автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение долговечности инструментальных сталей с помощью низкотемпературной восстановительной термообработки

'московский шепнут приборостроения

I

На правах рукописи

Сизов Игорь Геннадьевич

ПОВЕШЕНИЕ ДОЛГОВШНОСТЙ ШСПРУМЗЙТАЛЬНЫХ СТАТЕЙ С ПОМОЩЬЮ ШШОТЕШРАНРНСЙ БОССШОВИТЕЛЬНСЙ ТЕРМООЕРАБОТКН

Специальность 05.02.01 - Материаловедение

в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ

дюоертацни на ооисжшпа ученой степени кандидата телдаэокях наук

Москва - 1991 г.

Рвбога выполнена в Московском институте приборостроения

Научннй руководитель: доктор тагагдаских: наук, профессор

В.И. Куманш

Научный консультант: кандидат технических наук, о.н.е.

А.Н. ЧеховсЙ

Офщяалыше оппоненты: доктор технических наук, профессор

Л.М. Рыбакова

кандидат технических наук, о.я.о. ИХ Купаяовв Ярополк _

Ведущэе предприятие! Завод "Штамп", г.

Защита диссертации состоится " ^ *ср<г-£ропя 199^. в часов на заседании специализированного совета

К 063.93.01 в Московском институте.црвйрроотроения по адресу: 107846, Москва, ул. Стромынка, 20.

Автореферат разослан ЪекадрЯ . 199 г.

Ученый секрэгерь сподиализироваяяого совета У кандидат технических наук, дохнет ¿^си/^а/1

А.П.Дельокая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■Актуальность работы. В условиях перехода шин ос троите ль-ного кошлэкоа страны на рельсы рыночной экономки, повьшаотся заинтересованность производителя промыявэнноа продукции,в воз-ыожпоотп кзкотгальнаго использования оборудования и оснастки, в честности, инстругонта холодной штамповки.

Высокая стойкость шташового инструшита является основным условием рентабельности работа штамповочных цехов. Она в, значительной ьэре определяет себестоимость и качество штампованных пздэлвй, а также эффективно обеспечивает точность их •изготовления. Как показала практика, первоначальные расходы на шташовый шотрудант составляют около 15$, а на ряде заводов достигаэт а 25$ от общей стоимости продукции. .

Поникание стойкости штатов вызывает такие потеря на производстве, связанные о простоем оборудования лз-за частой следы рабочих частой пнетруюнта, с нарушением ритма работа прос-оов, а такте оо стоимостью переналадок оборудования. Увеличение стойкости шташового гаотрушнта повышает производительноей> труда.

Необходимо от;.тэ тпть, что традиционные m то да повшония отсЗяооти шташового шетрукэпта, такпо кап, оптимизация легирования материала шетрушнта, технология его термообработки в оначптельясй огепени себя почерпали.

В евлзл о этим приобрела большую актуальность задача по разработка новых направлений повшения надежности л долговечности шташового шотрушнта,

В этой плане особые надежды связнвейтся о изысканием новых режимов воостановительнсй тершческей обработка, обеспечивающих нэ только восстановление олуаэбных свойств, но и существенное превышение их по сравнении о исходным состоянием.

Цель работы. Цель настояний работы заключалась в повышении стойкости пгашового шетрумэнга (пуансонов холодного обратного выдавливания), изготовленного из шетрушнтальных столэй PI8 п 8Х4В2С!,Ш-ХТ (ЭК—73) и работающего в экстремальных условиях, о помощью низкотемпературной восстановительной термообработки (НВТО).

Для достижения этой дали были поставлены следующие задачи:

_ провести исследование изменений структуры и свойств ш-талла пуансонов холодного обратного выдавливания в процессе ек-сплуатация, определяющих в конечной счете стойкость инструмента}

- оптимизировать рзжиш НВТО;

- исследовать влияние НВТО на структуру и свойства сталей;

- установить природу повшэния стойкости пуансонов холодного обратного выдавливания в результате НВТО.

