CC BY
137
ЕТАПЛООБРАБОТК]
УДК 621.793
Влияние режимов термической обработки на микроструктуру пружин ответственного назначения из стали 60С2А и титанового сплава ВТ16
A. B. Титов
В машиностроении широко применяются различные упругие элементы, в частности пружины. К пружинам ответственного назначения предъявляются повышенные эксплуатационные требования. Основным материалом для изготовления пружин ответственного назначения служат рессорно-пружинные стали (60C2А, 51ХВА), титановые (ВТ16, ВТ32, ТС6), жаропрочные никелевые сплавы и некоторые другие. В процессе изготовления пружины подвергаются термической обработке в целях обеспечения заданных механических свойств. В результате применения различных режимов термической обработки изменяется микроструктура материалов, формируются составы фаз и их размеры. В статье приведены результаты исследования микроструктуры винтовых пружин сжатия из стали 60С2А (диаметр проволоки 2,5 мм) и титанового сплава ВТ16 (диаметр проволоки 2,5 и 4,0 мм) под действием различных режимов термической обработки.
Ключевые слова: пружины, титановый сплав, рессорно-пружинная сталь, микроструктура, термическая обработка.
Введение
В машиностроении широко применяются упругие элементы — гибкие детали, основным рабочим свойством которых является способность упруго деформироваться под нагрузкой [1—3]. Наибольшее распространение среди упругих элементов получили пружины — упругие элементы, предназначенные для аккумуляции механической энергии. Пружины, работающие в экстремальных условиях, например, Крайнего Севера, в агрессивной среде, в изделиях военного и космического назначений, обладают повышенными характеристиками эксплуатационных свойств: жесткостью, циклической выносливостью, релаксационной и коррозионной стойкостью, стойкостью к воздействию высоких и низких температур и др. Такие пружины называются пружинами ответственного назначения.
Основным материалом для изготовления пружин ответственного назначения служат рессорно-пружинные стали (60С2А, 51ХВА),
титановые (ВТ16, ВТ32, ТС6), жаропрочные никелевые сплавы и некоторые другие.
В процессе изготовления пружины подвергаются термической обработке, которая основана на закономерностях изменения механических свойств материалов при различных температурно-временных воздействиях. Стали, как правило, подвергают отжигу, закалке и отпуску, а титановые сплавы — отжигу, закалке и старению. В результате термической обработки при различных режимах (температуре, времени, охлаждающей среды) изменяется микроструктура материалов, формируются определенные состав фаз и их размеры. Вследствие изменения микроструктуры изменяются механические свойства изготавливаемой продукции. В процессе разработки новых и совершенствования традиционных технологических процессов изготовления пружин ведется поиск наилучших режимов термической обработки, обеспечивающих оптимальную микроструктуру и механические свойства материалов [4-6].
МЕШПООБМБОТК|»
новые материалы и технологии производства
Экспериментальное исследование
В Балтийском государственном техническом университете им. Д. Ф. Устинова («Военмех») выполнено исследование микроструктуры материалов винтовых пружин из стали 60С2А (диаметр проволоки 2,5 мм) и титанового сплава ВТ16 (диаметр проволоки 2,5 и 4,0 мм) при различных режимах термической обработки. Химический состав и механические свойства исходной стальной проволоки соответствовали марке 60С2А ГОСТ 14963-78, а химический состав и механические свойства сходной проволоки из титанового сплава — марке ВТ16 ТУ 1-809-1174-2009.
Для исследования отобраны четыре образца пружин из стали 60С2А и восемь образцов из титанового сплава ВТ16. Пружины подвергнуты различным режимам термообработки (табл. 1).
Для проведения металлографического анализа образцы пружин были разрезаны в поперечном направлении. По плоскости реза изготовлены микрошлифы. Резка образцов выполнена на установке для точной резки Brillant 220 производства фирмы АТМ с использованием
алмазных отрезных кругов (рис. 1, а). Отрезанные заготовки запрессовывали в термопластик на установке для запрессовки Opal 46G (рис. 1, б). Шлифовка и полировка микрошлифов проведены на установке Saphir (рис. 1, в) с использованием алмазных суспензий. Изготовленные микрошлифы из стали 6G02A протравлены в 5% -ном растворе азотной кислоты (HNO3) и этиловом спирте, а микрошлифы из ВТ16 — в 8% -ном растворе плавиковой кислоты (HF). Микроструктуру исследовали на световом оптическом микроскопе Leica DMI 5GGG (рис. 1, г) в диапазоне увеличений от 5G до 1GGG крат. Обработка изображений микроструктуры и измерение геометрических параметров образцов осуществлены с использованием программы количественной обработки Thixomet PRO.
