
2 2354000
ГДВ + термообробка 3 2787000 2649000
4 2931000
5 3105000
зерен [12]. Зменшення розм1ру зерна, як вь домо, забезпечуе зростання пластичносп та ударно! в'язкосп, що ускладнюе виникнення, розкриття та розповсюдження трщин.
Рис.4. Субструктура стал1 теля ГДВ , х 400
Стабшзуючий вщпуск удосконалюе бароф-рагментовану субструктуру, сформовану у процес1 ГДВ, закршлюе !! домшковими атомами. Унаслщок шд час подальшого швид-кого нагр1вання шд гартування вдаеться за-глушити рекристал1защю та шдвищити екс-плуатацшш властивосп стал1 за рахунок ефекту спадковосп за умови а-у-перетворення.
Варто зазначити, що мехашчш властивосп заготовок, яю деформоваш ГЕ та ГДВ з на-ступною однаковою терм1чною обробкою дещо вщр1зняються (табл. 4), а саме - вони вищ1 теля ГДВ.
Таку р1зницю властивостей можна пояснити р1зною будовою KOMipKOBOi субструктури. Пюля ГЕ ком1рки 6inbmi, в них бшьша гус-тина дислокацш i вони мають ширш1 граница Як результат, у заготовок декшька бшьша мщшсть, але менш1 пластичнють та ударна в'язкють.
Таким чином, заготовки, отримаш ГДВ, мають бшьш високу конструкцшну мщнють i вщповщають потр1бним експлуатацшним вимогам до важконавантажених валиюв 3i crani 4ХН2МФА-Ш, яю пщлягають дп пру-жно1 деформацп.
Висновки
Гщродинам1чне видавлювання з подальшою терм1чною обробкою (гартування з низьким вщпуском) е ефективним i перспективним методом виробництва заготовок та готових деталей i3 легованих малопластичних, висо-комщних сталей у зв'язку з пщвищенням i'x конструкцшно! мщносп та зменшенням вар-тост1 вироб1в за рахунок спрощення техноло-rii виготовлення та безвщходносн процесу.
Лггература
1. Береснев Б.И. Физические основы и прак-
тическое применение гидроэкструзии / Б.И. Береснев, К.И. Езерский. - М.: Наука, 1981. - 240 с.
2. Береснев Б.И. Процесс гидроэкструзии /
Б.И. Береснев, Е.В. Трушин. - М.: Наука, 1976. - 200 с.
3. Колпашников А.И. Гидропрессование ме-
таллов / А. И. Колпашников, В. А. Вялов.
- М.: Металлургия, 1973. - 296 с.
4. Галкин A.A. Прессование металлов жид-
костью / A.A. Галкин, А.П. Гетманский.
- Донецк, 1974. - 81 с.
5. Прозоров Л.В. Прессование металлов жид-
костью высокого давления / Л.В. Прозоров, A.A. Костава, В.Д. Ревтов. - М.: Машиностроение, 1972. - 152 с.
6. http://knowledge.Su/g/gidroekstruziya.
7. Леванов А.Н. Контактное трение в процес-
сах обработки металлов давлением /
A.Н. Леванов, В.Л. Колмогоров, С.П. Буркин и др. - М.: Металлургия, 1976. - 416 с.
8. Пью Х.Л.Д. Гидроэкструзия / Х.Л.Д. Пью
// Механические свойства металлов под высоким давлением. - 1973. - Т. 2. -С. 9-160 с.
9. Дьяченко С. С. Гидропрессование как ма-
лоотходный способ изготовления изделий с улучшенными свойствами / С.С. Дьяченко, Н.Г. Александров, ЕЛ. Милославская, В. А. Золотько. - X.: Основа, 1991. - 105 с.
10. Важенцев Ю.Г. Влияние схемы деформа-
ции на пластичность материалов при гидростатической обработке / Ю.Г. Важенцев, В.В. Исаев // Физика и техника высоких давлений. - 1983. - № 13. -С. 6-9.
11. Белошапка В. Д. Теория и практика гидроэкструзии / В.Д. Белошапка, В.П. Ва-рюхин, В.З. Спусканюк. - К.: Наукова думка, 2007. - 246 с.
12. Токий В. В. О механизме формирования упорядоченной дислокационной структуры металлов, деформированных при высоком гидростатическом давлении /
B.В. Токий, В.И. Зайцев, В.П. Филатов // Украинский физический журнал. - 1973. - Т. 18. - С. 1178-1181.
13. Зайцев В.И. Упорядочение дислокационных ансамблей в условиях высокого гидростатического давления / В.И. Зайцев, В. А. Стрельцов, A.A. Добриков // Физика высоких давлений: сборник. -1979.- С. 119-145.
14. Дьяченко С.С. Принципы реализации наследственности упрочнения при фазовых превращениях / С.С. Дьяченко, В.А. Золотько // Известия вузов. 4M. 1991.- № 10. - С. 106-109.
15.Дяченко С. С. Матер1алознавство: пщруч-ник / С.С. Дяченко, I.B. Дощечкша, А.О. Мовлян, E.I. Плешаков. - Харюв: ХНАДУ, 2007. - 440 с.
Рецензент: Д.Б. Глушкова, професор, д.т.н., ХНАДУ.
