CC BY
96
тщ
Гп <ТГ: Г/7гТ IT Г \\Г»
-1 (69), 201^ / Ifcf
7he results of carried out investigations enabled to recommend for factory testing the production of chipping knives of steels, subjected to high-temperature thermome-chanical processing, particularly 65S2VA u H12MF.
А. в. АЛИфАнов, А. М. МИЛЮКовА, фТИ нАн Беларуси, в. в. цурАн, Барановичский государственный университет
УДК 621.78.011:669.14.018.25
влияние термомеханической обработки на механические свойства инструментальных сталей, применяемых при изготовлении ножей для рубки технологической щепы
Благодаря наличию большого количества лесов в Республике Беларусь хорошо развита деревообрабатывающая промышленность . В последние 10-15 лет началось производство технологической щепы, применяемой для изготовления целлюлозы, бумаги, древесно-стружечных плит, топливных полуфабрикатов . Соответствующего оборудования в Беларуси не производится, поэтому было закуплено большое количество импортных рубительных машин в России и развитых европейских странах (Германии, Швеции, Чехии и других): МРП-40-1, МРНП-30Н, МРЗ-50ГБ, BRUKS, ИАиТ, VECOPLAN, PALLMANN и др . Естественно, что и рубильные ножи для этих машин в основном поставляются из-за рубежа, на что затрачиваются очень большие валютные средства, так как счет приобретаемых ножей идет на тысячи, а стоимость импортных ножей составляет от 50 до 480 евро в зависимости от размера ножа и фирмы-производителя . Только около 4% используемых ножей производится на белорусских предприятиях .
В связи с этим Первый заместитель Премьер-министра Республики Беларусь В . И . Семашко дал указание разработать отечественные прогрессивные технологические процессы изготовления ножей для рубки щепы и освоить их производство
Импортные ножи изготавливаются из высоколегированных сталей отличного качества (твердость HRC 55-60), конструктивно подходят к импортному оборудованию по всем параметрам и по своим эксплуатационным характеристикам превосходят изделия отечественного производства Однако вследствие своей высокой стоимости ножи эксплуатируются даже при затуплении, что нега-
тивно сказывается на производительности труда, качестве конечного продукта (например, щепы для гидролизно-целлюлозно-бумажного производства), энергопотреблении, а также приводит к преждевременному износу оборудования
Конструкции ножей довольно просты для изготовления на стандартном технологическом оборудовании Все технологические операции сводятся к вырубке или вырезке заготовки ножа из соответствующей полосы инструментальной стали, фрезерованию крепежных отверстий или пазов, заточке режущей кромки на одной из поверхностей, финишной обработке Самая ответственная и наукоемкая операция - это термообработка, обеспечивающая необходимые свойства ножа (твердость, ударная вязкость, износостойкость)
Главным препятствием для организации производства рубильных ножей на белорусских предприятиях является отсутствие знаний и опыта для проведения качественной термической или термомеханической обработки (ТО или ТМО) легированных инструментальных сталей, обеспечивающей необходимые эксплуатационные свойства изделий (мелкозернистая, однородная структура, высокие показатели твердости, ударной вязкости, периода стойкости и др ) В литературных и коммерческих источниках сведения о режимах ТМО считаются «ноу-хау» и не приводятся .
Известно, что термомеханическая обработка -одно из прогрессивных методов упрочнения стали, при котором сохраняется достаточная пластичность, что очень важно для рубильных ножей, испытывающих большие ударные нагрузки . Это достигается путем совмещения пластической деформации и упрочняющей термической обработки
128/
/хггггг: кътжпъ
1 (69), 2013-
г'С Лс,
Ас,
¡20-30X1
интервал течпбр&п'Уры
НТМО ,-1 /—1 нпю
г 1 Т1
X/Ъ'/ /Г///Л////У
/ \ Т /
Тотггус* Т | огппуск
Рис . 1 . Схема термомеханической обработки стали: а - высокотемпературная; б - низкотемпературная
(закалка и отпуск) . При ТМО деформации подвергают сталь в аустенитом состоянии, а при последующем быстром охлаждении формирование структуры закаленной стали (мартенсита) происходит в условиях наклепа аустенита, в связи с чем и повышаются механические свойства стали . Пластическое деформирование при ТМО возможно осуществлять прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением Различают два способа термомеханической обработки - высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) (рис . 1) [1].
