CC BY
3УДК 669.14.26:621.96
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СТАЛИ НА ЕЁ ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ ПРИ ТОЧНОЙ ЧИСТОВОЙ ВЫРУБКЕ
В.В. Свищенко, A.A. Иванайский
Изучено влияние содержания кремния, марганца, никеля и хрома на твёрдость зернистого перлита, полученного отпуском зернистого бейнита. Показано, что кремний и марганец наиболее сильно повышают твёрдость, а хром минимально.
Ключевые слова. Зернистый перлит, твёрдость, зернистый бейнит, отпуск.
Твёрдость и пластичность стали являются определяющими технологическими характеристиками при изготовлении деталей методом точной чистовой вырубки (ТЧВ). Твёрдость лимитирует стойкость штампов, а пластичность качество получаемых изделий. Чем ниже твёрдость и выше пластичность штампуемого материала, тем выше эффективность применения метода ТЧВ.
Технологическим требованиям к материалу для ТЧВ удовлетворяют многие цветные металлы и сплавы, а также низкоуглеродистые нелегированные стали. Эти материалы в настоящее время в основном и используются для ТЧВ. Легированные конструкционные стали, идущие на изготовление ответственных высоконагруженных деталей, как правило, не отвечают требованиям к материалу для ТЧВ. Применение этих сталей для ТЧВ ставит проблему стойкости инструментальной оснастки и качества поверхности ре-за.
У легированных сталей оптимальные для ТЧВ технологические свойства получают сфероидизирующей термической обработкой на структуру зернистого перлита. Разработана и внедрена рациональная технология такой обработки [1]. Данная технология заключается в том, что в прокате сначала формируют исходную структуру зернистого бейнита. Затем прокат подвергают высокому отпуску, в процессе которого зернистый бейнит трансформируется в зернистый перлит.
Как показано в исследованиях [1-6], зернистый бейнит может формироваться преимущественно у сталей содержащих углерода не более 0,4%, имеющих термокинетическую диаграмму с обособленной бейнитной областью смещенной в лево относительно перлитной. Такие диаграммы имеют стали содержащие карбидообразующие элементы [7]. Принципиальный вид данной диаграммы показан на рисунке 1 [1]. Для получения проката со структурой зернистого бейнита необходимо после окончания прокатки охлаждать
прокат со скоростью, значения которой лежат в интервале \/зк ... Умтс- Узк - это минимальная скорость из скоростей термокинетической диаграммы стали, при которой ещё не происходит образования перлита (условно названа третьей критической). Умакс, - это скорость, при которой распад аустенита на бейнит начинается при температуре не ниже 560°С.
Рисунок 1 - Принципиальная схема термокинетической диаграммы сталей, у которых возможно образование зернистого бейнита
В настающей работе приведены результаты исследования влияния кремния, марганца, никеля и хрома на твердость стали со структурой зернистого перлита полученного высоким отпуском зернистого бейнита
В индукционной вакуумной печи ёмкостью 4 кг методом переплавки стали матричного состава были выплавлены девять плавок сталей необходимого состава. Во всех опытных плавках содержание углерода задавалось одинаковым и составляло 0,20%, Выбор состава исследуемых сталей проводили по методике математического планирования эксперимента [8]. Варьируемыми факторами эксперимента было содержание исследуемых ингредиентов: кремния, марганца, никеля и хрома, основной уровень которых (Хо) был
выбран равным 0,6; 0.7; 1.4; 1,4% соответственно. Интервал варьирования каждого ингредиента был выбран равным 0,4%. Составы были выбраны по плану эксперимента (матрице планирования) полуреплики 2 4~ с
Слитки опытных сталей были прокованы в квадратные прутки размером 40x40 мм. После обычного отжига из прутков каждой стали были изготовлены образцы для исследования. Необходимую структуру в образцах получали нормализацией от 900° С.
Необходимую скорость охлаждения, соответствующею кривой охлаждения близкой к Узк, для каждой стали подбиралась индивидуально следующим образом. Скорость охлаждения каждого последующего образца увеличивалась с малым шагом (Д) путём дискретного изменения размеров нормализуемых образцов. Для этого из прутков каждой стали были изготовлены образцы 10-ти типоразмеров: 35x35x35;
определяющим контрастом I = Х- Х2 Хз X) . План эксперимента, условия эксперимента и действительный состав выплавленных сталей приведены соответственно в таблицах 1, 2 и 3.
35x35x32; 35x35x29; 35x35x26; 35x35x23; 35x35x20; 35x35x17; 35x35x14; 35x35x11; 35x35x8 мм, что позволило получить при нормализации 10 систематически увеличивающихся скоростей охлаждения. Первыми нормализовали образцы максимального размера (35x35x35), имеющие минимальную скорость охлаждения. После нормализации исследовали их микроструктуру. Затем нормализовали и исследовали структуру следующих по размеру образцов (35x35x32), скорость охлаждения которых была на шаг (Д) больше, и т.д. Выбор образцов, охлаждаемых со скоростью Узк, был проведён по следующему признаку. Например, если в структуре образца, охлаждённого со скоро-
Таблица 1 - Матрица планирования
№ X! Х2 Хз Х4
1 + + + +
2 - + + -
3 + - + -
4 - - + +
5 + + - -
6 - + - +
7 + - - +
8 - - - -
9 0 0 0 0
Таблица 2 - Условия эксперимента
Факторы 81,% Мп,% Сг,%
X! х2 Хз Х4
Основной уровень Хю 0,6 0,7 1,4 1,4
Интервалы варьирования Д X 0,4 0,4 0,4 0,4
Верхний уровень + 1,0 1,1 1,8 1,8
Нижний уровень 0,2 0,3 1,0 1,0
Таблица 3 - Химический состав исследованных сталей
№ Условное обозначение стали Содержание легирующих компонентов, % масс.
