автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Закономерности формирования структуры и свойств инструментальных сталей для холодного деформирования в процессе циклического теплового воздействия

Земляков Сергей Анатольевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ХОЛОДНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

05.02.01 -«Материаловедение» в отрасли «Машиностроение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2006

(

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И.Ползунова

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Гурьев Алексей Михайлович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Марков Андрей Михаилович

кандидат технических наук Мамаев Константин Васильевич

Ведущее предприятие:

ОАО «ПО Алтайский моторный завод» г. Барнаул

Защита состоится « 16 » марта 2006 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.004.07 в Алтайском государственном техническом университете им. И.И.Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина ,46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова.

Автореферат разослан февраля 2006 i

Ученый секретарь

диссертационного совета Д. 212.004.07 ____—- —

кандидат технических наук, доцеA.A. Бердыченко

гоо£А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Машиностроительные предприятия, имеющие штампо-вое производство постоянно сталкивается с проблемами недостаточной стойкости штампового инструмента. Так как его изготовление является очень затратным и трудоемким процессом, требует использование дорогостоящих инструментальных сталей, то требуется решать задачи по увеличению срока службы инструмента.

Изыскание новых возможностей изменения комплекса физико-механических свойств металлов в заданном направлении является актуальной задачей современного материаловедения. 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 обработки термоциклической обработки (ТЦО) - термической обработки в условиях циклических тепловых воздействий.

В силу специфики процессов, происходящих в условиях циклических воздействий, при термоциклической обработке возможно изменение и кинетики, и механизмов процессов структурообразования, целенаправленное изменение комплекса свойств сплавов, а, следовательно, надежности и долговечности изделий, из них изготовленных. Научные исследования и практический опыт применения убеждают в ее перспективности для повышения конструкционной прочности, пластичности, износостойкости и других физико-механических свойств сталей и сплавов.

Изучению возможностей применения ТЦО с целью улучшения структуры и механических свойств сталей, а, следовательно, и повышению работоспособности деталей машин и инструмента уделяется в последнее время большое внимание. В результате разработан ряд новых технологий предварительной термоциклической обработки, имеются сведения и об использовании ТЦО в качестве окончательной термической обработки. Однако выбор режимов ТЦО до сих пор ведется эмпирическим путем, а недостатками этих технологий является то, что повышение пластичности стали не сопровождается необходимым высоким уровнем ее прочностных свойств, а также то, что все ранее известные способы достаточно длительны во времени и трудоемки в исполнении.

Отсутствие обоснованных представлений о механизме формирования комплекса оптимальных свойств в процессе ТЦО создало условия нерационального выбора и зачастую неэффективного использования потенциальных.возможностей перспективного метода упрочнения сталей и сплавов.

Противоречивое понимание взаимного влияния различных параметров термо-циклирования (температура в цикле, скорость нагрева и охлаждения, количество термоциклов 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.

РОС. НАЦИОНА,' ^Д БИБЛИОТЕК' ,

Представленная работа направлена на разработку нового способа термоциклического упрочнения, обеспечивающего получение высоких эксплуатационных свойств штампов и включает ряд мер, таких как: выявление основных параметров термоциклической обработки влияющих на повышения рабочих характеристик матриц для холодного деформирования (ударная вязкость, прочность, износостойкость); установление основных факторов влияющих на механические свойства инструментальной стали (скорость нагрева и охлаждения, выдержка при различных V температурах нагрева и охлаждения, и т.д.); определение механических свойств в зависимости от степени у—»а превращения и распределения карбидных фаз в стали; оптимизация параметров термоциклической обработки.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой Министерства образования и науки РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук и при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (фант № 05-08-50241).

Формулирование задач исследования, анализ и обсуждение результатов проводились совместно с к.т.н., доцентом Хараевым Ю.П., являющимся докторантом кафедры «Общая физика» АлтГТУ и занимающимся развитием тематики диссертационной работы.

Цель диссертационной работы. Повышение стойкости штампового инструмента для холодного деформирования за счет применения установленных закономерностей структурообразования в сталях при циклическом тепловом воздействии, а также разработка технологии термоциклического (ТЦО) упрочнения штампов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Проведение анализа условий работы, выявление причин выхода из строя и выбор способа повышения стойкости инструмента для холодного деформирования.

2.,Установление основных параметров окончательной термоциклической обработки (ТЦО) инструментальных сталей.

3. Исследование особенностей изменения физико-механических свойств сталей в процессе циклического теплового воздействия. Оптимизация основных параметров ТЦО.

4. Исследование методами структурного анализа тонкого строения инструментальных сталей.

5. Выявление особенностей образования карбидной фазы в зависимости от технологических параметров термической и термоциклической обработки сталей. Установление влияния морфологии карбидов на показатели прочности и пластичности сталей для холодного деформирования.

6. Разработка способа термоциклической обработки инструментальной стали и апробирование в производственных условиях упрочнённого инструмента.

Для решения этих задач в работе использованы следующие экспериментальные методы: оптическая микроскопия; просвечивающая и растровая электронная микроскопия; рентгеноструктурный анализ; стандартные методы исследования

физико-механических свойств и др. методы. Исследовали структуру инструментальных сталей и проводили испытания изготовленного из них инструмента, подвергнутого термической и термоциклической обработке по разработанным режимам.

Научная новизна работы:

Впервые установлено влияние окончательной термоциклической обработки (ТЦО) на структуру и свойства эвтектоидных сталей.

Установлена зависимость (математическая модель), связывающая механические свойства (твердость, прочность, ударная вязкость) инструментальной стали с технологическими параметрами ТЦО и определены оптимальные режимы окончательной ТЦО штамповых сталей.

Исследования макро-, мезо- и микроструктуры образцов инструментальной стали У8, подвергнутых различным видам термической и термоциклической обработки, позволяют сделать выводы о влиянии термоциклической обработки на механические свойства.

В результате ТЦО происходят следующие основные изменения: изменяется структура, размеры и морфология карбидов; одновременно снижается уровень внутренних напряжений; основным местом зарождения трещин являются большие частицы карбидов, основным путем распространения трещин - межфазные границы "а-фаза - карбид" и субграницы в а-фазе. Измельчение и перераспределение карбидов затрудняет зарождение микротрещин и распространение их по указанным выше траекториям. В сочетании с уменьшением внутренних полей напряжений указанные эффекты повышают ударную вязкость в результате ТЦО и последующего низкого отпуска. Благодаря тому, что параметры мартенситной и дислокационной структуры меняются при ТЦО незначительно, сохраняется высокое сопротивление деформированию стали. Таким образом, роль ТЦО проявляется через комплексный характер изменения параметров микроструктуры и внутренних напряжений.

Практическая значимость: Совокупность экспериментальных и теоретических результатов, полученных при проведении исследований, позволила:

-использовать установленные закономерности формирования структуры и механических свойств стали для оптимизации процесса термоциклической обработки инструмента для холодного деформирования.

-разработать способы термической и термоциклической обработки инструмента из эвтектоидных и заэвтектоидных углеродистых и легированных инструментальных сталей с целью повышения его износостойкости.

-дать рекомендации по корректировке традиционных технологических процессов, позволяющей получать инструмент для холодного деформирования с более высокими эксплуатационными свойствами.

Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов исследования в материаловедении, необходимым и достаточным количеством экспериментального материала для корректной статистической обработки, со-

поставлением полученных результатов с данными других авторов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Установленные закономерности структурных изменений при окончательной термоциклической обработке инструментальной эвтектоидной стали. Влияние параметров ТЦО на измельчение частиц карбидной фазы и равномерное их распределение.

2. Зависимость получаемых механических свойств от параметров термоциклической обработки.

3. Математическая модель, связывающая параметры термоциклической обработки с механическими свойствами инструментальной стали.

