CC BY
283
о 6 /1 (69]
г: кътжпъ
(69), 2013-
жm
The paper discusses special features of heat treatment\ of axial (end) cutting tool bimetallic billets made using the resource-saving technology with the aid of simultaneous hot plastic deforming through a forming die. The microstructure and hardness of 40X and P6M5 steels have been investigated after subjecting them to various conditions of heat treatment.
А. М. МИЛЮКовА, гну «физико-технический институт нАнБеларуси»
УДК 621.785:669.14.018.25
структурно-фазовый состав сталей р6м5 и 40х после совместной термической обработки
Введение
Использование ресурсосберегающей технологии формообразования горячим выдавливанием дает возможность инструментальной промышленности при минимальном расходе высоколегированной стали получать заготовки концевого режущего инструмента по форме, близкой к готовому изделию, и одновременно повышать его эксплуатационные свойства. В Физико-техническом институте Национальной академии наук Беларуси разработана ресурсосберегающая технология получения биметаллического концевого режущего инструмента, в основу которой положена операция образования соединения рабочей (быстрорежущая сталь Р6М5) и хвостовой (конструкционная сталь 40Х) частей путем совместной горячей пластической деформации при выдавливании профильной рабочей части через матрицу соответствующей конфигурации [1].
На рис . 1 представлены поперечный и продольный разрезы биметаллической заготовки . Поперечный образец (рис . 1, а), на котором хорошо виден профиль заготовки, вырезан из середины режущей части заготовки
Продольный образец (рис . 1, б) демонстрирует конструкцию заготовки [2] и содержит ее режу-
щую и хвостовую части Вдоль всей линии контакта режущей и хвостовой частей заготовки нет дефектов, которые могут получиться при сварке трением (раковины, кольцевые трещины, свищи) . Соединение представляет собой однородную, без микротрещин и расслоений адгезионную связь
Поскольку высоколегированная быстрорежущая сталь Р6М5 относится к малопластичным материалам, что связано с ее низкой технологической пластичностью, высоким сопротивлением деформированию, умеренной теплостойкостью и узким температурным интервалом деформирования, а сталь 40Х относится к низколегированным сталям невысокой прокаливаемости, их высокопрочное соединение горячим выдавливанием получено при оптимальных режимах технологического процесса
С целью определения оптимальных температурных режимов обработки биметаллических заготовок, полученных горячим выдавливанием из сталей Р6М5 и 40Х, были проведены предварительные исследования образцов сталей Р6М5 и 40Х после проведения совместной термообработки при различных температурах: 950, 1050, 1150 и 1220 °С и последующего отпуска, а также различных участков биметаллической заготовки до и после отжига и закалки
Рис . 1 . Образцы биметаллической заготовки метчика машинного: а - поперечный; б - продольный
г: к<тшглтгг; /07
-1(69), 2013 / VI
о 5
Рис . 2 . Микроструктуры сталей в исходном состоянии: а - сталь Р6М5; б - сталь 40Х . х500
Представляет интерес состояние части хвостовика из стали 40Х, внедренной в рабочую часть из стали Р6М5 (рис . 1, б) после закалки рабочей части заготовки биметаллического инструмента, поскольку термическая обработка сталей Р6М5 и 40Х значительно отличается по температуре (1220 и 850 °С) .
В исходном состоянии сталь Р6М5 имеет фер-ритную основу с выделениями карбидов Cr, W, V, Mo (рис . 2, а), а сталь 40Х в исходном состоянии имеет перлитную структуру (рис . 2, б) . Твердость их приблизительно одинакова и составляет HRC 21-26 .
Методика эксперимента
Для проведения исследований структурно-фазовых превращений сталей Р6М5 и 40Х были изготовлены образцы цилиндрической формы диаметром 20 мм и высотой 15 мм из сталей Р6М5 и 40Х . Сталь 40Х использовали в состоянии поставки с ферритно-перлитной структурой . На образцах из стали Р6М5 была проведена предварительная закалка с температуры 1220 °С (четыре образца) и закалка с отпуском 1220 + 560 °С (4 образца) в заводских условиях с использованием соляной ванны для предотвращения обезуглероживания . Окончательную термообработку (закалка с различных температур) проводили в лабораторной печи LH 09/13 Sokol Therm с максимальной температурой нагрева 1340 °С . Отпуск образцов из стали 40Х производили при температуре 460 °С в течение 2 ч, образцов из стали Р6М5 - при температуре 560 °С в течение 1,5 ч не менее 3 раз . На печном пульте управления выставляли указанные выше температуры с выдержкой 15-20 мин . По достижении нужной температуры в печь помещали образцы При этом снижалась температура в печи . Время нахождения образцов в печи около 3 мин . По достижении установленной температуры в печи образцы извлекали из нее и закаливали в воде Таким же образом производили закалку образцов при температурах 950, 1050, 1150, 1220 °С .
