CC BY
4
DOI: 10.53078/20778481_2023_3_115
УДК 621.9.047:669:538.8
В. М. ШЕМЕНКОВ1, канд. техн. наук, доц. М. А. РАБЫКО1 В. В. ШЕМЕНКОВ2
Белорусско-Российский университет (Могилев, Беларусь)
2Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (Минск, Беларусь)
ВЛИЯНИЕ ПРИКАТОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ ШТАМПОВОЙ СТАЛИ 4Х4ВМФС
Аннотация
Представлены результаты исследования микротвердости, износостойкости, структуры и фазового состава образцов из штамповой стали 4Х4ВМФС после классической закалки и подвергнувшейся обработке тлеющим разрядом как с магнитным полем, так и без него. Ключевые слова:
тлеющий разряд, микротвердость, износостойкость, структура, фазовый состав, модифицирующая обработка, поверхностный слой, сталь. Для цитирования:
Шеменков, В. М. Влияние прикатодного магнитного поля на эффективность процесса упрочнения тлеющим разрядом штамповой стали 4Х4ВМФС / В. М. Шеменков, М. А. Рабыко, В. В. Шеменков // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2023. - № 3 (80). - С. 115-125.
Введение
Штамповые стали для горячей обработки давлением, такие как сталь 4Х4ВМФС и ее заменители, предназначены для работы в условиях интенсивного ударного и термоциклического нагружения. От них требуется сложный, иногда взаимоисключающий, комплекс эксплуатационных и технологических свойств, таких как прочность, износостойкость, вязкость и прокалива-емость, а также теплостойкость, окали-ностойкость и разгаростойкость.
Благодаря комплексному легированию вольфрамом и молибденом сталь 4Х4ВМФС имеет более высокую вязкость, что способствует повышению разгаростойкости и теплостойкости до 600 °С.
Сталь близка по составу и видам превращений при термической обработке к быстрорежущим сталям, однако
является доэвтектоидной с меньшим содержанием карбидов типа М23С6 и М6С. Хром в составе стали обеспечивает достаточно хорошую окалино- и износостойкость.
Сталь 4Х4ВМФС - одна из основных сталей в отечественной промышленности при изготовлении пресс-форм литья под давлением и штамповой оснастки, испытывающих периодический нагрев, охлаждение поверхности и объемное воздействие нагретого металла.
Представлены результаты исследований, которые являются логическим продолжением ранее опубликованной работы авторов [4].
Целью данной работы являлось изучение влияния прикатодного магнитного поля на степень упрочнения образцов, изготовленных из штамповой стали 4Х4ВМФС, их износостойкость и структурно-фазовое состояние в поверхностном слое.
© Шеменков В. М., Рабыко М. А., Шеменков В. В., 2023
В рамках работы исследования проводились на образцах размером 10 х 20 х 10 мм из стали 4Х4ВМФС ГОСТ 5950-2000 промышленной плавки, прошедших классическую термическую обработку, заключающуюся в закалке с 1130 °С на масло с последующим отпуском при 550 °С в течение 2 ч, что, как правило, для данной стали приводит к выделению высокодисперсных карбидов [1].
Методика исследования
В работе применялись растровая электронная микроскопия и рентгеновский структурный анализ для исследования структуры и фазового состава стали. Для определения твердости поверхностного слоя использовался дюрометриче-ский метод по Виккерсу, износостойкость определялась по принципу сухого трения образца и контртела. Методика проведения указанных исследований
аналогична методике, описанной в [2, 3].
Для определения глубины упрочненного слоя образцы подвергались разрезанию по плоскости, перпендикулярной упрочняемой поверхности (плоскость разреза).
Обработка образцов тлеющим разрядом так же, как и в [2-4], осуществлялась по трем основным режимам, соответствующим режимам обработки стали Х12МФ [4]. Время обработки по всем режимам составило 30 мин.
Результаты исследования и их обсуждение
На основании растровой электронной микроскопии поверхностного слоя образцов по плоскости разреза выявлено, что структура стали 4Х4ВМФС после термической обработки соответствует классической мартенситной структуре (рис. 1, а).