Апробация работы: Основные положения и результаты проведённых исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: международной научно-технической конференции «XIV Уральская школа металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов" (Ижевск-Екатеринбург, 1998); IV международной школе-семинаре. «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1998); 25-е Международной молодежной научной конференции «Га-гаринские чтения» (Москва, 1999); Международной НТК «Композиты - в народное хозяйство России» (Барнаул 1999, 2005); XXXVII Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Киев, 2001): VII Международной конференции «Физика твердого тела», (Усть-Каменогорск, 2002); Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Калуга, 2004); XLIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Витебск 2004), II -VII Международных научно-практических конференциях «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штампового производств» (Барнаул, 1999 - 2005).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 28 печатных работах и патенте на изобретение, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 105 наименований и приложения, содержит 156 страниц машинописного текста, включая 36 таблиц и 44 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности проводимых исследований, отмечена научная новизна, практическая значимость и реализация результатов работы.

В первой главе на основе литературных данных выполнен анализ способов холодного формообразования; видов и особенностей разрушения холодноштампо-вого инструмента; влияния термической обработки, микро- и макроструктуры на стойкость инструмента. Проведён анализ различных видов химико-термической обработки инструмента и его влияние на стойкость. Подробно рассмотрены вопросы по применению термоциклической обработки (ТЦО) для различных видов ста-

лей. Выделены основные параметры термоциклической обработки.

Во второй главе характеризуются используемые в исследовании материалы, методики проведения экспериментов, применяемые методы исследования микроструктуры и механических свойств, рентгеноструктурного анализа.

В качестве исследуемых материалов выбраны инструментальные стали У8 (У8А) и Х12М. Приведены их химический состав и механические свойства после термической обработки.

Металлографические исследования упрочнённых образцов проводили на оптических МИМ-7, МИМ-10, "Neophot"-32 и электронных микроскопах: (растровом BS-300 "Tesla" и просвечивающем ЭМ-125К с использованием гониометрической приставки и при ускоряющем напряжении 125 кВ). Для просмотра в оптическом микроскопе шлифы готовились методами химического и электрохимического травления. Идентификация фазового состава и определение размеров и объемной доли выделений проводилось по изображениям, подтвержденным микродифракционными картинами и темнопольными изображениями, полученными в соответствующих рефлексах.

При приготовлении фольг для просмотра в электронном микроскопе из образцов на различных глубинах вырезались тонкие пластинки толщиной 0,2 - 0,3 мм на электроискровом станке. Режим вырезки был подобран таким образом, что не вносил дополнительной деформации и, следовательно, не влиял на структуру образца. Фольги полировались электролитически.

По снимкам, полученным в оптическом и электронном микроскопах, измерялись следующие параметры: средние размеры зерен; размеры, плотность и объемные доли выделений; скалярная плотность дислокаций, амплитуда кривизны-кручения решетки. Определение средних размеров зерен (D) проводилось методом случайных секущих по микрошлифам. Границы зерен вытравливали электролитически. Средний размер зерен в объеме материала определяли исходя из средних размеров зерен, измеренных по микрошлифам.

Ударную вязкость определяли на маятниковом копре с максимальной энергией удара 300 Дж на стандартных образцах 10 х 10 х 55 мм с надрезом (KCU, Дж/см ) и без надреза (КС, Дж/см2). Дюрометрические исследования проводили на приборах Роквелла, Бринелля и ПМТ-3.

С помощью растрового электронного микроскопа проводили фрактографи-ческий анализ поверхностей разрушения ударных образцов (при увеличениях -20, -300, -1000 и более), изучали состояние рабочих поверхностей штампового инструмента.

Съемки рентгенограмм проводили на дифрактометре ДРОН-1,5 в монохроматическом Fe-Ka излучении с автоматической записью на диаграммную ленту в автоматическом режиме.

Третья глава посвящена изучению возможностей применения ТЦО для улучшения структуры и физико-механических свойств инструментальных сталей.

В отличие от других видов термообработки структурные и фазовые превра-

щения при ТЦО совершаются многократно при изменяющейся температуре нагрева-охлаждения. Необходимость многократного повторения обработки при заданных температурах, как правило, обусловлено стремлением накопить изменения, которые коренным образом улучшают качество изделий и придают им свойства, недостижимые при одноразовой термической обработке.

Результатом настоящего раздела работы является разработка новой высокоэффективной технологии термического упрочнения инструментальных сталей для штампового инструмента на основе установления обобщенного механизма формирования их структуры и свойств в процессе окончательной термоциклической обработки.

Проведена оптимизация режимов окончательной термоциклической обработки для инструментальных сталей У8 и Х12М.

Для стали У8 построена математическая модель, связывающая технологические факторы ТЦО (температура нагрева и охлаждения, время выдержки при этих температурах, скорость нагрева и охлаждения) со структурой и механическими свойствами наиболее широко применяемых углеродистых и легированных инструментальных сталей. При этом использовали методы математического планирования эксперимента с применением дробных факторов планов. Для стали У8 математическая модель, описывающая зависимость механических свойств (сти -предел прочности при изгибе и КС- ударная вязкость образца без надреза) от варьируемых факторов, имеет следующий вид:

КС = 17,51-6,76 X 1+6,22Х2-2,24Х4-7,26Х|Хз-5,9Х2Хз; а„=3170-329,5Х, + 110,75Х2-210,75Хз+237,25Х4-1066,75Х,Хз, где: X¡-максимальная температура в цикле; Х2 - минимальная температура в цикле; Х3 - время выдержки при максимальной температуре; Х4-время выдержки при минимальной температуре. Указанные факторы варьировали в следующих пределах: X, - от 760 до 860°С; Х2 - от 20 до 800°С; Х3 и Х4 от 0 до 20 минут в зависимости от размеров образцов.

Математические модели отчетливо выявили те параметры режима ТЦО, которые наиболее сильно влияют на механические свойства, а также эффекты их взаимодействия Установлено, что основными критериями, определяющими пластичность и ударную вязкость являются температуры в термоцикле и время выдержки при максимальной температуре.

Установленные закономерности влияния параметров ТЦО на ударную вязкость и прочность инструментальной углеродистой эвтектоидной стали У8 позволили с минимальными затратами установить режимы ТЦО значительно повышающие механические свойства легированных сталей и прежде всего -ударную вязкость штамповых сталей для холодного деформирования (см. табл. 1, рис. 1).

Таблица 1- Механические свойства углеродистых инструментальных сталей после различных видов термической обработки (ТО]

Вид ТО Марка Твердость Ударная вязкость

стали НЯС КС, Дж/см2

Закалка+отпуск 2 часа У8 60 30

при 200°С У10А 61 28

ТЦО+отпуск 2 часа У8 60 179

при 200°С У10А 61 118

г

Рисунок 1 - Виды изломов на ударных образцах после испытаний, КС, где- а - 40 Дж/см2 (после стандартной термической обработки); б - 80Дж/см2; в - 210 Дж/см2; г - образцы с КС более 300 Дж/см2 после ТЦО по оптимальным режимам

Выполнение ТЦО по разработанным режимам позволяет повысить ударную вязкость углеродистых инструментальных сталей при сохранении высокой твердости и прочности (см. табл. 2) за счет чередующегося повторения процессов взаимного растворения - выделения между ферритокарбидной смесью и аустенитом способствующего получению благоприятного структурного состояния в конечной структуре стали и возможности протекания процессов коагуляции и сфероидизации частиц избыточных фаз (сульфидов, фосфидов и др.), уменьшающих вредное влияние этих примесей. Кроме того, в разработанном способе ТЦО снижена длительность процесса за счет уменьшения количества циклов нагрева и охлаждения.

Основываясь на результатах и выводах исследований стали У8 изучено влияние параметров высокотемпературной ТЦО с неполными фазовыми превращениями на структуру и физико-механические свойства инструментальных легированных сталей. Исследования показали, что повышение ударной вязкости образцов из стали Х12М, обработанным по оптимальным режимам окончательной термоциклической обработки с неполными фазовыми превращениями происходит уже после двух термоциклов (табл. 2).

