CC BY
25
УДК 534 + 621.78.066
Исследования влияния аэротермоакустической обработки на структуру штамповых сталей
В. К. Ерофеев, Г. А. Воробьева
Легированные штамповые стали для холодного деформирования
Для штампов холодного деформирования используются стали марок Х10СФЮТ, 8Х4В2С2МФ: первая — для инструмента, работающего при умеренных, вторая — для инструмента, работающего при повышенных нагрузках и небольших скоростях резания. Инструменты из этих материалов используются преимущественно в условиях износа на статический изгиб, сжатие и при наличии динамических нагрузок. Наиболее значимыми характеристиками являются условный предел текучести при сжатии СТо,2Сж, предел прочности при изгибе аи и ударная вязкость, определяемая на образцах без надреза. Имеющийся положительный опыт использования технологий аэротермоакустической обработки (АТАО) различных сталей и сплавов (4 патента) позволил обоснованно выполнить цикл исследований сталей данного класса.
В работе представлены результаты исследований, полученных для нескольких вариантов технологий АТАО. При использовании
Режимы технологических обработок инструментальных
технологии АТАО 1 (охлаждение при закалке) в отношении всех исследованных инструментальных сталей повышаются практически все механические свойства: твердость HRC, ударная вязкость и предел прочности при изгибе [1-3]. Режимы стандартной термической обработки (СТО) сталей Х10СФЮТ, 8Х4В2С2МФ, их механические свойства после СТО и АТАО представлены в табл. 1 [3].
Микроструктура стали Х10СФЮТ после СТО и АТАО 1 представлена на рис. 1, а—в, стали 8Х4В2С2МФ после АТАО 1 — на рис. 1, г. Таким образом, изменение свойств связано с измельчением карбидной фазы, уменьшением размеров аустенитных зерен, кристаллов мартенсита, происходит за счет диспергирования и гомогенизации структуры и субструктуры (рис. 1, а, б). Результаты экспериментальных исследований показали, что применение АТАО 1 позволяет снизить температуру нагрева при закалке, благодаря этому данная технология способствует получению более мелкого зерна аустенита. При использовании технологии АТАО 2 (охлажде-
Таблица 1
штамповых сталей
Параметр Марка стали
Х10СФЮТ 8Х4В2С2 МФ
Режим обработки
Предварительный: температура нагрева tж, °С среда охлаждения 1030-1050 Масло* 1000 Воздух** 1080 Масло* 1030-1050 Воздух**
Окончательный (отпуск): температура нагрева °С продолжительность, ч 200 1,5 200 1,5 530 1,0 (3 раза) 530 1,0 (3 раза)
Механические свойства
Твердость НИС 60-61 63-64 63-64 64-65
Предел прочности при изгибе 0И, МПа 3800 38203840 3900 4100
Предел текучести при сжатии 0о,2сж> МПа 2350 2570 2800 2800
Ударная вязкость, Дж/см2 0,8-1,0 0,9-1,0 0,4 0,4
* СТО. - *** АТАО 1.
Рис. 1. Микроструктура штамповых сталей: а—в — Х10СФЮТ: а, б — АТАО в процессе закалочного охлаждения, отпуск 200 °С, 1,5 ч: а — х300; б — х600; в — стандартная термическая обработка, отпуск 200 °С, 1,5 ч, х600; г — 8Х4В2С2МФ, АТАО в процессе закалочного охлаждения, отпуск 560 °С; 3 раза по 1ч, х600
ние после отпуска или после полного цикла СТО) повышение механических свойств определяется формированием субструктуры, изменением характера взаимодействия дислокаций с карбидной и карбонитридной фазами, уменьшением остаточных напряжений, измельчением карбидной фазы. При обработке не происходит дополнительное значительное выделение карбидов, но имеет место образование карбидных кластеров в пересыщенном мартенсите, протекающее на субмикронном уровне; кластеры диспергированы по всей матрице и не регистрируются световой металлографией и с трудом — рентгенографией, но могут влиять на твердость [4].
