Повышение механических свойств термоупрочнённых конструкционных сталей дополнительной обработкой пульсирующим газовым потоком

УДК 62-1/-9

ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕРМОУПРОЧНЁННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКОЙ ПУЛЬСИРУЮЩИМ ГАЗОВЫМ ПОТОКОМ

Д.А. Иванов1

Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),

191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21

В данной работе рассматривается влияние обработки пульсирующим газовым потоком на структуру и механические свойства термически упрочненных изделий из конструкционных сталей.

Ключевые слова: пульсирующий газовый поток, механические свойства, термообработка, конструкционные стали.

IMPROVEMENT OF MECHANICAL PROPERTIES OF THERMALLY TOUGHENED STRUCTURAL STEELS WITH ADDITIONAL PROCESSING OF PULSATING GAS FLOW

D.A. Ivanov

St. Petersburg state University of Economics (SPbSEU), 191023, Saint-Petersburg, Sadovaya street, 21. This paper examines the impact of the processing of pulsed gas flow on the structure and mechanical properties of thermally toughened products of structural steels.

Keywords: pulsating gas flow, mechanical properties, heat treatment, structural steel.

Детали машин и оборудования в процессе эксплуатации зачастую подвергаются радиальному биению и другим нагрузкам, имеющим динамический характер, поэтому упрочняющая обработка деталей машин должна помимо достаточной статической прочности, обеспечивать высокую устойчивость к ударным нагрузкам. Наиболее распространённая упрочняющая обработка деталей машин из среднеуглеродистых легированных улучшаемых сталей, таких, как сталь 40Х, представляет собой закалку на мартенсит с последующим высоким отпуском при температуре 550 ^ 680°С (улучшение).

В результате подобной термообработки структура стали будет представлять собой сорбит отпуска - дисперсную феррито-цементитную смесь с зернистой формой карбидных включений, которая призвана обеспечить устойчивость изделия к динамическим нагрузкам в сочетании с приемлемым для деталей машин значением предела прочности и условного предела текучести.

Актуальной является задача повышения значений показателей ударной вязкости без снижения показателей прочности термоулучшенных конструкционных легированных сталей, при решении которой целесообразно использовать пульсирующий дозвуковой низкочастотный газовый поток, как эффективное,

недорогое и экологически чистое средство воздействия на структуру, напряженное состояние и механические свойства металлических изделий [1 - 9].

Для оценки способности пульсирующего газового потока оказывать влияние на свойства легированных сталей в ненагретом состоянии было проведено исследование механических свойств стандартных разрывных и ударных образцов, изготовленных из холоднокатаной стали 40Х в состоянии поставки. Исследование производилось после газоимпульсной обработки без нагрева в течение 35 минут дозвуковым воздушным потоком, пульсирующим с частотой ~ 550 Гц при звуковом давлении до 100 дБ.

Направление газоимпульсной обработки совпадало с направлением статического и динамического нагружения. В результате газоимпульсной обработки были получены более высокие, в сравнении с состоянием поставки значения предела прочности на 7,6%, условного предела текучести на 46% и ударной вязкости на 20%.

Численные значения показателей механических свойств представлены на гистограмме рис. 1. При этом значение твёрдости не изменилось, что является признаком отсутствия фазовых превращений в стали.

Перед исследованием была поставлена задача повысить надёжность термоулучшенных конструкционных сталей за счёт повышения значений показателей ударной вязкости и пластичности без снижения показателей прочности.

механические волны, генерируемые пульсациями газового потока, оказывают существенное воздействие на распределение и подвижность дислокаций в стали, а также влияют на величину остаточных напряжений.

