Влияние режимов термообработки и механообработки на свойства и качество поверхности среднелегированных сталей

ЕТАПЛООБРАБОТК]

УДК 621.785.47

Влияние режимов термообработки и механообработки на свойства и качество поверхности среднелегированных сталей

В. И. Муравьёв, П. А. Саблин, С. З. Лончаков, А. М. Мартынюк, Е. А. Панова

В работе приведены результаты исследований влияния эффектов аустенитного превращения и пред-превращения предварительно закаленной стали 30ХГСА и окончательных режимов высокоскоростной обработки (ВСО) на свойства и качество поверхностности и приповерхностного слоя деталей. Проанализировано влияние температурно-временных условий нагрева предварительно закаленной стали до температуры аустенизации на структурные изменения мартенсита после охлаждения. Проведена сравнительная оценка влияния окончательной механообработки по традиционным режимам и режимам ВСО на качество поверхности и приповерхностного слоя образцов, термически обработанных по традиционным и новым режимам.

Ключевые слова: среднелегированная сталь 30ХГСА, быстрая аустенизация, закалка, фазовое предпре-вращение, фазовый наклеп, высокоскоростная механообработка, шероховатость, физикомеханические свойства.

Введение

В настоящее время и в ближайшем будущем самыми распространенными конструкционными материалами станут стали и сплавы как в «чистом» виде, так и в составе ряда композиционных материалов. Поэтому одной из первостепенных задач можно считать разработку технических решений, обеспечивающих повышение надежности деталей из сталей и сплавов при сохранении или снижении их мас-согабаритных показателей, ресурсо-, энерго- и трудоемкости изготовления.

Достижения в области создания высококачественных материалов иллюстрирует известная зависимость прочности от концентрационной плотности дислокаций [1]. Показатели прочности, приближающиеся к теоретическим, можно получить в двух противоположных направлениях: приближаясь к идеальному бездефектному монокристаллическому состоянию (левая ветвь кривой) или повышая плотность дефектов, наноструктурируя материал.

Задача управления механическими свойствами сталей на различных этапах технологического цикла изготовления и эксплуатации конструкции традиционно решается термической и механической обработками. При этом у обоих способов физический механизм управлениями свойствами схож и с позиции дислокационной теории прочности заключается в обеспечении требуемой подвижности элементов дислокационной структуры. В рассматриваемых способах ограничение подвижности дислокаций достигается повышением их концентрации (силовые поля вокруг дислокаций образуют барьеры для соседних дислокаций) либо путем измельчения зерен (границы зерен также снижают подвижность дислокаций, в связи с чем увеличение их протяженности снижает подвижность дефектов).

Превышение мезо- и нанодефектов концентрации критического уровня (1012-1014) приводит к нарушению сплошности в виде образования субмикроскопических трещин, которые могут вызвать хрупкое разрушение, если радиус в вершине трещины очень мал.

Технологии интенсивной пластической деформации [2, 3] позволяют в несколько раз повысить прочность сплавов по сравнению с традиционными видами термомеханической обработки, но показатели пластичности и вязкости разрушения при этом значительно снижаются.

Известно [4], что при превращениях мартен-ситного типа достигается такое же упрочнение, как и при высоких степенях пластической деформации. Традиционные технологии закалки создают значительные напряжения 1-го и 2-го рода, обусловливающие возникновение участков со степенью концентрации дефектов, превышающей критическую, что приводит к резкому ухудшению эксплуатационных свойств готовых изделий.

Состояние предпревращения в сплавах железа позволяет резко увеличить пластичность [субкритическую сверхпластичность (СПП)], в частности в низкоуглеродистых сталях [5].

В ряде работ [6-9] было обнаружено улучшение свойств сталей и сплавов при резком сокращении времени выдержки при температуре, превышающей Асз (в интервале СПП).

Окончательная доводка деталей механообработкой характеризуется переходом к высокоскоростным режимам обработки (ВСО) в сочетании с жесткими требованиями к их качеству и точности. Поэтому установление взаимосвязи между режимами термообработки, ВСО и полученными свойствами и качеством поверхностного и приповерхностного слоев является актуальной задачей.

Цель настоящей работы — исследование влияния фазового наклепа на структурные изменения и свойства при окончательной доводке изделий из сталей и сплавов.

Оборудование, технологии

и методы исследований

Термообработку стандартных разрывных и ударных образцов из стали 30ХГСА осуществляли традиционно (Т) — нагрев до температуры аустенизации 900±5 °С в расплаве солей 50 % NaCl + 50 % KCl со средней скоростью 700 °С/с. Выдержку отсчитывали с момента погрузки образца в расплав солей с температурой аустенизации, она составила 1 мин на

1 мм толщины образца. Закалку осуществляли в проточной подсоленной воде при температуре 4-6 °С. Отпуск образцов производили в электропечи при температурах 200 °С — 2 ч и 500 °С — 1 ч. Новый режим термообработки (НТ) отличался тем, что после традиционной закалки образцы подвергали повторной закалке с сокращенной выдержкой (15-20 с) при температуре аустенизации.

Механическую обработку проводили на вертикально-фрезерном станке с ЧПУ HAAS VF-1, режущий инструмент - концевая фреза фирмы Walter диаметром 12 мм, материал режущей части — твердый сплав.