Научная новизна. Выявлена природа повшения долговечности шташовото инструмента в результате проведения НВТО на фиксированной стадии эксплуатации.

Установлено, что в определенные мошнты эксплуатации пуансонов, в них формируется субструктуро с размером зерен 30-50 Нм, которая при последующей эксплуатации мсжет разрушаться.

Показано, что при НВТО происходит повышение количества карбидной фазы в 2 раза, которая стабилизирует граница субзерен. Образование в результате НВТО стабильной субструктуры приводит к резкому повшению служебных свойств инструшнта.

Практическая данность. Разработаны оптимальные режимы НВТО и установлены периода эксплуатации инструмента, когда нужно проводить НЕГО. Для инструшнта из стали PI8 ракошндовано проводить НВТО при температуре 560°С, I час после 300 циклов эксплуатации, для инструмента из стали ЭК-73 при температуре 540°С, I час таккэ посла 300 циклов. Разработавши режимы успешно реал: зова ни s прошпленных условиях при холодней обработка шталла давлением.

При использовании НВТО появляется возможность замены дорог отоящей стали PI8 на бодве дешевую сталь ВХ4ВгС2ЙШЮГ: стойкоет пуансонов из стали PI8 без НВТО соответствует стойкости пуансонов из стали 8Х4В2С2ШШ посла проведения НВТО.

Снижены затраты:

- за счет экономии мзталла;

- за счет уменьшения трудозатрат овязанных с изготовлзние инсгруиэнга.

!

Реализация результатов работы. Разработанный технологичен процесс холодной обработки шталла давлением с НВТО внедрен в Е

"Завод им.Серго". Фактический экономический эффект от реализация работы составил 8,1 тнс.руб.

■Аггробяггия работн. Основные результата работы докладывались

но:

- Всесоюзной конференции "Восстановительная обработка сталей и сплавов", г.Нахабто, 1991 г.

- 2-й Всесоюзной школз-свминарэ "Электромагнитные воздействия и структура материалов11, г. Коблэво, 1991 г.

- Всесоюзной научно-технической конференция "Порсшковне технологии, конструкции композиционных материалов и покрытий",

г. Нахабшо, 1991 г.

- научном семинаре "Айтериаловедэние в машиностроении", МИЛ, 1991 г.

Публикации Осношоэ содержание диссертации опубликовано в

5 печатных работах.

Объем работы .Диссертационная работа состоит пз введения,

6 глав, общих выводов, списка литературы { 84 наименований), приложения и содерлит цэ страниц ¿стенописного текста с иллюстрациями.

Работа удостоена Почетного диплома ВДНХ СССР.

- основное сощржшт ршоты

В введении кратко сформулирована проблема исследования и пути ее решения. ■

В цервой главе представлен обзор литературы, посвященный вопросам оптимизации состава пнструшнтольннх сталой, процессам, проходящим в материалэ при работе штампового инструмента. Дан анализ цричин, приводящих к выходу из строя инструмента. Рассмотрены датоды повышения циклической прочности материала.

Проанализированы структурные л физические параштри, определяющие механические свойства штампового инструмента, его служебные характеристики. Показано, что в процессе эксплуатации штампового пнструмэнта в стали накапливается повреаданность, т.о. степень поражений материала образовавшимися микронесплошностями, в результате чего происходит снижение служебных свойств металла.

Дэн анализ юэтодов восстановления служебных свойств металла. Отшчоно, что очень мало работ, посвящэнных восстановительной термической обработке штампового вжлрукенга.

На оснований проведенного анализа сформулированы даль в задачи кзолодоваяия.

■ Во второй главе обоснован выбор материалов для ейслэдово-ния, дана их характерна та. В качества объекта исслздованпя был использован душе он холодного обратного выдавливания, рсбогаацпй при температуре (250*300) °С и удельных усилиях выдавливания (~2200}300)Ша.

