CC BY
2УДК: 622.022.02
ТЕРМОЦИКЛИК ИШЛОВ БЕРИШ УСУЛИ АСОСИДА 65Г ПУЛАТЛАРНИНГ МУСТА^КАМЛИГИ ВА ЕЙИЛИШГА ЧИДАМЛИЛИГИНИ ОШИРИШ
Каримов Наим ^осимович,
бошли^ уринбосари, Марказий лойидалаш бюроси
Навоий кон-металлургия комбинати
Эгамбердиев Ил;ом Пулатович,
докторант
Узбекистан Фанлар Академияси Навоий булими
Ашуров Хисрав Хуршид угли,
«Машинасозлик технологияси» кафедраси ассистенти
Навоий давлат кончилик институти
Аннотация. Илмий мацолада термоциклик ишловдан сунг пулатларнинг мустщкамлиги ва ейилишга чидамлилигини ошириш хусусиятларини аницлайдиган экспериментам тадцицот натижалари келтирил-ган. Термоциклик ишлов бериш жараёни структурани бошцариш усули булиб, цисца вацт ичида бир неча марта тезланма цамда тез цизитиш ва совитишдан иборат. Термоциклик ишлов бериш термик ишлов бериш усулига ухшаш булиб, бунда металлар тузилишидаги ижобий узгаришларнинг циклдан циклга доимий тупланишига асосланган. Бу жараён асоси циклларнинг интенсивлиги, ушлаб туриш вацти цамда оптимал щрорат узгариш диапазонидир. Ушбу мацолада олиб борилган тадцицотлар асосида, маълум бир щроратда циздириш орцали, белгиланган термик ишлов бериш цикллари сони, циздириш тезлигини пулатларнинг физик-механик хусусиятларига ва диффузия жараёни интенсивлашишига таъсири кузатилди. К,издириш жара-ёнида фаза ва таркибий узгаришларнинг интенсивлиги туфайли, машина цисмлари мустщкамлигини оши-ришга таъсир цилиш цонунлари аницланди щмда термоциклик ишлов бериш муддатини цисцартиришга эришилди. Бу эса машина цисмларининг ишончлилигини яхшилашга имкон беради. Назарий ва экспериментал тадцицотларга асосланиб, майда донали структуралар пулатларнинг ейилишга чидамлилигини оширишга ёрдам бериши аницланди. Пулатларга термоциклик ишлов бериш цулланганда, хрсил булган янги тузилиш-даги майда донали цамда механик хусусиятлари яхшиланган ва юцори чидамлиликка эга пулат тавсифлари олинди, мустщкамлиги 1,5 мартага, ейилишга чидамлилиги эса 1,9 баравар ошди.
Таянч тушунчалар: ишончлилик, чидамлилик, ейилишга чидамлилик, щрорат, цаттицлашув, аус-тенит, мартенсит, цаттицлик, тузилиш, ёпишцоцлик, иситиш, дислокация, щрорат, зичлик.
УЛУЧШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ МАРКИ 65Г МЕТОДАМИ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Каримов Наим Косимович,
заместитель начальника Центрального конструкторского бюро
Навоийский горный металлургический комбинат
Эгамбердиев Илхом Пулатович,
докторант
Навоийское отделение Академии наук Республики Узбекистан
Ашуров Хисрав Хуршид угли,
ассистент кафедры «Технология машиностроения»
Навоийский государственный горный институт
Аннотация. В научной статье приведены результаты экспериментальных исследований, в которых установлены особенности повышения прочности и износостойкости сталей после термоциклической обработки. На основе проведенных исследований определена закономерность влияния температурно-временных параметров термоциклической обработки на физико-механические свойства инструментальной стали и технологии упрочнения деталей машин за счет интенсификации процессов диффузии, фазовых и структурных превращений, позволяющих сократить длительность термической обработки, улучшить весь комплекс механических свойств, а значит, - надежность деталей машин. Также теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что получение сверхмелкого зерна способствует повышению износостойкости сталей. В результате использования термоциклирования получены более высокие характеристики механических свойств стали, вязкость разрушения возросла в 1,5 раза, а износостойкость - в 1,9 раза. Это объясняется характером получаемой структуры и степенью измельчения зерна.
