CC BY
116
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 621.762
Сравнительный анализ структуры
V > V
порошковой быстрорежущей стали
В. Н. Цеменко, В. Л. Гиршов, С. А. Мазуров
Введение
Освоение производства быстрорежущей стали методами порошковой металлургии открыло новые резервы для повышения эксплуатационных свойств этих сталей. Высокая скорость охлаждения металла в процессе распыления позволяет получать материал с повышенным содержанием легирующих элементов и весьма однородной структурой, в том числе добиться измельчения карбидов и улучшить их однородность. Как показывают исследования [1—3], если выполнить условия, гарантирующие чистоту порошков быстрорежущей стали и сохранение чистоты металла на всех стадиях передела порошка в готовые изделия, то изготавливаемый режущий инструмент приобретает стойкость, в 2-3 раза превосходящую стойкость инструмента того же состава, но получаемого из литых заготовок.
Получение заготовок из порошковой
быстрорежущей стали
В настоящей работе прутки для исследования из порошковой быстрорежущей стали были получены на предприятии ОАО «Полема» (Тула) по следующей технологии. Порошок стали Р6М5 засыпали в стальные капсулы диаметром 145 мм, в верхней части которой укладывался титановый геттер. Роль геттера заключается в поглощении воздуха, находящегося в капсуле, и газообразных веществ, образующихся в капсуле в процессе нагрева порошка перед экструзией. Применение геттера позволяет исключить операцию ваку-умирования капсул. Капсулы герметизировали, нагревали до температуры 1100 + 50 °С и подвергали экструзии на диаметр 75 мм. После экструзии и последующей правки заготовки подвергали токарной обработке в целях удаления оболочки. Далее прутки были подвергнуты дополнительной пластической деформации посредством прокатки до диаметров 30 и 16 мм. Максимальная суммарная степень деформации составляла 80-90 %. Ре-
жим термической обработки: закалка в масло от 1180 °С с последующим трехкратным отпуском в течение 1 ч при температуре 560 °С. Твердость полученных образцов составляла 65 ИКС.
Исследование структур быстрорежущих сталей
Для сравнительного анализа микроструктур были изготовлены шлифы в продольном и поперечном сечениях образцов полученной порошковой быстрорежущей стали и быстрорежущей стали, изготовленной традиционным методом литья и последующей горячей деформации. Для сравнительного анализа задействован оптический микроскоп Zeise 200 MAT с использованием программы Thixomet и электронный сканирующий микроскоп типа Vega Tescan 5136 LMU (Tescan).
При рассмотрении изображений микроструктур травленых образцов (рис. 1) на шлифе литой стали можно увидеть значительную неравномерность распределения карбидных частиц, карбиды порошковой быстрорежущей стали более мелкие и равноосные. В структуре литой стали после закалки можно наблюдать ярко выраженную игольчатую мартенсит-ную структуру, тогда как у порошковой стали иглы мартенсита меньше, они не выявляются при увеличении Х1000 (рис. 2).
Для количественной оценки структур сталей были проведены исследования распределения диаметра и оценен фактор формы карбидов (рис. 3). Анализ проводился на поверхно-
а) б)
' V , ^ " 6 мкм I
Рис. 1. Микроструктура литой (а) и порошковой (б) быстрорежущей стали. х10 000
138
№ 5(65)/2011
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
МЕ^^БМвтК^
а)
б)
Рис. 2. Структура литой (а) и порошковой (б) быстрорежущей стали. х1000
сти травленых шлифов при увеличении х1000 по нескольким полям шлифа. В структуре литой стали наблюдались отдельные довольно крупные (диаметром 6,00—20,00 мкм) частицы, но преобладают карбиды диаметром менее 2,50 мкм. Средние значения диаметра карбидов равны 2,07 мкм (в поперечном сечении) и 2,23 мкм (в продольном). Различия обусловлены тем, что наблюдается более вытянутая форма карбидов в поперечном сечении. Стандартное отклонение по диаметру составляет 1,54 и 1,68 в поперечном и продольном сечениях соответственно. Средние значения фактора формы карбидов литой стали — 0,56.
а)
Объем, % 14
12
10
8 6 4 2
0,076 0,68 1,28 1,88 2,48 3,08 3,68 4,28 4,88 5,48 6,08 Средний диаметр, мкм
б)
Объем, % 14
12 10
8 6
2
0,076 0,37 0,66 0,96 1,25 154 1,84 2,13 2,43 2,72 3,01 Средний диаметр, мкм
Рис. 3. Распределение карбидов по диаметру в структуре литой (а) и порошковой (б) быстрорежущей стали после закалки и трехкратного отпуска
В отличие от литой стали, в структуре порошковой стали не обнаружено карбидов диаметром более 3,00 мкм. Большую же часть карбидов составляют частицы диаметром до 1,50 мкм, среднее значение этого параметра равно 1,35 мкм. Стандартное отклонение по диаметру составляет 0,52. Средние значения фактора формы карбидов порошковой стали — 0,74.
Таким образом, карбиды порошковой быстрорежущей стали значительно мельче, более однородны по размерам и имеют более правильную (округлую) форму. Известно, что округлые карбиды являются меньшими концентраторами напряжений в сравнении с карбидами угловатой формы.
Величина аустенитного зерна, которую сталь приобретает при нагреве под закалку, оказывает значительное влияние на ее механические свойства. Был определен балл зерна и средний размер зерен быстрорежущих сталей (рис. 4).
