Повышение стойкости инструмента для прессования труднодеформируемых цветных сплавов из сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Лебедева, Надежда Валерьевна

• Лебедева, Надежда Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедева, Надежда Валерьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТАВА И СВОЙСТВ СТАЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО

ДЕФОРМИРОВАНИЯ.

1.1 особенности технологии процесса прессования.

1.2 условия работы прессового и11струмента.

1.3 совремеш1ые материалы для прессового инструмента.

1.4 АЗОТ в инструментальных сталях.

1.5 Методы упрочнения штамповых сталей.

1.6 Обоснование выбора материала для исследований.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Материалы для исследования.

2.2. Методики исследований.

ГЛАВА З.ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И АЗОТА НА

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ОПЫТНЫХ СТАЛЕЙ.

3.1 Влияние легирующих элементов на температуру ОГ-^превращепия штамповых сталей и определение температур устойчивого аустенитного состояния.

3.2 Влияние легирующих элементов на закаливаемость и прокаливаемость.

3.3 Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей при комнатной и повышенных температурах.

3.4 Упрочнение опытных сталей за сче г процессов, происходящих под воздействием пластической деформации и дисперсионного упрочнения.

3.5 Влияние легирующих элементов па склонность штамповых сталей к упрочнению в аустени гном состоянии.

3.6 Образование дефектов при горячей пластической деформации.

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА СТАЛЕЙ ДЛЯ ПРЕССОВОГО ИНСТРУМЕНТА С

РЕГУЛИРУЕМЫМ АУСТЕНИТНЫМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ.

ГЛАВА 5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, СТРУКТУРА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СТАЛИ

4Х2Н5М2АФ2.

5.1 Определение температур фазовых превращений.

5.2 Изучение кинетики роста зерна.

5.3 Структурные и фазовые превращения при охлаждении.

5.4 Выбор оптималы юго режима термообработки.

5.5 МЕХА11ические свойства стали в аустенитном состоянии.

5.6 определе11ие теплопроводности стали 4Х2Н5М2АФ2.

ГЛАВА б.ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛИ И СПОСОБОВ

УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ПРЕССОВЫХ МАТРИЦ.

6.1. Технология производства стали 4Х2Н5М2АФ2.

6.2. Упрочняющая обработка инструмента из стали 4Х2Н5М2АФ2 в аустенитном состоянии

6.3. Исследование структурных и фазовых изменений в стали 4Х2Н5М2ЛФ2 в процессе эксплуатации матриц.

6.4. Результаты производственного внедрения стали 4Х2Н5М2АФ2.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение стойкости инструмента для прессования труднодеформируемых цветных сплавов из сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации»

Инструментальные стали - это большая группа сталей, которые после соответствующей термической обработки получают высокие показатели твердости, прочности и износостойкости, необходимые для обработки материалов. Многие инструментальные стали, наряду с указанными свойствами, обладают также теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью сохранять высокие прочность и твердость при нагреве рабочих поверхностей или кромок инструментов во время эксплуатации.

Крупнейшими потребителями инструментальной стали являются предприятия, занимающиеся производством штампов и прессового инструмента для различных отраслей машиностроения, энергетической и электронной промышленности и пр.

Среди процессов точного формообразования заготовок ведущее место занимает прессование. Этот процесс совершенствовался в направлении увеличения мощности и быстроходности оборудования, непрерывно возрастал объем обработки трудно деформируемых сплавов. При этом значительно ужесточались температурно-силовые условия эксплуатации инструмента: температуры разогрева поверхностных слоев достигают 800-900°С и выше; удельные давления во многих случаях составляют 1500-2000МПа.

Возросшие требования к качеству продукции в последние годы предъявляют весьма высокие запросы к качеству и повышению стойкости инструментов, особенно для обработки труднодеформируемых материалов, наряду со снижением их стоимости. Существующие традиционные штамповые стали уже не могут в полной мере удовлетворять этим требованиям. Так, например, традиционно используемая сталь ЗХ2В8Ф стабильно работает при температурах только до 670°С, но и при более низких температурах повышение теплостойкости и износостойкости, обусловленное высокими концентрациями сильных карбидообразующих элементов, сопровождается уменьшением вязкости. С другой стороны, применение эффективного при работе в области более высоких температур инструмента из жаропрочных аустенитных сталей и сплавов ограничено из-за высокой стоимости таких материалов.

