Введение к работе
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,' <,а
БИБЛИОТЕК' k
С Петербург f Г] »
1 О» ШкшмМ->1 .
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 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:
-
Проведение анализа условий работы, выявление причин выхода из строя и выбор способа повышения стойкости инструмента для холодного деформирования.
-
Установление основных параметров окончательной термоциклической обработки (ТЦО) инструментальных сталей.
-
Исследование особенностей изменения физико-механических свойств сталей в процессе циклического теплового воздействия. Оптимизация основных параметров ТЦО.
-
Исследование методами структурного анализа тонкого строения инструментальных сталей.
-
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.
-
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:
-
Установленные закономерности структурных изменений при окончательной термоциклической обработке инструментальной эвтектоидной стали. Влияние параметров ТЦО на измельчение частиц карбидной фазы и равномерное их распределение.
-
Зависимость получаемых механических свойств от параметров термоциклической обработки.
-
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.
