Разработка режимов термоциклического отжига заготовок из быстрорежущих сталей с целью улучшения технологической пластичности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат технических наук Пантелеев, Иван Александрович

• Пантелеев, Иван Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пантелеев, Иван Александрович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Общие сведения о быстрорежущих инструментальных сталях умеренной и повышенной теплостойкости.

1.2. Химический состав. Влияние легирующих элементов на свойства.

1.3. Фазовые и структурные составляющие.

1.4. Механические и технологические свойства.

1.5. Основные виды термической обработки.

1.6. Специальные виды термической обработки.

1.6.1. Термомеханическая и термоциклическая обработка.

Особенности и физические предпосылки.

1.6.2. Термоциклическая обработка углеродистых и легированных сталей, сплавов.

1.6.3. Термоциклическая обработка быстрорежущих сталей.

Глава 2. Материал и методы исследований.

2.1. Материал исследований.

2.2. Методы исследований.

2.2.1. Световая микроскопия.

2.2.1.1. Количественный металлографический анализ.

2.2.1.2. Определение карбидной неоднородности.

2.2.1.3. Определение глубины обезуглероженного слоя.

2.2.2. Растровая электронная микроскопия. Микрорентгеноспектральный анализ.

2.2.3. Рентгеноструктурный фазовый анализ.

2.3. Методы испытаний.

2.3.1. Измерение твёрдости по методу Виккерса.

2.3.2. Измерение микротвёрдости.

2.3.3. Испытания на изнашивание.

2.3.4. Определение технологической пластичности методом испытания на кручение.

2.3.5. Определение технологической пластичности методом испытания на сжатие.

2.4. Моделирование процесса термоциклического отжига методом конечных элементов.

Глава 3. Обоснование выбора режимов термоциклического отжига исследуемых сталей.

3.1. Анализ экспериментальных режимов термоциклического отжига.

3.2. Исследование влияния экспериментальных режимов ТЦО на структуру и свойства стали Р6М5.

3.3. Моделирование временных параметров термоциклического отжига обработки.

3.3.1. Расчетная модель.

3.3.2. Этапы расчетов.

3.3.3. Геометрическая и физическая модели.

3.3.4. Расчет параметров термоциклического отжига.

3.3.5. Выводы по разделу.

3.4*. Базовый промышленный температурно-временной режим термоциклического отжига*быстрорежущих сталей.".

Глава 4. Влияния двухэтапного термоциклического отжига на структуру и свойства исследуемых быстрорежущих сталей.

4.1. Исследование количественных параметров,карбидных фаз после термоциклического и изотермического отжига.

4.2. Исследование химического состава карбидных фаз и распределения легирующих элементов в твёрдом растворе.

4.3. Изучение фазового состава.

4.4. Гипотетическая схема фазовых и структурных превращений при термоциклическом отжиге быстрорежущих сталей.

4.5. Изучение влияния ТЦО на технологические свойства.

4.6. Изучение влияния ТЦО на износостойкость быстрорежущих сталей после упрочняющей термообработки.

4.7. Влияния ТЦО быстрорежущих сталей на производственные показатели в промышленности.

4.8. Применимость ТЦО к быстрорежущим сталям различного химического состава.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка режимов термоциклического отжига заготовок из быстрорежущих сталей с целью улучшения технологической пластичности»

Быстрорежущие стали были и остаются основным инструментальным материалом, используемым для обработки металлов. Большой вклад классических работ Геллера Ю.А., Кремнева Л.С. и других учёных в металловедение быстрорежущих сталей является: основой, всех современных исследований: В то же время, развитие новых технологий предопределяет возможность выявления резервов для улучшения свойств^этих материалов.

Большинство исследований по быстрорежущим сталям направлено на улучшение их свойств в литом и полностью термообработанном состоянии. В -то же время недостаточно проработан вопрос о повышении уровня; свойств» катаных заготовок, из которых изготавливают инструмент.