Таблица 2- Механические свойства стали Х12М после различных видов термиче-

ской обработки

Вид ТО Твердость, НЯС Ударная вязкость КС, Дж/см2

Традиционная ТО: закалка в масле от 1030 0С+отпуск 2 часа при Т=200 °С 60-62 30-40

ТЦО + отпуск 2 часа при Т=200 °С 60-61 65-75

Как видно из таблицы 2, повышение ударной вязкости от 30 - 40 Дж/см2 до 65 - 75 Дж/см2 при сохранении высокой твердости образцов, подвергнутых ТЦО, по сравнению с традиционной термообработкой составило 1,6 - 2,5 раза.

Металлографические исследования (рис. 2) показали, что которые кроме измельчения карбидной фазы происходит уменьшение исходного зерна. Этими изменениями можно объяснить полученный высокий комплекс физико-механических свойств исследуемой стали.

Разработанная технология термоциклического упрочнения легированных инструментальных сталей является окончательной операцией термической обработки деталей машин и инструментов и защищена патентом Российской Федерации на изобретение №2131469,- 10.06.99.

Рисунок 2 - Микроструктура стали Х12М, где- а- после традиционной термообработки, б- после ТЦО.

Применение нового способа термоциклической обработки позволяет повысить ударную вязкость углеродистой инструментальной стали в 4 - 6 раз по сравнению с традиционной закалкой при сохранении высокой твердости и прочности. Улучшение комплекса физико-механических свойств стали приводит к повышению эксплуатационной стойкости изготовленного из нее инструмента, особенно испытывающего динамические нагрузки.

Новый способ термической обработки предназначен для повышения эксплуатационной стойкости инструмента и наиболее эффективен для инструмента, испытывающего большие ударные нагрузки, в частности для мелкоразмерного инструмента, а также для инструмента применяемого при вырубке - пробивке, благодаря более высоким показателям ударной вязкости и прочности.

Более полное изучение кинетики формирования окончательной структуры легированных сталей в процессе проведения ТЦО с использованием тонких методов исследований позволяет предложить обобщенный механизм формирования струк-\ туры и свойств этих сталей при окончательной ТЦО, а понимание механизма формирования свойств и структуры, их определяющей, позволит сформулировать принципы и возможные направления оптимизации параметров ТЦО в целях повышения качества инструмента, стабилизации его свойств и повышения эксплуатационной стойкости.

Четвертая глава посвящена изучению особенностей тонкой структуры стали сформировавшейся в результате различных видов теплового воздействия. Исследовали эвтектоидную сталь У8, используемую для штампового инструмента. Сталь подвергалась различным видам термической обработки. Образцы подвергались термической обработке в виде одного цикла - закалка с 790°С (обр. 1), термоциклической обработке из 4 циклов 790 «500 °С (обр. 2) и ТЦО из 4 циклов 790 <->500 °С

с последующим отпуском (обр. 3). Термическая и термоциклическая обработки влияют на механические свойства следующим образом: твердость закаленных и не отпущенных образцов (обр. 1 и обр. 2) составляет 65 - 66 НЯС,; отпуск при 200°С в течение 2 часов привел к тому, что твердость этих образцов составила величину 59 - 61 НЯСЭ, ударная вязкость обр. 1 - 35 Дж/см2, обр. 3 - более 300 Дж/см2, при этом обр. 3 не разрушается, а только деформируется (см. рис. 1). Видно, что ТЦО, сохраняя ту же твердость стали, значительно увеличивает ударную вязкость.

В ходе рентгеноструктурных, оптических и электронно-микроскопических измерений определяли следующие параметры структуры материала: параметры кристаллических решеток присутствующих в материале фаз, их объемную долю, размер зерен, карбидных частиц, скалярную плотность дислокаций. Размеры зерен, карбидных частиц и скалярную плотность дислокаций определяли методом секущей.

Специально исследовалось наличие в материале трещин и полей напряжений.

Различие в морфологии фаз после различных видов термической обработки становится очевидным уже на мезоуровне. На рис. 3 представлена структура стали

при оптическом увеличении 350 крат. Хорошо видно, что зерна а-фазы окаймлены выделениями цементита В обр. 1 очень грубые частицы карбидов расположены по границам зерен (рис За). В обр.2 прослойки цементита значительно тоньше, однако сохраняют анизотропную форму (рис. 36). В обр.З происходит измельчение и коагуляция карбидных частиц и их рассеяние по объему материала (рис Зв). Размеры карбидных частиц измельчаются в результате ТЦО и последующего отпуска (табл. 3) Подобное изменение в структуре карбидных частиц, расположенных по границам зерен, должно резко увеличить ударную вязкость при переходе от обр 1 к обр. 3 Важным здесь является, наряду с размерами и пространственным распределением частиц, изменение их формы. Переход от анизотропной формы карбидов по границам зерен к сферической резко затрудняет развитие трещин по границам зерен (рис 4) и уменьшает поля напряжений от карбидных частиц в момент механического нагружения.

Наряду с крупными частицами, форма которых в ходе термической обработки эволюционирует к сферической, в объеме материала стали присутствуют мелкие частицы Они наблюдаются двумя методами: оптической и электронной микроскопии.

При анализе таблицы 3 становится ясно, что циклическое тепловое воздействие (обр.2) уменьшает размер крупных карбидных частиц и увеличивает размер мелких частиц, наблюдаемых только методом электронной микроскопии. Измельчение размеров карбидных частиц в среднем должно дать заметный эффект снижения внутренних напряжений и увеличения пластичности стали. Некоторое увеличение размеров мелких карбидных частиц вполне компенсируется их развивающейся сфероидизацией.

Таблица 3 - Объемные доли и размеры карбидов, определенные методами оптической и электронной микроскопии

№ Оптическая микроскопия Электронная

образ- Микроскопия

ца Крупные карбиды Мелкие карбиды Мелкие карбиды

доля размер доля размер доля размер

(%) (мкм) (%) (мкм) (%) (мкм)

1 4,9 8,7x3,5 4,3 0,53 0,50 0,019x0,009

2 9,8 7,1x2,9 1,6 0,38 0,25 0,017x0,009

3 5,3 2,2 4,6 0,65 2,00 0,070x0,019

Рисунок 3 -Изображение структуры закаленной (а), термоциклиро-ванной (б) и термоцрклированной с последующим низким отпуском (в) эвтектоидной стали (сталь У8), полученное методом оптической микроскопии

Рисунок 4 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры стали У8 (обр. 1). Стрелками отмечена микротрещина, распространяющаяся от карбида к карбиду в а -фазе

На примере таблицы хорошо виден двойственный эффект воздействия ТЦО: по одним параметрам она увеличивает стабильность структуры стали, по другим - наоборот, удаляет её от равновесия. Это проявляется в увеличении объемной доли карбидов с одновременным уменьшением их размеров.

Результаты исследования макро-, мезо- и микроструктуры образцов, подвергнутых закалке после однократного нагрева (обр. 1), ТЦО (обр. 2) и ТЦО с последующим отпуском (обр. 3), позволяют сделать выводы о роли ТЦО и его влиянии на механические свойства штамповой стали.

Основным местом зарождения трещин являются большие частицы карбидов, основным путем распространения трещин - межфазные границы "а-фаза - карбид" и внутрифазные границы в а-фазе.

В результате ТЦО имеет место изменение нескольких факторов: 1 - изменяется структура, размеры и морфология карбидов (карбиды становятся сферическими); 2 - несколько снижается уровень внутренних напряжений в а-фазе с 1000 МПа до 700 МПа; 3 (главное) - резко, в несколько раз, уменьшается уровень внутренних напряжений в карбидах (в местах максимальной концентрации напряжений он становится порядка 1000 МПа вместо 20000 МПа); 4 - если в образцах №1 и №2 присутствуют микротрещины (рис. 4), которые зарождаются в карбидах и распространяются в а- и у-фазы, то в образцу №3 микротрещин нет, поскольку уровень внутренних напряжений снизился.

Методами электронной микроскопии выявлено, что при ТЦО происходит образование карбида Ре20 С9, со сложной орторомбической структурой (рис. 5).

Измельчение и перераспределение карбидов затрудняет, во-первых, зарождение микротрещин и, во-вторых, распространение их по указанным выше траекториям.