Рис. 1. Структура поверхностного слоя образцов из стали 4Х4ВМФС: а - до обработки тлеющим разрядом;
б - электронное изображение структуры с участками анализа; в - рентгеновские спектры от участков образца
Большое количество карбидообра-зующих элементов, таких как хром (Сг), ванадий (V) и вольфрам в сочетании с высоким содержанием углерода способствуют образованию большого количества как тугоплавких карбидов, так и различных карбидов хрома (рис. 1, б, в).
Как можно увидеть, карбидные
частицы имеют сложную вытянутую форму, что характерно для металла, подвергнутого пластическому деформированию. Средняя площадь карбидных включений составляет 35.. .40 мкм2.
Обработка тлеющим разрядом приводит к перераспределению карбидной фазы в поверхностном слое глубиной до 50 мкм (рис. 2).
Рис. 2. Структура поверхностного слоя образцов из стали 4Х4ВМФС, обработанных тлеющим разрядом: а - после обработки по режиму № 1; б - после обработки по режиму № 2; в - после обработки по режиму № 3
Применение прикатодного магнитного поля при обработке тлеющим разрядом приводит к увеличению глубины модифицированного слоя до 80 мкм (рис. 3). Структура поверхностного слоя имеет два ярко выраженных участка, отличающихся между со-
бой фазовыми контрастами, причем величина первого составляет 20...25 мкм. Данная особенность может быть объяснена интенсивностью теплового воздействия на упрочняемую поверхность в процессе обработки.
Рис. 3. Структура поверхностного слоя образцов из стали 4Х4ВМФС после обработки тлеющим разрядом с использованием прикатодного магнитного поля: а - после обработки по режиму № 1; б - после обработки по режиму № 2; в - после обработки по режиму № 3
Рештеноструктурный анализ образцов в исходном состоянии выявил, что сталь 4Х4ВМФС содержит мартенсит (a-Fe), остаточный аустенит (y-Fe), карбид вольфрама (WC), карбид ванадия (VC), трикарбид гептахрома (СпСз), имеющий гексагональную кристаллическую решетку, и гексакарбид 23-хро-ма, имеющий кубическую кристалличе-
скую решетку (СГ23С6) (рис. 4).
Как и при исследовании предыдущих штамповых сталей [2-4], установлено, что параметр кристаллической решетки мартенсита (табл. 1) имеет повышенные значения, что обусловлено растворением в нем легирующих элементов с большим атомным радиусом. Количество остаточного
аустенита составляет 3,9 %, что свидетельствует о качественно проведенной
термической обработке.
75 80 85 90 20, град
Рис. 4. Фрагмент рентгеновской дифрактограммы стали 4Х4ВМФС после классической термической обработки
Табл. 1. Фазовый состав, количество остаточного аустенита Аост, параметр решетки а, физическое уширение в дифракционных линий и плотность дислокаций р стали 4Х4ВМФС в исходном состоянии
Образец Фазовый состав Аост, % Oa-Fe, нм Р110, 10 3 рад Р220, Ю-3 рад р, 1012 см-2
эксперимент эталон
Исходный a-Fe, y-Fe, СГ23С6, СГ7С3, WC, VC 3,9 0,2878 0,2866 11,1701 41,8426 24,1
Обработка тлеющим разрядом не приводит к изменению фазового состава стали (рис. 5 и 6).
В результате обработки происходит изменение параметра кристаллической решетки мартенсита, что связано с перераспределением легирующих элементов и попаданием их атомов в кристаллическую решетку a-Fe (табл. 2).
Как видно, обработка тлеющим разрядом по первому режиму приводит к снижению остаточного аустенита. Рост энергетических параметров разряда приводит к росту остаточного аусте-нита. Использование прикатодного магнитного поля приводит к значительному
росту остаточного аустенита при обработке по первому режиму, однако в отличие от обработки классическим тлеющим разрядом использование магнитного поля приводит к значительному снижению остаточного аустенита с ростом энергетических характеристик разряда.
Использование прикатодного магнитного поля приводит к снижению количества дефектов в стали в большей степени, чем при обработке классическим тлеющим разрядом, на что указывает снижение уширения дифракционных линий и уменьшение плотности дислокаций. Для обоих случаев обра-
ботки наблюдается снижение плотности дислокаций с ростом энергетических
характеристик тлеющего разряда.