Во всем мире проводятся работы по изысканию новых и улучшению качества и свойств применяемых штамповых сталей, а также поиск оптимальных и более совершенных способов и технологий их получения и обработки, в том числе оптимизации состава, выплавки, ковки, термической и механической обработки.

Различные требования, предъявляемые к сталям и сплавам для формообразующего инструмента (высокие разгаростойкость, теплостойкость, трещиностойкость, износостойкость и др.) и отсутствие единого подхода к выбору материалов для прессового инструмента породили многообразие инструментальных материалов, режимов их обработки и упрочнения, что затрудняет работу предприятий, в том числе и в металлургической и обрабатывающей отраслях.

Сокращение количества марок существующих инструментальных материалов путем их унификации, по мнению ряда авторов [12, 157], не оправдано. Поэтому работа, направленная на поиск компромиссных решений, доминантой которых является минимальное легирование, в связи с истощением мировых запасов молибдена, ванадия, вольфрама и других металлов, является актуальной и востребованной как предприятиями, занимающимися производством профилей из труднообрабатываемых цветных сплавов, так и производствами, специализирующимися на изготовлении , прессового инструмента.

Создание штамповых сталей, способных обеспечивать высокую стойкость инструмента при таких экстремальных нагрузках, относится к числу наиболее сложных металловедческих проблем. Ранее все применявшиеся в промышленности стали имели низкую теплостойкость и были предназначены для работы при температурах до 500-550°С. Впоследствии были разработаны стали, обеспечивающие высокую стойкость инструмента, работающего при температурах до 680-700°С. Этот температурный уровень оказался предельным для штамповых сталей на ферритно-перлитной основе. Даже наиболее теплостойкие из них при нагреве выше 700°С интенсивно разупрочняются, что является основной причиной выхода инструмента из строя. Одним из путей решения этой проблемы явилась разработка сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации для производства прессового инструмента.

Разработка штамповых сталей высокой стойкости с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации относится к числу важнейших направлений научно-исследовательских работ кафедры Материаловедения и Технологии материалов Государственного Морского Технического Университета. Настоящая работа является продолжением и развитием этих исследований.

Автор выражает благодарность своим предшественникам в этом направлении - проф. А.Д.Озерскому и доц. А.А.Круглякову, коллективу кафедры Материаловедения и Технологии материалов и сотрудникам ОАО «завод Красный Выборжец», оказавшим помощь в выполнении данной работы и реализации предложенных результатов.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Лебедева, Надежда Валерьевна

Выводы

1. Технологический прогресс отраслей машиностроения и повышение качества изделий, получаемых процессами обработки давлением труднодеформируемых сплавов цветных металлов предъявляют возросшие требования к стойкости сталей для прессового инструмента. Существующие стали не удовлетворяют этим требованиям. Сотрудники кафедры Материаловедения и Технологии материалов Государственного Морского Технического Университета разработали новый класс штамповых сталей для прессового инструмента. Представленная работа является продолжением и развитием этих исследований с целью повышения стойкости сталей с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации за счет активации механизмов дисперсионного твердения при дополнительном легировании сталей азотом и ванадием.

2. Исследованы штамповые стали для прессового инструмента с регулируемым аустенитным превращением при эксплуатации. С использованием методов планирования эксперимента и математической статистики проведена оценка влияния легирующих элементов на механические свойства сталей данного класса при температурах эксплуатации. Построены расчетные уравнения регрессии и обнаружены оптимальные области химического состава, позволяющего получить требуемый комплекс свойств и необходимую степень упрочнения при эксплуатации стали, дополнительно легированной азотом. Разработана новая азотсодержащая штамповал сталь 4Х2Н5М2АФ2, имеющая следующий оптимизированный состав: С - 0,36-0,4%; - 0,3-0,6%; Мп - 0,6-0,8%; № - 55,5%; Сг-2-2.4%; V- 1,2-1,6%; N-0,03-0,04 %; Мо-2,2-2,5%.

3. Исследованы микроструктура и механические свойства стали, изучены особенности фазовых превращений в интервале температур от комнатных до температур эксплуатации. Изучена возможность использования механизмов деформационного и дисперсионного упрочнения для повышения прочности прессового инструмента в процессе его эксплуатации. Показана эффективность воздействия карбонитридов на свойства стали при сочетании двух механизмов упрочнения. При температуре аустенитизации в раствор переходит достаточное количество нитридообразующего элемента, но некоторое количество фазы должно остаться нерастворенной для создания эффективных барьеров, тормозящих рост зерна.