В сочетании с уменьшением внутренних полей напряжений указанные эффекты повышают ударную вязкость в результате ТЦО и последующего низкого отпуска. Благодаря тому, что параметры мартенситной и дислокационной структуры меняются при ТЦО незначительно, сохраняется высокое сопротивление деформированию стали.

Таким образом, роль ТЦО проявляется через комплексный характер изменения микроструктуры и внутренних напряжений.

Рисунок 5 - Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры стали У8 после ТЦО и последующего отпуска (обр. 3), где Р - пакетный мартенсит, П - пластинчатый мартенсит.

Стрелками отмечены частицы цементита Ре3С в рейках и шщстинах Ре20С9 на участке А: а - светлопольное изображение; б - микродифракционная картина, полученная с участка А; в - её индицированная схема; г - темнопольное изображение участка А, полученное в совпадающих рефлексах [110]а + [412]Ре20С9

Рентгеноструктурный анализ стали Х12М (табл. 4) после ТЦО показал, что мартенсит имеет меньшую степень тетрагональности, чем при традиционной ТО, что объясняется снижением в нем содержания углерода при циклировании по оптимальным для этой стали режимам.

Таблица 4 - Результаты рентгенографического анализа стали Х12М

Вид термической обработки Физическое уши-рение, рад Интенсивность, мм2

Мо2С Сг23С6 Мо2С, Сг7С3

Традиционная термическая обработка 0,0087 126 35 49

ТЦО 0,0052 76,5 28 45

В пятой главе представлены результаты разработки технологических процессов термоциклической обработки и приведены результаты промышленного испытания штампового инструмента упрочненного по новой технологии.

Анализ причин выхода из строя некоторых видов инструмента (рис. 6а - пробивной пуансон), проведанный на ОАО "Барнаултрансмаш" представлен в виде номограммы на рисунке 66. Изготавливаются они из стали Х12М. Инструменты со сколами, то есть разрушенные хрупко, занимают довольно значительную часть среди инструмента вышедшего из строя. Эксплуатационная же стойкость инструмента, особенно небольших размеров, остаётся на очень низком уровне. Стойкости пуансона, представленного на рисунке 6а, используемого при изготовлении сетки, хватает на несколько десятков нагружений.

На основании проведённых исследований разработан технологический процесс термической обработки пуансона. В качестве нагревательного оборудования были применены соляные ванны СВС 2.5/1 ЗИ2. В качестве нагревающей среды применялись смеси солей: для высокотемпературной ванны соль БМФ ТУ 2149097-10968286-99, для низкотемпературной ванны применялась соль НТ660 2149095-10968286-99.

Разработанный технологический процесс состоит из следующих основных операций: а) подготовка изделий: (связывание, просушивание); б) погружение детали в высокотемпературную ванну (990±10°С), выдержка; в) перенос деталей в низкотемпературную ванну (720±10°С), выдержка; г) повторение операций б) и в); д) закалка деталей в масле после нагрева до 990±10°С; е) отпуск деталей при температуре 180±10°С в течение 3 часов (твердость 60-62 НЯС3).

а

1 2 3

Причина выхода т строя

Рисунок 6 а- внешний вид пробивного пуансона; б- распределение причин выхода из строя данного вида инструмента после термической обработки по традиционной технологии 1-скол, 2-износ, 3-смятия. Стрелкой указано место износа.

Эксплуатационные испытания пуансона показали, что стойкость его значительно повысилась (до 600 - 800 нагружений). При этом сколы отсутствовали.

Также проводились работы по увеличению стойкости обрубочной матрицы №1115-0034 из стали Х12М ГОСТ 5950-2000 для вырубки облоя корпуса форсунки 171.1112024 (сталь 55 ГОСТ 1050-2000) для ЗАО «Алтайский завод прецизионных изделий». Матрица (рис. 7) работает на механическом прессе К2128 с рабочим усилием 63т., и скоростью движения ползуна -300 мм/с. Такая скорость движения ха- ^ растеризует условия работы инструмента как ударные.

Отработаны режимы окончательной термоциклической обработки пуансонов и матриц холодного деформирования.

На основании проведенных исследований для конкретного штампового инструмента рекомендован способ окончательной термоциклической обработки.

Термическая обработка обрубочной матрицы по разработанной технологии производилась на термическом участке ЗАО «Алтайский завод прецизионных изделий».

Термоциклической обработке по разработанной технологии подвергались обрубные матрицы (рис. 7) в количестве 10 штук. Проведены испытания в произвол-

ственнцх условиях. В качестве показателей для оценки эффективности ТЦО были выбраны следующие критерии: стойкость режущей кромки до следующей пере-шлрфрвки и отсутствие трещин и сколов (хрупкого разрушения). В качестве исходных данных по матрицам, прошедшим стандартную термообработку взята статистка по расходу инструмента за 6 месяцев. Результаты испытаний приведены в таблице 5.

По данным, приведённым в таблице 5, можно сделать вывод, что матрицы, термообработанные по предлагаемой технологии, имеют стойкость выше в среднем в полтора раза.

Матрицы и пуансоны, прошедшие традиционную термическую обработку при эксплуатации от 60% до 75% случаев имеют значительные трещины и сколы (табл. 5 и рис. 7), обуславливающие невозможность дальнейшего использования данного инструмента и приводящие к снижению производительности кузнечно-прессового оборудования за счёт увеличения потерь времени на переналадку. На матрицах, прошедших термообработку по предлагаемым режимам окончательной ТЦО, трещины и сколы по рабочим кромкам в процессе эксплуатации не обнаружены. Инструмент заменяли из-за износа рабочей кромки. Это говорит об улучшении механических свойств (увеличение значений твердости и ударной вязкости), что свидетельствует о положительном влиянии циклического температурного воздействия.

Рисунок 7 - Обрубочная матрица. Сплошной стрелкой обозначен скол, пунктирной - износ рабочей кромки

Таблица 5 - Стойкость вырубных матриц

Вид ТО Количество годных деталей снятых до перешлифовки штампа, штук Наличие сколов

Традиционная ТО 8000** 60%***

ТЦО 10520-13920 нет

*- матрица, прошедшая стандартную термообработку.

**- среднестатистические данные стойкости матриц, не имеющих сколов.

***- количество матриц со сколами - окончательный выход из строя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 .Проведен анализ причин разрушения инструмента для холодного деформирования металлов. Показано, что одной из главных причин его выхода из строя является хрупкое и малоцикловое разрушение.

2. В качестве упрочняющей технологии, повышающей механические свойства углеродистых и легированных холодноштамповых сталей, предложен метод циклического теплового воздействия (ТЦО), к?-: окончательная термическая обработка. Определены режимы термоциклической обработки, позволившие выделить основные параметры ТЦО и их влияние на механические свойства инструментальных сталей.

3. Методом математического планирования эксперимента построены математические модели, связывающие технологические факторы ТЦО и механические свойства стали У8. Проведена оптимизация режимов термоциклической обработки для этой стали Значение ударной вязкости стали У8, обработанной по оптимальным режимам составило более 300 Дж/см2, (при стандартной обработке -40 Дж/см2) при твёрдости 58-60 НЯС,. Значения ударной вязкости стали Х12М после ТЦО возрастают в полтора раза при сохранении твердости и прочности. Улучшение комплекса физико-механических свойств стали привело к повышению эксплуатационной стойкости инструмента в 1,5 - 3 раза.

4. В результате ТЦО стали У8 изменяется структура, размеры и морфология карбидов; одновременно снижается уровень внутренних напряжений; основным местом зарождения являются большие частицы карбидов, основным путём распространения трещин - межфазные границы «а-фаза - карбид» и внутрифазовые границы в а-фазе. Измельчение и перераспределение карбидов затрудняет, во-первых, зарождение микротрещин и, во-вторых, распространение их по указанным выше траекториям. В сочетании с уменьшением внутренних полей напряжений указанные эффекты повышают ударную вязкость в результате ТЦО и последующего низкого отпуска. Благодаря тому, что параметры мартенситнор и дислокационной структуры меняются при ТЦО незначительно, сохраняется высокое сопротивление деформированию стали. Таким образом, роль ТЦО проявляется через комплексный характер изменения параметров микроструктуры и внутренних напряжений.

