ВЛИЯНИЕ ПРИКАТОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ШТАМПОВОЙ СТАЛИ 5Х3В3МФС ПРИ ОБРАБОТКЕ ЕЕ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

DOI: 10.53078/20778481_2022_3_77 УДК 621.9.047:669:538.8 М. А. Рабыко, В. М. Шеменков

ВЛИЯНИЕ ПРИКАТОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ШТАМПОВОЙ СТАЛИ 5Х3В3МФС ПРИ ОБРАБОТКЕ ЕЕ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ

M. A. Rabyko, V. M. Shemenkov

EFFECT OF CATHODE MAGNETIC FIELD ON STRUCTURAL PHASE STATE OF 5X3V3MFS TOOL DIE STEEL WHEN TREATED WITH A GLOW DISCHARGE

Аннотация

Представлены результаты исследования структуры, фазового состава и глубины модифицированного слоя инструментальной штамповой стали 5Х3В3МФС промышленной плавки после классической термической обработки и последующей обработки тлеющим разрядом с различными его энергетическими характеристиками как с использованием прикатодного магнитного поля, так и без него.

Ключевые слова:

тлеющий разряд, структура, фазовый состав, магнитное поле, модифицирующая обработка, поверхностный слой, сталь.

Для цитирования:

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 // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2022. - № 3 (76). - С. 77-86.

Abstract

The paper presents results of the research on the structure, phase composition and depth of a modified layer of commercially melted 5X3V3MFS tool die steel after its conventional heat treatment and subsequent glow discharge treatment with various energy characteristics, both applying a rolled magnetic field and without it.

Keywords:

glow discharge, structure, phase composition, magnetic field, modifying treatment, surface layer, steel.

For citation:

Rabyko, M. A. Effect of cathode magnetic field on structural phase state оf 5X3V3MFS tool die steel when treated with a glow discharge / M. A. Rabyko, V. M. Shemenkov // The Belarusian-Russian university herald. - 2022. - № 3 (76). - P. 77-86.

Введение

Как известно, обработка металлов давлением является одним из основных способов формирования заготовок деталей машин в условиях современного металлообрабатывающего производства. Примерно 75 % изделий из сталей подвергаются обработке давлением.

© Рабыко М. А., Шеменков В. М., 2022

Горячая объемная штамповка -один из основных видов обработки давлением. Порядка 65 % массы всех поковок и до 20 % массы деталей большинства механизмов и машин производится из заготовок, полученных горячей объемной штамповкой.

Одним из узких мест горячей объемной штамповки является использова-

ние в процессе сложного и дорогого инструмента.

Учитывая специфические условия работы штамповой оснастки при горячей объемной обработке, связанные со значительными контактными и циклическими тепловыми нагрузками на их рабочие поверхности, к инструментальному материалу предъявляются особые требования по тепло- и износостойкости.

Основным материалом, удовлетворяющим указанным требованиям, при изготовлении тяжело нагруженного прессового инструмента является инструментальная штамповая сталь 5Х3В3МФС, характеризующаяся высокой теплостойкостью и прокаливаемостью по сравнению с другими штамповыми сталями.

Однако несмотря на хорошие эксплуатационные свойства указанной инструментальной стали, их зачастую недостаточно, особенно при использовании оснастки в условиях крупносерийного и массового производства.

Решением данной проблемы занимается большое количество ученых. Основными направлениями их работы по повышению эксплуатационных свойств штамповых сталей являются: создание новых материалов на базе существующих; дополнительное легирование рабочих поверхностей; использование импульсного энергетического и (или) механического воздействия. Однако перечисленные методы, несмотря на хорошие получаемые результаты, связаны со значительными материальными затратами.

Отдельно выделены методы ион-но-плазменного модифицирования поверхностных слоев. Несмотря на большое разнообразие, их можно разделить на три основные группы, связанные с формированием на рабочих поверхностях барьерных слоев, насыщением поверхности химическими элементами, формирующими тугоплавкие и изно-

состойкие соединения в поверхностных слоях, и непосредственно структурно-фазовое модифицирование поверхностного слоя [1].

Последние из перечисленных методов, основанных на структурно-фазовом модифицировании, являются наиболее перспективными, т. к. не требуют специальной подготовки изделия и создания специальной рабочей среды. Использование в качестве источника высоковольтного тлеющего разряда, зажигаемого в среде остаточных атмосферных газов, позволяет проводить обработку изделий сложной формы из любой инструментальной стали или сплава [2].