Все перечисленные выше процессы и обеспечивают повышение стойкости инструмента в процессе эксплуатации в 1,5-4,0 раза при нескольких перезаточках (в отдельных случаях до 6 раз) при обработке по технологиям АТАО 1 и АТАО 2. Кроме того, АТАО повышает теплостойкость сталей: так, сталь Х10СФЮТ, подвергнутая термической обработке по режимам, указанным в табл. 1, при дополнительном нагреве до температуры 540 °С и выдержке в течении 3 ч имеет твердость при СТО 47 HRC, а после СТО + + АТАО — 57-58 HRC; более высокие значения твердости сохраняет сталь и при нагреве до температур 600 и 700 °С (табл. 2).
Рентгенографическое изучение влияния АТАО на параметры кристаллической решетки стали Х10СФЮТ, подвергнутой СТО
и АТАО в процессе закалочного охлаждения с последующим отпуском при температуре 200 °С, дало возможность обнаружить ряд существенных особенностей строения стали. Стандартная методика рентгеноструктурного анализа (РСА) [5] позволяет определить нарушения кристаллической структуры (дисперсность и блочное строение кристаллитов, количество дислокаций, уровень микронапряжений и др.). РСА образцов стали Х10СФЮТ, подвергнутых обработке по приведенным в табл. 2 режимам, показал, что имеет место заметное уменьшение полной ширины физического профиля Р дифракционных линий (110) и (220) после обработки по режиму АТАО (по ширине дифракционных линий определяются искажения в микрообластях), по сравнению с теми,для которых была проведена СТО (табл. 3).
Ширина линий (110) зависит от режима обработки в меньшей степени, чем ширина линий (220). Как известно [5], в случае наличия искажений решетки в микрообластях металла ширина линий пропорциональна тангенсу угла отражения, а в случае малой величины кристаллов — секансу того же угла. Соотношение ширины дифракционных линий Р2/Р1 при больших и малых углах отражения ближе к соотношению тангенсов tg 02/tg 01, чем к соотношению секансов sec 02/sec 01 [5]. Это свидетельствуют о том, что расширение линий происходит за счет микроискажений. Таким образом, примене-
Таблица 2
Влияние АТАО на теплостойкость стали Х10СФЮТ
Параметр Значение
Предварительная обра-
ботка (закалка):
температура нагре- 1030-1050 1000
ва ¿ц, С
среда охлаждения Масло Воздух, АТАО
Окончательная обработ-
ка (отпуск):
температура нагре-
ва ¿ц, С 200 200
продолжительность, ч 1,5 1,5
Твердость НИС 60-61 63-64
Твердость НИС после до-
полнительного нагрева:
540 °С:
1 ч* 57-58 62
2 ч 54 62
3 ч 47 57-58
600 °С, 6 ч 42 52
700 °С, 2 ч 32 42
* Продолжительность нагрева.
Таблица 3
Изменение несовершенств кристаллического строения стали Х10СФЮТ в зависимости от вида обработки
Параметр Значение
Режим закалки:
температура, °С 1030-1050 1030
среда охлаждения Масло Воздух, АТАО
Режим отпуска:
температура, °С 200 200
продолжительность, ч 1,5 1,5
Твердость Н31С 60-61 63-64
Полная ширина физи-
ческого профиля (3,
рад. х 10~3:
дифракционная ли- 5,6 4,6
ния 110
дифракционная ли- 15,8 12,1
ния 220
Соотношение:
ширины дифракци- 1,419 1,421
онных линий Р2/Р1
тангенсов tg 02/^ 01 2,82 2,82
секансов вес 02/вес 0^ 2,834 2,839
ние технологий АТАО 1 на стадии закалки стали Х10СФЮТ несколько уменьшает упругие искажения решетки в микрообластях по сравнению со СТО, что свидетельствует о протекающем более полно процессе перераспределения атомов углерода в кристаллической решетке железа, благодаря этому решетка мартенсита становится менее искаженной и принимает форму, близкую к кубической. Анализ
Таблица 4
Влияние АТАО на теплостойкость стали 8Х4В2С2МФ
Параметр обработки Твердость после обработки
термической АТАО
Закалка температуры, °С 1080 1050
Среда охлаждения Масло Воздух*
Отпуск:
температура, °С 530 530
продолжительность, ч 1 (3 раза) 1 (3 раза)
Твердость стали, HRC,
при температуре, °С
20 63 65
600:
4 ч* 58 62-63
6 ч 57 61-62
620:
2 ч 52 56-58
4ч 50 54-56
700 41 43
; + АТАО.