, Изследованиэ фактического состояния материала шструкэнта в исходном состоянии, в процессе эксплуатации и доело НВТО проводилось с использованном с л? дующих штоднк:

1. метод прецизионного определения плотности;

2. штод рояотеноспектрольяого анализа;

3. элэктрошомикроскшическоэ всслвдованго;

4. оптическая мэтоллографяя; .

5. рентгенографический анализ;

6. определенно шкротвэрдости;

7. магнитный мзтод.

Реятгояоспэкгралыый анализ цроводиязя на прибора "Кашбако" (фирмы Кашка) с использованием спэктромэгров волновой дисперсии.

Элэктрояношкроснопическое всслэдование проводилось на элок*: рентой макрос нот УЕМ-200СХ при увеличении хбОООСЦ- >100000.

Количественная опэяко структурных пвраютров осуществлялась на мигфоскопе "Еэофот" при увеличении xIOOO.

Рентгенографический анализ проводился с помощью рентгеновского дифрактошгра "Драя-З", управляемом ЭВМ "Искра-1256" с использованием трубки БСВ-22 с кобальтовым анодом.

Для определения шкротвордости использовали прибор ГШТ-З о нагрузкой 30 гр (ло ЮОуколов на точку).

Начетгическую обработку экспериментальных данных проводил! с использованием изтода сгруппированных данных.

В третьей главе представлены результаты исследований структуры сталей PI8 и ЭК-73 в исходном состоянии, прошедших стаядар-

ную термообработку в заводских условиях (закалка с последующим трехкратным отпуском). Эти исследования проводились с прлью оценки последующих изшнзний структуры во время работы шстру-монта. Кромэ того, исследовалась структура сталвй на разных стадиях работы инструмента, который эксплуатировался в условиях малоцикловой усталости по режиму -2200*+ЗСЮШа.

Микроструктура обеих сталей в исходном состоянии состоит из мартенсита, карбвдных включений и остаточного аустенита в пределах 2-2,5%,

Анализ карбвдной фазы позволил установить, что в структуре сталей в исходном состоянии наблюдаются только карбида, разшр которых превшает 0,8 мкм.

Анализ содержания элементов в твердом растворе показал, что в процессе эксплуатации с увеличением числа циклов повышается количество карбадообразующих элементов ( С г, Mo, W ), вяцэлиших-ся из твердого раствора (мартенсита).

Установлвно такке, что увеличение числа циклов ведет к повышению массовой доли углерода, вцделинаегося из кристаллической решетки мартенсита, и, как следствие, к изменению параметров и степени тетрагональности решэтки мартенсита.

В результате этого в металле выделяются дисперснш карбиды размером до 150 ИМ. В дальнейшем эти карбвды коагулируют и количество их падает на порядок: если количество дисперсных карбидов разшром 5 НМ на I mi^ при 300 циклах составило 2,3'ICr для стали PI8 и 2,4-IcP для стали ЭКг-73, то при 1000 циклов количество этих частиц составило 1,1*10^ и 1,9-Ю7 соответственно для стали PI8 и для стали ЭК-73 (Рис.1).

Протекающие процессы коагуляции дисперсных карбидов способствуют росту числа активных плоскостей скольжения дислокаций, и, как следствие, снижению прочностных характеристик материала. Обнаружены микрорасслоения, возникающие на границе карбид-матрица при цитировании.

Показано, что во время работы шструг.ента изшноний в карбидной фазе, размером более I мкм не происходит.

В исходном состоянии в металле инструмзята отшчена высокая плотность дислокаций. Во время рабош инструшнта при 300 циклах

образуется фрегцотованная структура. Размер субзерна составляет 30-50 HU. При дальнейшей эксплуатации инструмента субструктура разрушается вследствин больших внутренних напряжений. Доказательством наличия больших внутренних напряжений нонет служить пластическая деформация, протекающая около карбидов, а также в самих карбидах.