В рамках выполнения ряда заданий Государственных программ научных исследований Республики Беларусь было выявлено, что на энергоэффективность процесса модифицирующей обработки высоковольтным тлеющим разрядом оказывает влияние наличие магнитного поля в области катодного падения потенциала. На основании чего был предложен способ упрочнения изделий из металла, или сплава, или сверхтвердого материала, отличительной особенностью которого (рис. 1) является то, что модифицируемое изделие размещают на катоде, расположенном в силовых линиях постоянного магнитного поля [3].

Постоянное магнитное поле создается кольцевой катушкой, подключенной к источнику питания с двухполупе-риодным выпрямлением.

В результате исследования влияния индукции магнитного поля на энергетические характеристики тлеющего разряда, зажигаемого в среде остаточных атмосферных газов (2...3 Па), установлено, что создаваемое магнитное поле оказывает значительное влияние на вольт-амперную характеристику тлеющего разряда (рис. 2).

откачка воздуха

2ШШ

\ стол-катод

силовые линии магнитного поля

много с л ой н ая кол ь цевая катушка индуктивности

\ стол-катод

Рис. 1. Схема установки для реализации процесса: а - классическая обработка тлеющим разрядом; б - обработка с прикатодным магнитным полем

I / 5

55- // 4

мА // 3

50"

45 - И//2

40-

35- //// / 1

30-

25-

20-

15-

10-

5 " 1 1 1 1 1 1 1 -

О

0,5

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 В 3,5 и

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда, зажигаемого при давлении 2.3 Па, при различных значениях индукции прикатодного магнитного поля: 1 - без магнитного поля; 2 - с индукцией 30. 35 мТл; 3 - с индукцией 55.60 мТл; 4 - с индукцией 70. 75 мТл; 5 - с индукцией 80.85 мТл

Из-за технических особенностей кольцевой катушки, связанных с лимитирующими предельными габаритами и невозможностью обеспечения ее принудительного охлаждения, поддерживать магнитное поле с индукцией более 60 мТл на протяжении длительного промежутка времени (до 30 мин) на данном этапе не представляется возможным. Вследствие чего исследование влияния прикатодно-

го магнитного поля на эксплуатационные свойства инструментальной штам-повой стали 5Х3В3МФС при обработке ее тлеющим разрядом осуществлялось при индукции прикатодного магнитного поля, равной 40.60 мТл.

Целью работы являлось изучение влияния модифицирующей обработки тлеющим разрядом с прикатодным магнитным полем на структурные и фазо-

вые превращения, протекающие в поверхностном слое инструментальной штамповой стали 5Х3В3МФС.

Исследуемые образцы были получены промышленной плавкой с последующей термической обработкой, заключающейся в закалке в масле с 1130 °С (выдержка 1 ч 30 мин) с последующим отпуском при 550 °С в течение 2 ч.

Методика исследования

Были применены электронно-микроскопический и рентгеноструктурный методы анализа структуры и фазового состава. Для определения твердости поверхностного слоя использовался дю-рометрический метод.

Электронно-микроскопический анализ поверхности образцов проводился при помощи сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA 2SBA с применением стандартного детектора вторичных электронов. Подготовка образцов для металлографических исследований осуществлялась по стандартной методике. В качестве реактива для травления использовался 5-процентный раствор азотной кислоты (HNO3) в спирте (C2H5OH). Травление осуществлялось в течение 50...60 с при температуре раствора 343 К [4].

Фазовый состав исследовался на рентгеновском дифрактомет-ре POWDIX 600 в монохроматизиро-ванном кобальтовом (CoKa) излучении при напряжении 30 кВ и анодном токе 10 мА. Расшифровка рентгенограмм осуществлялась при помощи программного обеспечения Crystallographica Search-Match с картотекой PDF-2.

Съемка проводилась в непрерывном режиме, т. е. не было задержек на конкретную точку. Скорость перемещения 0,01 град/с.

Физическое уширение дифракционных линий определялось методом аппроксимации с помощью программного обеспечения HighScore++ (Panalytical, Нидерланды). В качестве эталона использовался образец отожженной стали 10 ГОСТ 1050-88 [5, 6].