Рисунок 1. Сравнительные свойства стали 40Х в состоянии поставки и после обработки пульсирующим газовым потоком в течение 35 минут

На рис. 2 приведена, гистограмма, характеризующая свойства стали 40Х после закалки и стандартного высокого отпуска при температуре 580^ и такой же термообработки с последующей обработкой пульсирующим газовым потоком в течение 35 мин без нагрева, где ав - временное сопротивление разрыву (МПа); ст0 2 - условный предел текучести

(МПа); KCU - ударная вязкость (МДж/м2); 5 -относительное удлинение (%); HRC - твёрдость (безразмерные единицы Роквелла).

Технологически поставленная задача решается следующим образом: термоулучшенную (подвергнутую закалке и высокому отпуску по стандартным режимам) конструкционную сталь обрабатывают без нагрева пульсирующим газовым потоком, обладающим скоростью от 25 до 30 м/^ частотой колебаний от 600 до 1000 Гц и переменным звуковым давлением от 80 до 90 дБ до 35 минут. В качестве газа используют воздух.

В ходе процесса обработки пульсирующим газовым потоком, с течением времени,

Рисунок 2. Сравнительные свойства закалённой стали 40Х с последующим высоким отпуском и высоким отпуском с дополнительной газоимпульсной обработкой без нагрева в течение 35 минут

Так, для стали 40Х после закалки и стандартного высокого отпуска при температуре 580° C и такой же термообработки с последующей обработкой пульсирующим газовым потоком в течение 35 мин без нагрева, были получены несколько более высокие, в сравнении со стандартным термоулучшенным состоянием, значения предела прочности и условного предела текучести, при значении относительного удлинения выше более чем на 13% и ударной вязкости выше на 20%.

Обработку пульсирующим газовым потоком по приведённым режимам также применяют к готовым термоулучшенным изделиям без дополнительного нагрева.

Таким образом, в результате исследования был получен технический результат, а именно повысить надёжность термоулучшенных конструкционных сталей за счёт повышения значений показателей ударной вязкости и пластичности без снижения показателей прочности.

В качестве высокопрочных (предел прочности более 1600 МПа) материалов, используемых для изготовления деталей транспортных средств, бытовых машин и приборов часто используются среднеуглеродистые легированные конструкционные стали, в том числе сталь 40Х.

Термообработка на высокопрочное состояние таких сталей, как 40Х заключается в закалке на мартенсит с последующим низким отпуском при температуре 150 ^ 250° С В результате подобной обработки структура стали состоит из мартенсита отпуска и вторичных карбидов. Подобная структура не обеспечивает высоких значений показателей ударной вязкости, что делает сталь склонной к разрушению в результате динамических нагружений. Кроме того, невысокая температура нагрева при низком отпуске не обеспечивает достаточного снижения уровня остаточных напряжений, что негативно сказывается на надёжности материала.

Представляется актуальной задача повышения значений показателей ударной вязкости без снижения показателей прочности среднеуглеродистых легированных конструкционных сталей в высокопрочном состоянии, при решении которой целесообразно использовать пульсирующий дозвуковой низкочастотный газовый поток, как эффективное, недорогое и экологически чистое средство воздействия на структуру, напряженное состояние и механические свойства металлических изделий.

Перед проводимым исследованием стояла задача повысить надёжность среднеуглеродистых легированных конструкционных сталей в высокопрочном состоянии за счёт повышения значений показателей ударной вязкости и пластичности без снижения показателей прочности.

Поставленная задача была решена следующим образом: среднеуглеродистую легированную конструкционную сталь в высокопрочном состоянии, достигнутом за счет закалки и низкого отпуска по стандартным режимам, помещают в рабочую камеру, где подвергают воздействию при комнатной температуре пульсирующего дозвукового воздушного потока, который обладает частотой колебаний от 550 до 1000 Гц и переменным звуковым давлением от 90 до 100 дБ в течение 30 ^ 35 минут.

Обработка пульсирующим газовым потоком способствует повышению подвижности дислокаций в сталях, а также релаксации остаточных микронапряжений, что обеспечивает рост ударной вязкости и пластичности без снижения прочности.

