Термоциклическая обработка (ТЦО) нетеплостойких инструментальных сталей

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматривается возможность проведения ТЦО  нетеплостойких инструментальных сталей с применением охлаждающей жидкости на основе водорастворимого полимера препарата «Унифлок».

ABSTRACT

In this work the possibility of carrying out TCP not heat resistant tool steel using lubricoolant on the basis of water-soluble polymer of the medicine "Uniflok" is considered.

Ключевые слова: термоциклическая обработка, закалка, отпуск, водорастворимые полимеры, закалочная жидкость, скорость охлаждения.

Keywords: thermocyclic processing, tempering, issue, water-soluble polymers, hardening liquid, cooling speed.

I.  ВВЕДЕНИЕ

Схема термоциклической обработки (ТЦО) основана на многократных нагревов и охлаждений сталей без выдержки при постоянной температуре нагрева [4]. Значение температур нагрева и охлаждения, а также скорости этих процессов бывают постоянными или изменяются от цикла к циклу. Многократное воздействие нагрева и охлаждения, приводит к накоплению фазовых изменений в структуре стали. По сравнению со стандартной термообработкой при ТЦО возможно достичь повышенных свойств стали.

Существует большое число различных режимов ТЦО [5,6]. Согласно [6] все способы подразделяются на три вида: низко-, средне- и высоко-температурные способы. Низкотемпературный способ ТЦО осуществляется при температурах до начала α→γ превращения. Среднетемпературный проводят в интервале температур между точками А_с и А_с3.

Наиболее оптимальными режимами ТЦО с точки зрения улучшения механических и технологических свойств являются режимы комбиниро-ванной ТЦО.

Комбинированная ТЦО включает в себя закалку при повышенных или стандартных температур нагрева, промежуточный отпуск и последующую стандартную термообработку, состоящую из закалки при обычно принятых температурах и окончательный отпуск.

В работе Бердиева Д.М.[1] показано, что применение двойной закалки с промежуточным отпуском стали У8 удается повысить уровень износостойкости для штампов холодного деформирования. Повышение уровня износостойкости удается получить за счет измельчения зерна и повышения плотности дислокаций. Первую закалку проводили при температурах нагрева 1100-1150 ℃ промежуточный отпуск 450 ℃. Вторую закалку при температуре нагрева 820 ℃ и окончательной отпуск 180-200 ℃. Структура стали после такой термообработки представляет собой мелко игольчатый мартенсит и остаточный аустенит.

В большинстве случаев для закалки инструментальных сталей в качестве охлаждающей среды применяют минеральные масла. Использование минеральных масел имеют общеизвестные недостатки: это высокая стоимость, высокая степень возгораемости, образование при закалке масляного тумана.

В последние годы были проведены работы по изысканию заменителей масел, используемых как закалочные среды [2,3]. Многие закалочные среды – это растворы различных веществ в воде в том числе и водорастворимых полимеров. Все закалочные среды на основе водорастворимых полимеров, производимых в странах СНГ можно классифицировать следующим образом.

На основе:

- полиакриламиды (ПАА и ЗСП-1);

- неполной железной соли;

- полиакриловые кислоты (ПК-2);

- раствор водно-щелочной метакрила нитрильного сополимеры (УЗСП-1);

- натриевой соли карбоксилметил целлюлозы (Na-КМЦ);

- сополимеры хлорирена с метилметакрилатом и метакриловой кислоты («Наирит»).

Из всех рассмотренных составов наиболее универсальным считается раствор на основе сополимера метакриловой кислоты с акрилонитрилом в соотношение мономерных звеньев (90-10)-(50-50) по массе и концентрации сополимера 0,1-10,0 % (УЗСП-1). Чрезвычайно ограниченная информация имеется о возможности использования, как компонент закалочной среды, сополимера акриловой кислоты и акриламида, выпускаемого под торговой маркой «Унифлок». При этом подчеркивается необходимость разработки программы стандартизированного комплекса для сертификации закалочных сред-заменителей масла.

II. МЕТОДЫ

В качестве объектов исследований были выбраны инструментальные стали У12, 9ХС.

Таблица 1.

Химический состав исследованных сталей

Для исследования режимов термоциклической обработки ТЦО использовали режимы нагрева, начиная с обычно принятых температур для данных марок сталей до температур 1100℃-1150℃, затем образцы стали перебрасывались в печь с температурой ниже А_с1 на 20 ℃, выдержкой при этой температуре и нагрев вновь до стандартной температуры закалки с последующем охлаждения на воздухе (рис.1).