; Продолжительность нагрева
микроструктуры стали после АТАО показывает измельчение зерна, уменьшение количества крупных карбидов, увеличение дисперсности карбидной фазы, ее более равномерное распределение, что обеспечивает и более высокую твердость материала. Наблюдается повышенная травимость и зубчатость границ зерен стали после обработки (см. рис. 1, б).
Аналогичное влияние АТАО оказывает на структуру и свойства стали 8Х4В2С2МФ, повышая не только механические свойства, но и ее теплостойкость (табл. 4). Тормозящее действие АТАО 1 на процессы, протекающие при нагреве (замедление процесса распада мартенсита: перераспределение углерода в кристаллической решетке, образование кластеров углерода и его выделение из пересыщенного твердого раствора в виде легированного цементита и карбидов хрома) обусловлено закалочной предысторией, в частности, субструктурным состоянием а-фазы, главным образом из-за увеличения количества дефектов — дислокаций, повышения дисперсности кристаллов а-фазы. Это приводит к снижению активности углерода вследствие его взаимодействия с дефектами. Усиление сегрегации аналогично действию тех легирующих элементов, которые снижают термодинамическую активность углерода и способствуют его сохранению в пересыщенном твердом растворе [5]. Повышение теплостойкости стали 8Х4В2С2МФ позволяет использовать ее не только как штам-повую сталь холодного деформирования, но и как сталь для режущего инструмента, работающего при небольших скоростях резания.
Аустенитные штамповые стали
горячего деформирования
Аустенитные дисперсионно-твердеющие стали могут быть использованы для штампо-вого инструмента горячего деформирования, жидкой штамповки, горячего прессования порошковых материалов. Анализ условий эксплуатации аустенитных дисперсионно-твердею-щих сталей [5] позволяет сделать следующее обобщение. Инструмент из указанных сталей выходит из строя чаще всего из-за смятия гравюры штампа и образования сетки трещин разгара. В процессе работы инструмента жидкой штамповки удельные усилия прессования достигают 250 МПа за 1 цикл (600-7000 с) при стационарном режиме, в поверхностном слое инструмента (4-5 мм) градиент температур составляет 400-450 °С, при этом температура контактных поверхностей в момент
Таблица 5
Химический состав аустенитных сталей
Содержание, мае. % Марка стали
5Х10Г15М2Ф2Р 5Х10Г15МСФ2Ц
Углерод 0,44 0,56
Кремний 0,95 1,15
Марганец 15,10 15,50
Хром 9,50 11,10
Ванадий 2,01 2,00
Молибден 2,00 1,06
Цирконий — 0,11
Бор 0,0057 0,0058
Таблица 6
Режимы обработки аустенитных сталей 5Х10Г15Ф2МСЦР и 5Х10Г15М2Ф2Р
Технологическая Режим обработки
операция СТО АТАО 1 АТАО 2 АТАО 3
Закалка: температура, °С среда охлаждения 1150 Вода 1150 Вода
Старение: температура, °С продолжительность, ч 750 4
Момент проведения АТАО Охлаждение после старения Охлаждение Закалка, охлаждение
приложения давления достигает 800-870 °С. При таких температурах интенсивно протекают процессы разупрочнения. В условиях горячей штамповки удельное усилие достигает 400-600 МПа. При температуре, близкой к температуре эксплуатации, скорость разуп-
рочнения может быть оценена по величине падения твердости за 1 ч выдержки. Теплостойкость оценивалась как температура, выдержка при которой в течение 4 ч не снижает твердость ниже 40 HRC.
