ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЛУНІКА МИХАЙЛО МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 669.14.018

ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТАЛЕЙ ДЛЯ ІНСТРУМЕНТУ ХОЛОДНОГО ДЕФОРМУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИМ ЛЕГУВАННЯМ І ТЕРМІЧНОЮ ОБРОБКОЮ

Спеціальність 05.02.01 – Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України та Інституті прикладної фізики НАНУ, м. Суми

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Дяченко Світлана Степанівна, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри технології металів та матеріалознавства

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Скобло Тамара Семенівна, Харківський державний технічний університет сільського господарства, м. Харків, професор кафедри ремонту машин;

кандидат технічних наук Луньов Валентин Митрофанович, ст. наук. співробітник, Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, м. Харків

Провідна установа: Харківський національний аерокосмічний університет (ХАІ)

Захист відбудеться 02.11.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул.. Петровського, 25

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків, вул.. Петровського, 25

Автореферат розісланий 01.10.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Е. Д. Прусенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Ефективність сучасного машинобудівного виробництва в великій мірі обумовлюється стійкістю інструменту, що використовується для виготовлення основної продукції, і ступенем використання відходів основного виробництва. Аналіз сортаменту відходів показує можливість їх використання для виплавлення інструментальних сталей різних груп, що безумовно буде сприяти підвищенню ефективності роботи підприємства.

Актуальнiсть теми. В сучасному виробництві до стійкості інструменту холодної обробки тиском ставлять все більш високі вимоги у зв'язку з постійним підвищенням швидкості обробки, розширенням асортименту оброблюваних матеріалів, ускладненням конструктивних параметрів виробів, що оброблюються. Існуючі інструментальні сталі в багатьох випадках не задовольняють ці вимоги, головним чином, із-за крихкого руйнування інструменту. Для підвищення його стійкості необхідно водночас досягти високої твердості, міцності i в'язкості сталей, тобто збільшити їх конструкційну міцність. Вирішення цієї проблеми потребує нових підходів до легування Важливість роботи ще підвищується, якщо врахувати можливість використання для виплавлення сталей відходів основного виробництва. Вирішенню цих актуальних питань присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності до планів науково-дослідних робіт в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті на кафедрі “Технологія металів та матеріалознавство” та в Інституті прикладної фізики НАНУ, м. Суми, у відповідності до пункту 17 “ Нові конструкційні матеріали та високоефективні технології їх виробництва” координаційного плану Міністерства освіти і науки України на 1997-1999 р , затвердженого наказом № 37 від 13.02 97 р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення стійкості інструменту холодного деформування зі сталей, які виплавлені з використанням відходів основного виробництва, при врахуванні нових підходів до їх легування і поверхневого зміцнення. Для досягнення цієї мети було необхідно вирішити такі задачі:

- для сталей різних груп підібрати на основі розрахунків комплекс елементів і їх кількість з урахуванням принципу компенсаційного легування (КЛ) при забезпеченні необхідної прогартовуваності і загартовуваності;

- провести дослідження структурних перетворень при термообробці та властивостей Cr-Si-Mo сталей з КЛ;

- проаналізувати роль міді в графітизованих сталях як з точки зору КЛ, так і для зменшення ліквації Si і активізації процесу графітизації;

- вивчити кінетику ізотермічного розпаду аустеніту і перство- рення при відпуску графітизованих сталей з КЛ і призначити на цій підставі оптимальні режими їх термічної обробки, які забезпечують необхідні експлуатаційні властивості;

- провести дослідження впливу ванадію на властивості мартенситно-старіючих сталей, виплавлених з використанням відходів, які містять даний елемент, і призначити економічний режим їх термічної обробки;

- вивчити можливість створення двошарового покриття за рахунок ступінчастого температурного режиму при хіміко-

термічній обробці в порошкових сумішах титану і окису хрому;

- визначити стійкість інструменту холодного деформування, виготовленого з використанням відходів основного виробництва, і розробити технологію виплавлення сталей, які забезпечили найбільш високу стійкість;

- провести промислове випробування інструменту з розроблених сталей і визначити економічну ефективність заміни інструментальних сталей, які використовуються в теперішній час, на ті, що рекомендуються в даній роботі.

Об'єкт дослідження: підвищення конструкційної міцності інструментальних сталей для холодної обробки тиском.

Предмет дослідження: вибір комплексу легувальних елементів і призначення режимів термічної і хіміко-термічної обробки, що забезпечують підвищення стійкості інструменту холодного деформування.

Методи дослідження. Методика досліджень обумовлювалася необхідністю підтвердження справедливості використання ідеї компенсаційного легування для підвищення конструкційної міцності. Для вивчення фазових і структурних перетворень в експериментальних сталях використані методи металографічного, електронномікроскопічного, рентгеноструктурного, рентгеноспектрального аналізу, вимірювання електроопору, намагніченості насичення і коерцитивної сили. Для оцінки службових характеристик визначали механічні властивості і стійкість інструменту.

