ПОВЫШЕНИЕ СЛУЖЕБНЫХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ДВОЙНОЙ ФАЗОВОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ

АННОТАЦИЯ

Проблема повышения износостойкости и долговечности матералов рабочих механизмов технологических машин является весьма актуальной. Определяющее значение в формировании характеристик конструктивной прочности материалов рабочих механизмов технологических машин имеет, как известно, варьирование структурного состояния. С этой целью в статье изучены структурные превращения стали при различных видах термической обработки, которые значительно влияют на указанные свойства.

ABSTRACT

The problem of increasing to wear capability and longevity material worker mechanism agricultural machines is enough actual. Defining importance in shaping the features to constructive toughness material worker mechanism agricultural machines has, as is well known, variation of the structured condition. For this purpose article is studied structured conversions become under different type of the thermal processing, which vastly affect the specified characteristic.

Ключевые слова: прочность, износостойкость, предел текучести, ударная вязкость, долговечность, дефекты кристаллических решеток.

Keywords: toughness, wear capability, limit to fluidity, striking viscosity, longevity, defects crystalline lattices, density, grain.

ВВЕДЕНИЕ

Определяющее значение в формировании характеристик конструктивной прочности материалов рабочих механизмов технологических машин имеет, как известно, варьирование структурного состояния. Возможности его изменения традиционными способами объемной термической обработки практически исчерпаны. Вместе с тем новые горизонты открывает регулирование конечной структуры за счет направленного изменения стартовой (исходной) структуры, непосредственно предшествующей реализации стадии завершающей термообработки. Это может быть достигнуто путем реализации известных программ или разработки оригинальных схем и режимов термической обработки на подготовительной стадии термического обрабатывания.  

Один из возможных вариантов совершенствования технологии и улучшения служебных свойств термически обрабатываемых изделий – это использование термической обработки с многократным нагревом, в том числе с фазовой перекристаллизацией [1].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА. МАТЕРИАЛ

Одним из возможных вариантов значительного улучшения служебных свойств термически обрабатываемых изделий – использование термической обработки с неоднократной фазовой перекристаллизацией. Наиболее полно изучена и нашла практическое применение циклическая термическая обработка.

Сущность ее заключается в резком ускорении диффузионных процессов за счет чередующихся теплосмен. Если циклическая обработка проводится с многократной фазовой перекристаллизацией, то наблюдается быстрое измельчение зерна и на этой базе повышение предела текучести, ударной вязкости [2]. Соответственно, значительно уменьшается общее время термообработки. При циклической обработке с нагревом до субкритических температур ускорение диффузионных процессов приводит к быстрой коагуляции цементитных пластин с образованием зернистых структур [3]. Однако введение в сталь легирующих элементов, замедляющих диффузию углерода в феррите, значительно снижает этот эффект.

При циклической термообработке наблюдается также рост плотности дислокаций, что следует связывать с развитием микропластической деформации во время резких теплосмен. Рост плотности дислокаций зависит от температурно-временных условий циклирования, возможности наследования элементов субмикроструктуры при новом цикле нагрев-охлаждение [4]. Однако после проведения окончательной закалки и отпуска плотность дислокаций не сильно отличается от той, что получена после закалки и отпуска по обычным режимам. В настоящее время разработано большое количество способов термоциклической обработки применительно к тем или иным сплавам [5].

В шестидесятые годы прошлого века целый ряд работ был посвящен ускорению химико-термической, термической обработок путем использования высокотемпературных процессов. Однако эти процессы имели явно отрицательное стороны – это рост зерна, увеличение температуры охрупчивания и т.д. Поэтому более приемлемым процессом выглядит термическая обработка с двойной фазовой перекристаллизацией [7]. В частности в эти же годы были опубликованы японские патенты, где описывались, двойная закалка шарикоподшипниковой стали, которая в несколько раз увеличила долговечность шарикоподшипников. Это объяснялось измельчением зерна и вторичных карбидов стали.

РЕЗУЛЬТАТ И ДИСКУССИЯ

Более полные исследования относительно вопросов формирования структуры стали при термической обработке с двойной фазовой перекристаллизацией показали, что существуют оптимальные режимы, обеспечивающие измельчение аустенитного зерна, дисперсность избыточных фаз и максимальную плотность дислокаций [8].

Рисунок 1. Температуры предварительной закалки, °С. Изменение параметров структуры стали У8А в зависимости от температуры предварительной закалки и промежуточного отпуска

Такие температурные режимы включают первую фазовую перекристаллизацию с нагревом до экстремальных температур. Как показал Л.И. Миркин [4], для углеродистых и малолегированных сталей экстремальная температура приходится на 1100°С. После нагрева стали до этой температуры и охлаждения формируется повышенная плотность дислокаций.

Результаты исследований по вопросу формирования структуры стали при термической обработке с двойной фазовой перекристаллизацией приведены в исследованиях [9].

В них показано, что существуют оптимальные режимы термообработки, с двойной фазовой перекристаллизацией, обеспечивающее формирование структур с мелким аустенитным зерном, дисперсностью избыточных фаз и максимальной плотностью дислокации (рис.1).

Эти режимы включают первую перекристаллизацию с нагревом до экстремальных температур, находящихся для углеродистых и малолегированных сталей в районе 1100-1150ºС. При этих температурах нагрева не только происходит растворение карбидной фазы, но наблюдается диссоциация и начало растворение тугоплавких фаз [10].

