CC BY
73
V. V. Krayev
CHARACTERISTICS OF CALCULATION OF MECHANICAL MACHINING ALLOWANCING DIFFICULT PARTS
It is considered calculated-analytic method of adjectives allowances and primary feature calculation of mechanical machining allowance. The calculation by the method is given as an example.
УДК 621.785:621.979.07
Т. А. Богданова, Л. П. Третьякова, В. С. Биронт, А. А. Перебоева, Н. В. Окладникова
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКОВОК ИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ПРЕССОВЫХ МАТРИЦ
Представлены результаты анализа комплексных исследовательских работ по проблеме предупреждения преждевременного выхода из строя прессового инструмента, проведенные специалистами Красноярского металлургического завода (КраМЗ).
Повышение стойкости прессового инструмента при экструзии профилей из алюминиевых сплавов в условиях КраМЗа является одной из основных задач предприятия. На основании исследований причин преждевременного выхода инструмента из строя было установлено, что его стойкость определяется стабильностью структуры и свойств материала при цикличных нагрузках и высокой температуре матриц в процессе прессования. Наиболее значимым дефектом структуры, наличие которого способствует образованию больших внутренних напряжений, является лик-вационная полосчатость, связанная с неоднородным распределением карбидообразующих элементов. К понижению стойкости инструмента также приводит наличие в структуре крупного и неоднородного зерна аустенита и грубых неметаллических включений.
Для повышения надежности работы прессовых матриц решены следующие задачи:
- выбор и обоснование технологических операций и их параметров, позволяющих получить требуемое качество исходных заготовок инструментальных сталей;
- выполнение исследований на заготовках инструментальных сталей, обработанных по предложенным технологическим схемам.
В различных источниках [1-4] рекомендуется для изготовления поковок с однородной структурой сталей 3Х3М3Ф и 4Х5МФ1С проводить гомогенизаци-онный отжиг при температуре на 20-60 °С выше АС3 с выдержкой 5-8 ч. Авторы работы [2] предлагают высокотемпературный нагрев заготовок совмещать с нагревом под ковку. В работах [1; 3] показано положительное влияние отжига - гомогенизации, который проводился при Т = 1 180-1 200 оС с выдержками 25-35 ч. Однако при таком нагреве происходят значительный рост зерна аустенита и высокие потери материала за счет окалинообразования [4].
В работе исследовали слитки, выплавленные в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) и после электрошлакового переплава (ЭШП), а также поковки, изготовленные из них. На слитках и поковках были иссле-
дованы химический состав стали, структура и механические свойства. При проведении данной работы в процессе выплавки осуществляли анализ химического состава стали 3Х3М3Ф с целью определения наиболее оптимального содержания основных легирующих элементов в пределах требований ГОСТ 5950 и получения стабильного качества стальных заготовок. В исследованиях были опробованы разные схемы ковки и последующей предварительной термической обработки поковок. Полученные результаты позволили определить режимы, при которых в поковках гарантируются необходимый уровень механических свойств и структура, обеспечивающая эти свойства. Известно, что оптимальной исходной структурой поковок, подвергающихся дальнейшей механической и окончательной термической обработке, является структура зернистого перлита [5]. На основании выполненных исследований были разработаны и введены требования к качеству структуры сталей в соответствии со шкалами следующих стандартов: ГОСТ 5950, ГОСТ 5939, ГОСТ 801.
Методика проведения исследований. Химический состав инструментальных сталей определяли на пробах, отобранных из ковша при литье слитков из ДСП, а также от слитков после ЭШП в донной и литниковой частях. Слитки проходили горячую ковку по двум схемам: первая схема включала осадку мерных заготовок; вторая - осадку, перебивку на квадрат, его обкатку, повторную осадку (степень деформации меньше 10 % за проход и меньше 50 % - за операцию), обкатку в размер - биллетировка (степень деформации меньше 5-6 % за проход, 25-30 % - за операцию), с сохранением оси исходной заготовки (рис. 1).
Слитки под ковку нагревались по двум режимам:
1. Т = 1 100-1 150 °С (производственная технология).
2. Т = 1 180-1 200 °С (экспериментальная технология).