Измерение микротвердости образцов проводилось на микротвердомере Zwick Roell ZHV 1M при действии нагрузки 0,49 Н.

Для определения глубины модифицированного слоя образцы подвергали разрезанию по плоскости, перпендикулярной обрабатываемой поверхности.

Обработка образцов тлеющим разрядом осуществлялась по трем основным режимам, указанным в табл. 1. Время обработки по всем режимам составило 30 мин. Для выявления степени влияния прикатодного магнитного поля на эксплуатационные характеристики стали 5Х3В3МФС обработка по каждому режиму осуществлялась с наложением магнитного поля и без него.

Результаты исследования и их обсуждение

Металлографический анализ поверхностного слоя образцов по плоскости разреза до обработки тлеющим разрядом показал, что структура стали соответствует классической мартенситной структуре (рис. 3, а).

Табл. 1. Режимы обработки образцов в тлеющем разряде

Режим обработки Напряжение горения тлеющего разряда U, В Плотность тока J, мА/м2 Индукция прикатодного магнитного поля В, мТл

1 1000 0,125

2 2000 0,250 40...60

3 3000 0,375

Рис. 3. Структура поверхностного слоя образцов из стали 5Х3В3МФС: а - до обработки тлеющим

разрядом; б - электронное изображение структуры с участками анализа; в - рентгеновские спектры от участков образца

Как видно, в структуре стали наблюдаются полосчатые карбидные включения (рис. 3, б), характерные для образцов, получаемых из горячекатаного стального проката, в котором присутствуют карбидообразующие элементы, такие как хром (Сг), молибден (Мо), вольфрам ванадий (V) и нио-

бий (КЬ).

Классическая обработка образцов тлеющим разрядом приводит к измельчению и перераспределению карбидной фазы в поверхностном слое глубиной до 75 мкм (рис. 4). Наиболее ярко этот эффект наблюдается при обработке по режиму 3.

Рис. 4. Структура поверхностного слоя образцов из стали 5Х3В3МФС: а - после обработки по режиму 1;

б - после обработки по режиму 2; в - после обработки по режиму 3

Обработка образцов тлеющим разрядом с прикатодным магнитным полем приводит к таким же результатам, как и при обработке одним тлеющим

разрядом, с той лишь разницей, что глубина слоя доходит до 100 мкм (рис. 5).

На основании рентгеноструктур-ного анализа установлено, что в исход-

ном состоянии сталь содержит мартенсит (a-Fe), остаточный аустенит (y-Fe), а также специальные карбиды (Cr23C6, Cr7C3, WC, VC) (рис. 6).

Обработка тлеющим разрядом не приводит к изменению фазового состава стали (рис. 7 и 8).

Рис. 5. Структура поверхностного слоя образцов из стали 5Х3В3МФС, обработанных 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

140000

120000

v

$ 100000 о

£ 80000

60000

40000

20000

и >

о

. (N

1-U

ГП

и £

о о

м ^

U >

(N

и

¿Г О

/-Ч

н о о

п

и

¿г и

и

ь

Я н О

«о о

^ гн М

m \__<

О о

о <ч

и h

Ü

УЧ.

гп i/i

U iT и

о о

(N

и 5

и и

и

8 °í а

^ Н" о

^ ^ т-Ч

и -г?-

ц

m

m

rn

w

и

O PH

rt ГЧ

со ^

w и

O [L

и ¿

ГМ

o

(N

и

o

Ж1

m

и Рн

О

N N

N М

<4 v^

и

U Рч

fe i 1 Й

>-

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

40 45 50 55 60 65 70

75 80 85 90 20, град

95 100 105 110 115 120 125 130

Рис. 6. Фрагмент рентгеновской дифрактограммы образца из стали 5Х3В3МФС в исходном состоянии

Рис. 7. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм образцов из стали 5Х3В3МФС после обработки тлеющим разрядом с различными режимами

140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0

О >

о >

о

го

ixt —'Ч Su б

о

о t> sL

о о

е Е

Г tu

О ÜH

Й а

п.

и1

í-I

О

и б

и и ¿ ií Л гТ

,0 <N

и

-и ^

и

б _

о ^

-Tí- гч

СО ' ^ w u о

r f Рч Ci

" в а

40

45

50

55

60

65

70 75 80 85

90

■ * ■

95

О б

f-i

сч

П

1Í Р-

100

.....