Наукова новизна роботи:

- запропоновано новий підхід до вибору комплексу легувальних елементів і їх кількості з урахуванням внеску в спотворення кристалічної решітки і його мінімізації при утворенні твердого розчину, що було названо компенсаційним легуванням (КЛ); указані умови придатності такого підходу для підвищення конструкційної міцності;

- з позицій КЛ розраховані склади сталей різних груп і обгрунтовані режими термічної обробки, які забезпечують одночасне підвищення міцності, пластичності і ударної в'язкості при збереженні високої твердості інструменту;

- виконано термодинамічний аналіз протікання реакції в порошковій суміші титану і окису хрому в залежності від вмісту вуглецю і на цій основі розроблено новий ступінчастий метод поверхневого зміцнення інструменту, який забезпечує високу стійкість.

Практична цінність роботи: розробленi в даному дослідженні рекомендації по вибору легування сталей і їх термічної обробки дозволили підвищити стійкість інструменту з Cr-Si-Mo сталей від 1,7 до 3 разів (в залежності від виду інструменту), з графітизованих сталей – в 5 разів, з мартенситно-старіючих – в 12 разів, у порівнянні зі сталями, які використовують тепер (Х12М, Р6М5, Р18). Результати роботи випробувані на ВАТ Сумський завод “Насосенергомаш”, м. Суми, і рекомендовані до впровадження. Річний економічний ефект від впровадження рекомендованих сталей становить близько 250000 грн.

Особистий внесок здобувача. Автору належить основна ідея компенсаційного легування, виконані розрахунки параметра невідповідності і спотворень кристалічної решітки при різному легуванні, запропоновані склади експериментальних сталей, всі виконані дослідження процесів структуроутворення, розробка режимів термічної обробки і їх опробування в промислових умовах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені на щорічних (1998-2000 рр) науково-методичних конференціях ХДАДТУ, а також на міжнародних конференціях “Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Materials Using Particle Beams” (Суми, 1993р.), “Проблеми сучасного матеріалознавства” (м. Дніпропетровськ, 2000р.), “Технологія ремонту машин, механізмів, обладнання (Ремонт - 2000)” (Ялта, 2000р.), “Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві” (Харків, 2001р.).

Публікації. Основні результати дисертації автора опубліковані в 11 роботах і отримано авторське свідоцтво на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 105 найменувань і двох додатків. Робота містить 129 сторінок, у тому числі 119 сторінок основного тексту, 35 рисунків, 11 таблиць.

ЗМIСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність обраного напрямку роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, наукова новизна, практична цінність отриманих результатів, їх реалізація в промисловості.

У першому розділі приведений аналіз літературних даних з питань комплексного легування сталей для інструменту холодного деформування і указані шляхи підвищення його стійкості. З огляду витікає, що, незважаючи на численність робіт в цьому напрямку, ця проблема залишається до кінця не вирішеною. Для забезпечення високої стійкості інструменту такого призначення недостатньо досягти високої міцності і твердості матеріалу, необхідно при цьому забезпечити ще достатню в'язкість і пластичність, тобто конструкційну міцність. Розглянуті основні механізми зміцнення матеріалів і їх зв'язок з конструкційною міцністю. Підкреслено, що твердорозчинний механізм, вклад якого в загальну міцність може досягати 40%, визиває зниження конструкційної міцності у зв'язку з виникненням спотворень решітки і внутрішніх напружень. Зроблено висновок, що для розв'язання проблеми підвищення стійкості інструментальних сталей для холодного деформування необхідні нові підходи до легування. На цій підставі сформульовано мету і задачі дослідження.

У другому розділі обґрунтовано новий підхід до вибору комплексу легувальних елементів і їх кількості з урахуванням їх внеску в спотворення кристалічної решітки.

Відповідно до теорії Мотта-Набарро, атоми розчиненого елемента викликають виникнення локальних внутрішніх спотворень, які створюють перешкоди для пересування дислокації. Величина цих спотворень залежить від параметра невідповідності (різниці розмірів атомів (іонів) матриці сплаву і розчиненого елемента). Сила взаємодії дислокації з пружним полем, утвореним домішковим атомом, а отже, границя текучості пропорційна параметру невідповідності. В той же час виникаючі при легуванні спотворення кристалічної решітки є причиною окрихчування сплаву.

Ідея компенсаційного легування полягає в підборі легувальних елементів таким чином, щоб спотворення, спричинені одним елементом, компенсувати спотвореннями, спричиненими іншим елементом. Для сталі це може бути досягнуто при легуванні кількома елементами, одні з яких мають іонний радіус менший, ніж у заліза (наприклад, Si), інші, навпаки, більший.

Сумарне спотворення кристалічної решітки D можна виразити формулою

(1)

або у відносних одиницях

Dо = D / rFe , (2)

де rFe і ri – іонний радіус Fe та і-го елемента, відповідно;

pi - вміст і–го елемента (мас %);

A - атомна маса і-го елемента.

Для отримання одночасно високих значень міцності, пластичності і ударної в'язкості без зниження твердості треба підібрати легувальні елементи і їх кількість таким чином, щоб мінімізувати сумарне спотворення решітки. При цьому також слід мати на увазі необхідність отримання високої твердості і прогартовуваності сталей.

Виходячи з цих положень, були розраховані склади трьох груп сталей: 1) низько- і середньо легованих Cr-Si- Mo, в тому числі вторинно твердіючих; 2) графітизованих; 3) мартенситно-старіючих. Сталі одержували переплавом відходів основного виробництва, в тому числі, пермендуру і пермалою (для виплавлення мартенситно-старіючих сталей). Склад сталей наведений в табл.1 (№№ 1 - 5 – група 1, 6 - 10 – група 2, 11 - 14 – група 3).

