Влияние аэротермоакустической обработки на характеристики быстрорежущих сталей

УДК 621.78

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-873-876

ВЛИЯНИЕ АЭРОТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ

© С.А. Атрошенко

Институт проблем машиноведения РАН, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация,

e-mail: satroshe@mail.ru

Работа посвящена повышению эксплуатационных характеристик быстрорежущих сталей. Объектом исследования является изменение микроструктуры в процессе аэротермоакустической обработки при сравнении со стандартными видами термической обработки и изменение при этом характеристик быстрорежущих сталей. Основной достигнутый результат работы - выявление зависимости влияния режимов аэротермоакустической обработки на поведение быстрорежущих сталей. Выяснено, что применение аэротермоакустической обработки может использоваться для увеличения прочностных характеристик быстрорежущих сталей. Ключевые слова: аэротермоакустическая обработка; быстрорежущая сталь; прочностные характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

Среди множества методов упрочнения перспективным является использование возможности управления характеристиками металлов и сплавов (твердостью, износостойкостью, пластичностью, хладостойкостью и коррозионной стойкостью) с помощью их структурных и фазовых изменений, которые осуществляются в металлах под воздействием мощных акустических полей. Аэротермоакустическая обработка (АТАО) [1-3] относится к числу комбинированных средств воздействия на материалы. При ее проведении осуществляется воздействие температурных и акустических полей с целью формирования свойств материалов в желаемом направлении как во всем объеме (глубина упрочненного слоя определяется прокаливаемостью стали), так и в поверхностном слое. Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию микроструктуры быстрорежущих сталей после аэротермоакустической обработки в сочетании со стандартной термической обработкой (СТО) в разных комбинациях и выяснению физических механизмов, вызывающих изменения механических и структурных характеристик, определяющих показатели долговечности и прочности.

1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

лась на приборе ПМТ-3 при нагрузке 100 г. Для исследования изменения структуры быстрорежущей стали марки Р6М5 от поверхности к центру снимались панорамы изменения микротведости от поверхности шлифа к середине.

2. КИНЕТИКА СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ ПРИ АЭРОТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Микроструктура сверл из стали Р6М5 в исходном состоянии - после стандартной термической обработки (СТО) представлена на рис. 1а. Как видно, она состоит из светлых карбидов и темных зерен отпущенного мартенсита. На рис. 1б представлена структура сверла из того же материала после аэротермоакустической обработки и после работы в качестве режущего инструмента. Качественно структуры исходного и обработанного материалов похожи.

Результаты количественных характеристик структуры в исходном (initial) и обработанном (АТАО) состояниях приведены в табл. 1. Как видно, в результате аэротермоакустической обработки происходит уменьшение размера зерна (D) и измельчение карбидов (Dk) как мелких, так и крупных. Кроме того, карбиды рас-

Материалами для исследования служили: быстрорежущая сталь марки Р6М5 и американская быстрорежущая сталь марок HCV и Ш. Указанные материалы металлографически исследовались после аэротермо-акустической обработки и для сравнения после стандартной термической обработки.

Исследования микроструктуры проводились на оптическом микроскопе №орЬз^32 на металлографических шлифах после химического травления. Микротвердость определялась по методу Виккерса: замеря-

а)

б)

Рис. 1. Структура быстрорежущей стали Р6М5 в исходном состоянии

Таблица 1

Характеристики структуры

Материал D, Dk, мкм НУ,

мкм small large МПа

Р6М5 (initial) 6,3 ± 0,1 2,7 ± 0,1 7,7 ± 0,1 739 ± 10

Р6М5 (АТАО) 5,7 ± 0,1 2,,1 ± 0,1 7,5 ± 0,1 860 ± 10

пределяются более равномерно в обработанном материале. Повышение микротвердости в материале после АТАО по сравнению с исходным состоянием связано с гомогенизацией структуры. Так как диаметр отпечатка составил 12-13 мкм, а размер карбидной фазы и зерен а - твердого раствора гораздо меньше (от 2 до 7 мкм), то величина микротвердости является интегральной, характеризующей микротвердость обеих этих фаз и однородность распределения карбидов в твердом растворе.

Результаты измерения микротвердости сверл представлены в табл. 2.

По результатам видно, что показатели микротвердости сверл после аэротермоакустической обработки значительно выше аналогичных показателей после СТО.

