CC BY
24
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
УДК 621.78
Исследование технологических возможностей применения предварительной, до термообработки, интенсивной холодной пластической деформации способом уширяющей экструзии для упрочнения стержневых деталей
Н. П. Агеев, В. Г. Терещенко
Введение
Для достижения высокой надежности и долговечности изделий при эксплуатации необходимо обеспечение высоких характеристик прочности материала и высокой пластичности. Только в этом случае удается предотвратить опасность хрупкого разрушения, возникающего под действием изгибающих и крутящих моментов. Решение этой проблемы может быть достигнуто, помимо оптимального легирования сталей, использованием различных комбинированных методов упрочнения. Одним из новых возможных направлений повышения прочности стальных стержневых деталей является метод предварительной термомеханической обработки (ПТМО) с использованием новых технологий интенсивной пластической деформации (ИПД).
Основная часть
Структура металлических материалов во многом определяет их практические свойства, значения которых могут изменяться в широких пределах для одного и того же металла. Ее формирование происходит на всех этапах металлургического производства, однако самыми существенными с точки зрения получения заданных свойств являются операции окончательного формоизменения и термической обработки. Несомненно, что управлять количеством и распределением структурных несовершенств в металле в целях формирования определенной структуры проще всего с помощью внешней пластической деформации. Термодеформационное воздействие на металл, формирующее его окончательную структуру и позволяющее одновременно повысить прочность и пластичность, в научно-технической
литературе принято называть термомеханической обработкой (ТМО).
Наиболее перспективна ПТМО. Согласно самой простой схеме ПТМО заготовки вначале подвергаются пластической деформации, затем закалке после быстрого нагрева до ау-стенитного состояния и отпуску. При указанных условиях тонкая структура, возникающая при предварительной пластической деформации, сохраняется, и металл в конечном счете приобретает высокую прочность. Сохранение тонкой структуры возможно лишь при скоростном нагреве под закалку. Медленный нагрев и длительная выдержка приводят к огрублению структуры (снижение плотности дислокаций, увеличение размеров блоков, рост зерен аустенита), поэтому сталь не получает дополнительного упрочнения [1].
Представляется перспективным применение ПТМО с возможностью осуществления предварительного, до термообработки, деформирования способами интенсивной пластической деформации.
В последние годы накоплен большой экспериментальный опыт по формированию мелкокристаллических структур после ИПД широкого класса металлов и сплавов. У этих материалов принципиально выше такие показатели, как прочность, ударная вязкость, твердость, износостойкость, низкотемпературная сверхпластичность [2]. Особенно актуально, ввиду малой изученности, исследование влияния ультрамелкозернистой структуры на свойства инструментальных углеродистых сталей, в которых получение одновременно высокой прочности и высокой вязкости разрушения традиционными методами упрочнения весьма затруднительно.
К настоящему времени разработаны различные методы воздействия на материалы, позволяющие измельчить структуру. Соглас-
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
1ШШЩБРЩТКА
но анализу фрагментации структуры металлов должны способствовать следующие факторы: обработка по схеме простого сдвига, большие разовые деформации за счет создания схем, близких к всестороннему сжатию, немонотонность деформации в процессе обработки [2].
Существующие методы ИПД характеризуются рядом конструктивно-технологических недостатков, ограничивающих возможности их широкого промышленного применения. Среди них следует отметить прерывность деформирования, высокие неравномерности распределений деформаций и механических напряжений по сечению и длине заготовок, низкий коэффициент использования материала, неравномерность проработки и анизотропию свойств деформированных заготовок.
Все вышеизложенное показывает необходимость дальнейшего совершенствования существующих и разработки новых схем ИПД, конструктивно-технологические особенности которых исключают отдельные из указанных недостатков.
Из анализа методов ИПД сделан вывод о том, что наиболее целесообразным методом для производства стержневых заготовок с мелкозернистой структурой может быть метод уширяющей экструзии (УЭ), предложенный в работе [2]. Принципиальной особенностью метода УЭ является последовательное изменение формы поперечного сечения деформируемой заготовки путем сдвиговой деформации при сохранении постоянства площади поперечного сечения. Авторами предложен вариант способа УЭ для осесимметричных заготовок
с последовательно расположенными эллиптическими сечениями (рис. 1).