о
с
s
о О ЕС
сс
s
'J
X
о н
X
BQOGU
70000 60000 50000 40000 300DÛ 20000 ЮООО О
1ПОООО ЭОООО НОООО 70000 GOODO 50000 40000 (ООО» 20000 ÎOODO 0
1Ю000
юоооо
90000
аоооо
7 ОО СЮ
еоооо
SOOÛO 40000 ЗООС'О г ос) ( in
ЮООО
о
ТР № 1
о
Lj
О
А.
п J
4С ¿15 50 55 60 65 70 75 50 Е5 90 95 100 105 110 115 120 125 13Э
— w
1 ï-^I
ТР № 2
—
X.
EAJ
о
3 <-J
о
4С 45 50 55 60 Û5 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 13Э
CJ
ТР № 3
с> _ = ^ =
— -- г^
О —' и
oit
— rj
г ' — 12, CJ
'— i ГЧ ^ ~
A
4C 45 50 55 60 65 70 75 80 85 100 105 110 115 120 125 13Э
29, град
Рис. 5. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм образцов из стали 4Х4ВМФС после обработки тлеющим разрядом с различными режимами
90000
ТР+МП № 1
£
— о
— о
—
о >
о >
и
г--¡-<
О
Ч-гч
и
!К
Г ) ^
ОО Осо П -—^
^ г] -с —
Ч
ь;1 и- сУ
о ¿.о ^
а с
о
(Ч
<ч
А.
40 ¿5 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
ТР+МП №2
40 ¿5 50 55 60
1000СС 90000 80000 70000 БОООО 50000 40000 ЗОООО 20000 ЮОСО
О
и
с гч
и >
и
и,
и
95 100 105 110 115 120 125 130
ТР+МП № 3
и
I
и
и
5Л.
и
о >
о
о >
и.
а
сч
¿-и &
А
о о
40 ¿5 50 55 60 65 70
74 80 85 90
20, град
95 100 105 110 115 170 175 130
Рис. 6. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм образцов из стали 4Х4ВМФС после обработки тлеющим разрядом с различными режимами с использованием прикатодного магнитного поля
Табл. 2. Фазовый состав, количество остаточного аустенита Аост, параметр решетки а, физическое уширение в дифракционных линий и плотность дислокаций р стали 4Х4ВМФС после различных режимов обработки
Образец (режим обработки) Фазовый состав Аост, % Оа-Ре, нм р110, 10-3 рад Р220, 10"3 рад р, 1012 см-2
ТР № 1 3,7 0,2877 10,1855 42,8997 25,3
ТР + МП № 1 6,0 0,2877 9,6509 38,1209 20,0
ТР № 2 а-Ре, у-Ре, СГ23С6, СГ7С3, WC, VC 4,3 0,2877 9,8700 38,4039 20,3
ТР + МП № 2 5,4 0,2877 10,4818 36,5260 18,3
ТР № 3 4,7 0,2877 10,0198 40,4838 22,5
ТР + МП № 3 3,0 0,2877 10,2609 41,8930 24,1
От выявленной тенденции отличаются результаты обработки по режиму № 3, где использование прикатодно-го магнитного поля приводит к росту уширения дифракционных линий и незначительному увеличению плотности дислокаций.
Исследуя отражение от дифракционной линии (640) гексакарбида 23-хро-ма, можно сделать вывод о том, что использование прикатодного магнитного
поля приводит к измельчению карбидной фазы по отношению к классической обработке вместе с ростом физического уширения и плотности дислокаций, что свидетельствует о росте сжимающих напряжений (табл. 3) [5].
Однако при обработке по режиму № 2 использование прикатодного магнитного поля, наоборот, приводит к росту размера частиц Сг2зСб.