105

Режим 2

(Ч (N

110 115 120 125 130

140000 120000 100000 80000 SOOOO 40000 20000

О >

и >

б

. <4 й

S

*

Su б

— о о о —. Г'

Р г?

О о'

е Е

se D

U ^

¿> s

и

сб

У О Í £

„ П

Г Г)

оо о> •"íffe

О р-б ^

и

г--•ч

,—, t-»

<N

OI

c~¡ го

О

о <и

1-й —'1 Еь

О Js™.

Режим 3

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

20, град

100 105 110 115 120 125 130

Параметр кристаллической решетки a-Fe (табл. 2) имеет повышенные значения для всех исследуемых образцов. Высокие значения параметра кристаллической решетки a-Fe фазы обусловлены растворением в ней легирующих элементов, имеющих большой атомный радиус. Изменение параметра в результате различных видов обработки может быть связано с перераспреде-

лением легирующих элементов в стали или с попаданием в кристаллическую решетку a-Fe других атомов.

Все режимы обработок приводят к незначительному снижению количества остаточного аустенита. Вместе с тем обработка без использования прикатод-ного магнитного поля приводит к более значительному снижению количества аустенитной фазы в сталях по сравне-

нию с режимами обработки с использованием прикатодного магнитного поля. Снижение количества у-Ре в сталях, обработанных по различным режимам, может быть связано с протеканием про-

цессов отпуска в стали, за счет которых происходит обеднение аустенитной фазы легирующими элементами и, как следствие, ее превращение в a-Fe.

140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000

О >

о

о ■—

Ü >

U

¡-I

U

о ■

gS §

2 а —'

}

М я ü

у >-" (Г о

Н о о о

Н Г]

Чу

и £

о °

■■ —'

■i ÍÍ О

$ S

и

Ü

J—\

о о

(N

и о & £

с

IN

С]

ОСЧ .

' гч •—< с

Г-] а „

Ü -и ~

¿"ÜH ¿'У ü Í-Ü?

и

г-Í4

и

о

Tt

м

о

Г)

41 и

§А±

Режим 1 + МП

у—\

г-

— г- сч

(М Г-1

Г<"1 (N ■—■

и и

1»

И-

и

40 45 50

55

60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130

4 и

Я н о

JÍ

н

U

о я а я

U

я

1) н я

5

140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000

о о

м —

U >

Режим 2 + МП

и >

о

gXg

и

и

и

о'

У — о

■*

с о

~ "

О > ¡L

° Я 3 °

и ь я а и

А.

и £

и

ü

с* о

Г-1

и £

о

<N ■ -

•О о) „ Ü

Pí

■J f~U "

■Ü

I4'

и

о

о

тг м

90

' и

U

Ж

—

г-

1—1 1> С]

о —1 Г]

w ■■л i Г]

i) ч

и ч. »

Í о f-

о гм

(N

ь ¿

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130

140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000

и >

с о

сч

U >

Ü Г

U

U

Режим 3 + МП

о ~

= я о ~ г

9Л и

J !? Í ÍÜÜ

(U

ÍN i— о

П О О

— — гч

Í2 Í

U Р ¡L

= Я

3 Е

о U U йн

Я S

и

А.

и (Г и

с- ^

^ с

рн 0

С- г1

и и * *

S1 Я

»Чп

О iT и

о -н ^г г-1

■50

—' и

^ м о

JA.

____ /— -- О

,—l' 1—1 r-j

о r-j

С4, tN '—'

о о

и 1> р- r-i о и t- ¿

40 45 50 55 60 65

70 75 80 85 90 95

20, град

100 105 110 115 120 125 130

Рис. 8. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм образцов из стали 5Х3В3МФС 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 р дифракционных линий и плотность дислокаций р стали 5Х3В3МФС

Образец (режим обработки) Фазовый состав АОСТ, % aa-Fe, нм в 110, 10-3 рад в220, 10-3 рад р, см-2, Х1012

Эксперимент Эталон [5]

