CC BY
60
УДК 621.778.014:621.771
Чукин М.В., Копцева Н.В., Барышников М.П., Ефимова Ю.Ю.,
Носов А.Д., Носков Е.П., КоломиецБ.А.
ИННОВАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА МЕТИЗНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НАНОСТРУКТУРНЫХ СТАЛЕЙ*
Метизная промышленность России в докризисный период развивалась и обеспечивала прирост по всей номенклатуре с темпами, значительно опережающими темпы общепромышленного прироста потребляющих отраслей. Однако дальнейшее достижение высокого качества и эксплуатационной надежности металлоизделий, их устойчивого уровня рыночной конкурентоспособности возможно лишь на основе новых наукоемких технологий получения материалов с новым уникальным комплексом свойств. Таковыми в настоящее время являются технологии, позволяющие получать ультрадисперсные и наноструктуры . Одним из наиболее перспективных подходов к получению таких структур в сталях является применение методов интенсивной пла-стической деформации (ИПД), например равноканального углового прессования (РКУП) и его модернизаций, позволяющих получать наноструктуры во всем объеме изделия .
В ГОУ ВПО «МГТУ» проведен комплекс исследований наноструктурных углеродистых ста -лей 20 и 45 с целью определения их возможного применения для производства метизных изделий.
На первом этапе исследований из наноструктурных заготовок сталей 20 и 45 после равнока-нальнго углового прессования волочением получали проволоку диаметром 1,95 мм. Для опреде-ления механических свойств, ресурса пластичности и сопротивления пластической деформации были проведены испытания на растяжение прово-локи после волочения. Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 10446-80 «Проволока. Ме-тод испытаний на растяжение» и ГОСТ 1497-2000 «Металлы. Метод испытаний на растяжение». Результаты испытаний приведены в табл. 1. Кроме того, для разработки режимов технологических процессов производства проволоки необходимо знание особенностей изменения механических
* Работа выполнена в рамках аналитической ведомст-вентй целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: поучение, структура и свойства. М., 2007.
свойств наносталей при термической обработке. Был проведен комплекс исследований по изучению характера изменения механических свойств наноструктурной проволоки в зависимости от ре -жимов термической обработки (рис. 1, 2).
В результате проведенных исследований было выявлено, что при нагреве проволоки из наностали 20 в интервале температур до 200°С наблюдается снижение пластических свойств (до 10%) практически без изменения прочностных свойств. В интервале температур 200-400°С прочностные свойства проволоки из этой же наностали снижаются, а пластичность увеличивается и достигает значения, равного пластичности после волочения. В интервале температур 400-500°С пластичность проволоки из наностали 20 существенно увеличивается на 30% по сравнению с пластичностью после волочения, при этом прочностные свойства уменьшаются в 2 раза, что объясняется процессами рекристаллизации Время выдержки при термообработке проволоки из наностали 20 не оказывает существенного влияния на изменение прочностных и пластических свойств.
Термическая обработка наностали 45 в интервале температур до 400°С практически не оказывает влияния на изменение ее пластических и прочностных свойств. При нагреве проволоки из наностали 45 до температуры 500°С наблюдается некоторое повышение пластических свойств и снижение прочности. Однако полученные по данному режиму значения временного сопротивления и относительного сужения недостаточны для дальнейшего безобрывного волочения проволоки.