Ключевые слова: надежность, долговечность, износ, напряжение, температура, упрочнение, аусте-нит, мартенсит, твердость, структура, вязкость, нагрев, дислокация, отпуск, плотность.
IMPROVEMENT OF STRENGTH AND WEAR RESISTANCE OF 65G STEELS BY
METHODS OF THERMOCYCLING
Karimov Naim Kosimovich,
Deputy Head of the Central Design Bureau
Navoi Mining Metallurgical Combinat
Egamberdiev Ilkhom Pulatovich,
PhD Student
Navoi Branch of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan
Ashurov Khisrav Khurshid ogli,
Assistant, Department of Mechanical Engineering
Navoi State Mining Institute
Abstract. 'Ше article presents the results of experimental studies that establish the features of increasing the strength and wear resistance of steels after thermocycling lbermocyclic treatment as a method of heat treatment is based on continuous accumulation from cycle to cycle of positive changes in the structure of metals. An important feature of the cycle is its intensity, the absence or the presence of short exposures, the optimal range of temperature changes. lbe paper establishes the laws of the influence of the temperature-time parameters of thermocyclic processing on the physicomechanical properties of tool steel and the technology of hardening machine parts due to the intensification of diffusion processes, phase and structural transformations, which reduce the duration of heat treatment and improve the whole complex of mechanical properties, that is the reliability of machine parts. Based on theoretical and experimental studies, it has been established that the production of ultrafine grains contributes to an increase in the wear resistance of steels. When using thermal cycling, higher characteristics of mechanical properties were obtained, fracture toughness increased by 1.5 times, and wear resistance increased by 1.9 times. 'Шis is due to the nature of the resulting structure and the degree of grain refinement.
Keywords: reliability, durability, wear-tear, tension, temperature, hardening, austenite, martensite, hardness, structure, viscosity, heating, dislocation, tempering, density.
Введение
На сегодняшний день актуальными задачами в машиностроительном производстве являются значительное повышение технического уровня и улучшение качества изготавливаемых деталей, обеспечение более полного удовлетворения потребностей в них машиностроения, металлообработки и других отраслей народного хозяйства.
Основным недостатком сталей, применяемых для изготовления рабочих частей механизмов, является их низкая твердость и малая износостойкость. Одним из перспективных видов упрочнения сталей является термоциклическая обработка (ТЦО). В отличие от других видов термообработки, структурные и фазовые превращения при ТЦО совершаются многократно при изменяющемся температурном режиме «нагрев - охлаждение». В результате такого воздействия в структуре материала накапливаются изменения, улучшающие качество изделий и придающие им свойства, недостижимые при традиционной термической обработке [1, 2, 3].
Испытания шестерен, упрочненных ТЦО, длятся 20 лет. За это время было сделано немало попыток, в том числе и нами, разобраться в причинах необычной износостойкости сталей 65Г и 55С2, упрочненных этим способом. Следовало установить причину, по которой одна и та же сталь марки 65 Г одинаковой твердости (58...60 HRCэ) при условии ТЦО приобретает пластичность, высокую прирабатываемость и износостойкость, а при одноразовом нагреве токами высокой частоты (ТВЧ) она имеет износостойкость в 2 раза ниже; почему нитроцементованная сталь 30ХГТ при одинаковой твердости со сталью 65 Г, упрочненной ТЦО, имеет износостойкость в 2 раза ниже. Попытки решить задачу с помощью оптического микроскопа оказались неудачными, т. к. микроструктуры стали 65 Г, упрочненные ТЦО, практически ничем не отличаются от стали 65 Г той же твердости, но закаленные одноразовым нагревом ТВЧ. Причины, видимо, лежат глубже, на уровне, недоступном для оптического микроскопа.