Актуальной задачей современного развития быстрорежущих сталей-является повышение технологических, свойств, а именно? пластичности горячекатаных заготовок. Одним из резервов улучшения этих: свойств является изменение: , технологии; термической; обработки : . — применение . термоциклического отжига взамен традиционного^ изотермического отжига;

Применение термоциклической обработки для ряда конструкционных сталей имеет положительный эффект, выражающийся в; повышении предела текучести до 6 - 15%, относительного удлинения до 22 - 36%, ударной; вязкости до 100 - 130% при сохранения уровня твёрдости.

Применение • термоциклической обработки: для углеродистых инструментальных сталей вместо нормализации позволяет достичь почти; двукратного снижения твёрдости до уровня, соответствующего требованиям; ГОСТ

В то же. время применение термоциклической обработки (ТЦО) для высокоуглеродистых сталей с большим количеством карбидной фазы, какими являются быстрорежущие стали нормальной и повышенной теплостойкости, считается проблематичным.

В последнёе время выполнены работы, которые позволяют улучшить структуру быстрорежущих сталей даже в литом состоянии за счёт уменьшения количества ледебуритной эвтектики и изменения размеров и состава карбидной фазы. Подобная работа было выполнена Хайдоровым А.Д. и Кондратьевым С.Ю. Целью работы было улучшить микроструктуру литой быстрорежущей стали Р6М5Ш за счет уменьшения количества ледебуритной эвтектики, раздробления и уменьшения размеров карбидной сетки, снижения карбидной неоднородности, изменения размеров и состава карбидов.

Указанные исследования дают основание предполагать, что ТЦО применительно к горячекатаной быстрорежущей стали, из которой производят большинство режущих инструментов различной номенклатуры, может дать положительный эффект. При этом многократное циклирование должно воздействовать как на полиморфное превращение, так и трансформацию карбидной фазы, количество которой в быстрорежущих сталях может достигать 22-28%.

Однако следует иметь в виду, что положительное влияние ТЦО может зависеть от степени легированности сталей.

Цель диссертационной работы: использование термоциклической обработки горячекатаных заготовок из быстрорежущих сталей умеренной и повышенной теплостойкости для повышения их технологической пластичности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать температурно-временной режим термоциклического отжига заготовок из быстрорежущих сталей Р6М5, Р6М5К5, Р9К5 и Р18, позволяющий сформировать структуру и фазовый состав, обеспечивающие повышение характеристик технологической пластичности;

2. Разработать модель этапа ТЦО быстрорежущей стали с применением числового метода и метода конечных элементов с целью определения максимальных скоростей нагрева и охлаждения и оптимальных выдержек металла при максимальных и минимальных температурах термоциклов;

3. Исследовать влияние термоциклического отжига на структуру, фазовый состав и механические свойства заготовок из изучаемых сталей в сравнении с изотермическим отжигом;

4. Изучить влияние термоциклического отжига на технологическую пластичность горячекатаных заготовок;

5. Провести сравнительное изучение износостойкости сталей после полной термообработки в зависимости от вида отжига;

6. Предложить и научно обосновать гипотезу о влиянии термоциклического отжига на формирование структуры быстрорежущих сталей и разработать схему структурных и фазовых превращений при ТЦО.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Закономерности изменения карбидной фазы быстрорежущих сталей различной теплостойкости при термоциклическом отжиге в сравнении с изотермическим отжигом.

2. Влияние термоциклического отжига на распределение легирующих элементов в твёрдом растворе быстрорежущих сталей различной теплостойкости.

3. Гипотетическая схема фазовых и структурных превращений при термоциклическом отжиге быстрорежущих сталей различной теплостойкости.

4. Изменение механических свойств и технологической пластичности горячекатаных заготовок после термоциклического отжига в сравнении с изотермическим отжигом.

5. Применимость термоциклического отжига к быстрорежущим сталям различной легированности.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Пантелеев, Иван Александрович

Выводы

1. Решена научно-техническая задача по разработке технологии двухэтапного термоциклического отжига горячекатаных заготовок из быстрорежущих сталей марок Р6М5, Р6М5К5 и Р9К5 с целью повышения технологической-пластичности;

2. Показана применимость и. существенное положительное влияние двухэтапного термоциклического отжига на структуру и свойства быстрорежущих сталей с содержанием вольфрама не более 9% (Р6М5 и Р6М5К5, Р9К5) и снижение эффективности ТЦО, вплоть до полного отсутствия, для сталей с высоким содержание вольфрама (Р18);