Для стали 40Х после термической обработки на высокопрочное состояние путём закалки по стандартным режимам и низкого отпуска при температуре 200° C и аналогичных закалки и отпуска с дополнительной обработкой при комнатной температуре пульсирующим дозвуковым воздушным потоком течение 35 минут были получены, в последнем случае, значения показателя ударной вязкости KCU выше более чем на 30% при несколько более высоких, в сравнении со стандартной термообработкой на высокопрочное состояние значениях предела прочности и условного предела текучести.

На гистограмме рис. 3. приведены свойства стали 40Х после закалки и стандартного низкого отпуска при температуре 200° С и такой же термообработки с последующим обдувом без нагрева пульсирующим дозвуковым воздушным потоком в течение 35 минут. Направление газоимпульсной обработки совпадало с направлением статического и динамического нагружения

1436

1072 с Газоимпульсная обработка  Без обработки

20 15 50 50 п

кси, ДяЛм2 сгОД М Іа Н[?С

Рисунок. 3. Сравнительные свойства закалённой стали 40Х с последующим низким отпуском и низким отпуском с дополнительной газоимпульсной обработкой без нагрева в течение 35 минут

Таким образом, исследование позволило получить технический результат, а именно

повысить надёжность среднеуглеродистых легированных конструкционных сталей в высокопрочном состоянии за счёт повышения значений показателей ударной вязкости и пластичности без снижения показателей прочности.

Было проведено исследование влияния газоимпульсной обработки с дополнительным воздействием стальных пустотелых шариков на структуру и свойства металлических материалов при помощи стандартно закалённых образцов из стали 40Х. Длина рабочей части образцов составляла 55 мм, ширина - 4 мм, толщина - 2 мм.

Вдоль плоской поверхности образца размещались пустотелые стальные шарики, в одном случае диаметром 2,4 мм, а в другом -3,2 мм. Затем образцы устанавливались на выходе из резонатора установки плоскостью с шариками навстречу газовому потоку (рис. 4), фиксировались сверху металлическим кольцом и осуществлялся обдув пульсирующим воздушным потоком частотой 1130 Гц и звуковым давлением 120 дБ в течение 15 минут, сопровождавшийся колебаниями стальных шариков возле поверхности образцов и упругим взаимодействием с ней.

Общий принцип газоимпульсной обработки с дополнительным воздействием стальных пустотелых шариков следующий: вблизи поверхности металлического изделия размещают пустотелые стальные шарики, которые, колеблясь в газовом потоке с частотой, сопоставимой с пульсациями давления самого потока, упруго взаимодействуют с поверхностью изделия, передавая последнему свою кинетическую энергию и вызывая распространение в нем в дополнение к плоским, сферических механических волн, оказывающих дополнительное влияние на микроструктуру и свойства.

Принципиальным отличием такой обработки от дробеструйной является отсутствие в макропластической деформации поверхности изделия, что делает данную технологию пригодной для применения в отношении тонкостенных изделий и изделий с высокой чистотой поверхности.

Сферические волны возбуждаются точечным источником, представляющим собой колеблющееся тело, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до рассматриваемых точек среды и наиболее просто их возбудить с помощью небольшой пульсирующей сферы.

При распространении сферической волны ее волновые поверхности представляют собой систему концентрических сфер.

Интенсивность сферической волны убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника и наибольшему воздействию будут подвергаться поверхностные слои металлического изделия. На значительном расстоянии от источника сферическую волну можно рассматривать, как плоскую.

Поскольку сферические волны в нашем случае генерируются большим количеством источников, происходит наложение волн, что усиливает воздействие на дислокационную структуру металлического материала.

Результаты механических испытаний показали, что наибольшая ударная вязкость закалённых стальных образцов наблюдается в случае применения шариков диаметром 2,4 мм, несколько ниже - при использовании более крупных шариков диаметром 3,2 мм и еще несколько ниже в случае газоимпульсной обработки без использования шариков. У закалённого образца, не подвергавшегося газоимпульсной обработке при динамическом воздействии наблюдалось хрупкое разрушение с фрагментацией на 3 части.