Определяющая характеристика явления, связанного с воздействием импульсного электрического поля на макро- и микроуровнях
вблизи отверстий, неметаллических включений, примесных атомов, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки металлов, заключается в неравномерном распределении тока при обтекании перечисленных выше препятствий [1, 4, 5]. Вследствие этого, ток определенной величины, концентрируясь на краях дефектов кристаллической решетки металла, вызывает местный нагрев его, у «устьев» дефектов, до температуры фазовых превращений, а также деформации ударного характера под влиянием электродинамических усилий. При этих условиях вокруг зоны разогрева возникает несколько зон, в том числе мелкоигольчатая мартенситоподобная структура с твердостью 1200... 1400 кг/мм2. И если мартенсит обычной закалки содержит до 0,4 % углерода, то при воздействии импульса тока содержание С в мартенсите возрастает до 0,7 %. При этом никакого выравнивания концентрации углерода в аустените не происходит. Следует отметить, что, согласно данным, твердость мартенсита линейно возрастает при увеличении содержания углерода в нем до 0,6 %.
Методика испытаний
Образцы стали марки 65Г диаметром 20 мм и высотой 7 мм нагревали в петлевом индукторе на установке ЛЗ-107 с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточно равномерной нагрев образцов.
Время нагрева составляло: до 450 °С -5,5 сек.; 550 °С - 7,0 сек.; до 700 °С - 11 сек.; 800 °С - 14 сек.; 870 °С - 17,5 сек.
Термическая обработка образцов заключалась в нагреве до указанных температур с последующим охлаждением на воздухе. Количество циклов «нагрев - охлаждение» было различно. Часть образцов после такой обработки подвергали индукционному нагреву до температуры 900 °С с последующей закалкой в масле и отпуском при 180 °С.
Микроструктуру образцов исследовали на микроскопе МИМ-8 при увеличении Х1000, а субмикроструктуру рентгенографические на установке ДРОН-2,0.
Испытания на износостойкость проводили на машине СМЦ-2 при трении качения с проскальзыванием при давлении 75 кгс в течение 40000 оборотов нижнего ролика. Образцы сталей на изнашивание представляли
собой ролики диаметром 30 мм и высотой 10 мм, которые термически обрабатывались по оптимальным режимам.
Образцы для исследования травили в течение 30 мин в 20 %-ном водном растворе азотной кислоты. Плотность дислокаций определялась по уширению линий интерференции рентгенограмм в зависимости от угла отражения 0, т. к., согласно данным, при высокой плотности дислокаций они неразрушимы электронно-мик-роскопически. Согласно данным, расчет плотности дислокаций по ширине рентгеновской линии дает результаты, близкие с электронно-микроскопическими при плотности дислокаций р =109 см-2. Следовательно, при высокой плотности дислокаций она определяется широтой линии, которая пропорциональна tg 0.
Плотность дислокаций определяли по физической ширине рентгеновской линии:
где Р - физическая ширина рентгеновской линии; Ь - вектор Бюгерса; 0 - брэгговс-кий угол отражения.
В работе показано, что плотность дислокаций, рассчитанная по уширению рентгеновских линий, удовлетворительно коррелиру-ется с данными прямых методов наблюдения дислокаций.
Съемку рентгенограмм проводили в режиме автозаписи с применением дифрактометра ДРОН-2, использовали излучение железного анода. Физическая ширина рентгеновской линии находилась методом аппроксимации с ис-
пользованием поправочных графиков, а также в соответствии с методическими указаниями при отыскании аппроксимирующей функции. Период решетки находили по квадратной зависимости по положению центра тяжести распределения интенсивности рентгеновских линий (220):
а= X/(2sme)-H2+ К2+ L2.
Исследование проводили по следующим условиям: трубка с железным анодом, U=25 кВ, анодный ток 1=6 мА, скорость движения счетчика 1 0/мин, скорость движения диаграммой ленты 1800 мм/ч, постоянная времени равна 5, предел измерения равен 224, В - ширина линии, B=S/I .