На рис. 2 изображена микроструктура образцов из стали 6G02A, подвергнутых закалке и отпуску. Режим закалки: нагрев до 86G °C, выдержка в печи 1G мин, охлаждение в масле. Режим отпуска: нагрев до 46G °C, выдержка 75 мин, охлаждение на воздухе, 44 HRCj,.
Микроструктура образца начала формироваться при закалке с образованием мартен-ситной структуры, характеризующейся вы-
Образцы для исследования микроструктуры
Таблица l
Материал Диаметр проволоки, мм Номер образца Режимы термической обработки
Сталь 60С2A 2,5 1 Закалка: нагрев до 860 °С, выдержка в печи 10 мин, охлаждение в масле. Отпуск: нагрев до 460 °С, выдержка 75 мин, охлаждение на воздухе. 44 ЫКСэ
2
3
4 Закалка: нагрев до 860 °С, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде. Отпуск: нагрев до 350 °С, выдержка 75 мин, охлаждение на воздухе. 55 ЫИСэ
Сплав ВТ16 2,5 1 Закалка: нагрев до 800 °С, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде. Старение: нагрев до 500 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе
2
3 Закалка: нагрев до 800 °С, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде. Старение: нагрев до 500 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе. На следующий день еще 6 ч старения
4 Закалка: нагрев до 800 °С, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде. Старение: нагрев до 600 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе
4,G 1 Закалка: нагрев до 800 °С, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде. Старение: нагрев до 500 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе
2
3 Закалка: нагрев до 800 °С, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде. Старение: нагрев до 500 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе. На следующий день еще 6 ч старения
4 Закалка: нагрев до 800 °С, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде. Старение: нагрев до 600 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе
в)
г)
Рис. 1. Установки для точной резки Brillant 220 (а), для запрессовки Opal 460 (б), для шлифовки и полировки Saphir (в) и световой оптический микроскоп Leica DMI 5000 (г)
сокой твердостью (62-64 ИКС), прочностью, но и повышенной хрупкостью, что является недопустимым для изделий, подвергающихся циклическим нагрузкам — пружинам. После отпуска (нагрев до 460 °С и охлаждение на воздухе) произошло смягчение структуры, устра-
нение повышенной хрупкости материала, частичный распад мартенситной структуры и образование структуры типа сорбита отпуска, представляющего собой мелкодисперсную фер-ритокарбидную смесь. Это также подтверждается твёрдостью 44 ИКСэ. Такая микрострук-
а)
б)
Рис. 2. Микроструктура образцов из стали 60С2А: а — диаметром 2,5 мм, х500; б — поверхность образцов, х200
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
и
Рис. 3. Микроструктура образца № 4 из стали 60С2А диаметром 2,5 мм: а — непротравленный шлиф, х50; б — х500
тура благоприятна для пружин ответственного назначения.
Следует подчеркнуть, что на поверхности образцов в процессе термической обработки образовался обезуглероженный слой толщиной 36 мкм (рис. 2, б). Однако из-за малых размеров никакого влияния на эксплуатационные свойства пружины он не оказывает.
Все рассмотренные выше образцы были закалены в масле, что позволило получить мар-тенситную структуру и не привело к возникновению значительных внутренних напряжений первого рода. Один из образов (№ 4) после нагрева под закалку был охлажден в воде и отпускался при более низкой температуре — 350 °С. Высокая скорость охлаждения при закалке обусловила образование трещин в исследуемом образце № 4, что хорошо видно на непротравленном микрошлифе (рис. 3, а). Кроме того, понижение температуры отпуска существенно повлияло на окончательную микроструктуру образца — произошел распад мартенситной структуры с образованием более твердой и прочной структуры — мартенсита отпущенного (рис. 3, б). Видно, что характерная для мартенсита игольчатость структуры сохранилась, но при этом выделился избыточный углерод и образовались очень мелкие включения карбида. Подобные структурные изменения приводят к повышению твердости до 55 ИИС. Однако материал обладает повышенной хрупкостью и, как следствие, недостаточными упругими свойствами.
