Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач современного этапа развития промышленного производства является улучшение качества металлопродукции и изготавливаемых из нее деталей, повышение их работоспособности, надежности, долговечности, доведение этих показателей до уровня мировых стандартов, обеспечение конкурентоспособности отечественной продукции на внешнем рынке.
К числу ответственных и широко распространенных в машиностроении деталей относятся автомобильные пружины, изготавливаемые из пружинной, термически обработанной проволоки.
Качество проволоки обычно характеризуется уровнем стандартных механических свойств (временное сопротивление разрыву, число перегибов и кручений) и равномерностью их по длине мотка. Последний показатель имеет особое значение для пружинной проволоки, т.к. служит характеристикой ее структурной однородности и уровня внутренней дефектности, от чего, в свою очередь, зависят эксплуатационные качества упругих элементов и гарантированность их уровня в партии. Неравномерность свойств, выявляемая не только по концам мотка, но, главным образом, на соседних небольших участках (локальная неоднородность), является основным недостатком изготавливаемой в настоящее время термически обработанной проволоки. Это явление - объективное, характерное для проволоки разных производителей, но проявляющееся у них в разной степени, что определяется спецификой технологии на каждом заводе.
Важной особенностью проволочного производства является чередование пластических и термических обработок. Технологический цикл включает (или не включает) предварительную термическую обработку (ПТО: отжиг на зернистый перлит - ОЗП, нормализацию), промежуточную термообработку (патентирование), волочение заготовки в различном структурном состоянии с разными степенями частных и общих обжатий и, наконец, окончательную термообработку (ОТО -закалку с отпуском). Холодная пластическая деформация (ХПД), с одной стороны, приводит к формированию особой дислокационной структуры (различной в зависимости от исходной микроструктуры заготовки), которая наследуется проволокой при ОТО. С другой стороны, ХПД вызывает возникновение и накопление микродефектов, размер которых, количество и распределение зависят от дробности и общей степени деформации, а также от микроструктуры заготовки. Эти три фактора в сочетании с режимом ОТО являются важнейшими технологическими параметрами, от которых зависят уровень и равномерность свойств проволоки.
Однако до сих пор не существует единого представления относительно их влияния на формирование свойств термически обработанной проволоки, а имеющиеся рекомендации недостаточно экспериментально и теоретически обоснованы и, зачастую, противоречивы. В связи с этим исследование комплексного воздействия ХПД и ТО на структурную однородность и уровень внутренней дефектности проволоки является актуальной задачей.
Для эффективного решения данной проблемы требуется знание закономерностей поведения предельного состояния материала, установление связи предельных характеристик со струіфу$5!г^й^2^ЙНїіЛиЙ9С|ІД (предварительной
і s-змк
ХПД), а в силу разнопланового действия изучаемых факторов необходима и более общая оценка структурно-энергетического состояния материала с разработкой и применением новых энергетических комплексов разрушения, рассматриваемых в синергетике.
Подобный подход может открыть новые возможности для совершенствования
технологических процессов, способствовать повышению качества
металлопродукции, определить новые принципы прогнозирования ее работоспособности.
Цель работы. Исследовать структурно-энергетическое состояние пружинных сталей, применяемых для производства термически обработанной проволоки ответственного назначения, а также закономерности его изменения в результате комплексного воздействия ХПД и различных операций ТО, используемых в технологическом цикле, на основе: стандартных механических характеристик, предельной удельной энергии деформации и нового, предлагаемого синергетикой, двухпараметрического комплекса разрушения - критерия зарождения трещины На основе полученных закономерностей выработать принципы оптимизации техпроцесса с целью повышения уровня и равномерности механических свойств проволоки по длине мотка. Научная новизна.
-
Впервые для оценки ресурса пластичности стали, используемой для производства пружинной термически обработанной проволоки, применены комплексные критерии синергетики (предельная удельная энергия деформации, критерий зарождения трещины), что совместно с результатами анализа особенностей формирования субструктуры проволоки позволило объяснить природу локальной неоднородности механических свойств по длине мотка.
-
Исследованы закономерности влияния зеренных характеристик (величины и степени разнозернистости действительного зерна аустенита - ДЗА), показателя негомогенности аустенита, параметров микроструктуры проволоки после ПТО и ОТО на критерий зарождения трещины в пружинной проволоке.
-
Получена зависимость предельной удельной энергии деформации (Wc) и критерия зарождения трещины (Кз.т.) от степени ПХПД пружинной проволоки для используемых марок сталей в различном структурном состоянии.
-
На основе полученных закономерностей комплексного влияния пластической деформации (ПД) и ТО на критерии синергетики разработаны принципы и направления оптимизации технологического процесса изготовления пружинной термически обработанной проволоки ответственного назначения.