Для вивчення фазових і структурних перетворень використані методи металографічного, електронномікроскопічного, рентгеноструктурного і рентгеноспектрального аналізу, вимірювання електроопору, коерцитивної сили, намагніченості насичення. Для вимірювання магнітних характеристик за допомогою стандартної балістичної установки БУ-3 було розроблене малогабаритне джерело живлення, яке відповідає всім вимогам щодо перехідних процесів і стабілізації напруги.

Механічні властивості, твердість і мікротвердість вимірювали на стандартному обладнанні. Стійкість інструменту, виготовленого з експериментальних сталей, визначали в цехових умовах. Розрахунки виконувалися на ПК з використанням програм фірм Microsoft і MathSoft.

Третій розділ присвячений дослідженню впливу комплексного легування на структуру і властивості штампових хромокремнємолібденових сталей (табл.1, сталі №№1 – 5). Були визначені оптимальні режими термічної обробки, які забезпечують отримання найбільш високої твердості (табл..2)

Таблиця 2

Режими термічної обробки Cr – Si – Mo сталей

№ Марка сталі Температура, оС Кратність відпуску Твердість, НRС

Гартування в маслі Відпуск

1 6ХСМФ 850 200 однократний 59

2 6ХСМТ 850 200 однократний 60

3 7ХСМТ 850 200 однократний 60

4 6Х4М2ФТ 1000 500...525 три кратний 60

5 7Х4М2ВТ 1100 500...525 трикратний 61

6 7Х4М2ТС 950 500...525 трикратний 61

Кількість залишкового аустеніту в сталях №№ 1 – 3 після гартування не перевищує 7 %, що практично не впливає на твердість (після обробки холодом твердість підвищувалася не більш ніж на 1 HRC). В той же час присутність невеликої кількості рівномірно розподіленого в структурі залишкового аустеніту могла сприяти підвищенню в'язкості сталі. Тому обробку холодом не використовували.

В сталях №№ 4 – 6 після гартування фіксувалося близько 15 % залишкового аустеніту, який розпадався при подальшому відпуску.

На рис.1 показаний вплив вмісту кремнію на властивості сталі типу 6ХСМФ. З рис. 1 видно, що при збільшенні вмісту кремнію до 1,0% міцність значно зростає. Подальше підвищення кількості кремнію практично не впливає на ув. Ударна в'язкість до 1,0 % кремнію змінюється мало. Збільшення вмісту кремнію вище 1,0 % приводить до зниження ударної в'язкості, особливо різкого при кількості кремнію >1,1%.

Рис.1.Вплив вмісту Si на тимчасовий опір (крива 1) і ударну в'язкість (крива 2) для сталі типу 6ХСМФ після гартування і низького відпуску Рис. 2 Залежність сумарного спотворення решітки Dо від вмісту кремнію для сталі типу ХСМФ: 1 – V в карбідах; 2 – V в твердому розчині

Сумарне відносне спотворення кристалічної решітки в залежності від вмісту кремнію показане на рис. 2. Розрахунки виконані для двох випадків – якщо всі легувальні елементи знаходяться в твердому розчині (крива2) і якщо ванадій, який утворює стійкі карбіди, не перейшов у твердий розчин, а залишився в карбідній фазі, яка при аустенітізації не розчинилася (крива 1). З рис. 2 видно, що для першого випадку Dо обертається в 0 при 1,07, для другого – при 0,97. Таким чином, в сталі типу 6ХСМФ найменше сумарне спотворення решітки виникає при кількості кремнію ~ 1 %.

Виконані розрахунки є приблизними, тому що в них не врахована роль вуглецю, який, безумовно, впливає на компенсаційний ефект, оскільки він збільшує період решітки мартенситу, тоді як кремній його зменшує. Кількісно оцінити внесок вуглецю в зміну Dо не вдалося. Але оскільки в усіх сталях вміст вуглецю був однаковий, зроблені розрахунки можна прийняти як оціночні, тим більше, що при введенні кремнію ефективний діаметр атома вуглецю в мартенситі суттєво зменшується внаслідок позитивної іонізації (Большаков В.И., Воробьев Г.М. и др. – Сб.”Проблемы современного материаловедения”.- Дн-ск, 1999.- вып.8.- часть 1.- с.77 – 79).

З порівняння рис. 1 і 2 можна зробити висновок про справедливість ідеї компенсаційного легування. До вмісту кремнію ~ 1,0 %, незважаючи на значний приріст міцності (Дув ~300 МПа), ударна в'язкість зберігається на одному і тому ж рівні, оскільки зміцнення супроводжується зниженням сумарного спотворення кристалічної решітки. Збільшення вмісту кремнію вище 1 % веде до росту спотворення решітки, що і є причиною окрихчування.

Додаткове легування сталі титаном приводить до подрібнення зерна і утворення дрібноголчастого мартенситу з розвиненою дислокаційною структурою і рівномірно розподіленими ультрадисперсними частинками надлишкових фаз, що позитивно впливає на властивості сталей (табл.3). В роботі дано пояснення формування такої структури з точки зору ролі дислокаційної будови аустеніту і часток надлишкових фаз в протіканні мартенситного перетворення.