Таким образом, термическая обработка образцов из стали 60С2А, заключающаяся в за-
калке в масле при температуре от 860 °С и последующем отпуске при температуре 460 °С позволяет сформировать мелкодисперсную структуру сорбита отпуска, обеспечивающую твердость 44 ИИС. Такая структура и твердость наиболее предпочтительны для обеспечения высоких упругих свойств у пружин ответственного назначения.
На следующем этапе изучали микроструктуру пружин, изготовленных из титанового сплава ВТ16, который относится к категории высокопрочных легированных (а + (З)-сплавов мартенситного класса и характеризуется высокими прочностными свойствами и упругостью. Сплав упрочняется термической обработкой, состоящей из закалки и старения. Микроструктура закаленного сплава зависит от выбора температуры закалки. В процессе закалки при температуре 800 °С формируется структура, состоящая из метастабильной высокотемпературной в-фазы, низкотемпературной а-фазы и фазы метастабильного ап-мар-тенсита. Повышение температуры закалки приводит к исчезновению а-фазы, а понижение температуры закалки — к исчезновению мартенсита. Окончательное формирование структуры, а следовательно, и свойств сплава ВТ16 происходит в процессе старения, сопровождающегося распадом метастабильных в-фазы и фазы ап-мартенсита и выделением упрочняющих фаз. Эти явления наблюдаются уже в процессе старения при температуре 350 °С. Повышение температуры старения вызывает рост интенсивности процессов распада, а повышение длительности старения увеличивает сте-
'и
а)
б)
Рис. 4. Микроструктура образцов № 1 (а) и № 2 (б) из сплава ВТ16 диаметром 2,5 мм, х500, подвергнутых закалке (нагрев до 800 °С, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде) и старению (нагрев до 500 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе)
пень распада метастабильных фаз. Фаза в более нестабильна и распадается в первую очередь, а фаза ап-мартенсита более стабильна. При этом максимальное упрочнение материала достигается в интервале температур старения 450-500 °С. Следует отметить, что процессы распада метастабильных фаз не отражаются на микроструктуре сплава при металлографическом исследовании на оптических микроскопах. Это вызвано тем, что процессы распада заключаются, прежде всего, в перераспределении химических компонентов между фазами и выделении мелкодисперсных упрочняющих фаз. Учитывая, что микроструктура изучаемых образцов формировалась в процессе закалки, температурный режим которой был одинаков для всех образцов, изменение темпера-
туры старения не оказывает особого влияния на микроструктуру образцов, что полностью подтверждается результатами металлографического анализа (рис. 4).
Изображенные на рис. 4 микроструктуры образцов № 1 и № 2 имеют гранулярный тип и состоят из светлых мелкодисперсных включений а-фазы, игольчатого ап-мартенсита и темных включений в-фазы. Распределение всех структурных составляющих равномерное. Такая микроструктура отражает благоприятное сочетание прочностных и упругих свойств материала.
Увеличение диаметра проволоки пружины с 2,5 до 4,0 мм при сохранении такой же термической обработки не внесло каких-либо изменений в микроструктуру сплава.
а)
б)
Рис. 5. Микроструктура образцов № 3 из сплава ВТ16, х500: а — диаметром 2,5 мм; б — диаметром 4,0 мм
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
и
Рис. 6. Микроструктура образцов № 4 из сплава ВТ16, подвергнутых старению при температуре 600 °С, х500: а — диаметром 2,5 мм; б — диаметром 4,0 мм
В процессе термической обработки других образцов было введено дополнительное старение на следующий день при температуре 500 °С в течение 6 ч (рис. 5).
Увеличение длительности старения не привело к видимым изменениям в структуре образцов. По всей видимости, это связано с тем, что перестройка структуры, сопровождаемая коагуляцией фаз, наблюдается при температурах старения выше 600 °С.
На следующей серии образцов была повышена температура старения до 600 °С при сохранении режима закалки (рис. 6).
Представленные на рис. 6 микроструктуры имеют гранулированный тип, состоят из светлых мелкодисперсных включений а-фазы, игольчатого ап-мартенсита и темных включений в-фазы. Распределение всех структурных составляющих равномерное. Таким образом, повышение температуры старения с 500 до 600 °С не привело к существенным изменения в микроструктуре образцов.