Заключительная термообработка для этих сталей заключалось в проведении закалки при стандартных температурах нагрева для каждой марки сталей и охлаждения в водополимерной среде препарата «Унифлок». Окончательный отпуск проводился циклически в импульсном режиме при нагреве сталей У12 до температур 300-500 ℃, стали 9ХС - 450 ℃, время нагрева при отпуске подбиралось исходя из необходимого времени для прогрева инструмента и составляла от 10 до 15 минут. Последующее охлаждение осуществлялось также в водополимерной среде на основе препарата «Унифлок».

Рисунок 1. Схема предварительной ТЦО

Рисунок 2. Схема окончательной термообработки закалки со стандартной температуры импульсный двукратный отпуск

Нагрев стали проводился в соляных ваннах NaCl иBaCl₂. При закалке образцы стали закаливали в водорастворимых полимерах Na-КМЦ и «Унифлок». Определялась охлаждающая способность растворов полимеров.

Для определения состояния тонкой кристаллической структуры стали проводили рентгеноструктурный анализ. Определяли физическую ширину рентгеновских линий интерференции α- фазы. Съёмки проводили на установке ДРОН-2,0 в излучении железного анода при напряжении на трубке V=30-35 кВ, анодный ток Ј=9 Ма.

III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Предварительная ТЦО осуществлялось согласно схеме на рис. 1 стали марок У12 и 9ХС нагревались до экстремальной температуры нагрева 1100-1150 ⁰С . Наличие экстремальных температур нагрева объясняется , тем, что после охлаждения формируется структура с максимумом дефектности кристаллического строения, которое влияет на износостойкость стали [1]. Рентгеноструктурные исследования предварительной ТЦО сталей У12 и 9ХС показали, что максимум дефектности кристаллического строения формируется у этих сталей именно при применении высокотемпературных режимов нагрева (рис.3).

Рисунок 3. Зависимость физической ширины рентгеновской линии (220) сталей У12 и 9ХС в зависимости от температуры предварительного нагрева и температуры окончательного нагрева, охлаждение на воздухе 1- сталь У12, 2-сталь 9ХС.

С целью сокращения технологического цикла и уменьшения закалочных напряжений в сталях, окончательную термообработку проводили по схеме (рис.2). Закалку проводили со стандартных температур нагрева для стали У12 это 820 ⁰С , для стали 9ХС - 840 ⁰С, охлаждение в водополимерной среде на основе препарата «Унифлок». Отпуск сталей проводили в импульсном режиме при различных температурах двухкратно, с охлаждением в водополимерной среде. Рентгеноструктурные исследования показали, что при применении предварительной ТЦО с высокотемпературным нагревом формируется структура с высоким уровнем кристаллической дефектности в стали. При окончательной термической обработки по схеме (рис.2) , происходит эффект наследования дефектности кристаллического строения при различных температурах импульсного отпуска. (рис. 4,5).

Рисунок 4. Зависимость физической ширины рентгеновской линии (220) стали У12 в зависимости от температуры окончательного импульсного отпуска.

Закалка температуры 820 ⁰С.

1. Предварительная ТЦО с температуры нагрева 820 ⁰С.
2. Предварительная ТЦО с температуры нагрева 1000 ⁰С.
3. Предварительная ТЦО с температуры нагрева 1150 ⁰С.

Для определения оптимальной закалочно-охлаждающей жидкости на основе водорастворимых полимеров были проведены исследования охлаждающей способности этих полимеров в различной концентрации.

Предварительные опыты проводились путем снятия кривых охлаждения специальным термозондом, изготовленным из стали 12Х18Н10Т.

Рисунок 5. Зависимость физической ширины рентгеновской линии (220) стали 9ХС в зависимости от температуры окончательного импульсного отпуска

Закалка температуры 840 ⁰С.

1. Предварительная ТЦО с температуры нагрева 820 ⁰С.
2. Предварительная ТЦО с температуры нагрева 1000 ⁰С.
3. Предварительная ТЦО с температуры нагрева 1150 ⁰С.

Термозонд нагревался в печи без защитной атмосферы до температуры 870±5 ⁰С и выдерживался в течении 5 мин. Затем, в течении менее 2 сек, подавался в охлаждающую среду. Объем жидкости был 2 л, а температура жидкости изменялась от 20 до 40 ⁰С. Изменения температуры в процессе охлаждения записывались на автоматическом потенциометре КСП-4.