В четвертой главе исследованы свойства сталей PI8 и ЭК-73, полученные в результате исходной термообработки и в процессе эксплуатации инструмента (плотность и ыикротвердость). По величине изменения плотности стали судили о степени по временности материала иикродефоктаии. По величине микротвердости судили о локальном состоянии стали около карбидных частиц и вдали от них.

Определение плотности и ыикротвердости велось на образцах, приготовленных непосредственно из рабочей части пуаноонов.

Полученные результаты определения плотности показали, что прои< ходит снижение плотности в процесса эксплуатации, свидетельствующее о повреждении материала цикродефекгами (Рис.2).

а Размер дисперсныл карбидо6,нм

5. Размер дисперсныл карПидоб , нм Рис.1. Распределение дисперсиях карбидов в зависимости

Рис.2. Изменение плотности (едивая I) и интенсивность накопления позредценяости в стали ЭК-73 (кривая 2) в процессе эксплуатации инструмента.

Высокая интенсивность накопления поврелздений в начальный период эксплуатации (рис.2, кривая 2) показывает, что НВТО целесообразно проводить уке на начальной стадии эксплуатации, еда до накопления значительной повреждеяности, потому, что, как будет показано далее, НЕТТО нэ приводит к залечиванию мтгродефектов.

Наибольшая часть неоплошностей формируется у крупных кар-бвдов размером до 18 мкм. Это первичные карбиды, которые не смогли полностью раствориться при термической обработке, но вокруг которых матрица обогащена легирующими элементами (рис.4, сравн. а и б до эксплуаг.). В этих областях облегчено образова-' ние зон, которые при большом количестве циклов наработки могут разрушаться, что согласуется с литературными данными (М.Е.Блан-тер, I.A. Ковалвва). Разрушение этих зон в нашем эксперименте подтверждено поникением шкротвердооти при эксплуатации свыше 150-300 циклов. Это, в овога очередь, облегчает развитие деформации вокруг карбида, что мокат способствовать дальнейшему накоплению микронесплошностей на границе карбид-матрица.

В пятой глава рассмотрено влияние НЕГО на долговечность пуансонов холодного обратного выдавливания. Проведенный анализ стойкости пуансонов в прсмыпленных условиях без НВТО показал, что средняя стойкость пуансонов из стали PI8 составляет 13,3 тыс.циклов, из стали ЭК-73 соответственно 6,8 тыс.циклов.

В качества объекта душ проведения НВТО были выбраны пуансоны из стали PI8 и ЭК-73 до начала эксплуатации (0 циклов) ; до начала формирования субструктуры (150 циклов) ; со сформировавшейся субструктурой (300 циклов) и с разрупешой в процессе эксплуатации субогруктурой (500 и 1000 циклов) (см.табл. '). Тэшерозура термообработки составила 560°С для стали PI8 и 540°С для стали ЭК-73. Выдеркка при этом была равной I час. Термообработку проводили в солнной ванне (50? ВаС/?2, 25% КС£ и 25%/VaCÎ). Дополнительного термического оборудования при этом не требуется, т.к.ШЗТО проводится на том жо оборудовании, что и окончательный отпуск. Результаты испытаний приведены в та(5л.

Таблица

Стойкость пуансонов из стали ЭК—73

Режим стандарт- стандартней + НВТО (540 С, I час) обработки ный посла циклов эксплуатации пуансонов (без НВТО)_

Груша I П Ш 1У У У1

пуансонов

Количество циклов эксплуатации 0 0 150 300 500 1000

Стойкость

тис.циклов 6,8+1,2 6,8+0,9 6,9+0,7 14,0+2,0 8,4+0,9 7,8+0,7

Такш образом, в результате проведения 1ПЗТ0 послэ 300 циклов эксплуатации удалось повысить стойкость пуансонов из стали ЭК-73 в 2,1 раза. Незначительное пошенпз стойкости подучено в результате НВТО послэ 500 циклов (в 1,2 раза) и после 1000 (в 1,1 раза).