5. Исследованы и описаны основные закономерности изменения микроструктуры инструментальной стали Х12М происходящие в результате циклического теплового воздействия: измельчение крупных и образование новых карбидов глобулярной формы; уменьшение содержания углерода в мартенсите, уменьшение содержания остаточного аустенита.

6. Разработана технология термоциклической обработки штампов холодного деформирования. Производственные испытания на ЗАО «Алтайский завод прецизионных изделий» показали, что предложенный способ термоциклической обработки приводит к увеличению стойкости вырубных матриц из стали Х12М в 1,5

раза по сравнению с матрицами, прошедшими традиционную термическую обработку. При этом удалось полностью исключить сколы рабочей кромки штампового инструмента. Разработанный способ упрочнения сталей защищен патентом РФ на изобретение №2131469.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Гурьев A.M., Земляков С.А. Кинетика фазовых превращений в литой штам-повой стад и 45Х2МНФЮ в процессе окончательной термоциклической обработки (ТЦО) // XIV Уральская школа металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов": Тез. докл. международной НТК. -Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 1998.- С.86-87.

2. Гурьев A.M., Земляков С.А. Влияние параметров высокотемпературной термоциклической обработки с неполными фазовыми превращениями на структуру и свойству холодндштамповых сталей // IV международная школа-семинар. Эволюция дефектных структур в конденсированных средах: Тез. докл. 2-7 сентября 1998/ Под ред. Старостенкова М.Д. // Алт. гос. техн. ун-т им. И.И Ползунова.- Барнаул, 1998.-С.63.

3. Тонкая структура и сопротивление ударному разрушению стали У8 после термоциклической обработки / A.M. Гурьев, Д.П. Чепрасов, A.A. Рубцов, С.А. Земляков // Научно-техническое творчество молодых: Сб.тез.докл. НТК АлтГТУ им. И.И. Ползунова. 4.2 / Под ред. A.A. Сошникова // Алт.гос.техн.ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1998.- С. 110.

4. Гурьев A.M., Земляков Ç.A., Степаненко H.A. Оптимизация термической обработки литых штампов горючего объемного деформирования,- Там же, С. 125.

5. Гурьев A.M., Околрвич Г.А., Чепрасов Д.П., Земляков С.А. Способ термоциклической обработки инструментальной стали Патент на изобретение РФ №2131469.- 10,06.99 Бюл.№ 166. Земляков С.А., Гурьев A.M., Чепрасов Д.П. Повышение пластических

свойств закалённых холодноштамповых сталей методом высокотемпературной термоциклической обработки. // 25 Гагаринские чтения. Тез. докл. Международной молодёжной научной конференции.-«МАТИ» -Рос. гос. техн. ун-т им. К.Э.Циолковского.- Москва: изд-во «ЛАТМЭС» 1999. -Том 1,- С.37 - 38.

7. Гурьев A.M., Земляков С.А. Влияние высокотемпературной термоциклической обработки (ВТЦО) на фазовое, структурное состояние и механические свойства холодноштамповых сталей // Вестник УГТУ- УПИ, Екатеринбург, 1999, №1 .-С.65-66.

8. Гурьев A.M., Земляков С.А. Влияние высокотемпературной термоциклической обработки на микроструктуру и механические свойства стали Х12М.- Международная НТК «Композиты - в народное хозяйство России (Композит 99). Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1999.-С.80-82.

9. Гурьев A.M., Степаненко H.A., Земляков С.А. Исследование влияния термоциклической обработки на структурное состояние и физико-механические свойства стали Х12М // Международная НТК «Композиты - в народное хозяйство России (Композит 99). Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1999,-С. 220 - 223.

10. New approach to tool stening development (англ.) / A.M. Guriev, A.M. Kirienko, B.D. Ligderiov, S.A. Zemliakov // Defekt Structures Evolution in condensed matters. Book of Abstracts. 24-28 June 2000 / Under edjtion Starostencov M.D.// Altai

State Technical University I.I.Polzunov.- Barnaul, Russia, 2000,- P. 117-119.

11. Гурьев A.M., Земляков С.А. Нов^я высокоэффективная технолргия термического упрочнения режущего и штампового инструмента. - В сб. трудов научно-технической конференции 5-7апреля 2000г.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000,- С. 2527.

12. Гурьев A.M., Земляков С.А. Влияние окончательной термоциклической обработки на микроструктуру и механические свойства холодноштамповой стали Х12М,- В сб. трудов научно-технической конференции 5-7апреля 2000г.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000.- С. 28-30.

13. Влияние термоциклирования в процессе окончательной термической обработки на структуру и свойства инструментальных сталей. / A.M. Гурьев, Ю.П. Хараев, С.А. Земляков, Е.Э. Баянова .- В сб. трудов научно-технической конференции 5-7апреля 2000г.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000,- С. 46 - 55.

14 Гурьев A.M., Земляков С.А. Повышение стойкости холодноштампового инструмента термоциклической обработкой // Фундаментальные и прикладные исследования для производства. Международный межвузовский сборник научных статей. Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та им. И.И Ползунова, 2000.- С. 41-44.

15. Гурьев A.M., Козлов Э.В., Земляков С.А. Изменение фазового состава бо-ридного слоя и переходной зоны инструментальной стали при химико-термоциклической обработке с использованием рбмазки // XXXVII Международный семинар «Актуальные проблемы прочности» 3 -5 июля 2001 года. - Киев, -С.37-38.

16 Гурьев А.М, Земляков С.А. Морфлогия карбидной и а - фазы холлднош-тамповой стали Х12М после окончательной термоциклической обработки // Физика твердого тела: Материалы VII Международной конференции, 5-7 июня 2002 г./ ВКГТУ,- Усть-Каменогорск, 2002,- С. 116-119.

17. Гурьев A.M., Старостенков М.Д., Земляков С.А. Термоциклическое упрочнение конструкционных и инструментальных сталей // Материалы XLII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (26 - 29 мая 2004 г., Калуга).- М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. -С. 132.

18. Гурьев A.M., Старостенков М.Д., Земляков С.А. Окончательная термоциклическая обработка - метод повышения прочности стали при сохранении пластичности // Материалы XL1II Международной конференции «Актуальные проблемы прочности»,- Витебск: Издательство ВГТУ. -2004.- С. 121.

19. Предварительная термоциклическая обработка быстрорежущих сталей для литого металлорежущего инструмента. / Ю.П. Хараев, A.M. Гурьев, С.А. Земляков, С.Г. Иванов, Е.Э. Баянова - Ползуновский альманах.- 2004.-№4. - С. 70-71.

20. Высокоэффективная технология термоциклического упрочнения сталей / A.M. Гурьев, Л.Г. Ворошнин, С.А. Земляков, Е.Э. Баянова, A.A. Колядин, О.А.Гурьева // Ползуновский альманах. - 2004. - №4 - С. 79-81.

21. Гурьева O.A., Земляков С.А., Гурьев A.M. Оптимизация гермоцикличе-ской обработки инструментальной стали // Вестник АлтГТУ,- 2005. - №3 -4. -С.167-173.

22 Термоциклическое и химико-темоциклическое упрочнение инструментальных сталей / A.M. Гурьев, Л.Г. Ворошнин, Ю.П. Хараев, Б.Д. Лыгденов, С.А. Земляков, O.A. Гурьева, А.А.Колядин, О.В. Попова // Ползуновский вестник.- №2,-2005.-С. 36-43.

Издано в авторской редакции.

Подписано в печать 7.02.06. Формат 60x84 1/16.

Печать - ризография. Усл. п. л. 1,39.

Тираж 100 экз. Заказ 2006 - 2

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР№ 020822 от 21.09.98 г.

fljQO gfl_ 37C5"

3765

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Виды холодной штамповки. Условия работы, причины выхода из строя и требования, предъявляемые к материалу штампов.

