CC BY
7
DOI: 10.53078/20778481_2023_2_118 УДК 621.9.047:669:538.8 В. М. Шеменков, М. А. Рабыко
ВЛИЯНИЕ ПРИКАТОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТЕПЕНЬ УПРОЧНЕНИЯ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ ШТАМПОВОЙ СТАЛИ Х12МФ
V. M. Shemenkov, M. A. Rabyko
INFLUENCE OF CATHODE MAGNETIC FIELD ON THE DEGREE OF GLOW DISCHARGE HARDENING OF H12MF STAMPED STEEL
Аннотация
Представлены результаты исследования микротвердости, износостойкости, структуры и фазового состава образцов из штамповой стали Х12МФ после классической закалки и подвергнувшихся 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 степень упрочнения тлеющим разрядом штамповой стали Х12МФ / В. М. Шеменков, М. А. Рабыко // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2023. - № 2 (79). - С. 118-128.
Abstract
The paper presents results of studies of microhardness, wear resistance, structure and phase composition of samples made of H12MF 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 cathode magnetic field on the degree of glow discharge hardening of H12MF stamped steel / V. M. Shemenkov, M. A. Rabyko // Belarusian-Russian University Bulletin. - 2023. -№ 2 (79). - P. 118-128.
Введение
Как известно, высокохромистая инструментальная полутеплостойкая сталь Х12МФ (и ее иностранные аналоги) из-за повышенной износостойкости является самой популярной штамповой сталью в мире. Следует отметить, что, несмотря на некоторые трудности, возникающие при термической обработке, до 60 % штампов и других инструментов, деформирующих металл в холод© Шеменков 13. М., Рабыко М. А., 2023
ном или относительно невысоко нагретом состоянии, изготавливаются из данной стали.
Несмотря на уникальные механические свойства штамповой стали Х12МФ, особенно износостойкость, получаемую при классической термической обработке, их зачастую недостаточно, вследствие чего различными учеными проводятся работы по разработке дополнительных методов повышения износостойкости указанной ста-
ли. Одним из таких перспективных методов является обработка изделий из сталей и сплавов тлеющим разрядом с прикатодным магнитным полем.
С точки зрения науки большой интерес представляет установление влияния использования прикатодного магнитного поля на эффективность процесса упрочнения.
Целью данной работы являлось изучение влияния прикатодного магнитного поля на степень упрочнения образцов из штамповой стали Х12МФ, их износостойкость и структурно-фазовое состояние в поверхностном слое.
Исследования проводились на образцах из стали Х12МФ ГОСТ 5950-2000 промышленной плавки, прошедших закалку с 970 °С и последующий отпуск при 180 °С [1].
Результаты исследования и их обсуждение
На основании металлографического анализа поверхностного слоя образцов выявлено, что структура стали Х12МФ после термической обработки соответствует классической мартенсит-ной структуре (рис. 1, а).
В стали Х12МФ содержится большое количество карбидообразую-щих элементов, таких как хром (Сг), ва-
Методика исследования
В работе применялись электронно-микроскопический и рентгеноструктур-ный методы анализа структуры и фазового состава. Для определения твердости поверхностного слоя использовался дюрометрический метод.
Методика проведения указанных исследований аналогична методике, описанной в [2, 3].
Для определения глубины упрочненного слоя образцы разрезались по плоскости, перпендикулярной поверхности, направленной в процессе обработки тлеющим разрядом в сторону анода.
Обработка образцов тлеющим разрядом так же, как и в [2, 3], осуществлялась по трем основным режимам, указанным в табл. 1. Время обработки по всем режимам составило 30 мин.
надий (V) и молибден (Мо), а достаточно высокое содержание углерода способствует образованию большого количества карбидов хрома (рис. 1, б, в).
Как видно, карбидные частицы вытянуты в одном направлении и образуют полосчатость, что характерно для металла, подвергнутого пластической деформации. Средняя площадь карбидных включений составляет 25.. .30 мкм2.