Вторинно твердіючі сталі (табл. 3, №№ 4 - 6) мають приблизно таку ж міцність, але меншу ударну в'язкість, у порівнянні зі сталями №№ 1 – 3. В той же час слід підкреслити, що і для цієї групи сталей підвищення вмісту кремнію (сталь № 6) дає можливість одночасно отримати і найбільшу міцність, і найвищу ударну в'язкість.

Порівнюючи між собою досліджені сталі, можна зробити висновок, що найкращий комплекс властивостей був досягнутий у сталі 7ХСМТ, причому він вищий, ніж у високохромистої і більш дорогої сталі Х12М.

Таблиця 3

Механічні властивості Cr – Si – Mo сталей після оптимальної термічної обробки

№ п/п Марка сталі Властивості

КС б.н., МДж/м2 KCU, МДж/м2 HRC утст, МПа

1 2 3 4 5 6 7 8 9 6ХСМФ 6ХСМТ 7ХСМТ 6Х4М2ФТ 7Х4М2ВТ 7Х4М2ТС 6ХС 7ХФ Х12М 0,4-0,6 0,5-1,0 0,5-0,9 0,2-0,4 0,2-0,3 0,3-0,5 0,1-0,2 0,1-0,3 0,2-0,3 0,2-0,3 0,3-0,4 0,3-0,4 <0,10 <0,10 <0,20 <0,10 <0,10 <0,10 59-60 59-60 58-60 59-60 59-60 59-60 58-60 58-60 59-60 2560 2680 2730 2610 2620 2650 2200 2350 2540

Примітки: 1. утст – границя текучості при стиску;

2. КСбн - ударна в'язкість на зразках без надрізу

У четвертому розділі розглянуті графітизовані сталі, в яких вміст кремнію змінювали від 1,5 до 1,86 % (табл.1, сталі №№ 6 - 9). Як відомо, кремній дуже схильний до ліквації. Для її зменшення в сталь додавали мідь. Крім того мідь за розрахунками повинна знижувати сумарне спотворення кристалічної решітки ?о. Неоднорідність розподілу кремнію вивчали методом рентгеноспектрального аналізу. Про величину спотворень решітка судили по зміні електроопору.

Експерименти показали, що для сталей такого типу характерна пряма ліквація: зовнішні зони дендритних гілок збагачені, а центральні збіднені кремнієм.

На рис. 3 (крива 1) показана залежність відношення максимальної концентрації кремнію Si max до мінімальної Si min від вмісту міді для сталі 100С2Ю з 1,86 % Si в литому стані. Видно, що з підвищенням кількості Cu ліквація дещо зменшується, але повністю не усувається.

Подальше зменшення ліквації досягалося гомогенізаційним відпалом при 1200о С. Ступінь ліквації кремнію після відпалу оцінювали по відношенню до литого стану за формулою

, (4)

де і - максимальна і мінімальна концентрація кремнію в відпаленому стані;

і - те ж для литого стану.

Зміна ліквації кремнію при відпалі для сталей з різним вмістом міді показана на рис.4. Найбільш інтенсивно процес вирівнювання розподілу кремнію іде в перші 8 годин видержки, причому добавка 0,54 % Cu прискорює цей процес (крива 3). Збільшення кількості Cu понад 0,54 % практично не впливає на відносну ліквацію.

Теплове травлення сталі в суміші пікрату натрію і хромового ангідриду показало, що після відпалу кремній розподіляється в структурі сталі значно рівномірніше.

Експерименти показали, що гомогенізаційний відпал не тільки зменшує ліквацію кремнію, але й супроводжується графітизацією. В сталях без міді цей процес іде повільно, графіт виділяється окремими нерівномірно розташованими включеннями неправильної форми.

Добавка міді активізує графітизацію. Після однакового режиму відпалу в сталі з міддю графітних включень більше, вони рівномірно розподілені і мають правильну округлу форму. Таким чином, мідь, зменшуючи ліквацію кремнію, сприяє більш рівномірному розподілу вуглецю, що після відпалу дозволяє отримати однорідний розподіл графітних включень.

Рис.3. Залежність відношення максимальної концентрації кремнію до мінімальної (крива 1) і питомого електроопору (крива 2) від процентного вмісту міді в сталі 100С2Ю (1,86%Si, 0,4%Al); литий стан Рис. 4. Вплив видержки при температурі гомогенізації 1200оС на відносну ліквацію кремнію Д Si в сталі 100С2Ю з вмістом міді: 1 – 0 %; 2 – 0,31 %; 3 – 0,54 %; 4 – 0,87 %

Для одержання високої твердості після гартування графітизованої сталі необхідно, щоб в аустеніті залишилося близько 0,5% С, решта ж вуглецю повинна виділятися у вигляді графіту.

Процентний вміст вуглецю в графітних включеннях можна вичислити за формулою

, (5)

де Vгр і Vматр – об'ємна доля графіту і матриці, відповідно;

mгр - масова доля графіту.

Об'ємну долю графітних включень визначали методом кількісної металографії.