Поковки, полученные по двум схемам ковки с разными параметрами нагрева, подвергли отжигу по режимам, приведённым в табл. 1. Порядок проведения операций отжига следующий:
Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева
- режим 1 - отжиг ^ изотермическая выдержка;
- режим 2 - отжиг ^ изотермическая выдержка ^высокотемпературный нагрев ^ изотермическая выдержка;
- режим 3 - отжиг ^ изотермическая выдержка ^высокотемпературный нагрев ^ изотермическая выдержка ^ отжиг ^ изотермическая выдержка;
- режим 4 - высокотемпературный нагрев ^ изотермическая выдержка.
Параметры термической обработки поковок
Наименование операции термообработки Температура, °С Время выдержки, ч
Отжиг 860-880 2
Изотермическая выдержка 680-700 4-6
Высокотемпературный нагрев 900-920 4-5
Рис. 1. Схема ковки поковок
Определение массовой доли химических элементов осуществляли спектральным методом на рентге-нофлюоресцентном спектрометре Спектроскан. Содержание углерода оценивали на экспресс анализаторе АН7529. Термическую обработку образцов проводили в лабораторных муфельных и типа СНО5.55/01 печах. Механические свойства сталей определяли на разрывной машине ЦД10 согласно ГОСТ 1497 в литом состоянии, после ковки и термической обработки. Микроструктуру исследовали на металлографическом микроскопе №ЕОРИОТ - 21 при увеличениях 100-500 крат. Структуру анализировали по ГОСТ 5950, ГОСТ 5939, ГОСТ 801.
Примечание. Нагрев до заданных температур осуществлялся со скоростью не выше ~ 70 °С/ч; при переходе от одного температурного режима к другому регламентированное охлаждение выполнялось со скоростью 30-40 °С/ч.
Результаты исследований и их обсуждение.
На начальном этапе исследований проводили оценку влияния способа получения литых заготовок из стали марки 3Х3М3Ф для изготовления прессовых матриц. Изучали слитки, полученные с ДСП и последующего электрошлакового переплава. Анализ химического состава показал, что содержание легирующих элементов (молибдена, ванадия и никеля) в различных пробах, отобранных при выплавке слитков ДСП, существенно различается (табл. 2). Установлено, что после ЭШП наблюдается меньший разброс концентраций хрома, ванадия, молибдена и марганца: так, диапазон разброса по хрому уменьшается примерно в 3,5 раза. Определено, что содержание этих элементов в слитках ЭШП сопоставимо в разных плавках и по длине.
Отмечено, что в слитках ЭШП наблюдается тенденция к некоторому повышению концентрации основных легирующих элементов. Относительное изменение содержания элементов в слитках ЭШП по отношению к слиткам ДСП составляет + 4,2 - 22,6 %. Это можно объяснить, в первую очередь, недостаточно большим набором статистических данных. Однако полученные результаты сопоставимы с общими представлениями о влиянии ЭШП на химический состав [6]. Это может быть связано как с особенностями электрошлакового процесса кристаллизации слитка, так и с его размерами.
Таблица 1
Химический состав слитков стали 3Х3М3Ф
Таблица 2
Слиток Номер Массовая доля элементов, %
пробы Си Мп С Р Б N1 Сг Мо V
1 0,14 0,23 0,32 0,030 0,27 0,014 0,26 3,20 2,51 0,42
ДСП 2 0,10 0,49 0,27 0,027 0,25 0,010 0,39 3,32 2,85 0,44
3 0,11 0,42 0,37 0,023 0,30 0,011 0,24 3,01 3,08 0,49
4 0,14 0,40 0,27 0,21 0,019 0,36 3,48 2,47 0,56
1 (дон) 0,11 0,50 0,23 0,41 3,47 2,80 0,46
2(дон) 0,14 0,47 0,40 0,016 0,22 0,008 0,26 3,41 3,15 0,55
3(дон) 0,13 0,45 0,37 0,013 0,36 0,008 0,27 3,37 3,20 0,53
ЭШП 4(дон) 0,09 0,45 0,26 0,014 0,17 0,010 0,38 3,36 2,76 0,45
1(литник) 0,12 0,50 0,22 0,40 3,49 2,71 0,47
2(литник) 0,13 0,47 0,25 0,26 3,34 3,27 0,53
3(литник) 0,15 0,47 0,23 0,26 3,38 3,13 0,54
4(литник) 0,10 0,45 0,15 0,40 3,45 2,76 0,46
ГОСТ 5950 Не более 0,20,5 0,270,34 Не более 0,10,4 Не более Не более 2,83,5 2,53,0 0,40,6
0,3 0,030 0,030 0,35
В донной части исследуемых слитков ЭШП произошло снижение содержания вредных примесей -фосфора и серы, соответственно, в 2,0 и 1,5 раза. Это подтвердило эффективность рафинирования металла при обработке шлаком в процессе ЭШП. Полученные результаты по снижению содержания фосфора показывают возможность обесфосфоривания, рассмотренную в работе [6], однако ЭШП не является процессом, пригодным для его удаления.