1.2. Анализ информации по способам повышения стойкости штампов.

1.2.1. Повышение эксплуатационной стойкости Ф методом оптимизации режимов объёмной термической обработки.

1.2.2. Повышение стойкости инструмента химико-термической обработкой.

1.3 Термоциклическая обработка и её влияние на физико — механические свойства сталей.

Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

МАТЕРИАЛЫ. ф 2.1. Выбор материалов и методов их исследования.

2.2 Термическая обработка стали У8.

2.3 Термическая обработка стали Х12М.

2.4 Определение механических свойств.

2.5 Определение величины коробления.

2.6 Исследование структуры образцов.

2.7. Оптимизация параметров ТЦО углеродистой стали

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ.

3.1 .Термоциклическая обработка штамповых сталей.

3.2Математическая модель и оптимизация основных технологических факторов термоциклической обработки стали У8.

3.3. Термоциклическая обработка стали Х12М.

3.3.1. Определение оптимальной температуры закалки по стандартному режиму.

3.3.2. Определение оптимальных параметров высокотемпературной термоциклической обработки.

3.3.3. Влияние вида термической обработки ф на деформацию образцов стали Х12М.

Выводы.

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ, СФОРМИРОВАВШЕЙСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.

4.1. Особенности формирования тонкой структуры стали У8 в результате циклического теплового воздействия.

4.1.1. Морфология карбидной фазы.

4.1.2. Морфология а-и у-фаз.

4.1.3.Дислокационная структура и внутренние поля напряжений. Зарождение разрушения.

4.2. Особенности формирования тонкой структуры ста

• ли Х12М в результате циклического теплового воздействия.

Выводы.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТА

• И ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ.

5.1. Условия эксплуатации вырубного штампа.

5.2.Термическая обработка вырубной матрицы.

5.3. Результаты промышленных испытаний штампового инструмента.

Современные машиностроительные и металлургические предприятия широко используют различные виды инструментов. Стоимость их достаточно высока из-за сложности технологических процессов применяемых при их изготовлении и большого содержания 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 для холодного деформирования. 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.

В осуществлении экономии средств производства, повышении производительности труда, снижении себестоимости промышленной продукции важное значение имеет создание более перспективных технологий термической (ТО) обработки инструмента, обеспечивающих более длительные сроки его эксплуатации.

Актуальность этой задачи особенно очевидна для металлообрабатывающих предприятий и, в частности, для цехов, изготавливающих и применяющих штамповый инструмент для холодного деформирования.

Для уменьшения расходов при изготовлении и использовании холодных штампов традиционно применяют более стойкие материалы; используют 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 (затуплении) 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.

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 штампа, 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, в настоящее время, технологии ТЦО не находят широкого применения из-за сложности технологического процесса, отсутствия оптимальных режимов термообработки, широкой номенклатуры штампового инструмента по типоразмеру, и, как следствие, противоречивости данных о стойкости штампов для холодного деформирования, подвергавшихся ТЦО, а также из-за недостаточного понимания и неоднозначности трактовок происходящих процессов в металлах и сплавах при ТЦО.

Настоящая работа выполнена в Алтайском Государственном Техническом Университете им. И.И. Ползунова. Полученные результаты опробованы на машиностроительных предприятиях.

Цель диссертационной работы. Повышение стойкости штампового инструмента для холодного деформирования за счёт применения установленных закономерностей структурообразования в сталях при циклическом тепловом воздействии, а также разработка технологии термоциклического (ТЦО) упрочнения штампов. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Проведение анализа условий работы, выявление причин выхода из строя. Выбор способа повышения стойкости инструмента для холодного деформирования.

2. Установление основных параметров окончательной термоциклической обработки (ТЦО) инструментальных сталей.

3. Исследование особенностей изменения физико-механических свойств сталей в процессе циклического теплового воздействия. Оптимизация основных параметров ТЦО.

4. .Исследование методами структурного анализа тонкого строения инструментальных сталей.

5. Выявление особенностей образования карбидной фазы в зависимости от технологических параметров термической и термоциклической обработки сталей. Установление влияния морфологии карбидов на показатели прочности и пластичности сталей для холодного деформирования. 6. Разработка способа термоциклической обработки инструментальной стали и апробирование в производственных условиях упрочнённого инструмента.

Научная новизна работы заключается в установлении:

- зависимости (построение математической модели) твёрдости, прочности и ударной вязкости холодноштамповой стали, как определяющих износостойкость инструмента, от основных параметров ТЦО;

- положительного влияния окончательной упрочняющей ТЦО на структуру и свойства холодноштамповых сталей и нахождении оптимальных режимов для конкретного штампового инструмента;

- возможности проведения окончательной термической обработки совмещённой с оптимальными режимами циклического теплового воздействия на холодноштамповый инструмент.

Данные электронной микроскопии стали У8 были получены на кафедре «Физика» ТГАСУ под руководством доктора технических наук, профессора Эдуарда Викторовича Козлова. Данные по рентгеноструктурному анализу стали Х12М были получены на кафедре «МБСГТ» АлтГТУ под руководством кандидата технических наук, профессора Дмитрия Петровича Чепрасова. Автор выражает глубокую признательность за помощь в работе над диссертацией.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основании изучения условий работы, проведен анализ причин разрушения инструмента для холодного деформирования металлов. Показано, что большое влияние имеет хрупкое и малоцикловое разрушение. Поставлена задача по минимизации и устранению причин такого разрушения инструмента.

2. В качестве упрочняющей технологии повышающей механические свойства углеродистых и легированных холодноштам-повых сталей, предложен метод циклического теплового воздействия (ТЦО), как окончательная термическая обработка. Выбраны режимы термоциклической обработки, позволившие выделить основные параметры ТЦО и их влияние на механические свойства инструментальных сталей.

3. Методом математического планирования эксперимента построены математические модели, связывающие технологические факторы и механические свойства стали У8. Проведена оптимизация режимов ТЦО для этой стали. Значение ударной вязкости стали У8, обработанной по оптимальным режимам состау вило более ЗООДж/см , (при стандартной обработке - 40 Дж/см ) при твёрдости 58-60Н11Сэ. Значения ударной вязкости стали Х12М после ТЦО возрастают в полтора раза при сохранении твердости и прочности. Улучшение комплекса физико-механических свойств стали привело к повышению эксплуатационной стойкости инструмента, испытывающего высокие динамические нагрузки от 1,5 до 3 раз.

4. В результате ТЦО происходят следующие основные изменения: изменяется структура, размеры и морфология карбидов; одновременно снижается уровень внутренних напряжений; основным местом зарождения являются большие частицы карбидов, основным путём распространения трещин - межфазные границы «а-фаза - карбид» и внутрифазовые границы в а-фазе. Измельчение и перераспределение карбидов затрудняет, во-первых, зарождение микротрещин и, во-вторых, распространение их по указанным выше траекториям. В сочетании с уменьшением внутренних полей напряжений указанные эффекты повышают ударную вязкость в результате ТЦО и последующего низкого отпуска. Благодаря тому, что параметры мартенситной и дислокационной структуры меняются при ТЦО незначительно, сохраняется высокое сопротивление деформированию стали. Таким образом, роль ТЦО проявляется через комплексный характер изменения параметров микроструктуры и внутренних напряжений.

5. Показаны изменения микроструктуры заэвтектоидной легированной инструментальной стали Х12М происходящие в результате циклического теплового воздействия: измельчение крупных и образование новых карбидов глобулярной формы; уменьшение содержания углерода в мартенситной фазе, уменьшение содержания остаточного аустенита.

6. . Разработана технология термоциклической обработки штампов холодного деформирования. Производственные испытания на ЗАО «Алтайский завод прецизионных изделий» показали, что предложенный способ термоциклической обработки приводит к увеличению стойкости вырубных матриц из стали Х12М в 1,41,6 раза по сравнению с матрицами, прошедшими традиционную термическую обработку. При этом удалось полностью исключить сколы рабочей кромки штампового инструмента. Разработанный способ упрочнения сталей защищен патентом РФ на изобретение.