На стали PI8 испытаниям на стойкость подвергались пуансоны без HBÎO, а также поста НВТО (5S0°C, I час), которая проводилась послэ 300 циклов эксплуатации. Средняя стойкость пусясолов из столя PI8 без НВТО составила 13,3+1,5 тыс.циклов. После HKFO стойкость инструмента увеличилась в 1,9 раза. Столь значительный эффект повшения стойкости был достигнут именно на том матерпалв, в котором былз сформирована развитая суботруктура.

Получению данные свидетельствуют, во-первых, о резком повшении долговечности инструшнта, а, во-вторых, о возможности заданы дорогостоящей стали PI8 на болоо дептевуто ЭК-73, т.к. стойкость пуансонов из стали ЭК-73 в результате проведения НВТО становится равной стойкости пуансонов из сталп PI8 без НЕГО.

По итогам испытаний предлоиж технологический процесс холодной обработки мзталла давлением, в котором эксплуатация использована как упрочняйся операция.

В тоетой главе выявлена природа резкого повышения сто1-кости пуансонов в результата НЕГО.

Показано, что при эксплуатации пуансона, в ном коаот быть сформирована субсоруктура, которая, как известно, повшает долговечность юталлических издэлвй. Эта субструктура-существует в узком ннтервалэ эксплуатации пуансонов, вслед за которым она разрушается. В том случае, если сформированную субструктуру удается зафиксировать карбидными выделениями, оно становится стабильной и повышает стоЗкость гасхруюнта.

В пропроса эксплуатации содержание углзрода в щртеясптз несколько пснездзтся (рле.З). НВТО резко ЕнтенсЕфззцпрувт этот процесс. Ужо поело 150 циклов эксплуатация из кцртонсита в результата НВТО выделяется более половши га бы точнее о утхэрода. При этом в результате НВТО проке ходит повпзеяш плотное те дисперсных карбидов почти в 2 раза. К пршзру, количество део-лерсных карбдцов раз1.;зро;.з 5 Ем послз 300 циклов убзлзлилссь с 2,3'ГС/3 до 3,6*10^ но Г uaß для схожи PI8 б с 2,4-Ю8- до 4,6т10? для стали ЭК-73. Эти доао-шнтальныз дисперсные карбида выделяются да границах субзэреп, фиксируя тем сслым сформированную предварительным циклироваппеи субструктурн.

С ГА 0,800

0,100

0,600g X

о

о

а

а-до НВТО о-после НВТО

qsooj.

г.

о

о

^ boo sod /000

Число циклов

Ряс .3 i/ассовая доля углерода, С % в мартенсите стали ЭК-73 в зависимости от числа циклов.

При НВТО посла 1СЮО циклов такав пиделнются дополнительные дисперсные карбвды. Однако к этогду моменту эксплуатации шотруизнта субструктура упа успевает разрушаться, поэтому НВТО на оказывает существенного влияния на стойкость инструмента.

Проведение ШЗТО поело 300 циклов эксплуатации является перспективным и с позиции развития повреадешости.

Еслл поста 300 циклов поврезденность металла отиоситэль-по невелика, то посла 1000 циклов дефект плотности возрастает богэе чем в 2 раза. Вместе о том известно, что в результата НВТО при 540-560°С залэчивание шжрояееплепностей на происходит.

Рентгеноотруктурнывд исследованиями показано, что в результата НВТО происходит снятие мшфовокагензЗ, что делает боязе пластичными шкрообьемы, повшая сопротивляемость стали накоплению дефектов.

НЧ

б. Число циклоб

Рис.4 МшфотЕйрдоотъ стали Р18на расстоянии от границу карбид-ьаатрица: а - 3 мкм, 6-20 мкм

Б результате НВТО увеличивается микротвердость стали (рис. Вокруг первичных карбидов существуют области, где твердый раствор содержит повышенную концентрацию легирующих элементов, в к( торих могут образоваться зоны, что покагызнот различно микротве дости вблизи карбида и на расстоянии 20 шш от границы карбид-матрица. НЕГО способствует образованию выделений дисперсных ка] бидов около первичных карбидов (Змкы). !Зто связано с высокой концентрацией легирующих элементов,1высокой степенью пластичео _коИ деформации и наличием зародышей, в 3 икы зоне. В результате этого происходит повышение микротвердосгп при НВТО.'