На втором этапе работы выполняли испытания механических свойств на образцах, отобранных от литых заготовок, полученных в ДСП, кованых электродах под ЭШП, слитках ЭШП и поковках из стали 4Х5МФ1С (табл. 3).
Анализ механических свойств показал, что прочностные характеристики как в литом состоянии, так и после ковки имеют одинаковый разброс значений, коэффициент вариации и составляет ~ 1,1 %. Однако это не относится к пластичности, которая в поковках более стабильна (и = 7,6 %) по сравнению с литым материалом (и = 11,9 %).
Исследование поковок, полученных с разными степенями деформации: 5,2 единицы (первая схема ковки) и 11,5; 16,3 единицы (вторая схема ковки), показало, что с увеличением степени деформации наблюдается тенденция к возрастанию прочностных свойств. Усложнение схемы ковки по второму варианту (рис. 1) способствует измельчению зерна аустенита до 8 баллов, что гарантирует получение после окончательной термической обработки на готовом инструменте более высокие значения ударной вязкости. Это утверждение согласуется с данными работы [7]. Поковки, полученные по второй схеме ковки, имеют высокий уровень механических свойств:
- предел прочности - 1 735-1 755 МПа;
- предел текучести - 1 610-1 660 МПа;
- относительное удлинение - 9,4-12,0 %;
- относительное сужение- 37-47 %;
- ударная вязкость - 34 - 38 Дж/см2;
- твердость ЖС 45-49.
На заключительном этапе работы исследовали микроструктуру поковок из стали 3Х3М3Ф и 4Х5МФ1С, полученных по разным схемам ковки и подвергнутых различным видам отжига. При ковке заготовок из стали 3Х3М3Ф по второй схеме изменяли температурно-временные параметры нагрева заготовок и поковок. Температура нагрева заготовок была повышена на 80-50 °С относительно серийной технологии, а время выдержки увеличено до 4-5 ч. Охлаждение поковок проводилось на воздухе, россыпью до температуры 100-150 °С. Сравнительные исследования поковок, изготовленных по двум схемам ковки, показали, что усложнение схемы ковки и увеличение температуры нагрева и времени выдержки, способствовало снижению ликвационной неоднородности до 3-4 баллов ГОСТ 801 по сечению поковок и измельчению аустенитного зерна до 8 баллов.
На основании результатов микроисследований образцов, отобранных от поковок, отожженных по режимам 1-4 были определены требования к структуре. Показано, что структура поковок, изготовленных по первоначально разработанной промышленной технологии (режим 1), характеризуется наличием ликвационной полосчатости 6-7 баллов, представлена на рис. 2, а. Дополнительное назначение высокотемпературного нагрева до (910 ± 10) °С и последующей изотермической выдержки при Т = (690 ± 10) °С (режим 2) позволило измельчить зерно аустенита до 9 баллов по ГОСТ 5939 (рис. 2, в, г) и уменьшить структурную полосчатость до 4 баллов ГОСТ 801 (рис. 2, б).