По кривым охлаждения определяли среднюю скорость охлаждения в районе перлитного превращения, в интервале температур 870-275 ⁰С, и в интервале температур мартенситного превращения для углеродистых и низколегированных сталей 275-55 ⁰С (рис. 6,7).

Рисунок 6. Влияние содержания полимерных составляющих в закалочной жидкости на скорости охлаждения, интервал 870-275 ⁰С. O-Na-КМЦ Х-Унифлок, O-Na-КМЦ-2%метилакрилат

Рисунок 7. Влияние содержания полимерных составляющих в закалочной жидкости на скорости охлаждения, интервал 275-55 ⁰С. O-Na-КМЦ Х-Унифлок, O-Na-КМЦ-2% метилакрилат.

Опыты показали, что растворы Na-КМЦ являются наименее природными, так как скорость охлаждения сильно зависела от изменения концентрации раствора. В этом отношении более благоприятно использование растворов «Унифлок». Требуемые скорости охлаждения, соответствующие 0,7% раствору УЗСП-1 достигаются при содержании компонента в растворе около 3%.

Применительно к термообработке инструментальных сталей вопросы эффективности ТЦО изучены мало. Известны положительные результаты при реализации схем среднетемпературной ТЦО для сфероидизирующего отжига. Однако в известных работах практически не изучали влияние замены обычного отжига термоциклической обработкой на последующие структурно-фазовые превращения и конечные свойства. Следует также подчеркнуть, что эффективность ТЦО (с позиций технологичности) с повышением степени легирования стали падает, так как более легированные стали для достижения заметного положительного результата требуют проведения большего числа термоциклов.

Для основных операций термической обработки инструментальных сталей (включающих конечные закалку и отпуск ) положительные результаты получены при реализации некоторых схем двойной термообработки, которые можно отнести к комбинированным схемам ТЦО.

Что касается охлаждающий жидкости, то необходимо отменить, что вода и масло широко применяются в промышленности, однако они обладают рядом недостатков и часто не могут удовлетворить нужд современного производства. Вода является самой дешевой и доступной закалочной средой и обеспечивает получение высоких физических и механических свойств металла. Вместе с тем брак деталей в основном наблюдается после закалки в воде, так как при этом образуются трещины и происходит коробление. Масло, в отличие от воды, обладает более низкой охлаждающей способностью в интервале мартенситного превращения, что обеспечивает резкое снижение брака по закалочным дефектам. Однако в перлитном интервале скорость охлаждения во многих случаях недостаточно для получения требуемых физических и механических свойств. Учитывая все это класс водорастворимых полимеров представляет большой интерес, так как можно получить закалочную среду, сочетающую положительные свойства масла и воды. Результаты исследования влияния содержание полимерных составляющих в закалочной жидкости в двух температурных интервал показывают возможность их применения в качестве закалочной жидкости (рис 6,7).

IV.ВЫВОДЫ

1. Применение предварительной высокотемпературной ТЦО вместо обычной нормализации приводит к формированию структуры с максимумом дефектности кристаллического строения.

2. Оптимальный температурный интервал первого нагрева с предварительной ТЦО составляет 1100-1150 ⁰С.

3. Последующая окончательная термическая обработка включающее закалку при общепринятых температурах и двухразовый импульсный отпуск позволяют сохранить эффект предварительной высокотемпературной ТЦО.

4. В качестве закалочной жидкости вместо масла возможно применение водорастворимого препарата «Унифлок» производимого в Узбекистане.

Список литературы:

1. Бердиев Д.М., Умарова М.А. Обеспечение работоспособности деталей сельскохозяйственного машиностроения методом термоциклической обработки. «Техника и технология машиностроения» 7-Международная научно-практическая конференция. Сборник научных трудов. – ОМСК, 2018г. С. 7-12
2. Осколкова Т.Н., Шорохова О.В. Использование водополимерной охлаждающей среды при закалке легированных сталей и современные наукоемкие технологии. – 2010. № 9. – С. 178-179.
3. Святкин А.В. Внедрение полимерных жидкостей в практику современной термообработки поковок. «Кузнечно-штамповое производство. Обработка металлов давлением». – 2011. № 8- С. 32-38.
4. Федюкин В.К. Метод термоциклической обработки металлов. – Л.:ЛГУ,1984.-190с.
5. Федюкин В.К. Термоциклическая обработка: технология, структура и свойства металлических материалов. Инс-т проблем машиноведения АНСССО, 1991. – 309 с.
6. Федюкин В.К. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. Ленинград: Машиностроение 1989.- 255 с.