При ВТМО сталь нагревают выше точки Ас3, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 20-30%) и закаливают. При НТМО сталь нагревают выше точки АС3, охлаждают до температуры относительной устойчивости аустенита, но ниже температуры рекристаллизации, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 75-95%) и закаливают. В обоих случаях после закалки следует низкий отпуск . ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО - только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали)
По сравнению с обычной закалкой после ТМО механические свойства стали получаются более высокими Наибольшее упрочнение достигается после НТМО (св = 2800-3300 МПа, 5 = 6%), в то
же время после обычной закалки и низкого отпуска предел прочности св не превышает 2000-2200 МПа и 5 = 3-4% [1] . Однако необходимость осуществлять процесс НТМО при степени деформации 75-95% очень усложняет этот вид обработки в производственных условиях
При термомеханической обработке стали повышение прочности объясняется тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен При последующей закалке из такого аус-тенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, что положительно сказывается на пластических свойствах и вязкости стали . В работе [2] показано, что после ВТМО образцов, изготовленных из инструментальной стали Х6ВФ, с троекратной ковкой исходного прутка карбидная неоднородность по сечению поковки соответствовала 1-3 баллам, в то время, как у исходных прутков -6 баллам
Целью данной работы было определение наиболее подходящих марок сталей для изготовления отечественных рубильных ножей с использованием метода ВТМО . Использовали образцы из следующих марок сталей: Х12МФ, У8А, 9ХС, ХВГ, 65С2ВА . В табл . 1, 2 приведен химический состав этих сталей
При получении опытных образцов применяли как термическую обработку, так и высокотемпературную термомеханическую обработку Опытные образцы изготавливали на оборудовании завода ОАО «Барановичский автоагрегатный завод» . Образцы исследуемых сталей подвергали нагреву выше точки Ас3 (рис . 1): Х12МФ - 1070 °С; У8А - 780; 9ХС - 870; ХВГ - 850; 65С2ВА - 820 °С с последующей деформацией на молоте пневматическом ковочном мод МВ 412 (рис 2) и охлаждением в масле марки И20А
Далее заготовки подвергали низкотемпературному отпуску при температурах: Х12МФ - 180 °С; У8А - 150; 9ХС - 150; ХВГ - 150; 65С2ВА - 150 °С
Таблица 1. Химический состав стали Х12МФ
Марка материала Массовая доля легирующих элементов,%
С Sl Мп Сг Си N1 8 Р V Мо
Х12МФ 1,45-1,65 0,1-0,4 0,15-0,45 11-12,5 0-0,3 0-0,35 0-0,03 0-0,03 0,15-0,3 0,4-0,6
Таблица 2 . Химический состав инструментальных сталей
Марка материала Массовая доля легирующих элементов,%
С Sl Мп Сг Си N1 8 р W
У8А 0,75-0,84 0,17-0,33 0,17-0,28 0,12-0,4 0,2-0,25 0,12-0,25 0-0,018 0-0,025 -
9ХС 0,85-0,95 1,2-1,6 0,3-0,6 0,95-1,25 0-0,3 0-0,35 0-0,03 0-0,03 0-0,2
ХВГ 0,9-1,05 0,1-0,4 0,8-1,1 0,9-1,2 0-0,3 0-0,35 0-0,03 0-0,03 1,2-1,6
65С2ВА 0,61-0,69 0,15-2 0,7-1 0-0,3 0-0,2 0-0,2 0-0,025 0-0,025 0,8-1,2
¿ггтгггг: къттспъ /190
-1 (69), 2013/ IШЧМ
а б
Рис . 2 . Получение опытных образцов с применением высокотемпературной термомеханической обработки: а - процесс деформации заготовки на пневматическом ковочном молоте; б - образец заготовки, полученной при ковке
а б
Рис . 3 . Опытные стальные образцы для определения их ударной вязкости: а - вид образцов, изготовленных из различных
сталей; б - чертеж образца