Проведено исследование структуры сверл 03,6 мм после испытания на Сестрорецком инструментальном заводе (СИЗ). Структура на поверхности и в центре сверла после СТО и АТАО приведена на рис. 2. После СТО поверхность более светлая - травится слабее, чем после АТАО (рис. 2а, 2в). Это говорит о более высокой микротвердости в поверхностном слое. При дальнейшем удалении от поверхности характер изменения микротвердости в обоих сверлах одинаков, а ближе к середине - микротвердость обработанного материала выше, чем исходного. В табл. 3 представлены характеристики структуры в поверхностном слое и в центре сверл из быстрорежущей стали.

Видно, что в обработанном сверле в поверхностном слое размер крупных карбидов несколько меньше, чем в центре, а мелких - несколько больше, т. е. произошло усреднение карбидов в поверхности, размер зерна практически не изменился; в исходном же состоянии структура практически одинакова на поверхности и в центре. Таким образом, в поверхностном слое материала после обработки наблюдается выравнивание структуры. Гомогенизация приводит к более высокому комплексу механических свойств материала.

Так как температура обработки не превышает температуры фазовых превращений, то указанные структурные изменения могут являться результатом изменения концентрации точечных дефектов, образования новых дислокаций и дефектов упаковки, их взаимодействием и перераспределением, а также результатом перераспределения растворенных в твердой фазе элементов, что может быть вызвано термодиффузией при многократных нагревах и охлаждениях. Фактором, повышающим характеристики сталей, может являться термонаклеп, т. к. при нагревах и охлаждениях структурные составляющие, обладая разными физическими свойствами (теплоемкость, теплопроводность, коэффициент термического расширения) и прочностными, испытывают внутреннее микропластическое деформирование, что может вызывать и внутреннее напряжение.

Структура сверл из стали Р6М5 в поперечном и продольном сечениях практически не отличается. Для сравнения на рис. 3 представлены фотографии микроструктуры американских сверл из быстрорежущей стали после СТО. Структура этих сверл также представляет собой отпущенный мартенсит и карбиды. Сверла из стали марки НСV в продольном и поперечном сечени-

Таблица 2

Микротвердость сверл

№ п/п Размер сверла Обработка HV, МПа

1 03мм l = 135 мм СТО 824 ± 10

2 АТАО 1097±10

3 07мм l = 135 мм СТО 824 ± 10

4 АТАО 946 ± 10

5 03,5мм l = 70 мм СТО 946 ± 10

6 АТАО 1097±10

7 05 мм l = 135мм СТО 724 ± 10

8 АТАО 946 ± 10

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Структура сверла после работы из стали Р6М5 после СТО: (а) в поверхностном слое и (б) в центре шлифа и после АТАО: (в) в поверхностном слое и (г) в центре шлифа

Таблица 3

Характеристики структуры на поверхности и в центре сверл из стали Р6М5

Материал D, мкм Dk, мкм НУ, МПа

small large

Р6М5 (initial, поверхность) 6,4 ± 0,1 2,7 ± 0,1 7,6 ± 0,1 680 ± 10

Р6М5 (АТАО, поверхность) 5,8 ± 0,1 2,,3 ± 0,1 7,1 ± 0,1 640 ± 10

Р6М5 (initial, середина) 6,5 ± 0,1 2,6 ± 0,1 7,6 ± 0,1 743 ± 10

Р6М5 (АТАО, середина) 5,6 ± 0,1 1,9 ± 0,1 7,3 ± 0,1 799 ± 10

а)

б)

Рис. 3. Структура американской быстрорежущей стали НСV (а) и Ж (б) после СТО

150 мкм от края сверла в материале после АТАО ниже, чем после СТО. При дальнейшем удалении от поверхности характер изменения микротвердости в исходном и обработанном сверлах одинаков. Ближе к середине -микротвердость сверла после АТАО выше, чем после СТО.

Практически во всех случаях в быстрорежущих сталях после АТАО наблюдается увеличение микротвердости от 10 до 33 % по отношению к СТО. Также наблюдается гомогенизация структуры - измельчение карбидов и аустенитного зерна после исследуемого вида технологической обработки.

Таблица 4

Сравнение микротвердости быстрорежущей стали марок HCV и HS

Материал НУ, МПа

Сталь œV 1019±10

Сталь Ш 580 ± 10

ях имеют одинаковую структуру (рис. 3а), а в стали HS видна карбидная полосчатость (рис. 3б) вдоль предварительной обработки. Эти скопления карбидов и являются причиной более низкой микротвердости (табл. 4). Кроме того, в этой стали оказалось довольно большое количество остаточного аустенита, чем также может объясняться низкая для быстрорежущей стали микротвердость.