Выводы
1. В результате термообработки стали 60С2А по режиму: закалка (нагрев до 860 °С, охлаждение в масле) + отпуск (выдержка в печи при температуре 420 °С в течение 30 мин) — микроструктура представляет собой игольчатый тростит (ферритокарбидная смесь) с остаточным аустенитом, обеспечивающим твердость материала 40 ИКС. В результате термообработки
60С2А по режиму: закалка (нагрев до 860 °С, охлаждение в масле) + отпуск (выдержка в печи при температуре 460 °С) — микроструктура представляет собой мелкодисперсную структуру сорбита отпуска (ферритокарбидная смесь), обеспечивающую твердость 44 ИКСэ. Оба этих режима термообработки благоприятны для изготовления пружин ответственного назначения. Повышение скорости охлаждения при закалке в воде приводит к возникновению больших внутренних напряжений и разрушению образца. Снижение температуры отпуска до 350 °С способствует образованию более хрупкой структуры отпущенного мартенсита, что может отрицательно сказаться на эксплуатационных свойствах пружины.
2. Микроструктура всех исследованных образцов титанового сплава ВТ16 является гранулярной мелкодисперсной и состоит из а-фазы, метастабильной в-фазы и фазы ап-мартенсита. Изменение режимов старения образцов в исследованных пределах не оказывает существенного влияния на микроструктуру образцов, так как протекающие при старении процессы упрочнения заключаются в перераспределении химических элементов между фазами, которые не фиксируются методами оптической микроскопии.
3. Микроструктура всех исследованных образцов титанового сплава ВТ16 термически обработанных закалкой (нагрев до 800 °С, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде) и разными режимами старения [1) нагрев до 500 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на возду-
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
хе; 2) нагрев до 500 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе; на следующий день еще 6 ч старения; 3) нагрев до 600 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе] является гранулярной мелкодисперсной и состоит из а-фазы, метаста-бильной в-фазы и фазы а11-мартенсита. Эта микроструктура обеспечивает высокие прочностные и упругие свойства пружин ответственного назначения. Изменение режимов старения образцов в исследованных пределах не оказывает существенного влияния на микроструктуру образцов, так как протекающие при старении процессы упрочнения заключаются в перераспределении химических элементов между фазами, которые не фиксируются методами оптической микроскопии.
Литература
1. Пономарев С. Д., Андреева Л. Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1980. 326 с.
2. Светлицкий В. А. Упругие элементы машин. М.: Машиностроение, 1989. 260 с.
3. Батанов М. В., Петров Н. В. Пружины. М.: Машиностроение, 1968. 216 с.
4. Кашаев Р. М. Влияние сложного нагружения на деформационное поведение двухфазных титановых сплавов в условиях сверхпластичности: автореф. дис. ... канд. техн. наук. 05.02.2001. Уфа: Б. и., 2003. 23 с.
5. Горшунов М. Г. Влияние параметров структуры на оптимизацию технологии производства пружинной проволоки: автореф. дис. ... канд. техн. наук. 05.16.2001. Н. Новгород, 2004. 21 с.
6. Патент на изобретение. Способ термической обработки изделия из деформируемого сплава ВТ23 / В. Н. Ус-ков, Г. А. Воробьёва, О. Н. Засухин [и др.]. Заявка: 2013142049/02, 13.09.2013. Заяв.: 20.03.2015.
АО «Издательство "Политехника"» предлагает:
Мурашкина Т. И. Техника физического эксперимента и метрология: учеб. пособие — СПб. : Политехника, 2015. — 138 с. : ил.
ISBN 978-5-7325-1051-5 Цена: 180 руб.
Рассматриваются основные разделы теоретической метрологии: теории измерительных процедур и физического эксперимента, теории обработки экспериментальных данных при проведении измерительного эксперимента, теории планирования физического измерительного эксперимента, с которой тесно связаны такие вопросы, как разработка методик выполнения измерительного эксперимента и метрологическое обеспечение физического эксперимента.
Учебное пособие подготовлено на кафедре «Приборостроение» и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение», может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающимся организацией и проведением измерительного физического эксперимента.
Гриф: Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение».
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: [email protected], на сайт: www.polytechnics.ru.
Т. И. Мурашкина
ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТРОЛОГИЯ
