CC BY
54
УДК 621.785.54:543.442.3
ВПЛИВ ТЕРМООБРОБКИ 3 Р13НИМИ ШВИДКОСТЯМИ НАГР1ВАННЯ НА СУБСТРУКТУРН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛ1
О. G. Вуець, асп.,
Нацюнальний техшчннй ушверснтет «Харк1вський полгтехшчний ¡нститут»
Анотац1я. На ocnoei рентгеноструктурних досл1джень естаноелено позитивный еплие швид-юсного нагр1вання nid час eidnycKy на субструктурний стан стал1 15Х11МФ: po3Mip областей когерентного розыяння (ОКР), величину мтродеформацИ кристал^чног гратки та густину дислокаций.
Ключов1 слова: гартуеання, eidnycK, тчне нагр1вання, нагр1вання струмами високог частоти (СВЧ), субструктурм характеристики.
ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ С РАЗНЫМИ СКОРОСТЯМИ НАГРЕВА НА СУБСТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛИ
А. Е. Вуец, асп., Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»
Аннотация. На основе рентгеноструктурных исследований установлено положительное влияние скоростного нагрева во время отпуска на субструктурные характеристики стали 15Х11МФ: размер областей когерентного рассеяния (ОКР), величину микродеформации кристаллической решетки и плотность дислокаций.
Ключевые слова: закалка, отпуск, печной нагрев, нагрев токами высокой частоты (ТВЧ), субструктурные характеристики.
THE INFLUENCE OF HEAT TREATMENT WITH DIFFERENT HEATING RATES ON SUBSTRUCTURE CHARACTERISTICS OF STEEL
O. Vuiets, P. G., National Technical University «Kharkiv Politechnical Institute»
Abstract. On the basis of x-ray studies there have been found positive effects of high-speed heating during tempering at substructural characteristics of steel 15H11MF: the size of coherent scattering regions, the magnitude of the crystal lattice microstrain and dislocation density value.
Key words: quenching, tempering, heat in the furnace, heating of high-frequency currents, substructure characteristics.
Вступ
Для сучасного машинобудування одним з найважливших завдань е введения прогре-сивних метод1в обробки деталей для шдви-щення 1х поверхнево! мщносп, що дае знач-но меншу в1ропдшсть швидкого зносу поверх-т тд час експлуатаци.
Одним ¿з прогресивних метод1в обробки кромок лопаток парових турбш з метою шд-
вищення 1х ерозшно! стшкосп е поверхневе гартування з використанням швидюсного нагр1вання струмами високо! частоти (СВЧ). Через велию габарити робочих лопаток проведения подальшого шчного вщпуску для зняття залишкових напружень е трудомют-кою та економ1чно невипдною операщею.
Одшею з методик, що дозволяе виршити цю проблему, е використання заключно! опера-цп локального швидюсного вщпуску кромок
з нагр1ванням СВЧ. Всупереч тому, що пщ час нагр1вання в печ1 обов'язковими е трива-л1 витримки в обласп температур вщпуску, за високочастотного нагр1вання виявляеться можливим отримання високих мехашчних властивостей теля вщпуску, тривалють яко-го досить мала.
Анал1з публжацш
В роботах [1-3] описане використання швид-юсних нагр1вань (Кнагр > 100 °С/с) для вщпус-ку загартованих сталей, але здебшьшого зра-зки були виготовлеш з1 сталевих проволок малого д1аметра I прогр1валися наскр1зь за допомогою електроконтактного нагр1вання.
Мета 1 постановка завдання
Метою роботи е дослщження впливу швид-косп нагр1вання пщ час термообробки (гар-тування та вщпуск) на субструктурш характеристики конструкцшно! стал1 15X11МФ, що широко застосовуеться в турбшобуду-ванш для виготовлення робочих лопаток па-рових турбш.
Методика дослщження
Терм1чна обробка та подальший реитгено-структурний анатз проводились на зразках з1 стат 15X11МФ у вихщному сташ теля по-лшшення - гартування в печ1 1050 °С (масло) + тчний вщпуск 680 0С. Розм1р зраз-юв - 20x30x5 мм.
Швидюсне нагр1вання проводилось за допомогою генератора струм1в високо! частоти ВЧГ-60/0,44 (частота V = 440 КГц) з викори-станням прямого мщного ¿ндуктора д1амет-ром 6 мм. Для отримання високих показниюв питомо1 потужносп на шдуктор1 застосову-вався феритовий магштопровщ
Зразки пщдавались поверхневому гартуван-ню з використанням СВЧ - нагр1вання до 1150 °С з1 швидюстю Ушгр ~ 1000 °С/с та подальше охолодження водяним спреером (рис. 1,а). Через достатньо високу частоту генератора СВЧ товщина загартованого шару -к ~ 1 мм, що становить 20 % вщ загально! товщини зразка. Пром1жок м1ж шдуктором та поверхнею зразюв складав г ~ 0,95 мм, швидюсть перемщення зразюв уздовж ¿нду-ктора - Упер ~ 5,75 мм/с.