3. Разработан базовый температурно-временной режим термоциклического отжига- состоящий из двух этапов: первый этап — термоциклирование около точки полиморфного превращения; второй -термоциклирование в интервале температур 35 - 70°С ниже точки Аь

4. С целью определения минимально необходимых периодов и достигаемых скоростей нагрева и охлаждения заготовок в термоцикле проведено числовое и конечно-элементное компьютерное моделирование, участка базового режима ТЦО;

5. При сравнении изотермического и термоциклического режимов отжига было показано, что ТЦО способствует:

- уменьшению размеров частиц карбидной фазы в среднем на 33%;

- снижению карбидной неоднородности;

- снижению микротвёрдости твёрдого раствора на-8 - 16%;

- увеличению плотности распределения карбидов в среднем на 50%;

6. Установлено, что при ТЦО по сравнению с ИТО происходит снижение легированности твёрдого раствора молибденом на 48%, вольфрамом на 44,5% и ванадием на 24,8% и увеличение легированности хромом на 10%, что связано с образованием карбидов вольфрама, молибдена типа М6С и ванадия типа МС и растворением карбидов на основе хрома М2зСб и М7С3;

7. Показано распределение легирующих элементов по фазам:

- Ванадия в основном в карбиде типа МС;

- Молибдена в основном в карбиде типа МбС и в меньшей степени в

МС и твёрдом растворе;

- Вольфрама в основном в карбиде МбС и в твёрдом растворе;

- Кобальта в твёрдом растворе;

- Хрома в твёрдом растворе и карбидах типа М2зСб и М7С3 и МС, МбС;

8. Установлено отличие состава карбидной фазы в сталях Р6М5 и Р6М5К5 при отжиге по термоциклическому и изотермическому режимам, а именно отсутствие в структуре сталей после ТЦО карбидов хрома;

9. Экспериментально показано, что в результате применения ТЦО в сравнении с ИТО в структуре быстрорежущих сталей происходит увеличение количества частиц карбидов типа М6С и УС;

10. Экспериментально показано, что в быстрорежущих сталях с содержанием до 20 - 22% карбидов вольфрама на первом этапе термоциклического отжига в условиях градиента температур 100 — 150°С и скоростях нагрева и охлаждения до 116 °С/мин за счёт возникновения внутренних растягивающих напряжений и интенсификации диффузионных процессов происходит диспергация частиц карбидов;

11. Разработана схема структурных и фазовых превращений при ТЦО;

12. По результатам испытаний на кручение и сжатие установлено, что замена применяемого изотермического отжига на термоциклический отжиг по разработанному режиму позволяет повысить технологическую пластичность быстрорежущих сталей Р6М5 и Р6М5К5 в среднем на 10% и снизить требуемое усилие на сжатие на 12 — 20%;

13. Показано, что замена ИТО на ТЦО в технологии изготовления инструмента позволило уменьшить брак за первый год применения на 13%, за второй год на 45%;

14. Показано влияние термоциклического отжига на износостойкость быстрорежущих сталей в состоянии после полной термообработки: закалки и трёхкратного отпуска. Применение ТЦО вместо ИТО не только не ухудшает износостойкость быстрорежущей стали, но и несколько повышает их. Повышение износостойкости образцов составило 3-5%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пантелеев, Иван Александрович, 2011 год

1. ГеллерЮ.А. Инструментальные стали. М.: Металлургия, 1983. 527с.

2. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. Л.: Машиностроение: ленинградское отделение, 1989. 257с.

3. Федюкин В.К. Термоциклическая обработка: технология, структура и свойства металлических материалов. Л.: ИПмаш, 1991. 15с.

4. Федюкин В.К. Новые способы термоциклической обработки конструкционных сталей. Л.: ИПмаш, 1973. 12с.

5. Федюкин В.К. Метод термоциклической обработки металлических материалом. Л.: ИПмаш, 1973. 25с.

6. Федюкин В.К., Подзоров Б.Н., Платонов В.Н. Термоциклическая обработка алюминиево-кремневых сплавов // Повышение качества; надёжности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных и инструментальных сталей и сплавов. Л.: ЛДНТП, 1977. С. 37 39.

