Разработка оптимального легирующего комплекса и режимов термического упрочнения штамповых сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Фирсова, Надежда Вячеславовна

• Фирсова, Надежда Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фирсова, Надежда Вячеславовна

Введение.

Глава 1 Проблемы сталей, предназначенных для изготовления штампового инструмента. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Условия работы, причины выхода из строя и требования, предъявляемые к материалу штампов горячего деформирования.

1.2 Основные пути повышения стойкости штампового инструмента.

1.3 Стали для штампов горячего деформирования.

1.4 Система легирования и перспективные источники легирующих элементов для штамповых сталей.

1.4.1 Система легирования и состав сталей для литых штампов.

1.4.2 Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповых сталей.

1.5 Особенности термической обработки штамповых сталей.

1.6 Цели и задачи исследования.

Глава 2 Оптимизация химического состава опытной марки штамповой стали, технология ее получения и методики исследования.

2.1 Уровни изучаемых факторов.

2.2 Составление матрицы планирования.

2.3 Обработка экспериментальных данных.

2.4 Технология выплавки экспериментальной стали.

2.5 Металлографические исследования.^

2.6 Определение среднего размера зерна.

2.7 Электронная микроскопия.5?

2.8 Метод определения горячей твердости.

2.9 Рентгеноструктурный анализ.

2.9.1 Определение глубины пластических зон под поверхностью излома.

2.9.2 Методика определения трещиностойкости материала.

2.10 Определение карбидной фазы.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Исследование структурно-фазовых превращений литой и термообработанной опытной стали.

3.1 Состав и структура стали в литом состоянии.

3.2 Состав и структура стали в отожженном состоянии.

3.3 Определение критических точек опытной стали 70ХЗГ2ФТР.'.

3.4 Поиск оптимальных режимов закалки опытной стали 70ХЗГ2ФТР.

3.4.1 Влияние температуры нагрева под закалку на структуру и свойства экспериментальной стали 70ХЗГ2ФТР.

3.4.1.1 Количество остаточного аустенита.

3.4.1.2 Изменение структуры стали.81.

3.4.1.3 Карбидная фаза, удельное электросопротивление и твердость стали 70ХЗГ2ФТР во взаимосвязи с параметрами аустенизации и охлаждения.

3.5 Исследование процессов, происходящих при отпуске экспериментальной стали 70ХЗГ2ФТР.

3.5.1 Исследование сопротивления разупрочнению стали при отпуске.

3.5.2 Поиск оптимальных параметров отпуска в интервале температур 500-600 °С.

3.6 Рациональный режим термической обработки опытной стали.

3.7 Выводы по главе 3.

Глава 4 Оценка эксплуатационных свойств штамповых сталей.

4.1 Анализ механических свойств.

4.2 Влияние температуры нагрева на твёрдость штамповой стали.

4.3 Рентгеноструктурные исследования.

4.4 Оценка трещиностойкости штамповых сталей.

4.5 Термическая обработка штампов в производственных условиях.

4.6 Производственные испытания.

4.7 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка оптимального легирующего комплекса и режимов термического упрочнения штамповых сталей»

Актуальность. Задача повышения работоспособности штампового инструмента, несмотря на многочисленные исследования и многолетние поиски, до настоящего времени не имеет оптимального решения и является металловедческой проблемой, имеющей большое научно-техническое и практическое значе1-ние. Существуют определенные марки сталей инструментального класса, используемые для горячего деформирования. Номенклатура сталей этой группы и. разнообразие их составов за последние годы значительно возросли в связи со все более расширяющимся применением в технике способов горячего деформирования, особенно штамповки, прессования, выдавливания различных, в том числе трудно деформируемых, сплавов. Стали данного типа используются в условиях динамического, ударно-циклического нагружения, повышенного износа и разгара в качестве матриц, пуансонов, штампов, пресс-форм для литья под давлением.

В настоящее время штампы горячего деформирования изготавливаются литыми и коваными. Для изготовления штампов применяются, в основном,' стали 5ХНМ и 4Х5МФС. Сталь 5ХНМ имеет пониженную теплостойкость, что ограничивает температурный режим эксплуатации горячештампового инструмента из этой стали. Сталь 4Х5МФС превосходит сталь 5ХНМ по теплостойкости, но заметно уступает последней по трещиностойкости и технологичности при металлургическом переделе, а также содержит значительно большие количества дефицитных молибдена, ванадия и вольфрама.

Основным параметром, определяющим качество штампового инструмента, является его стойкость, которая, в первую очередь, зависит от применяемого материала и режима термической обработки. Требуется комплексный подход к решению задачи повышения работоспособности штампового инструмента. ■

В связи с этим, оптимизация химического состава материала и разработка оптимальной технологии упрочнения штампового инструмента, обеспечивающей получение высоких эксплуатационных свойств штампов, являются актуальными задачами.