Микроструктурный анализ осуществляли на металлографическом комплексе МГК-1 на основе микроскопа МКИ-2М, а измерение твердости - на твердомере ТК-2М типа «Роквелл» по ГОСТ 901259 . Измерения микротвердости образцов биметаллической заготовки метчика выполняли на компьютеризированном микротвердометре Duramin-5 с нагрузкой 50 кгс в течение 12 с на двух образцах (поперечном и продольном) .
Результаты исследований и их обсуждение
Твердость образцов сталей Р6М5 и 40Х после различных видов термической обработки приведена в таблице
Твердость образцов сталей Р6М5 и 40Х
Сталь Твердость образцов HRC при различных температурах закалки, °С
950 1050 1150 1220
Р6М5 после закалки и отпуска 50 58 63,5 63
Р6М5 после закалки 55 56 63 63,5
40Х после закалки 54,6 51,4 57 54
40Х после закалки и отпуска 39 38,5 40 40
Анализ микроструктур образцов из быстрорежущей стали Р6М5, прошедших предварительную закалку от температуры 1220 °С и отпуск от температуры 560 °С в заводских условиях в соляных ваннах, показал, что сталь Р6М5 при различных температурах закалки имеет основу, состоящую из мартенсита и карбидов типа М23С6 . Чем выше температура закалки, тем больше растворяется карбидов . Даже при очень высокой температуре нагрева растворяется лишь часть карбидов - около 70% . Выдержка при низких температурах (950-1000 °С) приводит к растворению только карбида М23С6, что насыщает аустенит хромом, углеродом и частично ванадием Растворение основного карбида
98 а (69]
г: кътжпъ
(69), 2013-
М6С протекает при более высокой температуре (1050-1300 °С), что позволяет перевести в аусте-нит до 6% W, 0,5% Сг и около 1% V, присутствующих в карбиде Структура стали Р6М5 после выдержки и закалки с 950 °С, кроме мартенситной основы, состоит из достаточно большого количества крупных карбидов (рис 3, а) В соответствии с вышесказанным при этой температуре растворяется в основном карбид типа М23С6 . Поэтому сталь имеет низкую твердость - 50 HRC . С повышением температуры закалки до 1050 °С растворяется большее количество карбидов (рис . 3, б) . Кроме карбида типа М23С6, частично растворяется основной карбид М6С и соответственно увеличивается твердость стали до 58 HRC . Повышение температуры закалки до 1150 и 1220 °С приводит к дальнейшему растворению карбида М6С (рис . 3, в, г) . Количество и размер карбидов уменьшаются и соответственно увеличивается твердость стали до 63,0-63,5 HRC .
Аналогичным образом выглядит структура стали Р6М5, прошедшей только закалку с 1220 °С в заводских условиях и закалку с выдержкой при температурах 950, 1050, 1150 и 1220 °С в лабораторных условиях Микроструктура их представлена на рис 4
По данным [3], для получения высоких эксплуатационных свойств режущего инструмента оптимальной температурой закалки стали Р6М5 является 1220 °С и это подтвердили наши исследования
Температура закалки стали Р6М5 для закалки стали 40Х является явно завышенной . Тем не менее, представляет интерес исследование структуры и механических свойств (твердости) стали 40Х после закалки с температур 950, 1050, 1150 и 1220 °С . Микроструктура образцов стали 40Х, закаленных с различных температур с 3-минутной выдержкой при вышеуказанных температурах, представлена на рис 5
Все они имеют мартенситную структуру и отличаются только размером игл мартенсита. Чем выше температура закалки, тем более грубый образуется мартенсит Твердость стали при всех температурах закалки приблизительно одинакова и составляет 52-57 HRC .
На закаленных образцах из стали 40Х проведена операция отпуска (460 °С, 2 ч) в лабораторных условиях Структура их показана на рис 6 и представляет собой мартенсит отпуска Чем выше предыдущая температура закалки, тем он более грубый Твердость стали после отпуска не зависит от пред-
Рис . 3 . Микроструктура стали Р6М5: а - температура закалки 950 °С; б - 1050; в - 1150; г - температура закалки 1220 °С .