Таким образом, в результате эксплуатация и последующей НВТО формируе тся качественно новое структурное состояние стали, позволяющее повысить стойкость пнетругантэ.

ОБЩИЕ ВЫВОДИ

1. Выявлена природа повышения долговечности тструмепта из сталвй PI8 и ЭЮ-73 в результате НВТО, что обеспечивает повшюнио стойкости пуансонов холодного обратного выдавливания в 1,8-3,1 раза.

2. Показано, что повнпенпэ стойкости пуансонов однозначно. связано с формированием в процессе эксплуатации суб-соруктуры, фиксация которой обеспечивается дисперсныйкарбидами.

3. Определен интервал существования субструктуры в пуансонах из стали PI8 л 3K-73 работающих в условиях шогоцикло-вой усталости. Показано, что гаке ига льтй зффект IIBT0 достигается гаэнпо в атом интервала.

4. Установлено, что в результате НВТО после эксплуатация резко гатепспфицпруется процесс распада мартенсита. Это прлзодпг к увэлдченп) количества, карбидных ввдоленпй в

2 раза. Эти карбвдн стабилизируют границы субзерен, повшая такш обреэом-слупебнио свойства инструмента.

5. Образование субструктуры, незафиксированной карбидами или выделение карбидов в отсутствие субструктуры, но приводит к существенному повшеяга долговечности шетруюнта.

6. В процессе HBTD сниясатся микроискашния кристаллической решетки, накопленные в материала при эксплуатации инструмента. . Это такта оказывает полоз ительное влияние на стойкость инструмзнта.

7. Разработан и практически шедрен технологический процесс холодной обработки г,яталла давленной с низкотемпературной восстановительной термообработкой, заклщщцейся в нагреве до 540°С, I час (сталь ЭК-73) и 560°С, I чего (стяль PI8) после ЗСЮ циклов эксплуатации. Реализация этих ронпмов на ПО "Завод им.Серго"-обеспечила экономический эффект в 8,1 тыс.руб.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: I. Куманин В.И., Ковалева Л.А., Сизов И.Г., Чертов Л.М. Восстановление служебных свойств металла с помощью термообра-

ботки. /Межвузовский сборник научн.трудов "Структура, шхв-нические и физические свойства металлических материалов", Москва, МИЛ, 1989.

2. Куманин В.И., Чеховой А.Н., Сизов И.Г. Особенности восстановительной термической обработки шструшнта. /Труды Всесоюзной конференции "Восс тан овита льноя офаботка столвй в сплавов". т.Нахобшо, 1991 г.

3. Чэховой А.Н., Сизов И.Г. Новый вид комхлэконой упроч-няащэй тэркошхвнпче с кой обработки с Еопользогаякем токов высокой частоты. /Труды 2-й Всоссознай пгкояы-сешяара "Элвктро-г.агнитнна воздействия н структуро ш галла". г.Коблэво, 1991 р.

4. Чеховой А.Н., Сизов Й.Г, Новый вид упрочняю срй шхо-ничэской обработки шэтрусшта. /Труда Всэс созной научяо-тох-ничэскоЗ конференции "Лсршковю технологии, конструкции ком~ позиционных материалов и покрытий". г.Нахабшо, 1991 г.

5. Куканга В.И., Гольденберг А.А., Чеховой Л.Н. .Сизов И.Г. Разработка и внедрение технологии восстановительной термической обработки иташового кнструкзнта из аконошолэгкроваяной и быстротекущей сталэй, в том чксла н стрелковых. Отчет по НИР. Номер госрегЕсорации 01890082755. &скво, МШ, 1990 г.