Побудовані діаграми ізотермічного перетворення аустеніту дозволили вибрати режим охолодження після гомогенізаційного відпалу, який забезпечував указаний розподіл вуглецю між твердим розчином і графітною фазою. Це дало можливість не проводити спеціального відпалу для графітизації сталі і таким чином спростити режим термічної обробки.

Введення міді в сталь позитивно впливає на її властивості як після гомогенізаційного відпалу, так і після гартування з низьким відпуском (рис.5).

Рис. 5. Залежність міцності (криві 1) і відносного подовження (криві 2) від вмісту міді в сталі типу 100С2Ю: а – після гомогенізаційного відпалу; б – після гартування і низького відпуску

Важливо підкреслити, що в сталях з міддю одночасно підвищуються і міцність і пластичність. В певній мірі це може бути обумовлено компенсаційним ефектом. За розрахунками введення в сталь 100С2Ю 0,5...0,8 % Cu знижує сумарне спотворення решітки на 20...25 %. Експериментально це підтверджується зниженням електроопору (рис. 3, крива 2).

Сталь 100С2ДЮ має невелику прогартовуваність і вимагає гартування у воді, що може супроводжуватися виникненням тріщин. Для підвищенням прогартовуваності в сталь додавали Mn і Mo, що дозволило здійснювати гартування в маслі. Властивості графітизованих сталей після гомогенізаційного відпалу і гартування з відпуском наведені в табл.. 4.

Таблиця 4

Механічні властивості графітизованих сталей після термообробки

Механічні властивості Марка сталі

100С2Ю 100С2ДЮ 100С2ГДЮ 100С2МДЮ 140Г2Н2МС

Тимчасовий опір, ув, МПа 510 1720 520 1825 710 1930 800 1980 680 1640

Відносне подовження, д% 2 0,5 5 2 2 1,5 6 3 3,5 2,5

Ударна в'яз-кість, KCU, МДж/м2 0,02 0,06 0,025 0,1 0,05

Твердість, НВ HRC 160 58 163 58 265 59 230 58 210 57

Примітка. В чисельнику - після відпалу, в знаменнику - після гартування (850оС, масло) і відпуску (200оС, 2г)

З таблиці видно, що як у відпаленому, так і в загартованому стані в експериментальних сталях одночасно підвищується міцність і пластичність. Найкращі властивості має сталь 100С2МДЮ, для якої сумарне спотворення решітки найменше. Слід підкреслити, що механічні властивості цієї сталі вищі, ніж у більш дорогої сталі 140Г2Н2МС.

П'ятий розділ присвячений мартенситно-старіючим сталям (табл.1, сталі 33 11 – 14). В сталях такого легування мартенсит формується не тільки при гартуванні в маслі, а й при охолодженні у повітрі, В роботі проаналізовано вплив температури нагріву (950...1100оС) і режиму охолодження (в маслі, в повітрі, обробка холодом) на властивості сталей перед старінням. Випробували також можливість гартування безпосередньо після кування, використовуючи прискорене охолодження у повітрі (під вентилятором). Кінцева обробка полягала в старінні при 500...550оС (в залежності від сталі).

Оскільки мартенситно-старіючі сталі виплавлялися з використанням пермендуру, який містить близько 2 % V, було виконано дослідження впливу цього елемента на властивості сталей цієї групи.

Експерименти показали, що добавка 0,4...0,5 % V одночасно підвищує міцність (D sв ~ 500 МПа) і ударну в'язкість сталі (D KCU ~ 0,2 МДж / м2). Найкращі властивості були одержані після прискореного охолодження у повітрі безпосередньо після кування. Такий режим можна розглядати як термомеханічну обробку. Властивості сталей цієї групи після указаної термічної обробки наведені в табл. 5.

З таблиці видно, що найкраще поєднання міцності і ударної в'язкості досягається в сталі Н12К15М10Ф. Більш складне легування не веде ні до підвищення твердості, ні до росту показників міцності. Навпаки, в сталі №№2, 3 міцність дещо нижче, ніж в сталі № 1. Це свідчить про нераціональність більш складного л легування у порівнянні зі сталлю № 1 - воно здорожує сталь, але не покращує властивості. Лише у випадку, коли потрібна дуже висока твердість, можна рекомендувати складно леговану сталь № 4, але при цьому слід мати на увазі помітне зниження ударної в'язкості.

Таблиця 5

Властивості мартенситно-старіючих сталей після кінцевої

термічної обробки

Сталь sв, МПа s0,2ст, МПа KCU, МДж/м2 HRC

Н12К15М10Ф 2850 3100 0,15-0,25 60-62

Н15К10М6Т2ЮФ 2710 2950 0,15-0,20 60-62

Н16К5М5В5С2ЮТ 2650 2720 0,10-0,15 58-60

Н13К11М6В6ТЮС 2920 3170 0,05-0,10 64-65

Н18К9М5Т 2100 2170 0,15-0,20 56-58

Можна вважати, що для мартенситно-старіючих сталей роль компенсаційного ефекту невелика. Властивості цих сталей в першу чергу обумовлюються виділенням в процесі старіння інтерметалідів, які містять основні легувальні елементи (Co, Mo, Ti, V, W). Що ж до матриці, то малий вміст вуглецю і легування нікелем, який має іонний радіус, рівний іонному радіусу заліза, практично не приводить до виникнення значних спотворень решітки.