' max
Если предположить, что кривая интенсивности приблизительно описывает треугольник, то можно взять S = 1/2ah и тогда a = 2S/h. Ширина линии наполовину высоты может быть принята за ширину рентгеновской линии. Однако арифметическое вычитание из одной ширины другую большей частью неправильно, поэтому используют различные вспомогательные графики. Это зависит от того, какой формулой описываются данные кривые. Они чаще всего бывают:
Т=Т .¿*хг .т_ т__1_. т т__1_
1 10 а I1 ■'о п 2 \ 5 0 /1 , 2 \2 '
(1 + у% ) (1 + ух )
Наша задача найти физическую ширину, т. е. ту ширину, которая полностью связана с дефектностью кристаллического строения. Таким образом, необходимо из общей ширины
Таблица1
Показатели шестерен Z=12, проходивших 500-часовые стендовые испытания
№ Марка стали Метод упрочнения Глубина упрочненного слоя, мм Твердость
упрочненного слоя, HRCэ сердцевины зуба, HRCэ
1 65Г ТЦО (термоциклическая закалка) Зубья прокалены насквозь 58...60, пластичен 58...60, пластична
2 65Г ТВЧ (без цикли-рования) Зубья прокалены насквозь 58...61, хрупкий 58...61, хрупкая
3 30ХГТ Нитроцемента-ция, закалка 0,6 58...61, хрупкий 33 ...45, пластична
вычесть так называемую инструментальную ширину, связанную с условиями геометрии съемки, а также необходимо вычесть дублетную часть, связанную с излучением к 2 кроме основного к
а1
Исследование на износостойкость
В связи с заменой материала серийных шестерен Z=12 стали 40Х на сталь 30ХГТ были проведены 500-часовые стендовые испытания шестерен, изготовленных из сталей 30ХГТ нитроцементованных; 65Г упрочненных ТЦО, 65Г упрочненных обычной индукционной закалкой при скорости нагрева, используемой при ТЦО.
В таблице 1 приведены материалы, из которых изготовлялись шестерни, подвергавшиеся стендовым испытаниям.
Режимы термической о'
Шестерни, изготовленные в соответствии с данными таблиц 1 и 2, испытывались на стационарно установленном стенде.
Из таблицы 2 следует, что твердости испытанных шестерен при общем высоком уровне твердости мало отличаются друг от друга.
По стендовым испытаниям шестерни Z=12 были подвергнуты микрометражу, проводившемуся с применением тангенциального зубомера марки 10Б. Износ определялся методом сравнения профиля и толщины зубьев шестерен до и после испытаний. Предварительная установка зубомера проводилась по контуру неработающей части зуба шестерни.
В таблице 3 приведены износы шестерен Z=12 после 500-часовых стендовых испытаний.
Таблица 2
работки шестерен Z=12
№ Марки стали Режим упрочнения
1 65Г ТЦО Нагрев ТВЧ до 400... 500 °С, за время 3 сек. не более, с промежуточным охлаждением на воздухе (или в масле) до 20... 200 °С. Повторить 5 раз. Нагрев ТВЧ до 900... 980 °С, за время 7 сек. не более, охлаждение в масле. Отпуск при 180 °С, выдержка 1 час HRCэ 58... 60.
2 65Г ТВЧ Нагрев ТВЧ до 950+20 °С, за время 6...8 сек., охлаждение в масле. Отпуск при 180... 200 °С, выдержка 1 час HRCэ 58...61.
3 30ХГТ Нитроцементация при температуре 860 °С, выдержка 8 часов, подсушивание на воздухе до 820 °С, охлаждение в селитровой ванне при температуре 220... 240 °С, выдержка 20 мин, замочка в воде, отпуск в печи при температуре 220... 240 °С, выдержка 1 час, твердость HRCэ 58... 62.