Обработка тлеющим разрядом приводит к перераспределению карбид-
Табл. 1. Режимы обработки образцов тлеющим разрядом
Режим обработки Напряжение горения тлеющего разряда и, В Плотность тока J, мА/м2 Индукция прикатодного магнитного поля В, мТл
ТР № 1 1000 0,125 -
ТР + МП № 1 40.60
ТР № 2 2000 0,250 -
ТР + МП № 2 40.60
ТР № 3 3000 0,375 -
ТР + МП № 3 40.60
ной фазы в поверхностном слое глубиной до 50 мкм (рис. 2).
Применение прикатодного магнитного поля при обработке тлеющим разрядом приводит к большему, чем при
обработке без применения магнитного поля, измельчению карбидной фазы, а глубина модифицированного слоя составляет до 80 мкм (рис. 3).
а) б) в)
Рис. 1. Структура поверхностного слоя образцов из стали Х12МФ: а - до обработки тлеющим разрядом;
б - электронное изображение структуры с участками анализа; в - рентгеновские спектры от участков образца
а) б) в)
Рис. 2. Структура поверхностного слоя образцов из стали Х12МФ, обработанных тлеющим разрядом: а - после обработки по режиму № 1; б - после обработки по режиму № 2; в - после обработки по режиму № 3
а) б) в)
Рис. 3. Структура поверхностного слоя образцов из стали Х12МФ 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
Рентгеноструктурный анализ образцов в исходном состоянии выявил, что сталь Х12МФ содержит мартенсит (a-Fe), остаточный аустенит (y-Fe), цементит (Fe3C) и трикарбид гептахро-ма (GnC3) (рис. 4).
Параметр кристаллической решетки мартенсита (табл. 2) имеет повышенные значения, что обусловлено растворением в нем легирующих элементов, имеющих большой атомный радиус. Количество остаточного аустенита составляет 10,5 %, что свидетельствует о качественно проведенной термической обработке.
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. 3).
Характерно то, что обработка тлеющим разрядом приводит к снижению количества остаточного аустенита. Использование прикатодного магнитного поля приводит к более значительному уменьшению.
На распад остаточного аустенита может оказывать влияние протекающий процесс отпуска, за счет которого происходит обеднение аустенитной фазы легирующими элементами и, как следствие, ее полиморфное превращение в a-Fe.
60000
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
29,град
Рис. 4. Фрагмент рентгеновской дифрактограммы стали Х12МФ после классической термической обработки
Образец (режим обработки) Фазовый Аост, tí'a-Fe, нм Р110, р220, P,
состав % эксперимент эталон [4] 10-3 рад 10-3 рад 1012 см-2
Исходный a-Fe, y-Fe, &7C3, Fe3C 10,5 0,2876 0,28664 13,5419 55,0689 4,16
Табл. 2. Фазовый состав, количество остаточного аустенита Аост, параметр решетки а, физическое уширение в дифракционных линий и плотность дислокаций р стали Х12МФ в исходном состоянии
Я
S Я
£ н о о я
CQ
а
о Я
0J
н я 5
70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0
60000 50000 40000 30000 20000 10000 о
70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 о
ТР № 1
_ Í4
С м "
ииз
j_, il> ' "1 CJ Iín U
€
и
гч гн
U
t"-
и
гч
У
II
и
и
U. ■
^ и
Лм.
о
оо о
U к.
U
CL. S
гч
ч1 к-и
о <м
Г-1
и
ии
к
сч
СП СП СП о —
а. 'И СП
iT fe и
и tu
tu
—« CJ
....... > i « « . ■ i . ........................................ » . « i...........................
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
U
и и;
5 ^ о
(v, f-g
и и 3 о i.
\jj¡J
95 100 105 110 115 120 125 130
ТР № 2
IN ГН
С"-
и
о ®
S (N
и
tu
I
а
и
г--. 1-1
и
[I.
I
(N
и
О
<N ^
w (N ^
(LI СП СП
JH СП О __
м
и í> U-
(М
1—1 (N
СП (N
о и
Р-, и-
о
гч
[1. I
tí
.........................................................................................
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
95 100 105 110 115 120 125 130
ТР № 3
о оо о a-Fe (20С СП <N <N
и и
и и
(S СП
(N
и
3-1
и
А
о и
" ÍN
О
rs
к.
Ó
.........................................................................................