Рисунок 4. Подготовка образцов из стали 40Х к газоимпульсной обработке с дополнительным воздействием колеблющихся в пульсирующем воздушном потоке пустотелых стальных шариков диаметром 2,4 и 3,2 мм

На фотографии рис. 5 приведены изломы закалённых образцов из стали 40Х после испытания на динамический изгиб как без газоимпульсной обработки, так и подвергнутого газоимпульсной обработке с дополнительным воздействием колеблющимися в пульсирующем воздушном потоке стальными пустотелыми шариками диаметром 2,4 мм.

Во втором случае заметно, что разрушению предшествовала пластическая деформа-

ция, более значительная, чем обычно наблюдается у образцов, подвергнутых не только закалке, но и последующему низкому отпуску. Значение твёрдости исследуемых образцов составляло 54 единицы HRC. После газоимпульсной обработки с дополнительным воздействием колеблющимися стальными пустотелыми шариками диаметром 2,4 мм значение твёрдости снизилось до 51 единицы HRC. Потеря твёрдости в среднем 3 единицы HRC означает протекание отпускных процессов, более интенсивное, чем при газоимпульсной обработке закалённых стальных образцов без использования дополнительного воздействия шариками по способу, описанному в источнике [6].

Рисунок 5. Сталь 40Х. Изломы образцов после испытания на динамический изгиб:

а) - закалка, б) - закалка и последующая газоимпульсная обработка с дополнительным воздействием колеблющимися в пульсирующем воздушном потоке стальными пустотелыми шариками диаметром 2,4 мм

Таким образом, обдув с дополнительным воздействием колеблющимися в газовом потоке пустотелыми стальными шариками диаметром 2,4 мм в течение 15 минут в большей степени способствует развитию отпускных процессов в закаленном изделии и повышению его надежности, чем обдув без использования шариков той же продолжительности.

В случае газоимпульсной обработки с дополнительным воздействием колеблющимися в газовом потоке пустотелыми стальными шариками, применяемой к изделиям, обладающим значительной поверхностью, шарики размещаются в несколько рядов.

Основываясь на приведённых данных можно сделать вывод о достаточной эффективности использования газоимпульсной обработки как дополнения стандартной закалки деталей транспортно-технологических машин, бытовых машин и приборов из легированных среднеуглеродистых улучшаемых сталей, в том числе, с высоким или низким отпуском.

Литература

1. Иванов Д.А. Влияние дозвукового пульсирующего водовоздушного потока на напряженное состояние сталей при термообработке // Техникотехнологические проблемы сервиса. - СПб., 2007, №1, с. 97-100.

2. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности материалов за счет воздействия пульсирующих дозвуковых низкочастотных газовых потоков. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. - 123 с.

3. Иванов Д.А. Закалка сталей, алюминиевых и титановых сплавов в пульсирующем дозвуковом водовоздушном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2008, №2, с. 57-61.

4. Иванов Д.А. Прокаливаемость сталей при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоздушном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2010, № 11, с. 50-53.

5. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности металлических материалов путём их обработки нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2011, №4, с. 24-29.

6. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения деталей бытовых машин // Техникотехнологические проблемы сервиса. - СПб., 2012, № 4, с. 33-37.

7. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение конструктивной прочности машиностроительных материалов в результате сочетания термической и газоимпульсной обработки // Двигателестроение. - СПб., 2012, №3, с. 12-15.

8. Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру и механические свойства нормализуемых сталей // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2013, № 3, с. 19-22.

9. Булычев А.В., Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру, свойства и напряженное состояние металлических изделий // Технология металлов. - М., 2013, № 11, с. 30-33.

1 Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры "Техническая механика" СПбГЭУ, тел. +7 981 764 08 22, е-mail: tm_06@mail.ru