Таблица 3
Износ шестерен Z=12 по результатам 500-часовых стендовых испытаний
№ варианта в соответствии с табл. 1 и 2. Материал и термическая обработка согласно табл. 1 и 2 Твердость HRCэ Средне- арифметическое значение износа, мм Износ в % относительно базового варианта Превышение величины износа относительно базового варианта
1 Сталь 65Г, ТЦО 58...60 0,31 100 -
2 Сталь 65Г, ТВЧ 58...61 0,59 190,3 90,3
3 Сталь 30ХГТ нитроце-ментация 58...61 0,60 193,6 93,6
Как известно, ТЦО состоит из предварительной термической обработки (ПТО) и окончательной термической обработки (ОТО). При ПТО в описываемым эксперименте нагрев шестерен Z=12 до 400... 500 °С производился 3 раза с промежуточным охлаждением на воздухе до 20...200 °С. Длительность каждого нагрева 1 сек. Частота тока равна 450 кГц. Таким образом, при проведении ПТО на металл шестерни воздействовало 1,35 млн импульсов тока, образовавших в толще
металла множество мельчайших зон с твердостью 1200... 1400 кг/мм2. К этому количеству импульсов добавляются еще около 0,5 млн импульсов, происходящих за первые 1-3 сек. при нагреве для ОТО, а всего 1,85 млн импульсов. При этом достигается насыщение металла закаливаемой детали супердисперсными микрозонами. Образующийся при ОТО мартенсит наследует тонкое строение аустенита. Следствием комплекса сложных процессов, происходящих при ТЦО, является образование
Таблица 4
Изменения уровня дефектности кристаллического строения (плотность дислокации) стали 65 Г после циклической обработки, последующего индукционного нагрева,
закалки в масло и отпуска при 180 оС
№ Вид обработки Физическая ширина рентгеновских линий Р = 10-3 рад Среднее значение Р = 10-3 рад Твердость HRC Плотность дислокации р, 1/см2
1 1 цикл, 450 оС+закалка+ +отпуск 180оС 68,4; 64,75 66,42 59,5 3,613-10и
2 2 цикл, 74,2; 66,6 70,4 59 4,06-10и
3 ^ и» 3 цикл, 64,5; 71,68; 70,36 68,91 60 3,89-10 -11
4 л "" 4 цикл, 64,98 64,98 59 3,458-10и
5 г ((» 5 цикл, 73,9; 69,0; 69,5 70,8 59,5 4Д06-1011
6 /■ и» 6 цикл, 64,5; 63,9; 66,6 65,0 59 3,461-10и
7 1 цикл, 550 оС+закалка+ +отпуск 180оС 73,4; 63,9; 62,17 66,49 58,5 3,621-10и
8 2 цикл, 68,2; 65,54 66,8 59 3,655Л0И
9 ^ и» 3 цикл, 67,57; 65,73; 64,98 66,09 59,5 3,578Л0И
10 л "" 4 цикл, 69,48 69,48 59 3,954Л0И
11 1 цикл, 700 оС+закалка+ +отпуск 180оС 71,69; 69,0 70 59,5 4,014Л0И
12 "у ((» 3 цикл, 63,66; 64,0 63,87 60 3,34Ь10И
13 г ((» 5 цикл, 63,0 63,0 59 3,25Ь10И
14 1 цикл, 800 оС+закалка+ +отпуск 180оС 60,5 60,5 59 2,998Л0И
15 2 цикл, 63,9 63,9 59 3,344Л0И
16 ^ и» 3 цикл, 60,76; 62,99 61,87 59,5 3Д35-1011
17 Закалка исходного прутка+отпуск 180 оС 64,98 64,98 59,5 3,458Л0И
мартенсита, насыщенного дефектами кристаллической структуры. В соответствии с современными взглядами на физическую сторону процессов термической обработки металла, такая структура соединяет в себе и твердость, и пластичность, и высокое сопротивление абразивному износу.
Следует добавить, что отмечаемое повышение износостойкости шестерен, нагретых под закалку токами высокой частоты, в сравнении с шестернями печного нагрева имеет то же происхождение.
Все экспериментальные шестерни изготовлялись из проката, минуя стадию поковки заготовок. Это показывает, что благоприятное
воздействие ТЦО на структуру металла снимает отрицательное влияние горячего проката. Металл, частично закалившийся при прокате, подлежит смягчающей термообработке, что не отражается на результатах ТЦО.
Результаты экспериментальных исследований
Изменения уровня дефектности кристаллического строения (плотность дислокации) стали 65Г после циклической обработки, последующего индукционного нагрева, закалки в масло и отпуска при 180 оС приведены в таблице 4, на рисунках 1 и 2.