При УЭ после завершения очередного цикла деформации происходит небольшое уменьшение поперечного сечения профиля, что позволяет создать противодавление для полного заполнения полости матрицы и многократно пропускать заготовку через одну матрицу, накапливая деформацию. При этом деформация оценивается как сумма интенсивности последовательных деформаций сдвига на каждой стадии процесса:
е
гЪ
Ё егг
г=1
где п — количество стадий процесса; ег — интенсивность деформации сдвига;
еьл = 21п -1; г2
е1Б =
2 , а
= Тз а
аЬ
2а
123 ~а; =1п ^
Привлекательность метода УЭ заключается в следующем:
1) получение заготовок без дополнительных формообразующих операций (калибровка, обрезка облоя);
2) перераспределение и выравнивание структуры и свойств в поперечном сечении образцов [3];
3) снижение технологических сил и накопление деформации за счет реализации знакопеременной деформации.
Л
Г
А—А
Б—Б
Б
Г
Рис. 1. Схема УЭ: 1 — заготовка; 2 — пуансон; 3 — матрица
/////Г'
( а
В—В
Г—Г
у//>\ °
Ь
ШШ^БРАУШ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
В целях исследования влияния пластической деформации методом УЭ на механические свойства стали после термообработки выполнены многофакторные эксперименты 22. В качестве независимых переменных были выбраны степень деформации в1 и время выдержки заготовки при нагреве под закалку токами высокой частоты т, с. Зависимой переменной являлась твердость по Роквеллу у, ИИС. Локальные области определения факторов установлены из априорных соображений. Планы экспериментов в кодовом и натуральном масштабах представлены в табл. 1.
В качестве исследуемых материалов использовались стали 70, У10А и У12А в виде прутков, из которых были изготовлены отрезкой в штампе образцы диаметром 6 мм и длиной 20 мм. Перед первой штамповкой заготовки прошли термическую обработку — полный рекристаллизационный отжиг.
Для реализации процессов штамповки был разработан и изготовлен опытный штамп. Деформирование заготовок выполнялось за два прохода через одну и ту же матрицу. При втором проходе очередная заготовка проталкивается предыдущей заготовкой. При проведении деформации регистрировалась диаграмма «сила деформирования Р — путь инструмента к» (рис. 2).
Закалка выполнена с помощью высокочастотного генератора ВЧГ1-60/0,066УХ14 (уста-
новленная мощность 14 кВт) поштучно. Данный способ предотвращает рост зерна, т. е. сохраняет мелкозернистую структуру. Время выдержки измерено секундомером. Заготовоки охлаждались в ванне, содержащей 10%-ный раствор поваренной соли. После закалки проведен отпуск (2%-ный раствор Ка2С03, 4 ч, 100 °С). Затем заготовки охлаждались на воздухе. После термической обработки образцы были очищены от окалины. Поверхности заготовок для измерения твердости (прибор ТК-2М) были отшлифованы для получения низкой шероховатости и параллельности.
В соответствии с выбранными планами были выполнены по четыре опыта для каждого материала, а также дополнительно шесть опытов с различной выдержкой для недефор-мированных заготовок. Каждый опыт повторяли 3 раза.
Среднее значение твердости недеформиро-ванных заготовок после термообработки равно 63 ИИС.
В результате получены математические модели зависимости твердости заготовок от степени предварительной пластической деформации и времени выдержки при нагреве под закалку токами высокой частоты для сталей 70, У10А и У12А (табл. 2).
