CC BY
22
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ЦИКЛИЧЕСКАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
1 2 3
Пустовойт В.Н. , Долгачев Ю.В. , Харсека О.А. Email: [email protected]
1Пустовойт Виктор Николаевич - доктор технических наук, профессор;
2Долгачев Юрий Вячеславович - кандидат технических наук, доцент, профессор;
3Харсека Олег Александрович - магистрант, кафедра физического и прикладного материаловедения, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: исследования процессов электронагрева и образования аустенита показывают, что при помощи внешнего подмагничивания могут быть успешно решены такие задачи, как нагрев под закалку и электроотпуск от одного генератора т. в. ч. и скоростной глубинный нагрев сталей пониженной прокаливаемости. При этом обеспечивается возможность реализации высоких скоростей нагрева, необходимых для достижения устойчивых изменений субструктуры аустенита и получения в связи с этим эффективного упрочнения, не достигаемого при медленном нагреве в печи или от генераторов звукового диапазона.
Ключевые слова: циклическая обработка, термическая обработка, магнитное поле.
CYCLIC HEAT TREATMENT WITH AN EXTERNAL MAGNETIC
FIELD
Pustovoit V.N.1, Dolgachev Yu.V.2, Harseka O.A.3
1Pustovoit Viktor Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, Professor;
2Dolgachev Yury Vyacheslavovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Professor;
3Kharseka Oleg Aleksandrovich - Master Student,
DEPARTMENT OF PHYSICAL AND APPLIED MATERIALS SCIENCE, DON STATE TECHNICAL UNIVERSITY, ROSTOV-ON-DON
Abstract: studies of the processes of electric heating and the formation of austenite show that with the help of external magnetization such tasks as quenching and electric tempering from one generator, etc., can be successfully solved. hours and high-speed deep heating of steels of low hardenability. At the same time, it is possible to realize high heating rates necessary to achieve stable changes in the austenite substructure and to obtain, in connection with this, effective hardening, which is not achieved with slow heating in an oven or from sound range generators. Keywords: cyclic treatment, heat treatment, magnetic field.
УДК 669.017.16:539.384
Известно, что магнитное поле оказывает влияние на процессы термической обработки сталей и сплавов [1-5]. В данной работе изучалось влияние внешнего магнитного поля в процессе аустенитизации при циклическом нагреве, т.е. в условиях, когда имеют место магнитострикционные и термострикционные изменения объема (армко-железо) и одновременно фазовый наклеп (сталь 40X).
Для реализации сложного режима циклической термической обработки в магнитном поле была создана установка, схема которой показана на рис.1. Применение такой установки позволяет осуществлять автоматическое регулирование процесса нагрева в магнитном поле напряженностью 0,8 МА/м и без поля по заданной программе. Программа осуществляется
10
12-точечным реле времени КЭП-12У, с помощью которого в заданное по графику время в цепь регулирующего гальванометра с термопарой включаются добавочные сопротивления Rь R2 и R3. Процесс обработки контролируется самопищущим потенциометром с термопарой 1111 (платина-платинородий).
Рис. 1. Схема установки для управления процессом циклической термической обработки
Образцы из стали 40Х, закаленные по стандартному режиму от 860 °С в масле, в не отпущенном состоянии, как и следовало ожидать, обнаружили хрупкое разрушение с временным сопротивлением 1850 МПа, удлинением и сужением, близкими к нулю (рис. 2). После циклической термической обработки в магнитном поле та же сталь в неотпущенном состоянии имела временное сопротивление 2050 МПа, удлинение 8% и сужение 22%. После контрольной циклической термической обработки без наложения поля временное сопротивление в закаленном состоянии несколько повышалось (бв=1950 МПа) по сравнению с бв после обычной закалки, однако удлинение и сужение также были близки к нулю. Указанные различия определяют ход изменения исследуемых характеристик при увеличении температуры отпуска. Из рис.2 видно, что обработка с наложением магнитного поля обеспечивает высокопрочное состояние (высокие значения реализуемой прочности) при значительно более низких температурах отпуска, чем обработка без поля. После циклической термической обработки в магнитном поле армко-железа (рис. 3) порог хладноломкости смещался в сторону более низких температур. В случае циклической обработки в поле это смещение составляло по сравнению с такой же обработкой без поля 35 а по сравнению с нормализацией 60 °С. Ударная вязкость при - 96 °С повышалась от 0,35 МДж/м2 в случае циклической обработки без поля до 1,1 МДж/м2 для варианта циклической обработки в поле, в при -75°С - от 0,65 до 1,9 МДж/м2; при этих температурах нормализация дает 0,1 МДж/м2, а охлаждение в воде (без циклирования) приводит к еще большей хрупкости.