Для пор1вняння було проведено об'емне гартування в печ1 вщ температури 1050 °С з охолодженням у масл1 (рис. 1,6).
/,°С
1050
/,°С
Рис. 1. Схема проведения гартування: а -у печц б - за допомогою СВЧ
Пюля гартування з р1зними швидкостями нагр1вання був проведений вщпуск за двома методиками (рис. 2 та 3) - з повшьним тч-ним нагр1ванням (Кнагр ~ 0,1 °С/с) та швидю-сним за допомогою СВЧ (Унагр> 100 °С/с). Швидюсний вщпуск СВЧ проводився за тих же технолопчних параметр1в, що 1 гартування (у, 2, Упер), лише з понижениям питомо! потужносп генератора для досягнення задано! температури вщпуску в поверхневому шарь Попередньо загартований СВЧ шар був р1вном1рно прогр1тий на задану глибину (к ~ 1 мм) до температур вщпуску, що пщт-верджуеться результатами математичного мо-делювання [4]. Для визначення температури на поверхш зразюв пщ час нагр1вання СВЧ використовувались окрем1 термопари ¿з за-писом криво! нагр1вання на комп'ютер1 через аналогово-цифровий перетворювач.
Рис. 2. Схема шчного гартування та подаль-шого вщпуску: а - шчний вщпуск 550 °С; б - вщпуск СВЧ 800 °С
/,°С
/,°С
Рис. 3. Схема гартування СВЧ та подальшого вщпуску: а - шчний вщпуск 550 °С, б - вщпуск СВЧ 800 °С
Через очевидну р1зницю значень субструктур-них характеристик шд час проведения выпуску з р1зними швидкостями нагр1вання за однаково! температуря критер1ем пор1вняння впливу швидкост1 нагр1вання було обрано твердють поверхневих mapiß (HRC). Тому температуря вщпуску були щщбраш з ви-користанням результапв попередшх дос-лщжень впливу температуря та швидкосп названия на твердють стат 15Х11МФ [5] (рис. 4).
Рис. 4. Вплив температури та швидкосп нагр1вання шд час вщпуску на твердють стат 15X11МФ: ■ - вщпуск СВЧ; • - шчний вщпуск
3 рис. 4 видно, що твердють 34-35 HRC може бути досягнута шляхом швидкюного вщпус-ку СВЧ 800 °С або шчного вщпуску 550 °С. Саме щ даш i було покладено в основу пода-льшого пор1вняльного дослщження.
Для попередження впливу недолшв терм1ч-но1 обробки на результата рентгеноструктур-ного анал1зу yci зразки перед анал1зом були тддаш електролпичному пол1руванню. Зйом-ка спектр1в дифракцшних лшш проводилась на установщ ДРОН-3 в ^-Cr випромшюванш. За допомогою рентгеноструктурного анатзу для кожного i3 дослщних зразюв були отри-маш значения розширення дифракцшних ма-ксимум1в штерференцшних лшш (110) та (211). Пюля визначення ютинного ф1зичного розширення ßi та ß2 було проведено якюне оцшювання частки впливу фактор1в розм1ру кристалтв та мшродеформацп [6]. В ycix випадках сшввщношення ютинних ф1зичних розширень знаходиться м1ж сшввщношен-ням косинус1в та тангенс1в (1).
Отже, ф1зичне розширення лшш викликане як мшродеформащею, так 1 подр1бненням кристалтв.
Методом апроксимацп (функцп Кош1 та Гаусса) були визначеш розм1ри областей когерентного розс1яння та значения м1кродеформа-цш кристашчно! гратки. Густина дислокацш (з точнютю до нашвпорядку) розраховувалась за формулою (2) [6]
Р = ^ ^ Р2,
5 b
(2)
де b - вектор Бюргерса, ß - ф1зичне розширення, рад.
Результаты дослщження
На рис. 5 та 6 наведен! пор1вняльш д1аграми впливу швидкосп нагр1вання шд час гарту-вання та вщпуску на субструктурш характеристики crani 15Х11МФ.
cos0W fa / tg02
cos 04
< — < ß1
tg01
(1)
Рис. 5. Субструктурш характеристики стал1 15Х11МФ у вихщному сташ та теля гар-тування з р1зними швидкостями нагр1-вання: а - вихщний стан; б - шчне гар-тування; в - гартування СВЧ
Гартування в печ1 1 за допомогою СВЧ пор1в-няно ¿з вихщним станом приводить до подр1б-нення блочно! структури майже у 2-2,5 рази, збшьшення показниюв мшродеформацп - у 3,5 рази та густини дислокацш у - 2-3 рази. Через високу швидкють нагр1вання гартування СВЧ приводить до отримання бшьш розвинено! субструктури, на вщм1ну вщ шч-ного гартування (менший розм1р блоюв, густина дислокацш бшьша у 1,5 рази). Це пояс-нюеться тим, що внаслщок високо! швидкосп нагр1вання аустештне зерно подр1бнюеться 1 спадково передаеться отриманому теля гартування СВЧ др1бноголчатому мартенситу.