132

1. Кухтаров В.И. Холодная штамповка.- М., Машгиз, 1962 .-402с.

2. Свищенко В.В. Разработка сталей повышенной обрабатываемости и технологии их сфероидизирующей обработки для тяже-лонагруженных деталей машин, изготавливаемых точной чистовой вырубкой: Дис. канд. техн. наук. М.,1985.-235с.

3. Позняк Л.А., Скрынченко Ю.М., Тишаев С.И. Штамповые стали. М , Металлургия , 1980 .-244 с.

4. Штейн Ф.С. Штамповые стали.- М., Машиностроение, 1966(ЭНИКмаш. Сб. №13), с 3-7.

5. Михаленко Ф.П. Стойкость разделительных штампов.-М., Машиностроение, 1986 .- 224с.

6. Позняк Л.А., Скрынченко Ю.М., Исследование и выбор оптимального состава высокопрочной штамповой ста-ли//Металловедение и термическая обработка металлов 1966,- № П.- С .41-45.

7. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. М., Металлургия, 1983. - 527с.

8. Л.С. Малинов, А.П. Чейлях, О.Д. Чейлях, Влияние мета-стабильного остаточного аустенита на механические свойства стали Х12М. // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1988. № 8 .- С.12 - 15.

9. В.И. Ерёмин, В.А. Евстратов. Изменение структуры , свойств и накопления повреждений сталей Х12М и Р6М5 при упруго пластическом нагружении. // Металловедение и термическая обработка металлов - 1988 .- № 7 .- с. 27-30.

10. Фукс-Рабинович Г.С., Ковалёв А.И., Шаурова Н.К. Особенности изменения и структуры контактных поверхностей при изнашивании вырубных штампов // КШП. 1994 . - № 5. - с. 13-17.

11. Зубцов М.Е. Листовая штамповка. Л., Машиностроение,1967 . - 504с.

12. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки. М., Машиностроение,1989 . - 304с.

13. Бутыгин В.Б. Технология металлов и металловедение: Учебное пособие//Алт.гос.техн. ун-т им. И.И.ползунова.-Барнаул: Изл-во Алт.Г.Т.У, 2000.-3 12с:рис.

14. Евстратов В.А., Ерёмин В.И., Пивоваров В.М., Влияние исходной структуры , режимов термической обработки и деформации на механические свойства стали Х12М . // Металловедение и термическая обработка металлов.- 1986.- № 4,- с. 8-10.

15. Смольников Е.А., Влияние исходной структуры на превращение в высокоуглеродистых сталях при нагреве. // Металловедение и термическая обработка металлов.- 1967 . № 11 .-с. 51-58 .

16. Пугачёва Т.М., Трахтенберг Б.Ф., Влияние предварительной термической обработки на долговечность холодновысадочного инструмента // Металловедение и термическая обработка металлов.-1987. № 2.- с.36-38.

17. Семко А.П., Термическая обработка шлифуемых инструментов из стали Х12М .// Металловедение и термическая обработка металлов.- 1970 . № 2 .- с. 74-75.

18. Паварас А.Э. , Габшявичуте Р.П. , Остаточный аустенит в инструментальной стали Х12М . // Металловедение и термическая обработка металлов.- 1981 .- № 8. -с.31-34 .

19. Луценко Т.И. , Молотова Н.Ф. , Повышении стойкости холодновысадочного инструмента . // Металловедение и термическая обработка металлов.- 1991. № 8 .- с. 24-26.

20. Ерёмин В.И., О стабильности свойств инструмента из стали Х12М // Металловедение и термическая обработка металлов.-1987 .- № 2 .- с. 26-28 .

21. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. М., Металлургия, 1985 . - 256с.

22. Бёмер 3., Лерхе В., Шпис X., Зимдарс Н., Берг X., Регулируемый процесс азотирования. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1987.- № 1 . с. 38-41.

23. Кораблёв В.А., Устиновщиков Ю.И., Хацкелевич И.Г., Ох-рупчивание хромистых сталей при образовании специальных карбидов . // Металловедение и термическая обработка металлов.- 1975 .-№ 1. С.16 - 19.

24. Геллер Ю.А., Павлова Л.П., Сорокин Г.М., // Металловедение и терм, обраб. металлов .-1972 .- № 1. С. 48-54 .

25. Смольников Е.А., Сарманова Л.М. Борирование стали в экономичных по составу солевых расплавах. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1987. № 1.- С. 41 - 45.

26. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С., Протасевич Г.Ф. Новые расплавы для жидкостного бестокового борирования. В кн.: Химико -термическая обработка металлов и сплавов. - Мн., 1974 ,- С. 83-84.

27. Ляхович Л.С., Брагилевская С.С., Ворошнин Л.Г. Жидкостное борирование предварительно никелированных сталей. Докл. АН БССР, 1967, т. 11, № 2, С. 162 - 165.

28. Пчёлкина М.А., Лахтин Ю.М. Газовое борирование стали. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1960.- № 7.-С. 163 170.

29. Лахтин Ю.М. , Пчёлкина М.А. Борирование высоколегированных сталей. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1961. № 3. - С. 27 - 35.

30. Пчёлкина М.А., Лахтин Ю.М. Газовое борирование в среде трёххлористого бора // Металловедение и термическая обработка металлов.-1960.- № 7.- С. 40 42.

31. Скугорова Л.П., Шлыков В.И., Нечаев Л.И., Установка и технология газового борирования. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1972. № 5. - С. 61-62.

32. Ворошнин Л.Г., Ляхович Л.С., Фуштейн Я.Н., Борирование порошкообразными смесями. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1966.- № 12. С. 67 - 69.

33. Кайдаш Н.Г., Правенькая Л.Л. Диффузионное борирование железа и стали в вакууме . -В кн. Науч. Зап. Одесского политехи, ин -та . Киев .- 1963 .- т.50. С. 99 - 101.

34. Баязитов М.И., Алиев A.A., Борирование в обмазках при печном нагреве. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1974. №7. - С.46 - 47.

35. Ворошнин Л.Г., Борисенок Г.В., Керженцева Е.Ф. Химико-термическая обработка металлов и сплавов с использованием паст.-В кн.: Металлургия . Мн.- 1976 .- вып. 8.- С 21-25.38.Патент № 3222228 (США)

36. А. с. 404903 (СССР). Состав для борирования / Ляхович Л.С., Косачевский Л.Н., Крукович М.Г. и др.- Опубл. В Б. И., 1973, - № 44.

37. А. с. 560002 (СССР). Состав для борирования в обмазках. / Бельский В.М., Ситкевич М.В.- Опубл. в Б. И. 1977. - № 20.

38. Алиев A.A. Борирование из паст на основе карбида бора. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1978.- №10. С. 62-63.

39. Просвирин В.И. Диффузионная металлизация с использованием суспензий и паст. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1972.- №12. С. 40-48.

40. Этингант A.A., Дзюбенко Н.В. Технологические методы повышения износостойкости формообразующих частей обратимых штампов для высадки. // КШП.- 1995. № 4. - С. 26 - 27.

41. Андреев A.A., Булатова Л.В., Картмазов Г.Н., Кострица Т.В., Романов A.A. Влияние отжига на структуру и свойства молибденовых покрытий на стали Х12М. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1982 № 7 - С. 31 - 32.

42. Федюкин В.К. Термоциклическая обработка сталей и чугу-нов. Л.: Машиностроение, 1977 - 144с.

43. Гурьев A.M., Жданов А.Н., Евтушенко А.Т., Кириенко A.M. Проблемы повышения стойкости литого штампового инструмента.// Учебное пособие / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И Ползунова,-Барнаул: Изд- во АлтГТУ. 1997. 142с.

44. Гурьев A.M., Евтушенко А.Т. Новые материалы и технологии для литых штампов. // Учебное пособие для вузов пособие / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И Ползунова.- Барнаул: Изд- во АлтГТУ. 1998 208с.

45. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. Л.: Машиностроение. Ленин-градск. отд-ние. 1989. - 255с.