Исследование влияния АТАО на структуру и свойства аустенитных сталей проводилось на сталях, химический состав которых приведен в табл. 5. Результаты исследований технологий АТАО применительно к аус-тенитным штамповым сталям горячего деформирования по определенным режимам (табл. 6) показали возможность существенного повышения их механических и эксплуатационных свойств (табл. 7).
Микроструктура сталей после СТО и СТО + АТАО приведена на рис. 2. При СТО после старения закаленной стали становятся больше количество и размер карбидной фазы, увеличивается размер зерна (рис. 2, а, б). Об уровне внутренних напряжений можно судить по ширине дифракционной линии (311 мрад), определяемой при РСА, после закалки в воду с температуры 1150 °С она составляет 12,62 мрад, а дополнительное старение при 750 °С в течение 4 ч увеличивает ее до 22,2 мрад. Из приведенных результатов видно, что старение приводит к увеличению ширины линии (311) на 40-70 %, это свидетельствует о повышении уровня внутренних напряжений вследствие выделения дисперсной фазы при старении стали.
Исследование микроструктуры стали показало, что дисперсные выделения наблюдаются по границам зерен и имеют размер 0,12-0,40 мкм. В стали 5Х10Г15М2Ф2Р дисперсные фазы являются сложным карбидом типа Me23C6. В состав этого карбида, определенный микрорентгеноспектральным методом, входят хром, марганец, железо. В объеме зерен наблюдаются дисперсные включе-
Таблица 7
Механические свойства аустенитных сталей после обработки по стандартному режиму и с использованием АТАО
Параметр Марка стали
5Х10Г15Ф2МСЦР 5Х10Г15М2Ф2Р
Режим обработки* СТО АТАО 1 АТАО 2 АТАО 3 СТО АТАО 1 АТАО 2
Твердость НЕС 40-41 46-48 46-48 44-46 43-45 47-48 44-46
Предел прочности 0В, МПА 1363 1370 1490 1490 1365 1380 1420
Предел текучести 0о,2> МПА 986 1180 1150 1220 940 1080 1090
Относительное удлинение, % 9 12 15 10 9 12 21
Относительное сужение, % 11 11 15 12 8 10 30
Ударная вязкость, Дж/см2 200-250 250-290 - - 250 - -
; Описание режима обработки см. в табл. 6.
Рис. 2. Микроструктура аустенитной стали 5Х13Г10СФ2 (xlOOO): а — закалка с 1150 °С в воде, HRC 20 - 22; б — закалка с 1150 °С в воде, старение при 750 °С, HRC == 43; в — закалка с 1000 °С (АТАО), HRC == 20; г — закалка с 1000 °С (АТАО), старение при 750 °С, HRC ~ 50; д — закалка с 1150 °С в воде, нагрев АТАО, HRC ~ 15; е — закалка с 1150 °С в воде, нагрев АТАО, старение 750 °С, HRC == 54
ния карбида ванадия размером 30-50 нм. Результаты анализа карбидной фазы на микроанализаторе «Квантимет» приведены в табл. 8.
Технология АТАО 1 (процесс закалочного охлаждения) уменьшает размеры и увеличивает количество карбидной фазы, в том числе карбидов ванадия и циркония. Диспергирование упрочняющих фаз сопровождается изменением их морфологии. После стандартной обработки морфология выделений преимущественно кубической формы или в виде плен (тонких слоев фаз, образующихся по границам зерен) по границам зерен. После АТАО обеспечивается равномерность распределения карбидной фазы, преимущественно по зерну, зерно измельчается почти в два раза,
границы имеют зубчатую форму, наблюдаются двойники скольжения декорированные упрочняющей карбидной или карбонитрид-ной фазой (рис. 2, д, е), что обеспечивает повышение прочности и вязкости стали без снижения пластичности [5, 6].