У шостому розділі описані промислові випробовування інструменту з експериментальних сталей. Були виготовлені різьбонакатні ролики, вирубні пуансони, перфораційні пуансони для перфорації листової нержавіючої сталі 08Х17Н13М2Т товщиною 2 мм (діаметр отворів 2 мм), матриць глибокої витяжки. Результати випробувань наведені в табл.. 6.

Подальше збільшення стійкості штампового інструменту може бути досягнуто нанесенням на його поверхню твердого карбідного покриття. В роботі на основі проведеного термодинамічного аналізу був розроблений новий спосіб отримання двошарового карбідного покриття в суміші порошків металічного титану, окису хрому, графіту і активатора фтористого амонію. Верхній шар є переважно карбідом титану TiC з твердістю 40000...45000МПа, нижній - карбідом хрому Cr23C6 з твердістю HV 18000...20000 МПа. Наявність в покритті двох шарів з різною твердістю і різним коефіцієнтом термічного розширення сприяє зменшенню крихкості покриття за рахунок більш плавного переходу від основного металу до поверхні.

Таблиця Таблиця 6

Стійкість інструменту різного типу, виготовленого з експери - ментальних (№№ 1-6) і типових (№№ 7-11) сталей.

№ Сталь Кількість виробів, штуки

Вирубні пуансони Перфораційні пуансони Різьбо- накатні ролики Матриці глибокої витяжки

1 6ХСМТ 60000 3 листа 20000

2 7Х4М2ТС 20000

3 100С2ГДЮ 1000

4 Н12К15М10 10 листів

5 Н12К15М10Ф 12 листів

6 Н15К10М6Т2ЮФ 10 листів

7 6ХС 1000

8 Х12М 15000 1 лист 8000 200

9 Х12М з покриттям 21000 1000

10 20Х13, азотована 700

11 Р6М5 20000

ВИСНОВКИ

1. Дисертація направлена на розв'язання важливої науково-технічної проблеми збільшення стійкості штампового інструменту холодного деформування шляхом підвищення конструкційної міцності сталей.

2. Запропонований принцип компенсаційного легування, оснований на підборі легувальних елементів і їх кількості таким чином, щоб максимально знизити сумарні спотворення кристалічної решітки і тим самим при збереженні зміцнення зменшити окрихчення. Указані умови застосування цього принципу для реальних сталей.

3. Для Cr – Si – Mo сталей розраховано сумарне спотворення решітки в залежності від кількості Si і інших елементів і запропоновані склади сталей, які найбільш повно відповідають принципу КЛ (сталі типу 6ХСМФ, 6ХСМТ, 7ХСМТ). Для цих сталей спостерігається одночасне збільшення міцності (приблизно в 1,2 рази) і ударної в'язкості (приблизно в 3…4 рази), в порівнянні зі сталями, легування яких не відповідає цьому принципу.

4. При легуванні сталей елементами, які утворюють стійкі надлишкові фази (карбіди, нітриди, карбонітриди), поряд з компенсаційним ефектом, суттєву роль в підвищенні конструкційної міцності грає подрібнення зерна і зменшення спотворень при протіканні мартенситного перетворення за рахунок більш рівномірного розташування в аустеніті центрів, які являються місцями гетерогенного зародження мартенситу.

5. Запропоновані склади графітизованих сталей типу 100С2Ю, які поєднують високу міцність з достатньою пластичністю. Високі властивості досягаються при введенні в сталь ~ 0,5% Cu, яка зменшує ліквацію кремнію і сприяє графітизації. При цьому добавка міді приводить до зменшення спотворень решітки.

6. Розроблено режим термічної обробки, який дозволяє забезпечити виділення близько 0,5% вуглецю в вигляді графіту. Збережений в аустеніті при нагріванні під гартування вуглець в кількості 0,5 % забезпечує отримання після гартування високої твердості сталей (HRC 61…62). Додаткове легування марганцем (~1%) і молібденом (~ 0,2…0,3%) збільшує прогартовуваність цих сталей, що дозволяє здійснювати гартування в маслі, і приводить до одночасного збільшення міцності (на 200…250 МПа) і пластичності (в 3…6 разів), в порівнянні зі сталлю 100С2Ю.

7. Показано, що легування мартенситно-старіючих сталей невеликою кількістю ванадію (0,3…0,5%) приводить до одночасного підвищення міцності (на 500 МПа) і ударної в'язкості (на 0,1 МДж/м2), в порівнянні зі сталями без V. Це повинно зменшити імовірність крихкого руйнування інструменту.

8. Для експериментальних мартенситно-старіючих сталей розроблений економічний режим термічної обробки, який забезпечує одержання необхідного рівня властивостей: гартування у повітрі безпосередньо після кування з наступним старінням при 500…550оС. Такий режим можна розглядати як термомеханічну обробку. Найкращий комплекс властивостей був досягнутий в сталі Н12К15М10Ф. Додаткове легування Ti, W, Si, Al не тільки не підвищує механічних властивостей, але може їх понизити із-за збільшення кількості залишкового аустеніту.

9. Приведена технологія виплавлення всіх груп експериментальних сталей з використанням відходів основного виробництва. Механічні властивості сталей знаходяться на високому рівні і повністю задовольняють вимогам, які до них ставлять.