Таблица 3
Механические свойства слитков, выплавленных в ДСП и методом ЭШП, кованых электродов и поковок из стали 4Х5МФС
№ образца, способ выплавки Вид полуфабриката Механические свойства
Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, % КСи, Дж/см! ШС
Х Б и Х Б и Х Б и Х Б и Х Б и Х Б и
1, ДСП Слиток 1540 14,2 0,92 1395 22,4 1,6 9 3 33,3 34,6 4,67 13,5
2, ДСП Слиток 1565 10 0,64 1405 10 0,71 10,6 2,1 19,8 33,7 2,93 8,69
3, ДСП Слиток 1,6 т 1620 20 1,23 1480 14,2 0,96 10,6 0,63 5,94 41,5 17,3 4,17 42,7 2,1 4,92 48 0,63 1,32
4, ДСП Слиток 3,0 т 1660 - - 1515 10 0,66 10,8 0,89 8,24 46,3 0,84 1,81 39,8 1,38 3,47 47 0,77 1,62
5, ДСП Электрод 1535 17,3 1,13 1370 14,2 1,04 11,6 1,26 10,9 42,9 2,57 5,99 44,3 3,19 7,2 45 0,95 2,11
6, ДСП Электрод 1510 14,2 0,94 1365 10 0,73 12,2 0,63 5,16 47,3 0 0 48,4 1,1 2,27 46 0,71 1,56
7, ЭШП Поковка 1600 28,3 1,77 1460 28,3 1,94 10,4 1,26 12,11 40,3 1,55 3,85 40,7 2,1 5,16 45 0,71 1,58
8, ЭШП Рассекатель, поковка 1755 4,9 0,28 1610 21,9 1,36 9,4 1,09 11,6 37 2,34 6,32 34,1 1,34 3,93 49 0,32 0,65
9, ЭШП Поковка матрица 1735 4,9 0,28 1658 26,8 1,62 12 - - 47 2,47 5,26 38,7 0,45 1,16 45 0,89 1,98
Рис. 2. Ликвационная полосчатость (а, в) и зерно аустенита в структуре поковок: а, в - х 100; б, г - х 500
После отжига по режимам 3, 4 в поковках была получена однородная структура зернистого перлита 4 балла ГОСТ 5950 (рис. 3, а). Однако отжиг сталей по режиму 4 привел к увеличению твердости поковок до ИВ 241-255. Обработка резанием поковок с такой твёрдостью оказалась весьма затруднительной. На практике установлено, что удовлетворительная токарная обработка обеспечивается при твердости в пределах ИВ 207-240, и это подтверждается данными работы [3]. На основании проведенных исследований было рекомендовано проводить термическую обработку поковок по режиму № 3. Таким образом, на основании проведенных микроисследований были определены требования к структуре поковок, которая гарантирует получение необходимых эксплуатационных свойств инструмента.
т ,
аб Рис. 3. Зернистый перлит (а) и бейнит (б) в структуре поковок из стали 4Х5МФ1С:
а, б - х 500
При исследовании было обнаружено, что низкие скорости охлаждения после высокотемпературного отжига или выгрузка поковок из печи с температуры значительно меньше 450-500 °С привели к формированию неоднородной структуры. В таких поковках была выявлена структура, состоящая из перлита, зерен полиэдрического феррита или бейнита (рис. 3, б). Распад аустенита по промежуточному бейнитному меха-
низму при медленном охлаждении обусловлен особенностью исследуемых сталей в соответствии с тер -мокинетическими диаграммами распада аустенита. В этих сталях области перлитного и бейнитного превращений разделены температурным интервалом высокой устойчивости переохлажденного аустенита [8]. При этом линии начала и окончания бейнитного распада смещаются вниз до температуры 350 °С и влево, частично перекрывая область мартенситного превращения. Возникновение структуры нижнего бейнита приводит к повышению твердости, высоким внутренним напряжениям и нестабильности механических свойств инструмента. Кроме того, недостатки структуры после предварительной термической обработки не устраняются при выполнении окончательной термообработки, а наследуются прессовым инструментом, снижая эксплуатационную стойкость.
Таким образом, на основании исследований заготовок для прессовых матриц из сталей 3Х3М3Ф и 4Х5МФ1С разработаны рекомендации по технологии получения поковок и определены требования к структуре:
1. Инструментальные штамповые стали для производства прессовых матриц необходимо подвергать ЭШП.
2. Поковки изготавливать ковкой по усложненной схеме при повышенной до 1 180-1 200 °С температуре нагрева и выдержке заготовок при этой температуре не менее 4 ч. Охлаждение поковок осуществлять россыпью на воздухе.
3. Технология термической обработки поковок должна включать двойную фазовую перекристаллизацию и сфероидизирующие изотермические выдержки, регламентированый нагрев и охлаждение.
4. Состояние структуры поковок должно соответствовать следующим требованиям:
- ликвационная полосчатость не выше 4 баллов по шкале № 5 ГОСТ 801;
- зернистость перлита не выше 4 баллов по шкале № 1 ГОСТ 5950;
- балл аустенитного зерна не ниже 8 по ГОСТ 5939.