х250
йгстегш^штггсп /
-1 (69), 2013 I
Рис . 4 . Микроструктура стали Р6М5 при различных температурах: а - температура закалки 950 °С; б - 1050; в - 1150;
г - температура закалки 1220 °С . х250
Рис . 5 . Микроструктура стали 40Х в закаленном состоянии: а - температура закалки 950 °С; б - 1050; в - 1150; г - температура закалки 1220 °С . х250
100/ ^
гг:гг ктгг^оггт,
(69), 2013
■ ул
Рис . 6 . Микроструктура стали 40Х после закалки и отпуска при 460 °С: а - температура закалки 950 °С; б - 1050; в - 1150;
г - температура закалки 1220 °С . х250
варительной температуры закалки и составляет 38,5-40 ЖС .
По условиям проведения экспериментов нам удалось ограничить время нагрева образцов в печи при температуре закалки до 3 мин, что в 2 раза превышает время выдержки под закалку рабочей части метчика из стали Р6М5 с внедренным в нее хвостовиком из стали 40Х Тем не менее, при этом времени выдержки при температуре 1220 °С сохраняется высокая твердость стали 40Х - 40 HRC .
С целью определения влияния горячего деформирования, а также закалки на структуру и механические свойства исследуемых сталей проведены металлографические исследования образцов биметаллической заготовки в различных направлениях
После получения биметаллической заготовки горячим выдавливанием проведено измерение твердости ее составных частей: твердость рабочей части (сталь Р6М5) составила HRC 60, а хвостовика (сталь 40Х) - HRC 33, т. е . горячее деформиро-
Рис . 7. Микроструктура сталей после проведения горячего деформирования биметаллической заготовки: а - сталь Р6М5;
б - сталь 40Х, центр образца . а - х500; б - *400
Рис . 8 . Измерение микротвердости поперечного сечения биметаллической заготовки в зоне перехода сталь Р6М5 - 40Х до ТО . х400
вание увеличило твердость сталей по сравнению с исходным металлом .
На рис . 7 представлены микроструктуры сталей из поперечного образца биметаллической заготовки (см . рис . 1, а), полученной прямым горячим выдавливанием до закалки . Сталь Р6М5 (рис . 7, а) имеет основу из а-твердого раствора с мелкими округлыми выделениями карбидов легирующих элементов (Сг, W, V и др . ) . По периметру централь-
/хгк: г г^гштлтп / 1п1
-1 (69), 2013 I IUI
ной части сталь 40Х (рис . 7, б) имеет ферритно-перлитную структуру с заметно большим размером зерен, чем в центральной части . За счет больших усилий всестороннего сжатия при выдавливании зерна в центральной части значительно измельчены и имеют однородный характер
Измерения микротвердости проводили до термообработки на поперечном образце, представленном на рис 1, а, в области от края зуба к краю стружечной канавки через центральную часть и переходную зону (рис . 8) .
Результаты измерений микротвердости в поперечном сечении биметаллической заготовки представлены на рис 9
Из рисунка видно, что микротвердость в поперечном сечении биметаллической заготовки меняется в зависимости от части образца: самую высокую микротвердость имеет переходная зона между сталями Р6М5 и 40Х, а самую низкую - центральная часть образца (сталь 40Х)
При горячем выдавливании биметаллической заготовки через профильную матрицу наибольшей деформации подвергается рабочая часть заготовки в области стружечной канавки концевого инструмента (76%) . Горячее деформирование измельчило
Расстояние от края, ллм
Рис . 9. Изменение микротвердости поперечного сечения биметаллической заготовки в направлении от края зуба через центр
к краю стружечной канавки
Рис . 10 . Зоны измерения микротвердости в продольном сечении биметаллической заготовки: а - поперек заготовки от края к центру; б - сталь 40Х в центре заготовки в направлении от режущей части к хвостовику, а - *5; б - *3
102/
/хггггг: кътжпъ
1 (69), 2013
структуру, что улучшило механические свойства готового инструмента
На рис 10 показаны области в продольном образце биметаллической заготовки, на которых проведены измерения микротвердости, а на рис 11 -результаты измерений
Анализ результатов измерения микротвердости показал, что поперек продольного сечения от края к центру микротвердость соответствует исследуемой стали и переходная зона имеет самую высокую микротвердость HV 360 . Сталь 40Х в центре продольного сечения в направлении от режущей части к хвостовику имеет относительно стабильные значения микротвердости в интервале НУ 210240