10. Розроблено спосіб одержання двохшарових карбідних покриттів з порошкових сумішей. Верхній шар представляє собою в основному карбід титану з твердістю ~ 40 ГПа, нижній – в основному карбід хрому с твердістю ~ 20 ГПа. Товщину шарів можна регулювати в широких межах, змінюючи температуру і час процесу (для шару TiC від 20 до 40 мкм, для Cr23C6 - від 10 до 35 мкм). Двохшарове покриття менш крихке в зв'язку з більш плавною зміною твердості і коефіцієнта лінійного розширення.

11. Інструмент, виготовлений із експериментальних сталей різних груп, показав значне збільшення стійкості в порівнянні з інструментом із більш дорогих сталей, які використовують на цей час. Стійкість вирубних пуансонів зі сталі 6ХСМТ, в порівнянні зі сталлю Р6М5, збільшилася в 3 рази, різьбонакатних роликів - в 1,7 рази; перфораційних пуансонів із сталі 6ХСМТ, в порівнянні з Х12М - в 3 рази, із сталі Н12К15М10Ф – в 12 разів, матриць глибокої витяжки зі сталі 100С2ГДЮ, в порівнянні з Х12М, – в 5 разів.

12. Промислове випробовування результатів роботи проведено на ВАТ Сумський завод “НАСОСЕНЕРГОМАШ”, м. Суми. Річний економічний ефект від заміни сталей, які використовуються на цей час, розробленими складає близько 250000 грн .

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Публікації в наукових спеціальних виданнях:

1 Дьяченко С.С., Луника М.Н. Принцип компенсационного легирования // Процессі литья. – К.:ФТИМС. - 2001.- №3. – С.44-47.

2 Дьяченко С.С., Луника М.Н. Компенсационное легирование стали типа 6ХСМФ / Вісник Інженерної академії України. – К. - № 3. – Частина 1, 2001. – С. 95-98.

3. Луника М.Н., Дьяченко С.С. Прочностные и физические свойства экономнолегированных мартенситно-стареющих Ni-Co-Mo-сталей, модифицированных ванадием// Металлофизика и новейшие технолигии.- К.:НАН Украины. -1998.-№12.- С.23-29.

4. Луника М.Н. Упрочнение поверхности стали карбидами титана и хрома //Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия.-1993.-№2.-С. 18-20.

5. Луника М.Н. Влияние легирования графитизированных сталей на закаливаемость и превращения при отпуске // Металловедение и термическая обработка металлов.- М.: Металлургия.-1982.- №3.- С. 17-19.

6. Луника М.Н. Источник питания для баллистических установок // Заводская лаборатория.- М.: Металлургия.-1980.-№7.- С.622-623.

7. Способ комплексного упрочнения поверхности: А.с. 1620504 СССР, МКИ С23С 10/54. / М.Н. Луника (СССР).- №4637584; Заявлено 21.11.89; Опубл. 15.01.91. Бюл. №2.- 3 с.

Додаткові публікації:

8. Луника М.Н. Структура и свойства Cr-Si-Mo-сталей, легированных ванадием и титаном// Сб. научных трудов международной конференции "Строительство, материаловедение, машиностроение".- Вып.10.-Днепропетровск: Gaudeamus.- 2000.- С.182.

9. Луника М.Н. Улучшение механических свойств штамповой Cr-Mo стали с повышенным содержанием кремния // Материалы 8-й Международной научно-технической конференции "Технологии ремонта машин, механизмов, оборудования (РЕМОНТ- 2000)".-К.:-2000.—С. 54.

10.Ivasishin O.M.,Lunika M.N., Sviridenko N.V. Surface diffusion hardening with titanium and chromium carbides // Proc. International Conf. "Modification of Properties of Surface Layers of Non-Semiconducting Mаteriаls Using Particle Beams".-Sumy.:-1993.- P.56.

11. Луника М.Н. Повышение стойкости вырубных пуансонов // Технология и организация производства. К.: - 1980. - № 4.– С.35 – 36.

12. Луника М.Н., Яковлев В.А. Применение графитизированных сталей для штампов // Технология и организация производства. – К. – 1982. - № 1. – С.33.

АНОТАЦІЇ

Луніка М.М. Підвищення експлуатаційних властивостей сталей для інструменту холодного деформування раціональним легуванням і термічною обробкою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальність 05.02.01 – Матеріалознавство, - Харківський Національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2001 р.

Дисертація направлена на розв'язання важливої науково-технічної проблеми збільшення стійкостй штампового інструменту холодного деформування шляхом підвищення конструкційної міцності сталей, які використовуються для їх виготовлення. Запропонований принцип компенсаційного легування, основаного на підборі легуювальних елементів і їх кількості таким чином, щоб максимально знизити сумарні спотворення кристалічної решітки і тим самим при збереженні зміцнення зменшити окрихкчування сталей.. Для Cr – Si – Mo сталей розрахований параметр невідповідності ?о в залежності від кількості Si и інших елементів і запропоновані склади сталей, які найбільш повно задовольняють цьому принципу. Запропоновані склади графітизованих сталей типу 100С2Ю з високою міцністю і достатньою пластичністю. Високі властивості досягаються при введенні в сталь ~ 0,5% Cu, що приводить до зменшення ?о. Показано, що легування мартенситно-старіючих сталей невеликою кількістю ванадію (0,3…0,5%) приводить до одночасного збільшення міцності (~ на 500 МПа) і ударної в'язкості (~ на 0,1 МДж/м2). Розроблено спосіб одержання двохшарових карбідних покритів з порошкових сумішей, які мають меншу крихкість в зв'язку з більш плавною зміною твердості і коефіцієнту лінійного розширення. Стійкість інструменту з запропонованих сталей, у порівнянні з тими, що використовуються на теперішній час, зросла (в залежності вид виду інструменту) в 1,7…12 разів.

