Введение к работе
Актуальность проблемы. До настоящего времени сталь остается важнейшим промышленным материалом и повышение ее свойств служит основой технического прогресса в машиностроении Перед машиностроительным производством всегда были, есть и будут стоять две основные задачи, а именно повышение технологичности стали на всем пути преобразования металла в деталь, а также достижение максимального комплекса физико-механических свойств изделиями с целью повышения их работоспособности в эксплуатации. Изготовление большинства деталей машин предусматривает применение традиционных технологий- пластическая деформация, механическая, термическая и химико-термическая обработки Однако возможности этих технологий ещё далеко не исчерпаны и имеются довольно значимые скрытые резервы и в первую очередь те, которые направлены на создание необходимой структуры стали, обеспечивающей повышение технологических и служебных свойств металлов и сплавов В формировании структурного состояния сплава участвуют не только технологические воздействия при металлопеределе в машиностроительном производстве, но и наследственность макро- и микростроения металлургического характера Поэтому управление структурообразованием стали с учетом сохранения положительной и уменьшения отрицательной наследственности химической и структурной неоднородности сплава является важной и актуальной научно-технической проблемой
Особого внимания требует создание в стальных заготовках благоприятного структурного состояния перед обработкой резанием, так как более 80% деталей в машиностроении подвергается механической обработке, а около 45% трудоемкости при их изготовлении отводится именно этой стадии технологического процесса Актуальность этой проблемы существенно возрастает в массовом и крупносерийном производстве и особенно при изготовлении деталей на автоматических линиях, где одновременно совмещаются различные виды обработки резанием
Ключевое внимание в машиностроении уделяется созданию надежных машин и механизмов Актуальность этой задачи бесспорна, так как она напрямую связана с вступлением страны в ВТО, что требует изготовления конкурентоспособной продукции, соответствующей европейским и мировым стандартам в части надежности, экологичности, удельной грузоподъемности и тд Учитывая комплектность сложных систем, подобных двигателю и автомобилю, а также многообразие применяемых металлических материалов поставленная цель достижима только в случае учета в каждой детали, входящей в изделие, наследственности строения и свойств сплава от металлургических и машиностроительных технологий Причем, создать высокие работоспособность и физико-механические свойства возможно для одних деталей за счет объемного (традиционная закалка и ТМО), а для других - поверхностного (ХТО, ППД и др) упрочнения.
В связи с тем, что сложная научно-техническая проблема наследственного влияния металлургических факторов на процессы структурообразования сталей и управления этим явлением при термической обработке машиностроительных изделий решена не полностью, тема диссертации является актуальной.
Цель работы. Исследование наследственного влияния химической и структурной неоднородности металлургического характера на процессы структурообразования цементуемых и улучшаемых сталей при термической обработке тяжелонагруженных деталей автомобиля.