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
29,град
95 100 105 110 115 120 125 130
Рис. 5. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм образцов из стали Х12МФ после обработки тлеющим разрядом с различными режимами
60000
50000
40000
ТР+МП № 1
со
о о
гч
т Ч-
Ч 6
(Ч
ГЧ
и
г-
и
гч
и и
^ сч
,<и г<-|
Л£
о
г-1
и
гч гч
Р-,
о
сч
и.
&
о **..........................................................................................
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
.О
Я §
Я
л
н о о Я м я о я
о н я
3
70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 о
70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 о
___ "-П ,
м ^ о
ТР+МП № 2
и 0
и г© ^ Й о ^ ° О гч
О х О
и
; о
и и
Ч
и'
и.
и
г-
и
о о о гч СП
ОС СМ
о и ц. гч
3 и
и и
о N "V " о
гч гч
А
и
л:
о
Г*"1 О сч СЧ сч оо гч о
ч и
и и, и. а
И.
.......................... » *..........................................*..................
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 ^ ^ ТР+МП № 3
гч —^
и б'
и т»
: ,-1-,
. ~ ■ - о
О <4 ГЧ
и О С-
г-
ь- Щ . О X ^
и 1_
ц-л
гч
Г1
О
г«
¿3
и
о
оо о
ч
и
о с гч
и
И-
«
Г»1
гч гч
и
I
р»
п п гч
и
Г-
и
А
Г1 гп г'. о гч гч
ч гч
Ин ч о а
и Ич Ц-
и.
о
Ьи б
................ ■ ■
........*..........
................ « » ' ' ■ 1 ■ ■
......*............. « » « ' 1
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
29,град
Рис. 6. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм образцов из стали Х12МФ после обработки тлеющим разрядом с различными режимами с использованием прикатодного магнитного поля
Табл. 3. Фазовый состав, количество остаточного аустенита Аост, параметр решетки а, физическое уширение в дифракционных линий и плотность дислокаций р стали Х12МФ после различных режимов обработки
Образец (режим обработки) Фазовый состав А Лостi % aa-Fe, нм 10-3 рад p220, 10-3 рад P, 1012 см-2
ТР № 1 a-Fe, Y-Fe, &7C3, FesC 12,7 0,2876 12,0960 50,0193 3,43
ТР + МП № 1 a-Fe, y-Fe, &7C3, Fe3C 8,8 0,2877 14,4793 52,2393 3,75
ТР № 2 a-Fe, Y-Fe, &7C3, Fe3C 10,6 0,2877 13,8545 56,9561 8,92
ТР + МП № 2 a-Fe, Y-Fe, &7C3, Fe3C 8,6 0,2877 14,0965 47,8555 3,15
ТР № 3 a-Fe, Y-Fe, &7C3, Fe3C 9,6 0,2878 13,4297 61,1721 10,5
ТР + МП № 3 a-Fe, Y-Fe, &7C3, Fe3C 9,6 0,2877 14,6862 56,5311 8,79
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.
От указанной тенденции отличаются результаты обработки по режиму № 1, где использование прикатод-ного магнитного поля приводит к росту
уширения дифракционных линий и незначительному увеличению плотности дислокаций.
Исследуя отражение от дифракционной линии (260) трикарбида гепта-хрома, можно сделать вывод о том, что использование прикатодного магнитного поля приводит к измельчению карбидной фазы вместе с ростом физического уширения и плотности дислокаций, что свидетельствует о росте сжимающих напряжений (табл. 4) [5].
Табл. 4. Угловое положение линии (260), физическое уширение в дифракционных линий размера частиц и плотность дислокаций р фазы СГ7С3
Образец (режим обработки) 2026O, град p260, 10-3 рад Размер частиц Cr7C3, нм р, 1012 см-2
Исходный 61,605 11,2379 17,4 8,12
ТР № 1 61,525 9,2416 21,1 2,11
ТР + МП № 1 61,515 14,6635 13,3 13,90
ТР № 2 61,536 8,2591 23,7 8,79
ТР + МП № 2 61,625 11,1009 17,6 7,92
ТР № 3 61,535 9,4592 20,7 11,50
ТР + МП № 3 61,585 12,2205 16,0 19,20
На основании статистической обработки экспериментальных данных дюрометрического анализа образцов до обработки и прошедших обработку
тлеющим разрядом как с магнитным полем, так и без него получена зависимость приращения поверхностной твердости по Виккерсу. Графическая интер-
претация полученных моделей представлена на рис. 7 и 8.