Библиографический список
1. Геллер, Ю. А. Инструментальные стали / Ю. А. Геллер. М. : Металлургия, 1983. 526 с.
2. Крамаров, М. А. Влияние высокотемпературной обработки на механические свойства и трещиностой-кость стали 38ХН3МФ / М. А. Крамаров, А. С. Кондратьев // МиТОМ. 1990. № 1. С. 15-20.
3. Башнин, Ю. А. Технология термической обработки : учеб. для вузов / Ю. А. Башнин, Б. К. Ушаков, А. Г. Секей. М. : Металлургия, 1986. 424 с.
4. Технология термической обработки стали / под ред. М. Л. Бернштейна : пер. с нем. Б. Е. Левина. М. : Металлургия, 1981. 608 с
5. Поздняк, Л. А. Инструментальные стали : справочник / Л. А. Поздняк, С. И. Тишаев, Ю. М. Скрын-ченко и др. М. : Металлургия, 1977. 168 с.
в
г
6. Латаш, Ю. В. Электрошлаковый переплав / Ю. В. Латаш, Б. И. Медовар. М. : Металлургия, 1970. 240 с.
7. Перебоева, А. А. Исследование влияния технологии изготовления заготовок прессового инструмен-
та на их качество / А. А. Перебоева, Г. П. Усынина, Н. В. Окладникова, А. И. Маркова // Изв. вуз. Черная металлургия. 1999. № 3. С. 41-44.
8. БЦНЬБЯ W303, W302. Warmarbeitsstahl.
T. A. Bogdanova, L. P. Tretyakova, V. S. Biront, A. A. Pereboyeva, N. V. Okladnikova
THE DEVELOPMENT OF THE TECHNOLOGY OF THE HEAT TREATMENT OF THE PRESSING EQUIPMENT
It is given the results of analysis of the complex research works at the problem of warning of the pressing equipment premature going out of action. The analysis was made by specialists of the Krasnoyarsk metallurgical plant.
УДК 621.787
И. В. Трифанов, Т. А. Слинкина, И. В. Стерехов, Л. И. Трифанова
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТРУБ МАЛОГО ДИАМЕТРА
Рассмотрены параметры дорнования при изготовлении труб малого диаметра.
При изготовлении тонкостенных заготовок труб малого диаметра с толщиной стенки И = 0,5... 1,4 мм необходимо определить усилия дорнования, контактные давления и другие параметры. Измерение усилий дорнования производилось с помощью однокомпо-нентного упругого динамометра с фольговыми тензо-резисторами. Запись электрических сигналов, поступающих от динамометра, выполняли через усилитель ТА-5 шлейфовым осциллографом Н071,5 м с точностью не ниже ± 1 %. Исследовались заготовки труб Ш 3 мм из сплава 32 НКД, стали 45, стали 20, меди М1. Параметрами, оказывающими влияние на усилие дорнования были выбраны: диаметр канала трубы (а?), степень натяга (а), твердость материала заготовки НВ.
Из графиков экспериментальной зависимости усилия дорноваания Е и усилия дорнования трубчатых заготовок из меди (рис. 1, 2) видно, что Е = /(й, а, НБ).
2500
2000
1500
1000
500
Метод дорнования при выбранных параметрах позволяет обрабатывать тонкостенные трубчатые заготовки с толщиной стенки И = 0,5... 1,4 мм. Важными технологическими параметрами являются усилия дор-нования для создания эффективной технологии.
Усилия дорнования необходимо использовать для оценки прочности хвостовика инструмента - дорна, расчета его инструмента и непосредственно трубчатой заготовки, подбора вида смазки, а также контактных давлений и других параметров. На основе однофак-торных экспериментов была получена зависимость для расчета усилий дорнования:
Е = сНБ йау = 1,235а0,57 а1345НВ,
где с - коэффициент; НВ - твердость материала; й - диаметр канала трубчатой заготовки; а - степень натяга.
-1-сталь45; d=3MM
2-сталь20; d=3MM
3-сплав 32НКД; инструмент ВК8
4-сплав 32НКД; инструмент ВК8
5-сталь 45; d=1,4мм
6-сталь 20; d=1,4мм
0,04
0,07
0,10 а, мм
0,13
0,17