Таким образом, влияние технологической обработки на быстрорежущую сталь проявляется в изменении количественных характеристик структуры - более равномерном распределении карбидов, измельчении их и зерна, т. е. в гомогенизации структуры.

Исходным сверлом (после СТО) было просверлено 28 отверстий, а после аэротермоакустической обработки - 192 отверстия. Таким образом, сверла из быстрорежущей стали после аэротермоакустической обработки приблизительно в 6,8 раза прочнее и производительнее аналогичных сверл после стандартной технологической обработки.

Диаграмма изменения микротвердости от поверхности к центру шлифа после стандартной и аэротермоакустической обработки показывает, что микротвердость в поверхностном слое на расстоянии 100-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выявлено влияние аэротермоакустической обработки на структуру исследуемых материалов: в процессе обработки наблюдается гомогенизация структуры, а также измельчение зерна и уменьшение размера карбидов.

2. Сверла из быстрорежущей стали после АТАО в 6,8 раза прочнее и производительнее аналогичных сверл после СТО.

3. Практически во всех случаях в данных сталях после АТАО наблюдается увеличение микротвердости на 10-33 % по отношению к СТО.

4. Применение АТАО позволяет повысить долговечность режущего инструмента. Следовательно, может использоваться в инструментальном производстве для увеличения характеристик быстрорежущих сталей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атрошенко С.А., Ламонова О.А. Исследование влияния аэротермоакустической обработки на качество быстрорежущих сталей // Вестник ИНЖЭКОНа. Серия: Технические науки. 2009. Вып. 8 (35). С. 95-107.

2. Инструментальные материалы: учеб. пособие для студентов вузов / Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова, А.Ф. Леонов, В.К. Ерофеев. СПб.: Политехника, 2005. 267 с.

3. Ерофеев В.К., Воробьева Г.А., Генкин П.Г. Аэротермоакустическая обработка металлов и сплавов // Металлообработка. 2001. № 6. С. 18-22.

БЛАГОДАРНОСТИ: Автор благодарит учащуюся лицея 101 г. Санкт-Петербурга Е.М. Николаеву за помощь в проведении исследований.

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 621.78

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-873-876

THE INFLUENCE OF AERO-THERMO-ACOUSTIC TREATMENT ON RAPID STEEL CHARACTERISTICS

© S.A. Atroshenko

Problems of Science of Machine Institute RAS, Saint-Petersburg, Russian Federation,

e-mail: satroshe@mail.ru

The work is devoted to improvement of characteristics of rapid steels. The subject of this study is microstructure changing during aero-thermo-acoustic treatment in comparison with conventional kinds of heat treatment and characteristic changing of rapid steels under aforementioned treatment. The main result of this work is determination of dependence of aero-thermo-acoustic treatment regimes influence on rapid steels behavior. It was revealed that application of aero-thermo-acoustic treatment technology can be used for strength characteristics increasing of rapid steels.

Key words: aero-thermo-acoustic treatment; rapid steels; strength characteristics.

REFERENCES

1. Atroshenko S.A., Lamonova O.A. Issledovanie vlijanija ajerotermoakusticheskoj obrabotki na kachestvo bystrorezhushhih stalej. Vest-nik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo inzhenerno-ekonomicheskogo universiteta. Serija: Tehnicheskie nauki. — Vestnik of Saint Petersburg State University of Engineering and Economics. Series Technical Sciences, 2009, no. 8 (35), pp. 95-107.

2. Vorob'eva G.A., Skladnova E.E., Leonov A.F., Erofeev V.K. (eds.). Instrumental'nye materialy. St. Petersburg, Politekhnika Publ., 2005.267 p.

3. Erofeev V.K., Vorob'eva G.A., Genkin P.G. Ajerotermoakusticheskaja obrabotka metallov i splavov. Metallobrabotka, 2001, no. 6, pp. 18-22.

GRATITUDE: The author gives gratitude the pupil of lyceum 101 of Saint-Petersburg E.M. Nikolaeva for help in carrying out research.

Received 10 April 2016

Атрошенко Светлана Алексеевна, Институт проблем машиноведения РАН, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории физики разрушения, e-mail: satroshe@mail.ru

Atroshenko Svetlana Alekseevna, Problems of Science of Machine Institute RAS, Saint-Petersburg, Russian Federation, Doctor in Physics and Mathematics, Professor, Leading Research Worker of Physics of Fracture Laboratory, e-mail: satroshe@mail.ru