Повышение эксплуатационных свойств инструментальных сталей методами термоциклической обработки

Современные машиностроительные и металлургические предприятия широко используют различные виды инструментов. Стоимость их достаточно высока из-за сложности технологических процессов применяемых при их изготовлении и высокой стоимости инструментальных материалов связанной с большим содержанием в инструментальных сталях дорогостоящих легирующих элементов. Например, в полутеплостойких высокохромистых сталях содержание легирующих элементов (хрома, молибдена, ванадия, вольфрама) достигает 18%. Эти стали, в основном используют для изготовления штампового инструмента. Стали типа Х12, Х12М, Х12МФ и их заменители применяют для холодных вырубных штампов, работающих со значительными динамическими нагрузками в условиях сильного износа. С усложнением условий деформирования, в частности, в связи с более широким применением выдавливания, накатки и вырубки более твёрдых металлов, а также вытяжки с большой скоростью, протекающей в условиях повышенных давлений и нагрева, значительно возросли требования, предъявляемые к штамповым сталям.

Для уменьшения расходов при изготовлении и использовании штампов традиционно применяют более стойкие материалыиспользуют различные способы упрочняющей обработки рабочих поверхностей, такие как лазерное упрочнение, наплавка, напыление, химико-термическая обработка. Однако применение лазерной технологии, наплавки и напыления требует использования сложного, часто уникального, дорогостоящего и энергоёмкого оборудования, дорогостоящих упрочняющих сплавов, высококвалифицированного персонала, проведения повторного процесса упрочнения после шлифовки при износе рабочих кромок штампа. Широко используемая традиционная химико-термическая обработка хотя и повышает износостойкость инструмента, но кроме выше перечисленных недостатков требует большого расхода электроэнергии в связи с длительностью диффузионных процессов. Всё это приводит к повышению стоимости инструмента.

В настоящее время не менее 70−75% выплавляемой инструментальной стали идет в различные отходы и только 25−30% эффективно используется в виде инструмента. В связи с этим важное значение приобретает использование инструмента с повышенным коэффициентом использования металла, меньшей стоимостью, повышенной стойкостью и меньшей трудоемкостью при изготовлении.

Изыскание новых возможностей изменения комплекса физико-механических свойств металлов в заданном направлении является актуальной задачей современного металловедения. Решение этой задачи требует совершенствования существующих и создания новых методов обработки металлов. Ее решение в настоящее время связывается с интенсивным распространением наряду с другими видами термической и химико-термической обработки, термоциклической обработки (ТЦО) — термической обработки в условиях циклических тепловых воздействий.

В процесс эксплуатации наиболее интенсивно подвергаются температур-но-силовым воздействиям поверхностные слои деталей и инструмента, поэтому структура и свойства поверхностных слоев оказывает важное влияние на их работоспособность.

Методы улучшения эксплуатационных свойств за счет объемного легирования сталей дает возможность получать стали с заданными свойствами. Однако, объемное легирование, как правило, хотя и позволяет в значительной степени повысить эксплуатационные свойства, является не экономичным, а во многих случаях неосуществимым из-за почти полной потери сталями таких свойств, как пластичность и вязкость. Поэтому в последнее время все большее внимание уделяется методам поверхностного упрочнения сталей.

К методам поверхностного упрочнения сталей относятся: упрочнение поверхности пластической деформацией, нанесение покрытий, наплавка поверхностей, напыление материалов.

Одним из основных и наиболее перспективных методов поверхностного упрочнения сталей является химико-термическая обработка. Ее применение особенно эффективно, когда необходимо получить детали с заранее заданными свойствами: коррозионнои износостойкостью, жаропрочностью и т. д. Это экономически более выгодно, чем получение сталей с такими же свойствами.

Основные недостатки традиционных способов ХТО (энергоемкость и продолжительность по времени) во многом устраняются при совмещении этого процесса с термоциклической обработкой (ТЦО). Во-первых, те структурные изменения, которые получаются в результате ТЦО, ускоряют последующую диффузию атомов в металлическом материале и использование ТЦО как предварительной ТО перед обычной ХТО, представляется достаточно перспективным. Во-вторых, проведение ХТО в температурном режиме ТЦО является наиболее эффективным методом интенсификации химического насыщения поверхности деталей при одновременном улучшении их качества. В-третьих, использование ТЦО после ХТО в одном технологическом процессе исправляет перегрев (крупнозернистость) и другие дефекты структуры, получаемые обычно при высокотемпературной ХТО.