С Мп Сг
1 20Х2Н2СГ 0,21 1,02 1,12 1,77
2 20ХН2Г 0,22 0,17 1,10 0,96
3 20ХН2С 0,19 1,04 0,35 1,02
4 20Х2Н2 0,21 0,20 0,33 1,82
5 20ХНСГ 0,18 0,96 1,13 0,99
6 20X2НГ 0,20 0,23 1,07 1,82
7 20Х2НС 0,22 1,03 0,30 1,84
8 20ХН 0,18 0,22 0,31 1,00
9 20X1,5Н1,5С0,5Г0,5 0,19 0,68 0,67 1,42
СВИЩЕНКО В.В.,
стью Уп , перлит ещё присутствовал, а у образца той же стали, охлажденной со следующей скоростью Уп+д , отсутствовал, или его количество не превышало 3%, то образец охлаждённый со скоростью Уп+Д, считался охлаждённым со скоростью Узк. Таким образом, определили и отобрали для дальнейших исследований образец каждой стали, охлаж-дённыё со скоростью Узк. Эти образцы имели одинаковую структуру, состоящую из зернистого бейнита и структурно-свободного феррита (рисунок 2а).
Рисунок 2 - Микроструктура исследованных сталей (х800): а - после нормализации; б - после высокого отпуска
Отобранные для дальнейшего исследования образцы были подвергнуты сфероиди-зирующей термической обработке, заключавшейся в 4-х часовом отпуске при 680° С. Микроструктура всех образцов после отпуска представляла собой зернистый перлит с некоторым количеством структурно-свободного феррита (рисунок 26), Была определена твердость образцов (НВ).
ИВАНАЙСКИЙ A.A.
Составы исследованных сталей выбраны с применением методики математического планирования эксперимента. Результаты исследования твёрдости сталей выбранного состава позволяют построить математическую модель зависимости твёрдости (У) от количества вводимых в сталь легирующих компонентов (X) в виде уравнения регрессии
У= b0 + b-jX-i+ b2x2+ b3x3+ b4x4.
Коэффициенты регрессии (b|) оценивают совместное влияние основных эффектов и эффектов тройных взаимодействий варьируемых факторов. Поскольку тройные взаимодействия кремния марганца, никеля и хрома незначительны, то можно считать, что коэффициенты регрессии практически оценивают основные эффекты влияния варьируемых факторов. Таким образом, значение коэффициента bi соответствует степени влияния соответствующего фактора на твёрдость стали.
После проведения необходимых расчётов по методике, изложенной в работе [8], было получено уравнение регрессии:
У(нв) = 99 + 34,8[Si%] + 27,8[Mn%] + 21[Ni%] + 10.2[Сг%].
Данное уравнение является математической моделью зависимости твёрдости стали имеющей структуру зернистого перлита, полученного отпуском зернистого бейнита, от содержания в составе стали кремния, марганца, никеля и хрома. Из данной модели видно, что легирующие компоненты значительно различаются по влиянию на твердость. Минимальное влияние оказывает хром, значительное марганец и максимальное кремний.
Таким образом, для метода ТЧВ из легированных сталей более технологичными будут хромистые стали, а стали с марганцем и, особенно, с кремнием будут не технологичными.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. A.c. №1463774. СССР - Б.И. №9 от 07.03.1989 г. Способ сфероидизирующей термической обработки стали. Свищенко В.В., Чепрасов Д.П., Нефедов E.H. , Гурьев A.M.
2. Свищенко В.В. Строение и механизм формирования зернистого бейнита // Труды Алтайского Государственного Технического Университета им. И.И. Ползунова - Барнаул: Изд-во Ал-тГТУ, 1995. - С. 44-5D
3. Кремнев Л.С., Свищенко В.В., Чепрасов Д.П. Строение и механизм формирования зерни-
стого бейнита в стали 20Х2НАЧ // МиТОМ. 1997. №9. С.6-9.
4. Кремнев Л.С., Свищенко В.В., Чепрасов Д.П. Скоростной диапазон образования зернистого бейнита при распаде аустенита стали 20Х2НАч // МиТОМ. 1998. № 5. С. 17-19.
5. Кремнев Л.С., Свищенко В.В., Степанов A.B., Чепрасов Д.П. Влияние температуры аусте-нитизации стали 20Х2НАч на строение бейнита // МиТОМ. 1999. № 11. С. 15-17.
6. Свищенко В.В., Чепрасов Д.П., Антонюк О.В. Образование мезоферрита и зернистого бейнита в низкоуглеродистой низколегированной стали//МиТОМ. 12004. № 8. С. 7-11.
7. Попов A.A., Попова А.Е. Изотермическая и термокинетическая диаграммы распада переохлаждённого аустенита. Свердловск: Машгиз, 1961 430 с.
8. Новик Ф.С. Математические методы планирования эксперимента в металловедении. - М: Изд. МИСиС, 197-132 с
Свищенко Владимир Владимирович -
к,т.н., доцент, АлтГТУ.
Иванайский Александр Анатольевич -
к.т.н., доцент, АлтГТУ.