Таблица 3. Режимы термической обработки образцов
У8А ХВГ 9ХС Х12МФ 65С2ВА
Закалка - оборудование СВС (соляная электрованна: кальций хлористый технический - 43-47%, ГОСТ 450; соль поваренная - 52-55%, ГОСТ 13830)
790-800 °С 820-850 °С 850-880 °С подогрев - 650-700 °С закалка - 1000-1030 °С 850-870 °С
Нагрев и выдержка 5-8 мин
Вода (из воды на масло) масло масло масло масло
Отпуск ПН-32
220 °С 220 °С 220 °С 220 °С 220 °С
150 мин 150 мин 150 мин 180 мин 150 мин
с выдержкой 150 мин в печи шахтной отпускной термической ПН-32 .
Одним из наиболее важных показателей работоспособности и долговечности ножей, служащих для рубки древесной щепы, является ударная вязкость . Поэтому было принято решение определять ударную вязкость всех исследуемых образцов . Для этого из заготовок, полученных с использованием ВТМО, были изготовлены опытные образцы (рис . 3) .
Для проведения сравнительных испытаний были изготовлены такие же образцы из тех же марок сталей механическим способом (без использования ВТМО) Они подвергались традиционным режимам термической обработки (табл 3)
В зависимости от характера действия внешних нагрузок, напряженного состояния, конструктив-
ных особенностей и температуры одна и та же деталь из определенного материала может разрушаться вязко или хрупко . Известны случаи хрупкого разрушения под действием ударной нагрузки металлов, обладающих высокими пластическими свойствами
Для проверки способности материала сопротивляться ударным нагрузкам и выявления склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на удар
Ударные испытания различают:
а) по виду деформации - на изгиб, растяжение, сжатие, кручение, срез;
б) по скорости нагружения - обычные (4-7 м/с), скоростные (100-300 м/с) и сверхскоростные (свыше 300 м/с);
Ш/агггггг г^шглтг:г
I 1 (69), 2013-
в) по числу ударов - одним ударом или повторными ударами;
г) по температуре испытания .
Наиболее широкое применение получил способ испытания при ударном изгибе образцов прямоугольного сечения с надрезом посередине . Наличие надреза способствует более хрупкому разрушению материала, что вызывает излом образца даже при пластичном материале . Кроме того, разрушению надрезанного образца способствует концентрация напряжений . Основной стандартный образец типа Менаже, согласно ГОСТ 9454-78, должен иметь размеры, указанные на рис . 3, б.
В результате испытания определяется ударная вязкость материала, представляющая собой работу, затраченную на ударный излом образца, отнесенную к площади поперечного сечения в месте надреза
Стали, применяемые для изготовления деталей, работающих при динамических нагрузках, должны иметь ударную вязкость не менее 810 Дж/см2 [3] .
Ударные испытания на изгиб проводятся на маятниковых копрах В работе использовали маятниковый копер мод . ИО 5003-0,3 с номинальным запасом энергии в 300 №м (ЗАО «Атлант БСЗ», г. Барановичи) .
Подъем и возврат маятника в крайнее верхнее положение (фиксация заданного угла зарядки маятника) осуществляются автоматически с помощью подъемного пневматического устройства В табл . 4 и 5 приведены результаты проведенных испытаний
При сравнении результатов испытаний, приведенных в табл . 4 и 5, можно сделать вывод, что для сталей, подвергнутых ВТМО, ударная вязкость повышается в 0,7-2,0 раза, причем твердость при этом или сохраняется, или несущественно снижается на 1-3 ед . НRC по сравнению с образцами, подвергнутыми только термообработке (табл . 6) .