АТАО-2 (процесс охлаждения после предварительного нагрева до соответствующих температур отпуска или после полного цикла СТО), повышает пластичность без снижения прочности (для некоторых плавок примерно в два раза). По-видимому, повышение пластичности может быть связано с формированием субструктуры, с благоприятным влиянием обработки на характер взаимодействия карбидных и карбонитридных фаз с дислокациями, а также с уменьшением остаточных напряжений в стали. Применение АТАО 1 обеспечивает благоприятное изменение свойств инструментальных сталей во всем сечении инструмента, если диаметр изделия не более 50 мм.
Использование АТАО 1 (см. табл. 7) позволяет повысить прочность стали (предел текучести) без снижения пластичности, АТАО 2 — увеличить пластичность без снижения прочности за счет формирования субструктуры, образования блоков, разделенных малоугловыми границами, проницаемыми для перемещения дислокаций. Таким образом, в зависимости от поставленной цели можно выбрать технологический режим АТАО 1, если требуется повышенное сопротивление смятию от материала штампа, или режим АТАО 2, если штамп имеет сложную конфигурацию и нужна повышенная пластичность стали, чтобы избежать появления трещин.
Технологии АТАО обеспечивают существенное повышение таких характеристик металла, как прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость и теплостойкость, по сравнению с традиционными методами термичес-
Таблица 8
Изменения размера и количества карбидной фазы в стали5Х10Г15М2Ф2Р после обработки по разным технологиям
Параметр Технология
СТО АТАО 2
Площадь, занятая карбидной фазой, % 1,75 2,13
Максимальный размер карбидов, мкм 14,4 11,5
Количество карбидов, мкм: до 1,44 от 1,44 до 7,2 284 967 497 497
кой и физико-химической обработки. Это экологически чистые технологии обработки заготовок и готовых изделий. В зависимости от технологических процессов предприятия новые технологии можно включить в СТО или проводить после СТО.
шенную шумность) можно использовать простые средства (шумозащитные кожухи, проведение работ в звукоизолированных помещениях и др.).
Литература
Выводы
Улучшение механических свойств штампо-вых сталей связано с изменением их структуры под воздействием АТАО, что обеспечивает повышение износостойкости и теплостойкости, а, следовательно, и увеличение долговечности инструмента. АТАО аустенитных штам-повых сталей горячего деформирования, осуществляемая в соответствующих режимах, позволяет формировать свойства материалов в желаемом направлении: повышать прочность без снижения пластичности или значительно увеличивать пластичность без снижения прочности. АТАО является средством уменьшения уровня остаточных напряжений.
Приведенные исследования позволяют использовать полученные результаты при разработке технологии упрочнения (АТАО) штам-повых сталей. Технологическое оборудование отличается простотой в изготовлении и обслуживании. Технологии АТАО отличаются экономичностью и высокой эффективностью. Для того чтобы устранить недостаток (повы-
1. Пат. № 2100456 Российская Федерация. С2Ш9/22, С21Б6/04, Способ упрочнения изделий из углеродистых, легированных, высоколегированных, быстрорежущих сталей и твердых сплавов / В. К. Ерофеев, В. В. Григорьев, Г. А. Воробьева; заявитель и патентообладатель Балтийский государственный технический университет им. Д. Ф. Устинова; № 96114291/02; заявл. 17.07.1996, опубл. 27.12.1997. Бюл. № 36.
2. Ерофеев В. К., Воробьева Г. А., Генкин П. Г. Аэро-термоакустическая обработка металлов и сплавов // Металлообработка. 2001. № 6. С. 18-22.
3. Воробьева Г. А., Складнова Е. Е., Леонов А. Ф. и др. Инструментальные материалы: Справ. материалы. СПб.: Политехника, 2005. 268 с.
4. Гиршов В. Л., Тополянский П. А. Инструмент из порошковой быстрорежущей стали 10Р6М5-МП // Ресурсосберегающие технологии восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: Тез. докл. 11-й Междунар. науч.-практ. конф. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. Ч. 1. С. 386-390.
5. Лысак Л. И., Николин Б. И. Физические основы термической обработки стали. Киев: Техника, 1975. 304 с.
6. Бернштейн М. Л., Пустовойт В. Н. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле. М.: Машиностроение, 1987. 256 с.