Исходный a-Fe, y-Fe, &23C6, Q7C3, WC, VC 7,2 0,28716 0,28664 7,442 35,410 5,0

Режим 1 a-Fe, y-Fe, &23C6, Q7C3, WC, VC 5,7 0,28715 6,575 32,219 3,9

Режим 1 + магнитное поле a-Fe, y-Fe, &23C6, Q7C3, WC, VC 6,2 0,28719 7,486 36,677 5,1

Режим 2 a-Fe, y-Fe, &23C6, Q7C3, WC, VC 5,8 0,28720 6,777 32,348 4,2

Режим 2 + магнитное поле a-Fe, y-Fe, &23C6, Q7C3, WC, VC 6,4 0,28727 7,326 34,976 4,9

Режим 3 a-Fe, y-Fe, &23C6, &7C3, WC, VC 5,4 0,28723 7,307 33,077 4,8

Режим 3 + магнитное поле a-Fe, y-Fe, &23C6, Q7C3, WC, VC 5,6 0,28728 7,672 35,139 5,3

Обработка тлеющим разрядом без использования прикатодного магнитного поля приводит к снижению уширения дифракционных линий, что свидетельствует об уменьшении количества точечных дефектов в стали. Кроме этого, в образцах, после вышеперечисленных режимов обработок, снижается плотность дислокаций, что также свидетельствует о снижении количества дефектов в стали за счет протекания релаксационных процессов. В то же время обработка тлеющим разрядом с использованием прикатодного магнитного поля

приводит к повышению значений уши-рения дифракционных линий, а также плотности дислокаций. При этом значения уширения и плотности дислокаций сопоставимы с аналогичными значениями для стали в исходном состоянии.

После обработки тлеющим разрядом, помимо структурных изменений, наблюдается изменение микротвердости поверхностных слоев материалов на 10 %...20 %. Результаты дюромет-рического анализа по глубине И представлены на рис. 9.

720 МПа 680 J 660|

HV

640

0,05

620 600 580 560

1

2 i

J 1

4v --- ч

\ s

> \

/ N \ N

—-

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110мкм120

А —

Рис. 9. Микротвердость поверхностного слоя: 1 - после обработки тлеющим разрядом по режиму 3; 2 - после обработки тлеющим разрядом по режиму 3 с использованием прикатодного магнитного поля

Сопоставляя результаты электронно-микроскопического (см. рис. 2-5) и дюрометрического (см. рис. 9) анализов, можно заметить, что они хорошо коррелируют между собой и позволяют сделать вывод о том, что глубина модифицированного слоя напрямую зависит от использования прикатодного магнитного поля.

Выводы

Обработка образцов из стали 5Х3В3МФС тлеющим разрядом приводит к измельчению и перераспределению карбидной фазы, уменьшению количества точечных дефектов кристаллического строения матричной

фазы, снижению остаточного аустени-та и протеканию полиморфного превращения y-Fe ^ a-Fe.

Обработка образцов из стали 5Х3В3МФС тлеющим разрядом с использованием прикатодного магнитного поля приводит к измельчению и перераспределению карбидной фазы, незначительному повышению плотности дислокаций, снижению остаточного аусте-нита и протеканию полиморфного превращения y-Fe ^ a-Fe.

Использование прикатодного магнитного поля в процессе обработки тлеющим разрядом приводит к увеличению модифицированного слоя на 25 %...30 % на всех режимах обработки.

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. Способ упрочнения изделий из металла или сплава, или сверхтвердого или графитсодержащего материала: пат. BY 14716 BY / В. М. Шеменков, А. Ф. Короткевич. - Опубл. 10.05.2011.

3. Способ упрочнения изделий из металла, или сплава, или сверхтвердого материала: пат. BY 19126 / В. М. Шеменков, М. А. Белая. - Опубл. 30.04.2015.

4. Анисович, А. Г. Практика металлографического исследования материалов: монография / А. Г. Анисович, И. Н. Румянцева. - Минск: Беларус. навука, 2013. - 221 с.: ил.

5. Горелик, С. С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ : учебное пособие для вузов / 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 15 июня 2022 года

Марина Александровна Рабыко, ст. преподаватель, Белорусско-Российский университет. E-mail: [email protected].

Владимир Михайлович Шеменков, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. E-mail: [email protected].

Marina Aleksandrovna Rabyko, senior lecturer, Belarusian-Russian University. E-mail: Belay-marina@ yandex.by.

Vladimir Mikhailovich Shemenkov, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. E-mail: [email protected].