7. Федюкин В.К. Закономерности и особенности фазовых превращений при- термоциклической, обработке и- её влияние на надёжность изделий из сталей перлитного класса. Л.: ИПмаш, 1979: 26 с.

8. Федюкин В.К. Влияние термоциклической обработки на механические и теплофизические свойства металлических материалов. СПб.: Ипмаш, 1992. 69с.

9. Термоциклическая обработка титановых сплавов / С.З. Бокштейн и др. // Металлы. 1978. №6. С. 200 203.

10. Влияние фазового — перехода на физико-механические свойства палладия и сплавов на его основе / Г.Е. Коган и др. // Физика металлов и металловедение. 1978. Т. 45, вып. 5. С. 124 127.

11. Тихонов A.C., Белов В.В., Леушин И.Г. Термоциклическая обработка сталей, сплавов и композиционных материалов. М.: Наука. 1984. 358 с.

12. Руденко A.F. Влияние условий охлаждения и термоциклической обработки на повышение гомогенности литых сплавов: автореф. дис. .канд. техн. наук. Свердловск. 1978. 16 с.

13. Справочник по термомеханической и термоциклической обработке металлов / М.Е. Смагоринский и др. СПб.: Политехника, 1992. 416 с.

14. Физические основы термоциклической обработки стареющих сплавов /Р:Л. Тофпенец, и др. Минск: Навука i тэхшка, 1992. 190с.

15. Смагоринский М.Е. Термопластическая обработка металлов в условиях циклически изменяющихся температур. М.: Металлургия, 1992. 254 с.

16. Хараев Ю.П. Структура и свойства литого инструмента. Барнаул: Изд-во Алт. гос. техш ун-та им. И. И. Ползунова, 2004. 143 с.

17. Косолапова Т.Я. Карбиды. М.: Металлургия-1968. 300с.

18. Турчанин А.Г., Турчанин М.А. Термодинамика тугоплавких карбидов и карбонитридов. М.: Металлургия, 1991. 352с.

19. Гуляев A.B., Сарманова Л.М. Технологическая пластичность быстрорежущих сталей // МИТОМ. 1969. №7. С. 2 4.

20. Хазанов О.И. Технологическая пластичность новых быстрорежущих сталей // МИТОМ. 1975. №9. С. 53 54.

21. Гурьев А.М. О разработке- высокоэффективной технологии термоциклического упрочнения инструментальных сталей // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2000. №2. С. 25 27.

22. Хайдоров А.Д., Кондратьев С.Ю. Улучшение структуры литой быстрорежущей стали Р6М5Ш с помощью термоциклической обработки // МИТОМ. 2011. №6. С. 42 48 .

23. Смольников Е.А. Влияние- циклического отжига на твёрдость и структуру быстрорежущих сталей//МИТОМ; 1982. №8. С. 9 — 14.

24. Райцес В. Б. Термическая обработка: В помощь рабочему-термисту. М:: Машиностроение, 1980: 192 с;

25. Журавлёв. Л.Г., Журавлёва В.В. Инструментальные стали; и их термическая обработка. Челябинск: ЧПИ, 1987.31с.

26. Кожевников Д.В., Гречишников В.А., Кирсанов С.В. Режущий инструмент. М.: Машиностроение, 2005. 528 с.

27. Друянов Б.А., Непершин Р.И. Теория технологической пластичности. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.

28. Снегирёва JI.A. Разработка режимов термической обработки полуфабрикатов из сплава ВТ 16, обеспечивающих повышенную прочность и технологическую пластичность: автореф. дис. . канд. техн. наук. М. 2008. 22 с.

29. Аргунова A.A. Структурные изменения и механические свойства низколегированных сталей и их сварных соединений после термоциклической обработки: автореф. дис. канд. техн. наук. Якутск. 2000. 19 с.

30. Гурьев A.M. Экономнолегированные стали для литых штампов горячего деформтирования и их термоциклическая и химико-термоциклическая обработка: автореф. дис. . канд. техн. наук. Томск. 2001. 43 с.

31. Физические основы химико-термоциклической обработки сталей / А. М. Гурьев и др. Барнаул: АлтГТУ, 2008. 250 с.