Таблица 1
Основные механические характеристики материалов при испытаниях проволоки на растяжение
Мате- риал Относи- тельное удлинение бюо, % Относительное сужение ф, % Модуль Юнга Е, ГПа Предел текучести стт, МПа Предел прочности ств, М Па
Наносталь 20 1,9 41,43 359,98 823,27 1520,03
Наносталь 45 1,3 14,79 258,37 1062,28 1666,58
Следующим этапом исследований явилось определение возможности из -готовления машиностроительного крепежа из наностали Для исследования были предоставлены болты, изготовленные методом холодной высадки из прутков наностали марок 20 и 45 диаметром 20 мм после РКУП. Макроанализ осуществляли путем визуального изучения поверхности деталей и строения макрошлифов. Качественный и количественный микроанализ проводили на микроскопе «ЭПИКВАНТ» с использованием системы компь-ютерного анализа изображений 81АМБ-600. Твердость измеряли методом Роквелла (шкалы В и С) в соответствии с ГОСТ 9013-59 и методом вдавливания алмазной пирамиды в соответствии с ГОСТ 9475-60 на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 200 гс (1,96 Н) - для оценки интегральной твердости микроструктуры.
Таблица 2
Результаты испытаний
Обозначение Мар- ка сталі/ Класс прочности ав, Н/мм2 HRB HRC НВ HRB HRC HRB HRC
Стержень Г оловка Стержень, гладкая часть
М 16x55 20 6,8 686 97 16 229 100 17 7С 17,5
М 16x55 45 8,8 873 99 25 302 105 29 102 24,0
Испытания на растяжение показали, что болт, изготовленный из наностали 20, имел класс прочности 6.8 и ов=686 Н/мм2, а болт из наностали 45 - класс прочности 8.8 и ов=873 Н/мм2. Результаты испытаний на растяжение и твердость представлены в табл. 2.
Исследование макроструктуры болтов показали, что в обоих случаях на поверхности шлифа ввден конус деформации в ввде участка, имеющего повышенную трав им ость и расположенно-
температура
-5 мин -
-1 час
ТЄІІПерЛГЛІЛ. С
-А плин
■- - 1 ч и і:
а б
Рис. 1. Изменение временного сопротивления проволоки (а) и относительного сужения поперечного сечения после разрыва (б) проволоки из наностали 20 в зависимости от режима термической обработки
теі.іпе|>аіуі>а, С
а
70
60
50
40
£
30
20
10
0
100
200
300
400
500
600
теі.іпе|>іііу|>а, С б
Рис. 2. Изменение временного сопротивления (а) и относительного сужения поперечного сечения после разрыва (б) проволоки из наностали 45 в зависимости от температуры термической обработки
при выдержке 1 ч
а б
Рис. 3. Макроструктура болтов из наносталей 20 (а) и 45 (б)
го в головке болта (рис. 3).
Исследование микроструктуры и замеры микротвердости проводили в участках, расположенных : на поверхности головки болта, на оси и периферийных участках конуса деформации, а также на оси и на поверхности стержня болта и по резьбе (рис. 4).
Исследования микроструктуры болта из наностали 20 в продольном сечении показали, что на торцевой поверхности головки болта (точка 1) структура имеет строчечный характер. У самой поверхности головки зерна перлита вытянуты па -раллельно поверхности, что не наблюдается в более глубоких слоях. Зерна феррита частично фрагментированы. Микротвердость в этой зоне равна 2717 МПа. В конусе деформации (точки 2,
4) структура сильно деформирована, что проявляется в вытянутости зерен феррита и перлита. Мик-
Рис. 4. Места исследования микроструктуры и замеров микротвердости
ротвердость в зоне 2 максимальна и составляет 2864 МПа, а в зоне 4 - несколько снижена и составляет 2638 МПа. Структура на боковой поверхности головки болта (точка 3) имеет строение, по характеру аналогичное структуре на поверхности головки болта (в точке 1), и отличается лишь тем, что зерна феррита более мелкие и вытянуты. Микротвердость в этой зоне составляет 2378 МПа.
Структура стержня болта (точки 5, 6, 7) более крупнозернистая, ориентация текстуры меняется: зерна вытянуты параллельно оси стержня болта. Микротвердость в основании головки болта (точка
5) равна 2404 МПа, в редуцированной части болта (точка 6) - 2088 МПа, а на оси резьбовой части болта (точка 7) - 1867 МПа.