Ключові слова: сталь, параметр невідповідності, іонний радіус, легувальні елементи, термічна обробка, інструмент, злам, міцність.

Lunika M. N. Increase of cold work steel performance using rational alloying and heat treatment.-Manuscript.

Thesis applying for candidate of engineering science degree on speciality 05.02.01 – Material science.- The Kharkov State Automobile and Highway Technical University, Kharkov, 2001

The solutions of a scientific and technical problem on strength and ductility increase are given in the thesis. The principle of compensational alloying based on choosing alloy elements and their amounts for decreasing lattice distortion with strength and ductility conservation is offered. The inconsistency parameter Д depending on amounts and ion radius of alloying elements for Cr-Si-Mo – steel was calculated. Steel compositions which consist with this principle mostly are suggested. Graphitic steels 100C2Ю- type with high strength and sufficient ductility are proposed. High properties are achieved using 0,5% Cu alloying which allow to decrease Д. It is showed that small quantities vanadium alloying (0.3…0.5%) of maraging steels leads to simultaneous increasing of strength (500 MPa) and toughnees (0.1 MJ/ m2). The method of two layered carbide coating is developed. Two layered coating is less fragile due to more smooth transition in hardness and thermal expantion coefficient.

Key words: steel, dislocation, ion radius, alloying elements, quench, tool, annealing, fracture, strength.

Луника М. Н. Повышение эксплуатационных свойств сталей для инструмента холодного деформирования рациональным легированием и термической обработкой.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 – материаловедение. - Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 2001 г.

В диссертации приведено решение научно-технической проблемы повышения эффективности упрочнения. Предложен принцип компенсационного легирования, основанного на подборе легирующих элементов и их количества таким образом, чтобы максимально снизить суммарные искажения кристаллической решетки и тем самым при сохранении упрочнения уменьшить охрупчивание. Установлены границы применимости этого принципа для реальных сталей.

Для Cr – Si – Mo сталей рассчитан параметр Д в зависимости от количества Si и других элементов и предложены составы сталей, наиболее полно удовлетворяющих принципу КЛ (стали типа 6ХСМФ, 6ХСМТ, 7ХСМТ). Для этих сталей наблюдается одновременное повышение прочности (примерно в 1,2 раза) и ударной вязкости (примерно в 3…4 раза), по сравнению со сталями, легирование которых не удовлетворяет этому принципу.

Предложены составы графитизированных сталей типа 100С2Ю, сочетающих высокую прочность с достаточной пластичностью. Высокие свойства достигаются при введении в сталь 0,5% Cu, уменьшающей ликвацию кремния и способствующей графитизации. При этом добавка меди приводит к уменьшению параметра Д.

Разработан режим термической обработки, позволяющий обеспечить выделение около 0,5% углерода в виде графита. Сохраняющийся в аустените при нагреве под закалку углерод в количестве 0,5 % обеспечивает получение после закалки высокой твердости сталей (HRC 61…62). Дополнительное легирование марганцем (1%) и молибденом (0,2…0,3%) повышает прокаливаемость этих сталей, что позволяет проводить закалку в масле, и приводит к одновременному увеличению прочности (на 200…250 МПа) и пластичности (в 3…6 раз), по сравнению со сталью 100С2Ю.

Показано, что легирование мартенситно-стареющих сталей небольшим количеством ванадия (0,3…0,5) приводит к одновременному повышению прочности (на 500 МПа) и ударной вязкости (на 0,1 мДж/м2), по сравнению со сталями без V. Это должно уменьшать вероятность хрупкого разрушения инструмента.

Для экспериментальных мартенситно-стареющих сталей разработан экономичный режим термической обработки, обеспечивающий получение необходимого уровня свойств: закалка на воздухе непосредственно после ковки с последующим старением при 500…550о С. Такой режим можно рассматривать как термомеханическую обработку. Наилучший комплекс свойств получается в стали Н12К15М10Ф. Дополнительное легирование Ti, W, Si, Al не только не повышает механических свойств, но может их понизить из-за увеличения количества остаточного аустенита.

Приведена технология выплавки всех групп экспериментальных сталей с использованием отходов основного производства. Разработан способ получения двухслойных карбидных покрытий из порошковых смесей. Верхний слой представляет собой карбид титана с твердостью 40 ГПа, нижний – карбид хрома с твердостью 20 ГПа. Толщину слоев можно регулировать, изменяя температуру и время процесса, в широких пределах (для слоя TiC от 20 до 40 мкм, для Cr23C6 - от 10 до 35 мкм). Двухслойное покрытие менее хрупко в связи с