Прогнозирование структуры и свойств сталей в объеме изделия при закалке и отпуске

Повышение качества продукции машиностроения неразрывно связано с рациональным выбором материала деталей и совершенствованием процесса их термической обработки. Основным видом упрочняющей термической обработки деталей является закалка и последующий отпуск.

При закалке сталей, за редким исключением — сквозной прокаливаемости, и при последующем отпуске по объему изделия формируются области с различными структурами и, следовательно, свойствами [1]. В целом их совоN купность определяет конструкционную прочность, включающую критерии прочности, надежности и долговечности.

Однако, на практике при выборе материала деталей ориентируются лишь на его прокаливаемость и свойства одного или в лучшем случае двух структурных состояний. Для компенсации несовершенств выбора материала вводятся высокие значения коэффициентов запаса прочности и допускаются в широких пределах колебания величин прокаливаемости. Объясняется это тем, что учет реального структурного состояния изделий для оценки его свойств затруднен, так как металлографические методы анализа структуры требуют разрушения деталей [2]. Использование с этой целью метода торцевой закалки образцов так же не решает задачи, так как позволяет рассчитывать только глубину закаленного слоя для простейших по форме изделий.

В широком плане актуальная проблема выбора материала изделий, условий их закалки и контроля качества может решаться путем создания и использования методики прогнозирования структурообразования в объеме деталей, учитывающей их форму и размеры, свойства партии поставки материала и характеристики охлаждающей среды в момент закалки. Следует отметить, что стадия закалки является основным объектом прогнозирования. В работе также предложена методика определения структурных превращений и изменения свойств при последующем отпуске деталей.

Цель работы заключается в создании методических основ и программного комплекса, позволяющих прогнозировать распределение структуры и свойств по объему изделия при термической обработке, на основе моделирования тепловых процессов, обеспечивающих оптимизацию режимов закалки и последующего отпуска, выбор материала и достижение гарантированного качества.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику расчета кинетики изменения температуры в объеме изделия при закалке, учитывающую его размеры и форму, а так же охлаждающую способность закалочной среды.

2. Для оценки охлаждающей способности закалочной среды в условиях производства разработать датчик и, применительно к нему, способ расчета ее теплофизических характеристик.

3. Предложить и научно обосновать гипотезу о возможности использования результатов торцевой закалки образцов для прогноза структурообразова-ния и изменения твердости по объему различных деталей, базирующуюся на идентификации кривых охлаждения в различных точках торцевого образца и детали.

4. Разработать методику и соответствующее программное обеспечение, позволяющее для конкретных партий материала, закалочной среды, формы и размеров изделий определять закаливаемость и прокаливаемость, а так же структуру и свойства по их объему.

5. Предложить методику оценки структуры и твердости по объему изделий после отпуска.

6. Разработать систему мониторинга и его программное обеспечение, позволяющее осуществлять выбор материала и условий термической обработки на стадии проектирования деталей.

Научную новизну имеют следующие результаты:

1. Конструкция датчика для определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи при закалке и способ его расчета.

2. Решение тепловой задачи с целью определения кинетики охлаждения любых точек объема изделия при закалке, учитывающей физические свойства материала, геометрию и размеры деталей, свойства закалочной среды.

3. Решение задачи идентификации кривых охлаждения в любой точке изделия кривым охлаждения образца при торцевой закалке.

4. Методика прогнозирования структуры и твердости по объему изделий при закалке, базирующаяся на решении тепловой задачи для изделий и опре делении адекватного изменения температуры и, следовательно, структуры и свойств образца при торцевой закалке.

5. Методика прогноза структуры и твердости стали по объему изделий в зависимости от температуры отпуска.

6. Система мониторинга для выбора материала деталей на стадии ее проектирования, включающая алгоритмические и программные средства, а также пополняемую базу данных.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

Использование предложенной методики прогнозирования структуры и свойств по объему деталей после закалки в условиях производства позволяет корректировать режимы закалки для различных партий материала, обеспечивает высокое качество и повторяемость свойств изделия. Применение системы мониторинга ускоряет процессы выбора марки стали на стадии проектирования деталей и разработки технологии ее термической обработки.

Применение системы мониторинга ускоряет процессы выбора марки стали на стадии проектирования детали и разработки технологии ее термообработки.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 5-й конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике» в г. Королеве 16−18 октября.

2006 г. и на научных семинарах кафедры «Материаловедение» МГТУ им. Н. Э. Баумана (2004;2006 г.).

Достоверность полученных результатов обусловлена большим количеством экспериментов и их теоретическим обоснованием, а также применением современных методов анализа структуры и свойств сталей.