4. Производство стали освоено на ООО "Ижорские заводы" Выплавка, ковка и механическая обработка стали не связана какими-либо технологическими трудностями. Разработан режим двойного отжига для поковок из стали 4Х2Н5М2АФ2. Разработаны два технологических режима упрочняющей обработки инструмента из стали 4Х2Н5М2АФ2 в аустенитном состоянии. Первый режим предусматривает аустенитизацию стали и последующее деформационное упрочнение тонкого поверхностного слоя инструмента за счет усилий, возникающих непосредственно в процессе эксплуатации инструмента (механико-эксплуатационное упрочнение). Второй режим предусматривает аустенитизацию и последующее деформационное упрочнение стали путем многократной пластической деформации рабочей зоны матрицы при помощи специальных пуансонов. При выполнении обоих режимов деформационное упрочнение следует начинать в дорекристаллизационном интервале температур - 400-500°С.

5. Показано, что низкая стойкость матриц из стали ЗХ2В8Ф обусловлена интенсивным протеканием процессов отпуска уже при первых циклах прессования. Сталь 4Х2Н5М2АФ2, в отличие от стали ЗХ2В8Ф, под воздействием эксплуатационных тепловых и механических нагрузок упрочняется в тонкой поверхностной зоне. Это обеспечивает повышение стойкости матриц в 3-5, а в отдельных случаях и в 10 раз. Повышение стойкости матриц из стали 4Х2Н5М2АФ2 по сравнению с известной сталью 4Х2Н5МЗК5Ф связано с активацией механизма дисперсионного твердения, обусловленного легированием стали азотом и ванадием.

6. Сталь 4Х2Н5М2АФ2 рекомендуется для применения в качестве материала для тяжелонагруженного прессового инструмента - матриц, игл, пресс-шайб - при прессовании труднодеформируемых сплавов цветных металлов - в особенности латуней, бронз, медно-никелевых сплавов. Экономический эффект от увеличения длительности эксплуатации инструмента при внедрении стали 4Х2Н5М2АФ2 предполагается до 45% по сравнению с используемыми в настоящее время штамповыми сталями. ч

4 -1 Кшюшп

Ли выБорйюх

Открытое Акционерное Общество «Завод «Красный Выборжец» Санкт-Петербург

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лебедева, Надежда Валерьевна, 2005 год

1. Инструментальные стали и их термическая обработка.— M., 1982

2. Банных O.A. Влияние легирования у-твердого раствора на процессы старения аустенитных сталей./ В кн.: Высокопрочные немагнитные сплавы. — М.: Наука, 1973. С.28-33.

3. Банных О.А.Металлургия цветных металлов. — M., 1985

4. Бернштейн M.JL, Капуткина JI.M., Прокошкин С.Д., Добаткин C.B. Анализ диаграмм горячей деформации сталей. //Изв.вузов. Черная металлургия. 1979. № 9. С.97-100.

5. Бернштейн M.J1. Структура деформируемых металлов. — М.: Металлургия, 1977. 451с.

6. Бернштейн M.JI., Займовский В.А. Капуткина JI.M. Термомеханическая обработка стали1. М., 1983

7. Бернштейн M.JI., Займовский В.А. Механические свойства металлов. — М.: Металлургия, 1977.— 432 с.

8. Бернштейн M.JI., Капуткина JI.M., Прокошкин С.Д., Добаткин C.B. Структурообразование и изменение диаграммы горячей деформации аустенита на неустановившейся стадии. //Физика металлов и металловедение, 1982. Т.53, вып.1. С.199-201.

9. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. — М.: Металлургия, 1984.280 с.

10. Высокоазотистые стали. /Сборник трудов конференции. Варна, 1989

11. Гаврилюк В.Г. и др. Взаимодействие атомов углерода и азота с дефектами кристаллического строения аустенита. //Физика металлов и металловедение 1987-64. №6

12. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. — М.: Металлургия, 1975.— 584с.

13. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика.— М.: Высшая школа, 1977

14. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали. — М.: Металлургия, 1979.—208с.

15. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М., Бронфин Б.М. Кинетика распада и морфология выделений при старении аустенитной стали с ванадием. /В кн.: Вопросы металловедения и физики металлов. — Тульский политехнический институт, 1974, вып.З. С.87-92.16