Отдельные этапы работы выполнены в рамках х/д НИР 555/10-46/3741 «Разработка оптимального легирующего комплекса для упрочнения экономно-легированных сталей» между ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ» и кафедрой «Материаловедение и технология металлов» Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ГОУ ОГУ.

Цель исследования: создание высокотехнологичной тепло- и трещиностойкой инструментальной стали для штампов горячего деформирования на основе оптимизации химического состава комплекса легирующих элементов и обоснование значений параметров технологическогб процесса термической обработки данной стали, обеспечивающих заданный уровень служебных характеристик штампового инструмента в сложных условиях нагружения и теплового воздействия.

В работе поставлены следующие задачи исследования:

- разработать новую марку стали инструментального класса для штампов горячего деформирования;

- оптимизировать режимы термической обработки штамповых сталей;

- провести экспериментальное сравнение механических и эксплуатационных свойств разработанной стали и применяемых в настоящее время сталей.'

Научная новизна:

- теоретически и экспериментально обоснован химический состав новой тепло- и трещиностойкой инструментальной стали, отличающийся наличием микролегирующего комплекса, включающего ванадий, титан и бор; *

- установлены закономерности структурно-фазовых превращений при термической обработке разработанной марки стали;

- установлены математические зависимости прочностных свойств сталей для штампов горячего деформирования от значений параметров режимов термической обработки, позволяющие прогнозировать значения параметров режимов эксплуатации сталей;

I <

- определены рациональные значения параметров режимов термической обработки, обеспечивающие высокую твердость, ударную вязкость и износостойкость сталей для штампов горячего деформирования.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением современных методов исследования и компьютерных методов стати1-стической обработки и моделирования.

Практическая значимость работы состоит в разработке новой стали для штампов горячего деформирования и оптимизации параметров технологического режима термической обработки данной стали.

Основные результаты исследований переданы для практического использования на машиностроительные предприятия ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ» и ОАО «Орский машиностроительный завод». Отдельные результаты работы используются в лекционные курсах дисциплин кафедры «Материаловедение и технология металлов» ОГТИ ГОУ ОГУ.

На защиту выносятся следующие положения:

- химический состав разработанной марки стали для штампов горячего деформирования, включающий микролегирующий комплекс, содержащий ванадий, титан и бор;

- закономерности структурно-фазовых превращений при термической обработке стали для штампов горячего деформирования; влияние термического упрочнения на механические и эксплуатационные свойства штамповых сталей.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 6 конференциях с 2006 по 2011 год. По теме настоящей диссертации опубликовано 14 работ.

Диссертация включает введение, четыре раздела с • описанием результатов теоретических и экспериментальных исследований, общие выводы и заключение, изложена на 140 страницах, содержит 72 рисунка, 65 таблиц, список использованных источников из 120 наименований, приложения.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Фирсова, Надежда Вячеславовна

3.7 Выводы по главе 3

1. Анализ литой стали показал, что она имеет мартенсито-троостито-аустенитную металлическую основу, по границам зерен четко обозначается зона протяженной эвтектики, которая имеет максимальную твердость. Твердость стали 70ХЗГ2ФТР 43-45 HRC, микротвердость карбидной фазы ~ 10500-1100Q

О О

Н/мм"; металлической матрицы ~ 6500-7500 Н/мм .

2. Планирование математического эксперимента с помощью пакета прикладных программ «STATISTICA 6.0» и анализ микроструктур, полученных после различных режимов гомогенизационного отжига, позволило определить его оп-' тимальные параметры: температура 1150 °С; время выдержки 300 минут; охлаждение вместе с печью.

3. Определены критические точки опытной стали: Aci = 840 °С, Аст = 880 °С,М„=100 °С.

4. Анализ исследований закаленной стали позволил определит оптимальную температуру закалки, соответствующую 1050 °С, так как при этой температуре формируется удовлетворительный размер зерна (для штампов горячего деформирования должен быть не менее 9 балла по ГОСТ 5632-82) и необходимое количество остаточного аустенита предположительно для появления' при последующем высокотемпературном отпуске явления вторичной твердости.

5. На основании исследований степени разупрочнения структуры при отпуске экспериментальной стали можно заключить, что оптимальным температурным интервалом отпуска является 500-600 °С, так как в этом интервале происходит интенсивное выделение карбидных частиц, что играет важнейшую роль в обеспечении эксплуатационных свойств стали.

Глава 4 ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ШТАМ-ПОВЫХ СТАЛЕЙ

В данной главе выполнялась оценка эксплуатационных свойств опытной стали 70ХЗГ2ФТР и штамповых сталей 4Х5МФС и 5ХНМ, применяемых в настоящее время на машиностроительных предприятиях г. Орска — ОАО «Орский машиностроительный завод» и ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ».

4.1 Анализ механических свойств

Для исследуемых сталей определяли твердость, ударную вязкость, предел прочности, относительное удлинение и сужение. Данные измерений приведены в табл. 4.1.