Рисунок 2. Температуры предварительной закалки. °С

Изменение периода решетки стали У8А в зависимости от температуры предварительной закалки и промежуточного отпуска

Проведенные нами работы показали, что экстремальные температуры охватывают более широкий интервал 1100-1150°С, а формирование максимума дефектности кристаллического строения связано с началом растворения тугоплавких примесных фаз в стали, образованием зон с химической микронеоднородностью, что при охлаждении ведет к повышению плотности дислокаций в α – фазе [11].

Так как одинаково ориентированные мелкие зерна сохраняют частично когерентные границы, то внутри этого комплекса создаются значительные микроискажения кристаллической решетки [12]. Таким образом, общий уровень дефектности кристаллического строения складываются: из результатов мартенситного превращения при повторной закалке, из исследования элементов исходного субмикростроения при превращении, из создания искажения решетки в результате внутризеренной текстуры (рис. 2).

Повторная фазовая перекристаллизация, проведенная с нагревом до обычно принятых температур, проходит в условиях наследования элементов исходного субмикростроения. После окончания термической обработки наблюдается наличие экстремальных температур первой фазовой перекристаллизации, приводящие к максимуму дефектности кристаллического строения. После повторной закалки дефектность может сохраняться в зависимости от температуры окончательного отпуска [13].

Столь заметные изменения в структуре стали после термической обработки по оптимальным режимам двойной фазовой перекристаллизации существенно сказываются на свойствах стали.

Рисунок 3. Температуры предварительной закалки. °С

Изменение предела текучести, предела прочности и ударной вязкости стали У8А в зависимости от температуры предварительной закалки и промежуточного отпуска

Таким образом, после нового α – γ – α превращения формируется структура с высокой плотностью дислокаций, мелким зерном, дисперционными фазами [14]. Это способствует заметному увеличению предела упругости и предела текучести стали, повышению релаксационной стойкости и значительному увеличению изностойкости (Рис 3).

Рисунок 4. Температуры предварительной закалки °С

Изменение износостойкости в зависимости от температуры предварительной закалки

Наблюдается некоторое увеличение предела текучести, предела прочности стали, но очень заметно увеличивается износостойкость (рис. 4).

В последнее время установлено повышение предела упругости и релаксационной стойкости. Полученные эффекты предопределили области применения разработанных технологий термической обработки с двойной фазовой перекристаллизацией.

ВЫВОД

Такая технология использовалась для увеличения износостойкости винтовых элементов шпинделей хлопкоуборочных машин, лопастей дробеметных аппаратов, штампового инструмента холодного деформирования, режущих инструментов из нетеплостойких сталей [15].

В последние годы показана эффективность термический обработки с двойной фазовой перекристаллизацией для повышения работоспособности упругих бандажных колец камер высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов

Использование технологии термической обработки с двойной фазовой перекристаллизацией позволяет значительно повысить стойкость изделий (от 1,3 до 3 раз) без существенного осложнения технологии на стандартном оборудовании. Экономической эффект достигается за счет резкого снижения расхода металла и трудовых ресурсов.  

Список литературы:

1. Кидин И.Н., Липчин Т.Н. Циклическая электротермообработка сталей // Металловедение и металлокерамические материалы. − Пермь: Пермский политех. ин-т, 1969. − С. 137-142.
2. Федюкин В.К. Закономерности и особенности фазовых превращений при термоциклической обработке и ее влияние на надежности изделий из сталей перлитного класса. − Л.: ЛДНТП, 1974. − С.29.
3. Мухамедов А.А. Некоторые особенности структурного наследования при фазовой перекристаллизации стали // МиТОМ. − № 3. − 1978. − С. 71-75.
4. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов. – М.: Машиностроение. 1989. – 138 с.
5. Садовский В.Д. Структурная наследственность в стали. – М.: Металлургия. 1973. – 204 с.
6. Мухамедов А.А. Некоторые особенности формирования структуры при фазовой перекристаллизации стали: доклад. – Ташкент, 1984. – С. 37-42.
7. Бакштейн С.З. Структура механических свойства легированной стали. – М.: Металлургия, 1990. – 287 с.
8. Абдуқаххоров З., Мухамедов А.А. Формирование структуры стали методом термической обработки с многократной перекристаллизацией // Сборник конференции молодых ученных ТГТУ. – Ташкент, 1993. – С. 47-49.
9. Рахимов Я., Тошпулатов К., Абдуқаххоров З. Влияние карбидообразующих элементов на структуру и свойства стали // Журнал “Устойчивое развитие науки и образования” – Воронеж. – № 8. – 2017. – С. 117.
10. Рахимов Я. Повышение конструкционной прочности и надежности изделий методом нетрадиционных термических обработок // Инжнерная наука. – № 3. – Новосибирск, 2020. – С. 17.
11. Рахимов Я., Абдуқаххоров З. Разработка режима термической обработки для рабочих поверхностей деталей технологических машин // Инжнерная наука. – № 3. – Новосибирск, 2020. – С. 21.
12. Рахимов Я., Абдуқаххоров З. Разработка режима нетрадиционных методов термической обработки для деталей технологических машин // Интернаука. – №7. – Москва, 2020. – С. 26.
13. Ахмедов Н.О., Абдуқаххоров З. Влияние термической обработки с многократным нагревом на износостойкость и долговечность стали // Science and education scientific journal. – 05.05. 2020. – С.177-181.
14. Рахимов Я., Абдуқаххоров З.. Восстановление деталей типа валов наплавлением износостойкими материалами // Устойчивое развитие науки и образования. – Воронеж. – № 12. – 2017. – С. 208.
15. Rahimov Y., Imomkulov SH., Abdukahhorov Z. Influence solubility carbide to form element on mechanical characteristic doped steel // International Journal of Basic Sciences and Applied Computing (IJBSAC) – 2022. – Pp. 36-41.