Причины наблюдаемых явлений сводятся к тому, что при циклическом изменении температуры в районе точки Кюри происходит знакопеременный наклеп феррита и аустенита под влиянием термострикционных напряжений, а в случае стали 40Х - еще вследствие изменения объема при фазовом превращении.
ц* М/Та
Рис. 2. Влияние циклической термической обработки в магнитном поле на механические свойства стали 40Х: 1-термическая обработка без поля; 2 -циклическая термическая обработка в магнитном
поле; 3-контрольная термическая обработка
Рис. 3. Температурные зависимости ударной вязкости армко-железа: 1 -циклическая термическая обработка в магнитном поле; 2 - то же, без поля; 3 -нормализация
Воздействие магнитным полем создает ориентированные магнитострикционные напряжения, которые увеличиваются с повышением напряженности поля. По справочным данным, при температуре 770 °С и напряженности поля 8 кА/м магнитострикция железа X составляет примерно 2106, а при 72 кА/м она равна 3,5• 106. Напряжения от магнитострикции б = МПа, а при Н=72 кА/м, а в полях, которые использовались в эксперименте (Н = 800 кА/м), еще больше. При циклическом изменении температуры в интервале 700-800 °С напряжения такого порядка могут вызвать заметную пластическую деформацию. Так, М. Г. Лозинский и И. С. Симеонова в своих экспериментах на техническом железе с 0,03 % С и железе с 0,002 % С при циклических колебаниях температуры в пределах 720 ^850 °С и растяжении под напряжением 5,5 и 0,5 МПа соответственно приводят следующие значения деформации: при 10 циклах под напряжением 5,5МПа -10% и 2% под напряжением 0,5МПа, при 50 циклах под напряжением 5,5МПа -38% и 13% под напряжением 0,5МПа.
При циклическом нагреве в магнитном поле магнитострикционные напряжения приводят к большей фрагментации субструктуры феррита и аустенита, что обусловлено деиствием малои пластической деформации.
Состояние, которому свойственна повышенная фрагментация субструктуры, сохраняется при аустенитизации и наследуется ферритом или мартенситом (при быстром охлаждении). По причине более развитой субструктуры повышаются пластические свойства и наблюдается снижение порога хладноломкости в условиях жесткого нагружения.
При проведении эксперимента было отмечено интересное явление, сущность которого заключается в том, что при циклической обработке в поле. на подъеме температуры и аустенитизации без поля свойства стали 40Х также не улучшались и большинство образцов после закалки разрушалось хрупко. В этой связи был поставлен эксперимент по изучению влияния магнитного поля на кинетику образования аустенита. Исследование проведено при нагреве (индукционном или проходящим током). когда образование аустенита происходит в стесненных (по времени) условиях. Влияние магнитного поля экспериментально обнаруживается в замедлении а^-у превращения на начальной стадии превращения.
Вывод: Таким образом, результаты исследований процессов электронагрева и образования аустенита показывают, что при помощи внешнего подмагничивания могут быть успешно решены такие задачи, как нагрев под закалку и электроотпуск от одного генератора т. в. ч. и скоростной глубинный нагрев сталей пониженной прокаливаемости. При этом обеспечивается возможность реализации высоких скоростей нагрева, необходимых для достижения устойчивых изменений субструктуры аустенита и получения в связи с этим эффективного упрочнения, не достигаемого при медленном нагреве в печи или от генераторов звукового диапазона.
Кроме этого, циклический нагрев в магнитном поле приводит к измельчению субструктуры феррита и аустенита, обусловленному магнитострикционными напряжениями, вызывающими малые пластические деформации, а специфическая кинетика процесса аустенитизации в магнитном поле может создавать условия для сохранения более высокой плотности дефектов в аустените.
Список литературы /References
1. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Особенности структуры мартенсита, полученного при закалке стали в магнитном поле в температурном интервале сверхпластичности аустенита // Металловедение и термическая обработка металлов, 2011. № 11 (677). С. 3-7.
2. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Технология бездеформационной закалки в магнитном поле тонкостенных деталей кольцевой формы // Вестник Донского государственного технического университета, 2011. Т. 11. № 7 (58). С. 1064-1071.
3. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В., Рожкова В.М. Энергетические особенности образования зародышей мартенсита и кинетика гамма-альфа перехода при действии внешнего магнитного поля // Известия Волгоградского государственного технического университета, 2015. № 5 (160). С. 131-135.
4. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Зарождение мартенсита в условиях сверхпластичности аустенита и воздействия внешнего магнитного поля // Известия Волгоградского государственного технического университета, 2016. № 2 (181). С. 114-120.
5. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В., Арефьева Л.П., Филоненко И.О., Иванков И.В. Диспергирование структуры стали при закалке в магнитном поле // Известия Волгоградского государственного технического университета, 2019. № 2 (225). С. 60-64.