Поставленная цель реализовывалась путем проведения комплексных исследований по ряду направлений, в ходе которых потребовалось решить следующие задачи:
- выявить критерии макро- и микростроения металлургического ха
рактера, наследуемые цементуемыми и улучшаемыми сталями при термиче
ской обработке деталей и, на основе анализа результатов исследования и ста
тистических данных, установить их влияние на обрабатываемость резанием и
долговечность изделий;
исследовать влияние режимов технологических воздействий при термической обработке заготовок на процессы структурообразования и, с учетом наследственности микростроения металлургического характера, установить закономерность изменения структуры и свойств цементуемых легированных сталей в зависимости от параметров изотермического отжига,
разработать технологические методы управления металлургической наследственностью. Разработать и обосновать унифицированную технологию изотермического отжига заготовок из цементуемых сталей с различным исходным микростроением и химическим составом для получения стабильной и заданной структуры и свойств сплава;
разработать метод выбора-рациональных температурно-скоростных параметров термомеханической обработки сталей, при которой реализуется процесс структурообразования по механизму динамической полигонизации в заданных сечениях детали,
разработать, исследовать и внедрить новую закалочную среду с варьируемой охлаждающей способностью, позволяющей управлять структу-рообразованием стали при объемной закалке, обладающей хорошими эксплуатационными и технологическими характеристиками и обеспечивающей получение металлоизделиями из улучшаемых сталей высоких показателей механических свойств,
разработать новые составы порошкообразных боронасыщающих смесей для поверхностного упрочнения деталей машин, обладающих высокой насыщающей способностью, технологичностью и эффективностью;
исследовать влияние химических элементов на технологические и механические свойства стали, разработать высокотехнологичную сталь и сертифицировать стандартный химический состав стали для обеспечения
хорошей ее обрабатываемости резанием,
исследовать причины некачественного насыщения углеродом поверхности стальных деталей при цементации, разработать и обосновать эффективные способы их упрочнения;
исследовать влияние технологических факторов, участвующих в формировании детали, на геометрическую точность цементованных изделий и разработать маршрутную технологию изготовления изделий с минимальной и стабильной деформацией и короблением упрочняемых деталей
Объектом исследования являются процессы термической и химико-термической обработки заготовок и деталей машиностроения.
Предмет исследования. Структурообразование в сталях и технологические методы управления структурным состоянием стали с наследуемой макро- и микронеоднородностью металлургического характера.
Методы исследований. Решение поставленных задач базируется на методах статистического анализа результатов исследований и информации о технологичности стали на этапе механической обработки заготовок, традиционных, усовершенствованных и специально разработанных новых методах контроля свойств материалов, таких как металлографические, дилатометрические, рентгеноструктурного и химико-спектрального анализа, электронно-микроскопические, фрактографические, теплофизические, стандартные испытания на технологичность и механические свойства и др, численных и экспериментальных методах исследования температурных полей при закалке; методах испытаний деталей в стендовых условиях и эксплуатации
Достоверность и обоснованность принятых решений в диссертационной работе подтверждается-
комплексным исследованием структуры, свойств и других характеристик материалов с применением стандартных и апробированных методов контроля и испытаний,
корректностью выбора исходных допущений и ограничений при рас-четно-экспериментальных исследованиях и обоснованиях параметров термической обработки,
согласованностью теоретических и экспериментальных данных, подтвержденных результатами длительного производственного опыта;
- повторяемостью результатов при разносторонних исследованиях с
использованием поверенного и лицензионного оборудования
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
1 Разработана методология управления структурной и химической наследственностью металлургического характера в процессах структурообра-зования цементуемых и улучшаемых сталей, позволяющая обоснованно проводить выбор параметров термической обработки тяжелонагруженных деталей автомобиля с целью устранения негативного влияния макро- и микростроения при формировании заданной и стабильной структуры и свойств
сплава для улучшения обрабатываемости резанием и повышения долговечности машиностроительных изделий
2. Впервые на термокинетической диаграмме превращения переохлажденного аустенита цементуемых легированных сталей выявлена зона формирования строченых структур, положение которой определяется темпера-турно-скоростными параметрами стадии принудительного охлаждения стали после аустенитизации при изотермическом отжиге. Установлено, что явлением структурной полосчатости в стали можно управлять при назначении параметров термической обработки. При скоростях охлаждения стали 8С/мин и менее от температуры аустенитизации до температуры минимальной устойчивости аустенита строчечность проявляется в максимальной степени и далее наследуется сталью до завершения термической обработки Устранение полосчатости достигается в случаях охлаждения стали в этом температурном интервале со скоростью более 23С/мин и такое структурное состояние сохраняется в сплаве и после изотермического отжига изделий.