46. Термоциклическая обработка сталей, сплавов и композиционных материалов/ Тихонов A.C., Белов В.В., Леушин И.Г. и др. -М.: Наука, 1984 186с.

47. Кенис М.С. Феноменологический подход к проблеме оптимизации ТЦО. // 2-я Всеросийская научная конференция: Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа: Тез. докл. Днепропетровск. 1982.- С. 6 -10.

48. Биронт B.C., Носовец Н.Г., Камендровская О.Н. Термическая обработка доэвтектоидной стали. // 2-я Всеросийская научная конференция: Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа: Тез. докл. Днепропетровск. 1982.- С. 68-71.

49. Александров С.А., Гуревич Т.Н., Никитин E.H., Осташев В.В. Анализ режимов термоциклической обработки конструкционных сталей. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1982.- № ю.- С. 17-20.

50. А.с. 1315487 СССР , МКИ С21 Д 1/78 . Способ термоциклической обработки среднеуглеродистых и низколегированных сталей / Порубов В.В., Порубов И.В.

51. Нагорный JI.K. Повышение предела текучести конструкционных сталей термоциклической обработкой. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1983.-№ 12.- С. 11-12.

52. Французова Л.П., Владимиров A.B., Четчасова Т.Е., Ли-сицкая Л.А., Фалькин А.И., Повышение ударной вязкости конструкционных сталей термоциклической обработкой.// Металловедение и термическая обработка металлов- 1984.-№ 4.- С. 15-17.

53. Гурьев A.M. Экономнолегированные стали для литых штампов горячего деформирования и их термоциклическая обработка и химико-термоциклическая обработка.: дис. докт. техн. наук. Барнаул. 2000, 517с.

54. Левицкий М.О. Влияние термоциклической обработки на коррозионно механические свойства литой электрошлаковой стали 40Х // Физ.- хим. механика материалов. - 1984- 20. № 14.- С. 50 -52.

55. Термоциклическая обработка проволоки из углеродистой стали. / Апашкин A.B., Белов A.B., Соколов A.A. и др. // Металловедение и термическая обработка металлов.-1988. № 2. - С. 10-12.

56. Рейгана Мартинес Марселино Уильман. Разработка литой микролегированной быстрорежущей стали Р6М5 на основе структурных исследований: Диссертация канд. техн. наук. Мн.,1985.-214с.

57. А. с. 1213076 СССР, МКИ С21 Д 1/78 , 1/26. Способ термической обработки литых штамповых сталей / Левитес И.И., Шерма-зан И.В., Брон Д.И.

58. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970. - 376с.

59. Чернявский К.С. Стереология в металловедении.- М.: Металлургия, 1977.- 280 с.

60. Конева H.A., Лычагин Д.В., Теплякова Л.А. и др. Полосовая субструктура в ГЦК-однофазных сплавах // Дисклинации и ротационная деформация твердых тел. Л.: ФТИ, 1988. - С. 103-113.

61. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976 - 280с.

62. Новик Ф.С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении. М.: Машиностроение, 1972. - 106 с.

63. Гурьев A.M., Земляков С.А. Новая высокоэффективная технология термического упрочнения режущего и штампового инструмента. В сб. трудов научно-технической конференции 5-7апреля 2000г.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000.- С. 25-27.

64. Гурьев A.M., Чепрасов Д.П., Рубцов A.A. Термоциклическое упрочнение штампового инструмента // Тез. докл. Международной НТК "Нефть и газ Западной Сибири".-Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 1996.- С. 15-16.

65. Гурьев A.M. Влияние температуры закалки на свойства и структуру литых штамповых сталей// Сб. материалов Республ. научн. техн. конф. «Повышение стойкости штамповой оснастки и инструмента», Улан-Удэ, 1989.-СЛ.

66. Гурьев A.M. Влияние упрочняющей термоциклической обработки на свойства литых штамповых сталей // Тез. докл. научн. конф. Барнаул, 27-30 мая 1991г.- Изд-во РТИ. -Рубцовск,-1989.-С.151.

67. A.c. по заявке №4933944 СССР, Способ термической обработки инструментальных сталей // Л.Г Ворошнин, A.A. Шматов, A.M. Гурьев

68. Гурьев A.M., Андросов А.П., Кириенко A.M., Жданов А.Н. Высокоэффективная не требующая больших затрат технология термического упрочнения инструмента // Юбилейная научн. практ. конф. БТИ: Тез. докл, ч.2.БТИ,-Бийск: Изд-во АлтГТУ, 1995 С.45-48.

69. Гурьев A.M. Особенности термической обработки литых штамповых сталей // там же С. 52-53.

70. Гурьев A.M. Об особенностях термической обработки литых инструментальных сталей.- Тез.докл. Международной НТК. «Композит'95».- АлтГТУ. -Барнаул: изд-во АлтГТУ, 1995. С. 19-20.

71. Гурьев A.M., Жданов А.Н. Высокоэффективная технология термического упрочнения инструмента.- В кн. Трудов Межд. Научн.практ. Конф "Вузовская наука на межд. рынке научн. техн. продукции".- АлтГТУ.-Барнаул: изд-во Алт ГТУ, 1995.-С.66-68.

72. Гурьев A.M., Хараев Ю.П., Баянова Е.Э. О предварительной термической обработке сталей. В сб. статей Ползуновского научно-технического центра Алтайского гос. техн. ун.-та им. И.И. Ползунова. Выпуск 1./ АлтГТУ.-Барнаул: изд-во Алт ГТУ, 1997.- С. 38.

73. Патент №2078440 РФ на изобретение кл. С 21 Д 1/78 /Способ термоциклической обработки инструментальной стали / A.M. Гурьев, Л.Г. Ворошнин, Д.П. Чепрасов, А.А. Рубцов

74. Гурьев A.M., Чепрасов Д.П., Рубцов А.А. Термоциклическое упрочнение штампового инструмента // Тез. докл. Международной НТК "Нефть и газ Западной Сибири".-Тюмень: изд-во ТюмГНГУ, 1996.- С. 15-16.

75. Гурьева O.A., Земляков С.А., Гурьев A.M. Оптимизация термоциклической обработки инструментальной стали //Вестник АлтГТУ.- 2005. №3 -4- С.167-173.

76. Гурьев A.M., Земляков С.А. Влияние окончательной термоциклической обработки на микроструктуру и механические свойства холодноштамповой стали Х12М.- В сб. трудов научно-технической конференции 5-7апреля 2000г.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000.- С. 28-30.

77. Чернявский К.С. Стереология в металловедении.- М.: Металлургия, 1977.- 280 с.

78. Хирш П., Хови А., Николсон Р. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. М.: Мир, 1968. - 574с.

79. Томас Г., Гориндж М.Дж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов. М.: Наука, 1983. - 320с.

80. Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Электронно-микроскопический анализ мартенситной фазы стали 38ХНЗМФА // Изв. вузов. Черная металлургия. 1991. - №8. - С.38-41.

81. Счастливцев В.М. Электронномикроскопическое исследование структуры мартенсита конструкционных сталей // ФММ. -1974. Т.38, №4. - С.793-802

82. Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Морфология мартенситной фазы в низко- и среднеуглеродистых слаболегированных сталях // Термическая обработка и физика металлов. 1990. - №15. - С.27-34.

83. Иванов Ю.Ф. Электронно-микроскопические исследования структуры и фазового состава цементованного слоя стали 20Х2Н4М.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. - №6. - С.55-56.

84. Иванов Ю.Ф., Козлов Э.В. Исследование влияния параметров аустенизации на морфологию мартенситной фазы стали 38ХНЗМФА.// ФММ. 1991. - №11 - С.202-205.

85. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Т.1. М.: ГН-ТИЛ по чер. и цвет, металлургии, 1962. - 608с.

86. Иванов Ю.Ф. Влияние технологических параметров на размерную однородность пакетного мартенсита.// ФММ. 1992. -№9 - С.57-63

87. Иванов Ю.Ф. Влияние степени легированности материала на структуру пакетного мартенсита сплавов железа и сталей // Изв. вузов. Черная металлургия 1995. - №1 - С.52-54.