Практическая ценность работы
1 Полученные зависимости критерия зарождения трещины от степени обжатия при ПХПД для углеродистых и низколегированных сталей позволяют определить интервал допустимых и оптимальных обжатий при ПХПД проволоки, что дает возможность исключить локальный перенаклеп и рационализировать маршруты волочения, установить место и количество ПТО в технологическом цикле
2. Закономерности влияния структурных параметров на Кз.т позволяют
оптимизировать режимы ТО с точки зрения обеспечения максимальной
структурной однородности готовой термообработанной проволоки и сохранения
.... /-, ,
,„>-...!. {
?І* « *# I
благоприятной ячеистой субструктуры, способной локализовать микродефекты, накапливаемые при ХПД.
-
Разработаны принципы построения технологии изготовления пружинной термически обработанной проволоки, даны рекомендации ОАО «Завод Красная Этна» - одному из крупных поставщиков этой продукции - по оптимизации технологического процесса изготовления проволоки из сталей 51ХФА, 70ХГФА для пружин клапана.
-
Уточнена методика выявления зерна аустенита в предварительно холоднодеформированных сталях. Показано, что из восьми методов, предусмотренных ГОСТ 5639, для холоднодеформированных сталей более объективными являются методы, не основанные на развитии фазовых превращений от границ зерна (вакуумное травление, окисление и его разновидность - травление и окисление в смеси буры с селитрой - ОБС). Выявленному эффекту дано теоретическое объяснение, основанное на особенностях протекания фазовых превращений в холоднодеформированных сталях. Наиболее рациональным является метод ОБС, позволяющий выявлять ДЗА при кратковременном нагреве, характерном для термической обработки проволоки.
По методике выявления ДЗА даны рекомендации ОАО «Завод Красная Этна». Объект исследования - пружинная термически обработанная проволока ответственного назначения из сталей марок, предусмотренных ГОСТ 1071 на данный вид продукции, наиболее характерных маркоразмеров: диаметром 5,5-2,0 мм из сталей 68А и 65ГА; диаметром 5,0; 4,8 мм из стали 51ХФА; диаметром 3,6; 2,7 мм из стали 70ХГФА. Исследованию подвергались: исходная г/к проволока (катанка), проволока на промежуточных этапах изготовления и готовая продукция в состояниях- горячекатаном, термически обработанном (отожженном на зернистый перлит, нормализованном, патентированном, закаленном и отпущенном) и холоднотянутом с различными степенями деформации. Для решения частных вопросов использовалась проволока из стали У8А, У12 и 40Х. Методы исследования. В работе использовались:
оптическая микроскопия для определения ДЗА и параметров микроструктуры при увеличениях х 100... 1000 на приборе «Neophot», количественный микроанализ;
механические испытания на растяжение, кручение, перегиб по действующим стандартам с их статистической обработкой; определение твердости, микротвердости;
пикнометрический метод (измерение плотности методом гидростатического взвешивания);
рентгеноструктурный анализ для определения содержания углерода в мартенсите и оценки степени неоднородности по углероду аустенита;
аналитические расчеты комплексов разрушения синергетики; корреляционный и дисперсионный анализ; оценка точности эксперимента с применением программ ЭВМ.
6 Основные положения, выносимые на защиту.
-
Новая оценка структурно-энергетического состояния пружинных сталей и ei о изменения по технологическим переходам при производстве проволоки с помощью стандартны» механических свойств, предельной удельной энергии деформации и двухпараметрического комплекса разрушения синергетики (критерия зарождения трещины).
-
Закономерности изменения критерия зарождения трещин в зависимости от показателей пластичности, величины зерна аустенита и его однородности по размерам и химсоставу, параметров микроструктуры пружинных сталей при комплексном воздействии ХПД и разных режимов термообработки.
-
Принцип определения допустимых и оптимальных степеней деформации, предшествующих ПрТО или ОТО, проволоки из углеродистых и низколегированных сталей: 68А, 65ГА, 51ХФА, 70ХГФА.
"4. Результаты исследования причин локальной неоднородности механических
свойств проволоки по длине мотка, необходимость и принципы оптимизации
технологии производства термически обработанной проволоки на основе
повышения ее структурной однородности и снижения внутренней дефектности.
5. Методические особенности определения склонности к росту и величины зерна
аустенита при нагреве холоднодеформированных сталей и их теоретическое
обоснование.
Апробация работы. Полученные теоретические и практические результаты
обсуждались на научно-технических конференциях «Новые технологии в
машиностроении, материаловедение и высшем образовании» (Нижний Новгород
2001 г.), региональном молодежном научно-техническом форуме «Будущее
технической науки Нижегородского региона» (Нижний Новгород 2002 г.),
городской конференции г. Н.Новгорода ФГУП ННИИРТ (2004 г.). Работа
выполнена по плану ФЦП «Интеграция» в рамках УНЦ НГТУ «Физические
технологии в машиностроении», по госбюджетной теме 223.3.01 Ф «Разработка
фундаментальных основ создания новых материалов с заданными свойствами» по
этапу 2 «Разработка феноменологических уравнений связи предельных
характеристик с величиной зерна и параметрами состояний» и НИР для ОАО «Завод
Красная Этна».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 і лав, основных выводов и списка литературы из 115 наименований. Работа содержит 199 страниц текста и включает 60 рисунков, 28 таблиц и приложение.
Работа является част ью исследований, проводимых каф. МТПОМ НГТУ