Применение термоциклической (ТЦО) обработки представляет значительный интерес с точки зрения повышения эксплуатационной стойкости за счёт улучшения структуры и комплекса физико-механических свойств. Причём, ТЦО позволяет улучшить механические свойства не только по рабочей кромке, но и по всему объёму инструмента, что позволяет использовать его сразу после переточки. Также возможна разработка таких технологий ТЦО, которые позволят реализовывать их на традиционном оборудовании (соляных ваннах, камерных и шахтных печах) термического цеха без использования дополнительных приспособлений и создания специализированных участков. Более того, ТЦО в последнем цикле возможно совместить с закалкой с последующим отпуском на необходимую твёрдость и таким образом получить готовый для эксплуатации инструмент.

Тем не менее технологии ТЦО не находят широкого применения из-за сложности технологического процесса и отсутствия оптимальных режимов термообработки, а также из-за недостаточного понимания и неоднозначности трактовок происходящих процессов в металлах и сплавах при ТЦО.

Недостаточная изученность и противоречивое понимание взаимного влияния различных параметров термоциклирования (температура в цикле, скорости нагрева и охлаждения, количество термических циклов и др.) создало предпосылки для применения широкого спектра способов ТЦО, отличающихся не только принципом воздействия на структуру (с полными фазовыми превращениями, с частичными или без таковых), но и самое главное, различающихся до 20−50 раз энергозатратами для получения необходимого результата. В связи с этим, исследования направленные на совершенствование окончательной ТЦО и ХТЦО инструментальных сталей являются актуальными.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с программой Министерства образования и науки РФ, поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 07−08−12 152, грантом на стажировку в крупном российском научном центре — Томском политехническом университете, в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 — 2006 годы (по направлению «Индустрия наносистем и материалы») и Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по Программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») (Государственный контракт № 5230).

Дель работы. Повышение эксплуатационных свойств инструмента за счёт применения установленных закономерностей формирования структуры и свойств в сталях при циклическом тепловом воздействии, а также разработка и оптимизация способа термоциклического и химико-термоциклического упроч нения инструмента.

Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ условий работы, выявить причины выхода из строя и выбрать метод повышения стойкости штампового инструмента.

2. Установить основные технологические параметры окончательной термоциклической обработки инструментальных штамповых сталей.

3. Установить зависимость, связывающую физико-механические свойства с технологическими параметрами термоциклической обработки инструментальных сталей и оптимизировать основные технологические параметры ТЦО.

4. Исследовать особенности изменения структуры и физико-механических свойств сталей в процессе циклического теплового воздействия.

5. Исследовать методами структурного анализа фазовый состав и строения инструментальных сталей после ХТДО.

6. По результатам проведенных исследований разработать способ упрочнения, рекомендовать оптимальные режимы химико-термической обработки и апробировать в производственных условиях упрочненную штамповую оснастку и инструмент.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Установлены основные закономерности влияния температурно-временных параметров термоциклической обработки на физико-механические свойства инструментальной стали.

2. Построена математическая модель в виде аналитических зависимостей связывающих физико-механические свойства (твердость, ударная вязкость, прочность) с технологическими параметрами термоциклической обработки (количество циклов, температура и время) инструментальных сталей (XI2М, 5Х2НМФ, УЮАи др.).

3. Установлено, что в сталях с различной исходной структурой формирование оптимального комплекса физико-механических свойств, сочетающего высокую твердость и прочность с достаточной пластичностью и ударной вязкостью, происходит при циклировании в интервале, где максимальная температура в цикле равна температуре закалки, а минимальнаятемпературе минимальной устойчивости переохлажденного аустенита данной стали. Сталь Х12М при твердости 60 — 62 HRCa и прочности ои = 5000 МПа после ТЦО по оптимальным режимам имеет значения ударной вязкости КС = 0,8 — 0,9 МДж/м2.

4. Исследования показали, что циклический нагрев и охлаждение во время ХТО значительно (до 2-х раз) ускоряют процесс диффузионного насыщения поверхности сталей бором независимо от их состава и исходного структурного состояния (литое состояние, деформированное и т. д.).

5. Проведены производственные испытания на ООО «Алтайский завод прецизионных изделий» (г. Барнаул) деталей машин и инструмента, подвергнутых ТЦО и ХТЦО по разработанным режимам. Испытания показали, что стойкость ножей из стали Х12М для рубки прутка на заготовки корпуса распылителя повысилась в 2 раза. Кроме того, исключились сколы инструмента при эксплуатации. Разработанная технология Термоциклического упрочнения рекомендована для изготовления ножей в инструментальном производстве. Стойкость упрочненных методом ХТЦО (термоциклическое борирование) кондукторных втулок из стали XI2М для свёрл глубокого сверления топливоподводящих отверстий корпусов форсунок повысилась в 4 — 5 раз. При этом отмечается уменьшение количества деталей с заломами свёрл. Разработанная технология рекомендуется для обработки кондукторных втулок в инструментальном производстве.