Причина упрочнения и повышенной ударной вязкости при ВТМО заключается в том, что из деформированного аустенитного зерна образуются более мелкие пластины мартенсита В какой-то степени на упрочнение влияет и то, что при деформации дробится блочная структура аустенита и углерод выделяется в виде дисперсных карбидов Во всех случаях ВТМО эти превращения происходят в результате деформации
На рис . 4 и 5 показаны структуры образцов, изготовленных из стали Х12МФ, подвергнутых традиционной термообработке (рис . 4) и ВТМО (рис 5) Из рисунков видно, что при ВТМО образуется более мелкодисперсная, однородная струк-
Таблица 4 . Результаты испытаний образцов на ударную вязкость, подвергнутых термической обработке (закалке) с низким отпуском
Номер образца Марка стали Работа, затрачиваемая на разрушение образца, Дж/см2
1 Х12МФ 10,5
2 12,8
1 У8А 6,0
2 8,5
1 9ХС 4,7
2 5,6
1 ХВГ 9,8
2 11,5
1 65С2ВА 12,6
2 14,8
Таблица 5. Результаты испытаний образцов на ударную вязкость, подвергнутых ВТМО с низким отпуском
Номер образца Марка стали Работа, затрачиваемая на разрушение образца, Дж/см2
1 Х12МФ 16,5
2 19,9
1 У8А 12,9
2 10,7
1 9ХС 4,5
2 4,4
1 ХВГ 9,2
2 12,5
1 65С2ВА 27,3
2 17,4
Таблица 6 . Результаты измерения твердости опытных образцов
Марка стали Твердость образцов с применением ТО (НЯО) Твердость образцов с применением ТМО (НЯО)
Х12МФ 57-59 56-57
У8А 58-60 56-59
9ХС 60-61 54-56
ХВГ 58-60 55-56
65С2ВА 58-60 56-58
тура, чем при обычной термообработке Сталь Х12МФ выбрана в связи с тем, что на ее образцах изменения структуры носят наиболее выраженный характер
Результаты проведенных испытаний позволили рекомендовать для проведения производственных испытаний изготавливать рубильные ножи из сталей, подвергнутых ВТМО, в частности, 65С2ВА (ударная вязкость 17,4-27,3 Дж/см2, твердость НRС 56-58) и Х12МФ (ударная вязкость 16,5-19,9 Дж/см2, твердость НRС 56-57), соответствующие показатели ударной вязкости которых (как главного критерия оценки) значительно превосходят эти показатели других исследованных сталей
дгггггггкщ-атптп /101
-1 (69), 2013 I 1111
а б
Рис . 4 . Структура образца из стали Х12МФ с традиционными режимами ТО: а - х63; б - х360
а б
Рис . 5 . Структура образца из стали Х12МФ с применением ВТМО: а - х63; б - х360
Как показывает опыт использования импорт- пределах НRС 55-58, ударная вязкость - в преде-
ных рубильных ножей на белорусских предприя- лах 15-30 Дж/см2 . Этим показателям соответству-
тиях, наилучшие показатели по периоду стойкости ют и рекомендуемые стали 65С2ВА и Х12МФ по-
показывают ножи, твердость которых находится в сле ВТМО .
Литература
1. Б о л х о в и т и н о в Н .Ф . Металловедение и термическая обработка. М. : Машгиз, 1961.
2 .А л и ф а н о в А .В . , З а х а р е в и ч Л .В . , М а к у ш о к Е . М. , О л е н и н Л. Д. Технологические процессы пластического деформирования в машиностроении . Мн . : Наука и техника, 1989 .
3 .Г у л я е в А .П. Металловедение . М. : Металлургия, 1966 .