Выявлено, что для нейтрализации химической неоднородности в цементуемых легированных сталях по основным и сопутствующим химическим элементам и полноты диффузионных превращений при отжиге распад переохлажденного аустенита на феррито-карбидную смесь должен проходить в интервале температур 680-600С при последовательном ее понижении от 680С до 600С с изотермической выдержкой не менее двух часов через каждые 20С
Разработан номографический метод выбора температурно-скоростных (температура начала и конца деформирования, скорости деформации и охлаждения) параметров термомеханической обработки сталей, основанный на совместном рассмотрении диаграмм структурного состояния, температурно-временных условий деформирования и распада переохлажденного аустенита, при которой реализуется процесс структурообразования по механизму динамической полигонизации, что позволяет сформировать мелкодисперсную структуру в наиболее нагруженных при эксплуатации сечениях детали, повысить прочность на 12-15%, на 20-25% сопротивление хрупкому разрушению при отрицательных температурах и сохранить вязкость улучшенной стали после длительных выдержек при температуре охрупчи-вающего высокого отпуска.
5. Базируясь на закономерностях кинетики превращения улучшаемых легированных сталей и требованиях, предъявляемых к тяжелонагруженньш деталям автомобиля, по идентичной и равномерной по сечению структуре установлено, что при закалке деталей сложной геометрической формы и с резкими перепадами сечений необходимо замедленное охлаждение в интервале 450-350С с целью исключения трещинообразования, одновременного протекания мартенситного превращения в различных сечениях изделия и гарантированного достижения высоких показателей механических свойств сталей с наследуемой химической и структурной неоднородностью метал-
лургического характера Это явилось основой для создания новой закалочной среды с варьируемой охлаждающей способностью, обладающей благоприятным соотношением скоростей охлаждения в широком температурном диапазоне за счет экзо- и эндоэффектов химических реакций в интервале 600-300С и сужения области пузырькового кипения Практическая значимость.
Разработан унифицированный способ термической обработки заготовок из цементуемых легированных сталей и устройство для его реализации, учитывающий наследственность полосчатости структуры, разнозернистости, ликвационных явлений и нестабильность химического состава сталей с целью обеспечения стабильного формирования заданной структуры и свойств сплава для обрабатываемости резанием (патенты №1534067 и №1301856).
Для устранения негативной и сохранения положительной наследственности в стали от металлургических процессов, выявляемой в виде широкого спектра по прокаливаемости, обезуглероживания поверхности, ликвационных явлений и сернистых соединений типа FeS и MuS, разработаны эффективные и обоснованные способы обработки изделий, предусматривающие регламентированное охлаждение поковок после горячей штамповки (а.с 1317942), дробеструйную обработку деталей, сертификацию сталей по минимальному содержанию серы (ТУ 14-1-5509-2005) и степени проявления лик-вационного квадрата и индивидуализацию параметров при упрочняющей обработке В результате достигается стабильность геометрических размеров цементуемых зубчатых колес, повышается в 3,5-5,5 раза усталостная прочность улучшаемых деталей и достигается удовлетворительная обрабатываемость резанием заготовок на автоматических линиях.
Разработана закалочная среда на основе водорастворимого полимера - оксиэтилированного алкилфенола, которая технологична, пожаробезопасна и имеет стабильные свойства при длительной эксплуатации (патент №1016377). Обладая возможностью варьирования в широких пределах охлаждающей способностью, среда позволяет управлять структурообразованием стали при закалке, обеспечивает повышение на 15-17 % усталостной прочности тяжелонагруженных деталей, а также повышает низкотемпературную надежность изделий из термоулучшаемых сталей в результате смещения на 15-20 С порога хладноломкости к более низким температурам
Разработан способ газовой цементации, направленный на устранение «пятнистого» насыщения углеродом поверхности стальных изделий, обусловленного негативным наследственным влиянием металлургических и технологических факторов За счет введения небольшого количества (0,5-0,6 %) аммиака в газовую атмосферу печи обеспечивается равномерное и более интенсивное (на 10-34 %) насыщение поверхности деталей углеродом (а. с. 1266226)
Разработаны новые составы порошкообразных смесей для бориро-вания стальных изделий, которые обладают высокой насыщающей способно-
стью и низкой истощаемостью в процессе многократного использования за счет предотвращения окисления атомов бора (патент №1712462, а.с№1694691 и №1625587).