р. 10" са :
ш 1 12И 570
7ГГТ
0,1' ),71 0,2 ,'4 0,1 1,71 "17
а 6 в г
РозяорблошвБ ■ Млеродеформацше Густинадшлоклщй р
Рис. 6. Субструктурш характеристики стал1 15Х11МФ теля термообробки з р1зними швидкостями нагр1вання: а - шчне гар-туваиия 1 шчний вщпуск 550 0С; б - шчне гартування 1 вщпуск СВЧ 800 0С; в - гартування СВЧ 1 шчний вщпуск 550 0С; г - гартування СВЧ 1 вщпуск СВЧ 800 0С
Пюля гартування обох тишв вщпуск з р1зни-ми швидкостями нагр1вання на однакову твердють призводить до збшьшення розм1ру блоюв 1 зменшення мшродеформацп та гус-тини дислокацш. Пор1внюючи обидва типи вщпуску теля обох тишв гартування, пом1т-но, що вщпуск СВЧ в пор1внянш з шчним приводить до затримки процеав релаксацп мшронапружень та процес1в збшьшення бло-юв а-фази. Це пояснюеться набагато меншим часом витримки в штервал1 вщпускних температур при нагр1ванш СВЧ (х ~ 1-2 с).
Незалежно вщ типу гартування подальший шчний вщпуск приводить до отримання р1в-новажно! структури майже з однаковими значениями субструктурних характеристик, що пояснюеться тривалою витримкою (х = 2 години) в печ1 (рис. 6,а, в).
Пор1внюючи субструктурш характеристики теля гартування з р1зними швидкостями названия в поеднанш з вщпуском СВЧ, бачи-мо (рис. 6,6, г), що бшьш висою показники мшродеформацп, густини дислокацш та ви-сокодисперсну блочну структуру а-фази ма-ють зразки, що пщдавалися послщовному гартуванню та швидюсному вщпуску за до-помогою СВЧ. Попередне гартування СВЧ внаслщок короткочасно! витримки при аус-тештизацп дозволило зберегти бшьш високу дисперсшсть блоюв.
Висновки
Застосування високо! швидкосп нагр1вання у процес1 вщпуску (Гнагр > 100 0С/с) приводить
до отримання такого структурного стану в стат, що в пор1внянш з1 звичайним шчним вщпуском характеризуеться бшьш високими значениями мшродформацп кристатчно! гратки, густини дислокацш 1 вищим ступе-нем дисперсност1 когерентних областей (блоюв). 3 дослщжених тишв термообробки проведения поверхнево! комплексно! швид-юсно! термообробки за допомогою СВЧ (гартування та вщпуску) приводить до отримання найбшьш розвинено! субструктури в стат, що, вочевидь, сприятиме отриманню вигщного поеднання властивостей мщносп 1 пластичност1 пор1вняно ¿з традицшною об'емною термообробкою в печь
Л1тература
1. Физические основы электротермического
упрочнения стали / В. Н. Гриднев и др. -К.: Наукова думка, 1973. - 336 с.
2. Головин Г. Ф. Высокочастотная термиче-
ская обработка: вопросы металловедения и технологии / Г. Ф. Головин, М. М. Замятин. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. - 240 с.
3. Белоус М. В. Превращение при отпуске ста-
ли / М. В. Белоус, В. Т. Черепин,
М. А. Васильев. - М.: Металлургия, 1973. - 232 с.
4. Погр1бний М. А. Математичне моделю-
вання температурних пол1в пщ час вщпуску з нагр1ванням струмами високо! частоти / М. А. Погр1бний, О. С. Вуець // Проблемы машиностроения. - 2013. -Т. 16, № 2. - С. 11-18.
5. Вуець О. С. Особливосп формування
структур та властивостей сталей при вь дпуску в умовах швидюсного нагр1ву / О. С. Вуець, М. А. Погр1бний // 1нфор-мащйш технологи: наука, техшка, техно-лопя, осв1та, здоров'я: тези доповщей XVIII М1жнародно! науково-практично! конференцп 12-14 травня 2010 р., Хар-к!в. Ч. II. - X., 2010. - С. 13.
6. Металловедение и термическая обработка
стали: справ. изд.: в 3 т. / под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рахштадта. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1983. - Т. 1. Методы испытаний и исследования. - 1983. - 352 с.
Рецензент: С. С. Дьяченко, професор, д. т. н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 28 с1чня 2014 р.