Табл. 3. Угловое положение линии (640), параметр решетки а, физическое уширение в дифракционных линий размера частиц и плотность дислокаций р фазы Сг2зСб
Образец (режим обработки) 20260, град а, нм Р260, 10"3 рад Размер частиц СГ23С6, нм р, 1012 см-2
Исходный 74,395 1,06692 9,2393 22,6 3,75
ТР № 1 74,465 1,06606 8,2261 25,7 2,91
ТР + МП № 1 74,475 1,06594 10,8753 19,4 5,08
ТР № 2 74,434 1,06644 8,9885 23,5 3,48
ТР + МП № 2 74,445 1,06631 7,4090 28,5 2,36
ТР № 3 74,390 1,06698 8,3073 25,4 2,97
ТР + МП № 3 74,445 1,06631 9,0999 23,2 3,56
Статистическая обработка экспериментальных данных дюрометриче-ского анализа образцов до обработки и прошедших обработку тлеющим разрядом как с магнитным полем, так и без него позволила получить зависимость
приращения поверхностной твердости по Виккерсу. Графическая интерпретация полученных моделей представлена на рис. 7 и 8.
Сравнительный анализ полученных результатов приращения поверх-
ностной твердости (табл. 4) показал, что использование магнитного поля приводит к росту микротвердости поверхности на 5 % с одновременным снижением
удельной мощности горения разряда на 40 %.. .50 % и трехкратным сокращением времени обработки.
Рис. 7. Влияние напряжения и тлеющего разряда и времени обработки Т (а), напряжения и и плотности тока 3 (б), плотности тока 3 тлеющего разряда и времени обработки Т (в) на приращение микротвердости по Виккерсу поверхности образцов из стали 4Х4ВМФС при обработке тлеющим разрядом
Рис. 8. Влияние напряжения и тлеющего разряда и времени обработки Т (а), напряжения и и плотности тока 3 (б), плотности тока 3 тлеющего разряда и времени обработки Т (в) на приращение микротвердости по Виккерсу поверхности образцов из стали 4Х4ВМФС при обработке тлеющим разрядом с прикатодным магнитным полем
Табл. 4. Оптимальные значения технологических параметров обработки образцов тлеющим разрядом, обеспечивающие получение наибольшей микротвердости
Вид обработки Оптимальное значение технологических параметров обработки (см. рис. 7 и 8) Приращение твердости ЛHV, %
и, кВ 3, мА/м2 Т, мин Ш, кВт/м2
Тлеющий разряд 0,8 0,375 45 0,3 114
Тлеющий разряд с прикатодным магнитным полем 0,8 0,250 13 0,2 120
На основании статистической обработки экспериментальных данных исследования износостойкости также получена зависимость, графическая интерпретация которой представлена на рис. 9 и 10.
Сравнительный анализ полученных результатов (табл. 5) показал,
что использование магнитного поля приводит к росту износостойкости на 30 %...35 % с одновременным снижением удельной мощности горения разряда на 40 %...45 % с одновременным сокращением времени обработки на 50 %.
а) б) в)
Рис. 9. Влияние напряжения и тлеющего разряда и времени обработки Т (а), напряжения и и плотности тока 3 (б), плотности тока 3 тлеющего разряда и времени обработки Т (в) на рост коэффициента износостойкости поверхности образцов из стали 4Х4ВМФС при обработке тлеющим разрядом
Рис. 10. Влияние напряжения и тлеющего разряда и времени обработки Т (а), напряжения и и плотности тока 3 (б), плотности тока 3 тлеющего разряда и времени обработки Т (в) на рост коэффициента износостойкости поверхности образцов из стали 4Х4ВМФС при обработке тлеющим разрядом с прикатодным магнитным полем
Табл. 5. Оптимальные значения технологических параметров обработки образцов тлеющим разрядом, обеспечивающие получение наибольшей износостойкости
Вид обработки Оптимальное значение технологических параметров обработки (см. рис. 9 и 10) Коэффициент износостойкости К
и, кВ 3, мА/м2 Т, мин Ш, кВт/м2
Тлеющий разряд 0,8 0,250 20 0,20 1,7
Тлеющий разряд с прикатодным магнитным полем 0,8 0,175 13 0,14 2,3
Проведенный анализ микротвердости по глубине образцов показал, что использование прикатодного магнитно-
го поля приводит к росту упрочненного поверхностного слоя в среднем на 50 %...55 % (рис. 11).