Реализация результатов. Основные научные результаты и актуальные инженерно-технические задачи реализуются в производстве ОАО "КАМАЗ" и ООО «Профтермо» (г. Наб. Челны) при использовании с 1982 г синтетической закалочной среды для объемной и спрейерной закалки деталей, с 1989 г способов термической и химико-термической обработки заготовок и деталей, а также с 1988 г. на комбинате строительных материалов -боронасыщающей смеси для упрочнения деталей и пресс-оснастки Отдельные разделы работы применяются в учебном процессе ИНЭКА при чтении курсов "Материаловедение" и "Технологические процессы в машиностроении".
На защиту выносятся:
- явления химической и структурной неоднородности металлургиче
ского характера в цементуемых легированных сталях и технологические ме
тоды управления этой наследственностью при изотермическом отжиге заго
товок;
способы термической обработки заготовок и обоснование параметров этого процесса по уменьшению и стабилизации наследственного влияния металлургических факторов на структуру и свойства изделий из цементуемых легированных сталей,
закалочная среда на основе водорастворимого полимера, результаты комплексных исследований ее физико-химических и теплофизических свойств и технические решения по обеспечению качественной закалки тяже-лонагруженных деталей сложной геометрической формы из улучшаемых сталей,
метод выбора параметров высокотемпературной термомеханической обработки деталей сложной геометрической формы для достижения высокопрочного состояния стали в заданных сечениях изделия;
методика выявления дефектов на упрочненных изделиях и способы повышения качества цементованных зубчатых колес;
новые составы боронасыщающих порошкообразных смесей,
способы обработки изделий и технические решения по ликвидации негативного наследственного влияния обезуглероживания поверхности, стабилизации прокаливаемое стали, повышения обрабатываемости резанием заготовок и уменьшению и стабилизации деформации и коробления зубчатых колес.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных, всесоюзных, межвузовских и отраслевых научно-технических конгрессах, конференциях и семинарах г Волгоград (1979, 1981 гг), г Киев (1981,1983 гг), г. Москва (1984,2007 гг), г Пенза (1982 г.), г Кременчуг (1982 г.), г. Набережные Челны (1988, 1990, 1996, 2004 гг), г. Екатеринбург
(2006 г), г. Харьков (2006,2007 гг), г Миасс (2007 г.)
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на расширенных заседаниях кафедр «Машины и технология литейного производства», «Машины и технология обработки металлов давлением», «Технология машиностроения, станки и инструмент», ИНЭКА (г Наб. Челны), совместном заседании кафедр «Производство машин и механизмов» и «Технология металлов и металловедение» ИжГТУ (г Ижевск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 работ, в том числе 2 монографии, 24 научные статьи и 11 авторских свидетельств и патентов.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты, полученные автором самостоятельно, а также совместно с работниками ОАО «КАМАЗ», выполнявшими научные исследования под руководством диссертанта При непосредственном участии и под его руководством проведены опытно-промышленные испытания и внедрение результатов в производство. В опубликованных статьях и монографиях вклад автора состоял в непосредственном написании и редактировании материалов, начиная от постановки задач выполнения исследований до анализа и обработки полученных результатов. Лично проведены патентные исследования, составлены заявки на изобретения и осуществлена последующая работа вплоть до получения авторских свидетельств и патентов
Автор благодарен работникам УЛИР, ДГТ и НТЦ ОАО «КАМАЗ», коллективу ИНЭКА и профессору МГТУ (МАМИ), дтн. ВМЗинченко за оказание помощи в работе над диссертацией
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложений Общий объем диссертационной работы 355 страниц машинописного текста, включающего Д1 рисунков, 54 таблицы, 5 приложений и список использованной литературы из 208 наименований