Все соображения о направлении и силе влияния факторов на твердость можно высказать только для выбранных интервалов
Таблица 1
Планы экспериментов и результаты опытов
Номер опыта Порядок реализации Кодовый масштаб Натуральный масштаб
*1 х2 Степень деформации е1 Время выдержки т, с Твердость у, ИИС
Сталь 70
1 4 + + 1,2 10 66,3
2 2 - + 0,5 10 66,5
3 3 + - 1,2 7 66,5
4 1 - - 0,5 7 66,7
Сталь У10А
1 4 + + 1,2 9 65,7
2 2 - + 0,5 9 65,9
3 3 + - 1,2 6 66,1
4 1 - - 0,5 6 66,5
Сталь У12А
1 4 + + 1,2 9 64,1
2 2 - + 0,5 9 64,3
3 3 + - 1,2 6 64,9
4 1 - - 0,5 6 65,3
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
МЕШЛООБРАБОТКА
а) Р, мН
50 40 30 20 10 0
в) р
мН
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
д) Р, мН
50 40 30 20 10 0
20
к, мм
20
к, мм
20
к, мм
б) Р, мН
60 -50 40 30 20 10 0
г) Р, мН
60
50
40
30
20
10 0
е) Р, мН
50 40 30 20 10 0
Рис. 2. Диаграммы «сила деформирования Р — путь инструмента к» после 1-го и 2-го проходов УЭ соответственно: а, б — сталь 70; в, г — сталь У10А; д, е — сталь У12А
их изменения. В выбранных интервалах оказалось заметно слабым влияние на твердость указанных факторов. Для всех сталей с увеличением степени предварительной холодной пластической деформации твердость уменьшается. Большие значения твердости наблюда-
ются при минимальной степени деформации и наименьшем времени выдержки. Следует отметить, что твердость стали 70 выше, чем сталей У10А и У12А.
Целесообразно продолжение исследований по изучению влияния предварительной пла-
Влияние факторов на твердость сталей 70, У10А и У12А после закалки и отпуска
Таблица 2
Материал Модель Область применения
Сталь 70 ИКС = 67,3 - 0,3е - 0,1т е = 0,5 ■ 1,2, т = 7 ■ 10 с
Сталь У10А ИКС = 67,8 - 0,4е - 0,2т е = 0,5 ■ 1,2, т = 6 ■ 9 с
Сталь У12А ИКС = 67,2 - 0,4е - 0,3т е = 0,5 ■ 1,2, т = 6 ■ 9 с
ШШ^БРАБОТКА
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
стической деформации на формирование мелкозернистой структуры материала и прочность его после термообработки.
Выводы
1. Предложен вариант способа УЭ для осе-симметричных заготовок с последовательно расположенными эллиптическими сечениями и калибрующим участком меньшей площади для обеспечения заполнения полости матрицы.
2. Последующая упрочняющая термообработка (закалка с низким отпуском) заготовок после холодной пластической деформации при кратковременном нагреве токами высокой частоты позволяет получить большее значение твердости по сравнению с термоупроч-ненными недеформированными заготовками.
3. Можно предположить, что заготовки, подвергнутые ПТМО, наследуют деформационную структуру, которая обеспечивает повышение прочности на сжатие и изгиб.
Литература
1. Смагоринский М. Е., Булянда А. А., Кудря-
шов С. В. Справочник по термомеханической и термоциклической обработке металлов. СПб.: Политехника, 1992. 416 с.
2. Винтовая экструзия — процесс накопления деформации / Я. Е. Бейгельзимер, В. Н. Варюхин, Д. В. Орлов, С. Г. Сынков. Донецк: ТЕАН, 2003. 87 с.
3. Бейгельзимер Я. Е., Решетов А. В., Сынков С. Г. Уширяющая экструзия как метод устранения неравномерности свойств по сечению заготовки // Физика и техника высоких давлений. 2006. Т. 16, № 3. С. 108113.
1Г
л
Издательство «Политехника» предлагает
Машиностроительное черчение: справочник. — 6-е изд., перераб. и доп. / Г. Н. Попова, С. Ю. Алексеев, А. Б. Яковлев. — СПб.: Политехника, 2013. — 484 с.: ил. ISBN 978-5-7325-0993-9 Цена: 470 руб.
Справочник содержит материалы, необходимые для оформления машиностроительных чертежей и схем в соответствии со стандартами ЕСКД. Приведены таблицы по допускам и посадкам, резьбам, крепежным изде-а лиям, показаны условные обозначения на чертежах.
б^Мшб' В шестом издании (1-е изд. 1986 г.) учтены изменения и дополнения
— в государственных стандартах на 1 января 2012 г.
При пользовании справочником целесообразно проверить действие ссылочных стандартов по указателю «Национальные стандарты».
Справочник предназначен для инженерно-технических работников всех отраслей промышленности.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.
Jf