Данная технология позволяет повышать износостойкость изделий без применения специального, сложного оборудования. При диффузионном насыщении бором, в структуре сталей образуются бориды железа, обладающие высокой твердостью, что способствует повышению износостойкости и теплостойкости изделий, эксплуатируемых в различных условиях.

6. Ожидаемый годовой экономический эффект при условии полной замены вставок матриц для изготовления корпуса распылителя форсунки на ООО «Алтайский завод прецизионных изделий» (г. Барнаул) составит более 2,6 млн. р./год.

Заключение

.

Борирование из насыщающих обмазок считается наиболее технологичным, удобным и безопасным. Оно обеспечивает химико-термическую обработку и одновременно защиту от окисления с использованием традиционного нагревательного оборудования: камерных печей, соляных ванн, индукционный нагрев и т. д. Номенклатура состава обмазок довольно широка [54, 58,59,120, 132]. В качестве насыщающего компонента применяют в основном те же компоненты, что и при порошковом борировании.

В настоящей главе исследованы и описаны основные закономерности и механизмы карбоборирования феррито-перлигных сталей. Установлено, что формирующиеся в ходе карбоборирования новые границы зерен и субзерен выполняют тройную роль. Во-первых, они служат основным каналом насыщения атомами бора и углерода основных глубинных слоев. Во-вторых, на них локализована большая часть карбоборидов. В-третьих, на них расположена значительная часть атомов бора и углерода, еще не образовавшихся карбоборидов.

Установлено, что диффузия по границам зерен является главным механизмом карбоборирования за исключением наружного слоя^ где решающим фактором является реакционная диффузия.

Показано, что циклический нагрев и охлаждение значительно ускоряют кинетику процесса ХТО железоуглеродистых сплавов.

Установлено, что термоциклирование при борировании приводит к увеличению толщины слоя до 80% на углеродистых сталях, с увеличением степени легированности эффект снижается с 70% (литая сталь 5ХНМ) до 20% (сталь Х12М). С увеличением содержания углерода в стали снижается глубина бори-рованного слоя, как после изотермического высокотемпературного борирования, так и после термоциклическоо борирования.

Исследования показали, что фазовый состав образов подвергнутых изотермическому и термоциклическому насыщению одинаков. Термоиклирование привело только к увеличению боридной зоны. Боридная зона в термоциклиро-ванном образце более плотная, иглы более разветвленные, плотность малоугловых границ, образованных в переходной зоне в результате диффузии бора и вытеснения углерода с поверхности образца оказались выше. Глубина переходного слоя возросла (в 1,5 раза).

Термоциклирование привело и к существенным качественным изменениям в структуре стаи. Бор более активно проникает при термоциклировании на большую глубину в больших количествах. В частности, фазовый состав малоуглеродистой стали на глубине 2,5 мм после изотермического борирования содержит один карбоборид железа Ге2з (С, В) б, в то время как во втором образце (после термоциклического борирования) присутствуют два карбоборида ч" i ' i.

Рез (С, В) и Fe23(C, B)6. Чистого (не борированного) цементита даже на глубине 2,5 мм после термоциклического борирования нет, в то время как в первом образце он начал появляться на глубине 500мкм.

При борировании в условиях циклического изменения температуры (по разработанным оптимальным режимам) значительно сокращается общее время процесса для получения упрочненного слоя. Так при термоциклировании с фазовыми превращениями на стали 5ХНВ достаточный для упрочнения боридный слой образуется за 3 часа, а при традиционном способе ХТО для этого необходимо затратить 6 часов. На стали Х12М также, сокращается процесс образования слоя в 2 раза.

Термоциклирование при борировании повышает ударную вязкость стали Х12М в 2,2, а литой 5Х2НМВФв 2,8 раз по сравнению с изотермическим бо-рированием. Борирование при ТЦО снижает ударную вязкость по сравнению с «чистым» термоциклированием, т. е. без борирования, всего на 23% стали Х12М и на14% - литой стали 5Х2НМВФ. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что термоциклирование во время борирования приводит к повышению ударной вязкости сталей вне зависимости от их исходного состояния (литое или деформированное) и химического состава.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЦО И ХТЦО.

5.1. Структура и свойства инструментальных сталей, подвергнутых химико-термической обработке из обмазки.

Применение диффузионно-активных обмазок открывает перспективы повышения стойкости крупногабаритного инструмента (штампов горячего и холодного деформирования, металлоформ литья различных сплавов и др.), упрочнить которые другими методами весьма сложно или невозможно. Это позволит обоснованно выбрать тот или иной процесс химико-термической обработки, позволяющий наиболее существенно увеличить долговечность инструмента, работающего в конкретных условиях эксплуатации. При диффузионном упрочнении использовались обмазки, состав порошковой части которых приведен в таблице 5.1.