Сравнительный анализ полученных результатов приращения поверхностной твердости (табл. 5) показал, что
использование магнитного поля приводит к росту микротвердости поверхности на 3 % с одновременным снижением удельной мощности горения разряда на 30 %...35 %.
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 Х12МФ 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 Х12МФ при обработке тлеющим разрядом с использованием прикатодного магнитного поля
Табл. 5. 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 3,2 0,375 13 1,2 117,7
Тлеющий разряд с прикатодным магнитным полем 1,25 0,170 20 0,8 120,9
На основании статистической обработки экспериментальных данных исследования износостойкости также получена зависимость приращения коэффициента износостойкости. Графическая интерпретация полученной модели представлена на рис. 9 и 10.
Сравнительный анализ полученных результатов (табл. 6) показал, что использование магнитного поля приводит
к росту износостойкости на 30 % с одновременным снижением удельной мощности горения разряда на 30 %.. .35 %.
Проведенный анализ микротвердости по глубине образцов показал, что использование прикатодного магнитного поля приводит к росту упрочненного поверхностного слоя в среднем на 50 %...60 % (рис. 11).
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 приращение коэффициента износостойкости поверхности образцов из стали Х12МФ при обработке тлеющим разрядом
а) б) в)
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 приращение коэффициента износостойкости поверхности образцов из стали Х12МФ при обработке тлеющим разрядом с использованием прикатодного магнитного поля
Табл. 6. Оптимальные значения технологических параметров обработки образцов тлеющим разрядом, обеспечивающие получение наибольшей износостойкости
Вид обработки Оптимальное значение технологических параметров обработки (см. рис. 9 и 10) Приращение коэффициента износостойкости Кь
и, кВ 3, мА/м2 Т, мин Ш, кВт/м2
Тлеющий разряд 3,2 0,375 30 1,2 1,6
Тлеющий разряд с прикатодным магнитным полем 1,5 0,25 20 0,8 2,1
НУ
10200 МПа 10000 9800 9600 9400 9200 9000 8800 0.05 8 6 00 8400 8200 8000 7800 7600 7400 7200 7000 6800
-----т-----1
----- ' * — ..... $..... .....|--|..... -4--1 ..... .....1.....
д
—1----- _____ -4-4- [.----- — 4Д-- ----- —1—1—1_— -4- — —1—
_____Ь---' 2 Г \
\Д
-----+----- \ 1 [----- ..... .....+..... \
\ ;
> \|
|
—1— 1/1 [----- --у — —1— \
-г + н
^—" ; | 1 ___ \ ! ! у
1 | Т^л____г"
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 ПО 115 120
Глубина измерения, мкм
Рис. 11. Микротвердость поверхностного слоя: 1 - до обработки тлеющим разрядом; 2 - после обработки тлеющим разрядом; 3 - после обработки тлеющим разрядом с использованием прикатодного магнитного поля
Выводы
В результате обработки образцов из стали Х12МФ тлеющим разрядом происходит изменение параметра кристаллической решетки мартенсита, снижение количества остаточного аустени-та, причем использование прикатодного магнитного поля приводит к более значительному его уменьшению.
Использование прикатодного магнитного поля приводит к снижению количества дефектов в стали и измель-
чению карбидной фазы в большей степени, чем при обработке классическим тлеющим разрядом.
Применение прикатодного магнитного поля в процессе упрочнения штам-повых сталей является весьма перспективным, т. к. его использование приводит к росту микротвердости поверхности на 3 %, износостойкости на 30 %, а глубина упрочненного слоя увеличивается на 50 %...60 % с одновременным снижением удельной мощности горения разряда на 30 %.35 %.
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. 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.
5. 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 17 апреля 2023 года
Владимир Михайлович Шеменков, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. E-mail: [email protected].
Марина Александровна Рабыко, ст. преподаватель, Белорусско-Российский университет. E-mail: [email protected].
Vladimir Mikhailovich Shemenkov, Cand. Sc. (Tech.), Associate Professor, Belarusian-Russian University. E-mail: [email protected].
Marina Aleksandrovna Rabyko, senior lecturer, Belarusian-Russian University. E-mail: [email protected].