Результаты экспериментальных исследований циклической закалки тяжелонагружен-
Рис. 1. Изменения уровня дефектности кристаллического строения (плотность дислокации) стали 65Г после циклической обработки, последующего индукционного нагрева, закалки в масло и отпуска при 180 оС
Таблица 5
Технические требования и режимы термической обработки шестерни
Сталь Существующая технология термической обработки Технические требования
Толщина слой, мм Твердость HRC (структура)
Поверхности зуба Сердцевины зуба
40Х Нитроцементация++ изотермическая закалка 0,4-0,6 52...60 (мартенсит среднеигольчатый с избыточными карбо-нитридными включениями) 45...48 (крупноигольчатый мартенсит с участками троостита)
Рис. 2. Зависимость температуры и плотности дислокации в ТЦО
ных высоконапряженных шестерен из стали 65Г (ГОСТ 14959-79) даны взамен детали 40Х (ГОСТ 4543-71). Технические требования и режимы термической обработки шестерен (т=3, Z=12) приведены в таблице 5.
Режим термической обработки и результаты исследований термически обработанных шестерни приведены в таблице 6.
Результаты сравнительных испытаний шестерен из сталей марок 40Х и 65Г показали, что шестерни из стали 65Г обладают более высокими износостойкостью (в 1,4-1,9 раза) и эксплуатационной подвижностью с очевид-
ным в процессе испытаний изменением характера разрушения зубьев в сторону чистого изнашивания на основании результатов сравнительного родства самих шестерен из стали 65Г и промышленного высокопроизводительного оборудования для их термоциклической обработки.
Выводы
В результате выполненных исследований получены следующие основные результаты и выводы:
1. Установлено, что в сталях с различной исходной структурой формирование опти-
Таблица 6
Режим термической обработки и результаты исследований термически обработанных
шестерен*
Сталь Технология термической обработки HRCэ
поверхности зуба сердцевины зуба ножки зуба и впадины
65Г Индивидуальная циклическая закалка+отпуск 58...60 58...59,5 58...59
^Примечание: структура поверхности, сердцевины, ножки зуба и впадины отпущенного мелкоигольчатого мартенсита балла 3.
мального комплекса физико-механических свойств, сочетающих высокую твердость и прочность с достаточной пластичностью и ударной вязкостью, происходит при цикли-ровании в интервале, где максимальная температура в цикле равна температуре закалки, а минимальная - температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита данной стали.
2. Результаты сравнительных испытаний шестерен из стали марки 65Г обладают износостойкостью, которая повышается в 1,4-1,9 раза, твердостью по поверхности зуба HRC 58...60, по сердцевине зуба HRC 58...59, по ножке зуба и впадины HRC 58... 59.
3. Микроструктура поверхности, сердцевины, ножки зуба и впадины - отпущенный мелкоигольчатый мартенсит.
Источники и литература
1. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машины. - Л.: Машиностроение, 1989. - 255 с.
2. Кайбышев О.А., Утяшев Ф. З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка трудно-деформируемых сплавов. - М.: Наука, 2002. - 438 с.
3. Anisovich G., Topfenets R.L., Marukovich E.I. . Improvement of the structure of the press molds coating of thermocyclic processing / / Lit'yo I Metallurgiya. - Issue 3. - 2005. - Рр. 119-121.
4. Blohin V. Increasing of fatigue properties of foundry aluminium alloys, produced with application of secondary raw materials by method of thermocyclic processing // Lit'yo I Metallurgiya.- Issue 4. - 2009. -Рр. 72-75.
5. Nevar N.F., Topfenets R.L., Chirun D. Influence of thermocycuc processing on the structure and mechanical characteristics of cast boron-containing alloy // Lit'yo I Metallurgiya. - Issue 2. - 2008. -Рр. 56-59.
Рецензент: Тошболтаев М.Т., техника фанлари доктори, профессор, Кишло^ хужалигини
механизациялаш илмий-тад^и^от институти директорининг илмий ишлар ва инновациялар
буйича уринбосари