Величина зерна аустенита литой стали в основном соответствует 10 баллам, причем наряду с достаточно крупными зернами (8—9 баллов) встречается небольшое количество довольно мелких зерен (12—14 баллов). Меньшие по размеру зерна встречаются в местах скопления карбидных частиц. В областях шлифа, где карбидов мало или они слишком мелкие, размер зерна достигает 30—40 мкм.
а)
%
45,7
19,4
16,9
12,1
2,99 2,89
9 10 11
Балл зерна
12
13
б)
%
ж 38,4
33,5
14,9
7,96
2,58 1,28 0,86 0,36 0,096
10
11
12 13 14
Балл зерна
15
16 17
Рис. 4. Распределение величины аустенитных зерен по баллам после закалки для литой (а) и порошковой (б) быстрорежущей стали
0
8
4
0
9
№ 5 (65)/2011
ШШДБРА0Ш
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
При исследовании структуры порошковой стали можно отметить довольно равномерное распределение мелких аустенитных зерен (12 баллов) и карбидных включений по поверхности шлифа. Площадь, занимаемая карбидной фазой, практически одинакова на разных участках шлифа и составляет порядка 6 % поверхности. Известно, что одна из основных функций карбидов в стали — сдерживание роста зерна при нагреве. Сравнительно мелкие и равномерно распределенные по сечению карбиды порошковой стали способствуют формированию более однородного ау-стенитного зерна стали, что также является предпосылкой к приобретению такой сталью более высоких прочностных свойств в сравнении с литой сталью. Более высокая неоднородность распределения карбидов литой стали является и причиной возникновения в процессе закалки стали участков аустенита, значительно отличающихся между собой по степени легированности, что затрудняет образование мартенсита в областях, удаленных от карбидных частиц.
Наибольшей экономической эффективности использования порошковой быстрорежущей стали удается добиться при изготовлении режущего инструмента малого диаметра. В настоящей работе установлено, что после прокатки заготовок до диаметра 30 мм наблюдалось увеличение предела прочности при изгибе до значений 4000-4500 МПа (образцы сечением 5 х 5 мм, расстояние между опорами при испытании — 20 мм). На образцах, вырезанных из прутков, продеформирован-ных до диаметра 16 мм, испытания показали значения предела прочности 4500-5000 МПа.
Для сравнения: значение предела прочности быстрорежущей стали традиционного способа изготовления составляет 3200-3500 МПа.
Выводы
Таким образом, при сравнении микроструктур быстрорежущих сталей, изготовленных различными способами, с помощью количественных методов анализа были выявлены принципиальные отличия, позволяющие объяснить разницу свойств данных материалов. Установлено, что более высоких прочностных свойств порошковой быстрорежущей стали (в сравнении со сталью традиционного способа изготовления) удалось добиться благодаря сохранению в структуре конечного прутка равномерного распределения легирующих элементов. Это способствовало образованию равномерно распределенных карбидов сравнительно небольшого размера и, в свою очередь, привело к образованию однородной мелкозернистой структуры аустенитного зерна после закалки.
Литература
1. Белянчиков Л. Н. Оптимизация процесса водного распыления расплавов // Электрометаллургия. 2006. № 4. С. 29-37.
2. Гиршов В. Л. Порошковая быстрорежущая сталь с дисперсной структурой // Вопросы материаловедения. 2008. № 2. С. 33-42.
3. Ernst I. C., Duh D. ESP4 and TSP4, a comparison of spray formed with powdermetallurgically produced cobalt free high-speed steel of type 6W-5Mo-4V-4Cr // Journal of materials science. 2004. N 39. P. 6831-6834.
Читайте в следующем номере:
• Контактные нагрузки на поверхностях, формирующих лезвие инструмента, в процессе резания пластичных материалов /Маслеников И. А./
• Изучение влияние СОТС с присадками жидких кристаллов на сверление и развертывание отверстий /Маршалов М. С., Латышев В. Н., Новиков В. В., Нуждина Е. Е., Сырбу С. А.
• Повышение работоспособности режущего инструмента при обработке коррозионно-стойких хромистых и высоколегированных сталей ферритного, мартенситно-ферритного, мартенситного классов с опережающим пластическим деформированием /Ингеманссон А. Р./
• Получение искусственной шероховатости в каналах охлаждения электрохимическим методом /Смоленцев В. П., Коровин А. А./
• Эксплуатационные характеристики материалов после комбинированного маркирования /Смоленцев В. П., Кириллов О. Н./
• Методика оценки изображений микроструктур феррито-перлитных сталей /Дикарев К. В., Нищик А. В., Дикарев А. В., Гевлич С. О., Петрова В. Ф./
• Химическое сродство абразивного и обрабатываемого материалов /Ардашев Д. В./
• Исследование рисков организации параллельного выполнения работ конструкторско-технологической подготовки опытного производства
деталей авиадвигателей /Маликов С. Б., Юрин В. Н./
• Технология и оборудование ультразвуковой упрочняюще-финишной обработки металлов для получения поверхности с малой шероховатостью /Палаев А. Г., Потапов А. И., Максаров В. В., Палаев Н. А./
• Проектирование инструментов для обработки глубоких точных отверстий диаметром 60 мм в деталях « Корпус» из титанового сплава /Кижняев Ю. И., Немцев Б. А./
И
№ 5(65)/2011