Публикации. Содержание диссертации достаточно полно отражено в 3 научных работах, которые опубликованы в журналах из перечня ВАК.

Автор выражает глубокую признательность к.т.н., доценту Третьякову В. И, д.т.н., проф. Крапошину B.C., д.т.н., проф. Герасимову С. А., и к.т.н., доценту Пучкову Ю. А. за помощь в подготовке настоящей работы.

Общие выводы.

1. Показано, что использование термокинетических диаграмм, а так же другой справочной информации о марках сталей (критическом диаметре, критической скорости охлаждения, прокаливаемости) не обеспечивают точности прогноза структуры по объему детали, требуемой при решении практических задач. Это связано, прежде всего, с тем, что не учитывается геометрия деталей и их размеры, изменение охлаждающей способности закалочных сред в процессе эксплуатации, а также влияний колебания химического состава сталей, допускаемых ГОСТ, на положение характерных точек диаграмм превращений переохлажденного аустенита. Расчетные методы, основанные на использовании результатов торцевой закалки образцов, так же не решают поставленной задачи, так как позволяют определить только глубину закаленного слоя простейших по форме изделий.

2. Разработан способ прогнозирования структуры и свойств по объему изделий при закалке, основанный на:

— учете формы и размеров изделий, химического состава, характерного для каждой партии поставки материала и охлаждающей способности закалочной среды в момент закалки;

— использовании новых подходов к определению температурной зависимости коэффициента теплоотдачи и решении тепловой задачи, определяющей кинетику охлаждения материала в различных точках объема изделий, определении идентичности кривых охлаждения при закалке и, следовательно, структуры и свойств, в различных точках по длине торцевого образца и в объеме детали^.

3. Создана новая конструкция датчика для определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи в производственных условиях. Применительно к термочувствительному элементу датчика разработана тепловая модель на основе которой определены размеры элемента и предложен более точный, по сравнению с традиционными, способ расчета коэффициента теплоотдачи.

4. Решена задача определения теплового состояния детали в процессе закалки путем моделирования ее геометрии, использования МКЭ для постановки и решения тепловой задачи и результатов расчета коэффициентов теплоотдачи предложенным способом.

5. Для решения задачи идентификации кривых охлаждения в любой точке объема детали через определение ее соответствия кривой охлаждения на образце для торцевой закалки было найдено общее выражение, описывающее семейство всех возможных кривых охлаждения через параметры. Установлено, что достаточно 4-х параметров для описания кривых охлаждения.

6. Предложена методика определения структуры и твердости по объему деталей, подвергнутых после закалки отпуску. Методика основана на том, что области изделия и торцевого образца закалки с одинаковой структурой и твердостью после закалки сохраняются и после отпуска. Поэтому отпуску подвергается образец для торцевой закалки и полученный результат трансформируется на изделие.

7. Разработана система мониторинга для выбора на стадии проектирования деталей марки стали, закалочной среды и режимов термической обработки. Система включает в себя способ прогнозирования структуры и свойств по объему изделия, соответствующие алгоритмические и программные средства, базы данных о свойствах сталей, охлаждающих сред, а также результаты закалки и отпуска образцов для торцевой закалки.

8. В практическом плане, использование датчика, способа прогнозирования структуры и свойств по объему изделий при закалке и отпуске и системы мониторинга обеспечит ускорение технологической подготовки производства и повышение качества продукции, что обуславливается следующим:

— предложенный датчик позволяет проводить оперативный и высокоточный контроль охлаждающей способности закалочных сред в производственных условиях;

— использование в условиях производства способа прогнозирования структуры и свойств по объему изделий при закалке позволяет осуществить неразрушающий контроль. Это дает возможность вносить коррективы в технологический процесс, учитывающие особенности партии материала и закалочной среды, обеспечивая, таким образом, высокую повторяемость свойств;

— на стадии проектирования деталей и разработки технологии их термической обработки система мониторинга упрощает процесс выбора марки стали, охлаждающих сред и режимов термической обработки. Ее применение для крупногабаритных, сложных по форме и дорогостоящих изделий позволяет избегать проведения технологических проб.

9. В перспективном плане применение системы мониторинга и способа оценки структуры и свойств по объему изделия могут стать основой разработки новых, более рациональных подходов к выбору материала изделий и технологии их термической обработки.

10. Система мониторинга и способ оценки закаливаемости и прокаливаемо-сти деталей при закалке и последующем отпуске прошел экспериментальную апробацию и рекомендуется для практического использования. Результаты работы используются в учебном процессе для студентов специальности «Материаловедение» МГТУ им. Н. Э. Баумана.