На рис 12 представлены микроструктуры выдавленной биметаллической заготовки метчика в поперечном сечении после основной термообработки заготовки (закалка, отпуск) После деформи-
рования, закалки и отпуска сталь Р6М5 имеет такую же структуру, как в исходном состоянии, но выделения карбидов более дисперсны, и твердость составляет HRC 64 После горячего выдавливания и термообработки биметаллической заготовки сталь 40Х, находящаяся внутри рабочей части, имеет структуру мартенсита отпуска и твердость HRC 33, а хвостовик - HRC 37 Вследствие термомеханического воздействия на структуру стали в процессе деформации и последеформационный период происходит измельчение и формоизменение исходного аустенитного зерна, что влияет на характер структурных превращений при отпуске, дисперсность и распределение карбидов
Металлографические исследования микроструктуры биметаллических заготовок показали, что прочностные показатели биметаллического изделия, полученного методом горячего выдавливания, возрастают за счет образования текстуры вдоль на-
Рис 11 Изменение микротвердости продольного сечения биметаллической заготовки: а - поперек от края к центру; сталь 40Х в центре образца в направлении от режущей части к хвостовику
б
Рис 12 Микроструктура сталей в поперечном сечении биметаллической заготовки метчика после ТО: а - сталь Р6М5;
б - сталь 40Х. х400
Рис . 13 . Микроструктура продольного разреза биметаллической заготовки метчика: 1 - сталь 40Х; 2 - переходная зона; 3 - сталь Р6М5
правления деформирования как в стали Р6М5, так и в стали 40Х, а также за счет мелкодисперсной однородной структуры в центральной части заготовки (сталь 40Х), которая играет роль прочного и в то же время пластичного стержня, увеличивая прочность изделия на изгиб и кручение [4]
Экспериментальные исследования на прочность полученных биметаллических заготовок по-
/
-1 (69), 2013/ Ши
казали, что прочность соединения составных частей в полученных биметаллических заготовках инструмента (550 МПа) превосходит прочность биметаллических заготовок, полученных сваркой, трением и пайкой на 13% [5]
Выводы
Металлографический анализ и исследование механических свойств образцов сталей 40Х и Р6М5 после различных режимов термообработки и биметаллических образцов, полученных горячим выдавливанием, позволили определить оптимальную температуру проведения термообработки для получения биметаллического изделия высокого качества Рассмотрены особенности структурно-фазовых превращений сталей Р6М5 и 40Х Ресурсосберегающая, упрочняющая технология позволяет повысить прочность соединения составных частей инструмента, улучшить физико-механические свойства и работоспособность готового инструмента, а также экономить до 70% дорогостоящей быстрорежущей стали
Литература
1. Способ изготовления биметаллической заготовки концевого режущего инструмента / А . В . Алифанов, В . Г Кантин, А . М. Милюкова; заявитель ГНУ «Физико-технический институт НАН Беларуси» . № а20091356; заявл . 21.09. 09. Положительное решение от 18. 02.2011.
2 . Биметаллическая заготовка концевого режущего инструмента: пат. 6813 Респ. Беларусь, МПК (2009) В 2П 13/02 В 21С 25/02 / А . В . Алифанов, В . Г. Кантин, А . М . Милюкова; заявитель Физико-технический институт НАН Беларуси . № и20090773; заявл . 21. 09. 09; опубл . 30 . 12 .10 // Афщыйны бюл . / Нац . цэнтр штэлектуал . уласнасцi . 2010 . № 4 .
3 .Г е л л е р, Ю .А . Инструментальные стали / Ю . А . Геллер . Изд . 4-е, перераб . и доп . М . : Металлургия, 1975 .
4 .А л и ф а н о в, А .В . Влияние структуры биметаллических заготовок концевого режущего инструмента, полученных горячим выдавливанием, на их прочностные характеристики / А . В . Алифанов, Г. П . Горецкий, А . М. Милюкова // Литье и металлургия. 2010 . № 4 . С . 141-145 .
5 .А л и ф а н о в, А .В . Прочностные испытания биметаллического концевого инструмента, полученного методами сварки, пайки и горячего пластического деформирования / А В Алифанов, Л А Исаевич, В Г Кантин, А М Милюкова // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: материалы II Междунар . науч . -техн . конф . Минск, 2007 г. Минск: Экоперспектива. В 2-х ч. Ч. 2. 2007. С . 135-141.