7400 МПа 7000 6800
НУ 6600
0,05
6400
6200 6000 5800
______■ \ 3
/ / \ ч N \ 2
V \
\
\ \ 1 1
N \
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 1 Юмкм 120
Глубина измерения
Рис. 11. Микротвердость поверхностного слоя образцов из стали 4Х4ВМФС: 1 - до обработки тлеющим
разрядом; 2 - после обработки тлеющим разрядом; 3 - после обработки тлеющим разрядом с использованием прикатодного магнитного поля
Выводы
Обработка образцов из стали 4Х4ВМФС тлеющим разрядом не приводит к изменению параметра кристаллической решетки мартенсита.
Обработка тлеющим разрядом оказывает сложное влияние на количество остаточного аустенита. На минимальных режимах обработки наблюдается снижение его процентного содержания относительно исходного образца, однако с ростом энергетических параметров разряда происходит его рост.
Применение прикатодного магнитного поля приводит к обратной тенденции.
Использование прикатодного магнитного поля приводит к снижению количества дефектов в стали в большей степени, чем при обработке классическим тлеющим разрядом.
Влияние прикатодного магнитного поля на карбидную фазу носит сложный характер. На минимальных и максимальных режимах обработки магнитное поле приводит к измельчению частиц СГ23С6 и росту сжимающих напряжений в них. На режимах обработки, соответ-
ствующих средним значениям, наблюдается обратная картина.
Применение прикатодного магнитного поля в процессе упрочнения изделий из штамповой стали 4Х4ВМФС тлеющим разрядом приводит к росту микротвердости поверхности на 5 %, из-
носостойкости на 30 %...35 % с одновременным снижением удельной мощности горения разряда на 40 %...50 % и значительным сокращением времени обработки. Глубина упрочненного слоя увеличивается на 50 %.. .55 %.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Структурно-фазовое модифицирование инструментальных материалов тлеющим разрядом : монография / В. М. Шеменков [и др.] ; под общ. ред. В. М. Шеменкова. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2017. - 270 с.: ил.
2. Рабыко, М. А. Структурно-фазовое модифицирование штамповых сталей обработкой тлеющим разрядом в магнитном поле / М. А. Рабыко, В. М. Шеменков, А. Н. Елисеева // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2022. - № 2 (75). - С. 23-31.
3. Рабыко, М. А. Влияние прикатодного магнитного поля на структурно-фазовое состояние инструментальной штамповой стали 5Х3В3МФС при обработке ее тлеющим разрядом / М. А. Рабыко, В. М. Шеменков // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2022. - № 3 (76). - С. 77-86.
4. Шеменков, В. М. Влияние прикатодного магнитного поля на степень упрочнения тлеющим разрядом штамповой стали Х12МФ / В. М. Шеменков, М. А. Рабыко // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. -2023. - № 2 (79). - С. 118-128.
5. Горелик, С. С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ : учебное пособие / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков, Л. Н. Расторгуев. - 4-е изд., перераб. и доп. - Москва: МИСиС, 2002. - 360 с.: ил.
6. Лысак, Л. И. Определение истинной ширины рентгеновских интерференционных линий с применением стандартного образца / Л. И. Лысак // Вопросы физики металлов и металловедения: сб. тр. - Киев, 1955. - № 6. - С. 40-53.
Статья сдана в редакцию 10 июля 2023 года
Контакты:
[email protected] (Шеменков Владимир Михайлович); [email protected] (Рабыко Марина Александровна); [email protected] (Шеменков Владислав Владимирович).
V. M. SHEMENKOV, M. A. RABYKO, V. V. SHEMENKOV
INFLUENCE OF THE CATHODE MAGNETIC FIELD ON THE EFFICIENCY OF THE PROCESS OF GLOW DISCHARGE STRENGTHENING OF 4X4VMFS STAMPED STEEL
Abstract
The paper presents results of the study of microhardness, wear resistance, structure and phase composition of samples made of 4X4VMFS stamped steel after classical quenching and subjected to glow discharge treatment, both with and without a magnetic field. Keywords:
glow discharge, microhardness, wear resistance, structure, phase composition, modifying treatment, surface layer, steel.
For citation:
Shemenkov, V. M. Influence of the cathode magnetic field on the efficiency of the process of glow discharge strengthening of 4x4vmfs stamped steel / V. M. Shemenkov, M. A. Rabyko, V. V. Shemenkov // Bela-rusian-Russian University Bulletin. - 2023. - № 3 (80). - P. 115-125.