Микроструктура резьбы представлена на рис. 5. Зерна феррита и перлита вытянуты вдоль поверхности зуба и впадины. Микротвердость на
9
Рис. 5. Микроструктура зуба (а, б) и впадины (в, г) резьбы болта из наностали 20: а, в - х 200; б, г - х 50
поверхности зуба (точка 8) составляет 2288 МПа, впадины (точка 9) - 2271 МПа, что значительно выше, чем на оси болта (точка 7). Такое распределение твердости сввдетельствует о надежности болта, т. к. резьбовая его часть является наиболее уязвимым местом. Следует отметить, что трещина, наблюдаемая во впадине резьбы, образовалась под воздействием растягивающих напряжений при испытании на растяжение.
Таким образом, при достаточно однородной структуре и твердости по сечению болта наблюдается упрочнение в резьбовой части и, что особенно важно, не только на поверхности зуба, но и по впадине. При этом использование предварительной обработки методом РКУП позволяет получить у болта, изготовленного из низкоуглеродистой наностали 20 без использования термической обработки, прочностные характеристики,
7
Рис. 6. Микроструктура в различных точках продольного сечения болта из наностали 45, х200 Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2009. № 2. -------------------------------------------------------67
в г
Рис. 7. Микроструктура зуба (а, б) и впадины (в, г) резьбы болта из наностали 45 при х50 (а, в) и х200 (б, г)
соответствующие классу прочности 6.8, что при существующих технологиях изготовления кре-пежа из данной марки стали не достигается.
Микроструктуру болта из наностали 45 в продольном сечении (рис. 6) исследовали в точках, указанных на рис. 4. Микроструктура имеет волокнистое строение (точки 1-4), связанное, очевидно , с наличием участков избыточного феррита. Микротвердость в зоне 1 составляет 3282 МПа, в зоне 2 - 3835 МПа, в зоне 3 - 3841 МПа и в зоне 4 - 4085 МПа. Микроструктура на оси болта (точ-ки 5-7) носиг аналогичный характер. При этом следует отметить, что структура очень дисперсная. Микротвердость в основании головки болта (точ-ка 5) составляет 3277 МПа, в редуцированной части болта (точка 6) - 2627 МПа, а на оси резьбовой части болта (точка 7) - 2660 МПа.
На резьбовой поверхности структура имеет волокнистое строение, участки избыточного феррита изогнуты по форме зуба и впадины, но также встречаются мелкие, равноосные зерна феррита (рис. 7).
Микротвердость на поверхности зуба (точ-ка 8) составляет 3085 МПа, впадины (точка 9) -3276 МПа, что значительно выше, чем на оси болта (точка 7). При достаточно однородной структуре и твердости по сечению болта наблюдается упрочнение в резьбовой части и, что особенно важно, не только на поверхности зуба, но
и по впадине.
Предварительная интенсивная пластическая деформация стали методом РКУП позволяет при изготовлении болтов методом холодной высадки достичь высоких классов прочности 6.8 и 8.8, используя для изготовления крепежа обычные, недорогие углеродистые наностали марок 20 и 45, в том числе и без предварительной термической обработки. При этом резьбовая часть болта имеет повышенную твердость, что обеспечивает увеличение надежности болта.
Таким образом, полнота и статистически подтвержденная достоверность новых научных знаний, полученных в ходе проведения исследований, позволяет перейти к этапу проектирования и рационализации маршрутов волочения на -ноструктурных сталей, обеспечения условий минимизации неоднородности деформации, выбора и расчета технологического инструмента, а также прогнозирования достигаемых свойств инновационной продукции высокого качества. Полученные результаты актуальны, обладают научной новизной и практической значимостью в ас -пекте достижения поставленной цели - созданию научных основ технологий для широкого практического использования в метизной промышленности при производстве канатов, сталемедной биметаллической проволоки, машиностроительного крепежа повышенного класса прочности