Традиционные режимы механической обработки (МО): v = 100 м/мин, n = 2600 мин-1, S = 83,2 мм/мин.

Высокоскоростные режимы механической обработки (ВСО): v = 1000 м/мин, n = 25 000 мин-1, S = 800 мм/мин.

Испытание на одноосное растяжение со скоростью 15,5 мкм/с на стандартных образцах по ГОСТ 1497-84 проводили на испытательной машине INSTRON 3382. Твердость определяли на твердомере TH300 по методу Роквелла по ГОСТ 9013-59, микротвердость — на твердомере HMV-2TE по ГОСТ 9450-76 с использованием четырехгранной пирамидки с квадратным основанием, длительностью приложения нагрузки 5 с. Микроструктуру исследовали на оптическом микроскопе Planarmicro 2000 и сканирующем электронном микроскопе VP-SEMS-3400N.

Потенциал Гиббса .Er, характеризующего внутреннюю энергию материала, рассчитывали на основании результатов измерения микротвердости при различных нагрузках и экстраполяции удельных энергетических затрат на нулевую нагрузку.

Качество поверхности образцов после окончательной МО и ВСО оценивали с помощью профилометра TR200 (Time Group) по профи-лограммам.

Результаты исследований

и их обсуждение

Для НТ достаточность сокращенной выдержки при повторной закалке определяется процессами, происходящими в интервале пред-

Таблица 1

Изменение механических свойств предварительно закаленной стали 30ХГСА в зависимости от времени выдержки при нагреве до температуры аустенизации и охлаждении

Выдержка при нагреве, с ав, МПа а02, МПа 5, % ¥, % Модуль Юнга Е • 102, МПа Энергия Гиббса Ек • 1013, Па

До 1 1492 1343 18,3 89 1691 1020

2-3 1242 1190 20 53,6 2546 1550

5 1049 547 17,3 56 2546 978

7 989 736 21 59 1780 880

10 1012 971 21,4 52 2502 1330

15 1239 1190 22 64 2516 1520

20 1851 1545 26 40 2516 1680

превращения при температуре аустенизации. В узком временном отрезке при температуре аустенизации закаленной низколегированной углеродистой стали наблюдается комплекс фазовых превращений: мартенсита в перлит, перлита в аустенит, аустенита в мартенсит при быстром охлаждении. Каждый вид фазового превращения соответствует строго определенному временному интервалу, фиксируемому при скоростном охлаждении до окружающей температуры.

В первые доли секунды высокая скорость нагрева (700 °С/с) предварительно закаленной стали приводит к повышенной диффузионной подвижности атомов, особенно атомов углерода (температура 400-500 °С). В этих условиях протекают начальные процессы перераспределения и уменьшения концентрации дефектов фазового наклепа (сверх равновесной) путем аннигиляции и стока к дислокациям и границам субзерен и зерен, не сопровождающихся образованием новых границ. Свидетельства тому — резкое снижение внутренней энергии материала (потенциал Гиббса Ек уменьшается в 1,5 раза) и ослабление энергии межзеренной связи (модуль Юнга уменьшается, табл. 1). При этом сохраняется структура мартенсита без изменения границ зерен.

В дальнейшем фазовое превращение (2-3 с) мартенсита сопровождается полигонизацей [10, 11], наблюдаются интенсивные образование и движение малоугловых дислокационных субграниц.

Упорядочивание структурных неоднородно-стей, исключение неравновесной концентрации дефектов фазового наклепа и последующая по-лигонизация структуры мартенсита дают максимальные значения прочности и пластичности низкоуглеродистых сталей (табл. 1).

Выдержка более 3 с сопровождается рекристаллизацией — превращением мартенсита в ферритно-перлитную структуру, которая заканчивается при выдержке 7-8 с.

При этом механические свойства низкоуглеродистой стали соответствуют отожженному состоянию, но с увеличением пластичности.

С этого момента начинается превращение перлита в аустенит, которое заканчивается при выдержке 15-20 с, а при охлаждении в воде аустенит превращается в мартенсит и остаточный аустенит. Структура мартенсита мелкозернистая по сравнению с исходной закалкой, прочность значительно выше.

Из данных табл. 2 видно, что образцы, подготовленные для исследования влияния режимов МО и ВСО на качество поверхности, имеют существенные различия в свойствах при традиционной и новой термообработках.

Из рис. 1 видно, что качество поверхности в значительной степени зависит как от режи-

1 2 3 4 5 б

Традиционная обработка 0,26 0,27 0,46 0,48 0,47 0,55

Максимальная высокоскоростная обработка 0,08 0,14 0,18 0,28 0,17 0,21

Рис. 1. Гистограмма изменения шероховатости поверхности образцов стали 30ХГСА в зависимости от термической обработки и режимов резания. Режимы от 1 до 6 — см. табл. 2

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

Таблица 2

Механические свойства стали 30ХГСА в зависимости от режимов термообработки

Режим Предел прочности ств, МПа Условный предел текучести ст02, МПа Относительное удлинение 8, % Ударная вязкость KCU, кгс • м/см2 Ударная вязкость KCV, кгс • м/см2 HRC

Т 1670 1600 7,5 40,4 11,6 49

НТ 1765 1690 13 42,1 16,0 51

ТО1 1710 1580 23 49,9 22,1 50

НТО1 1800 1720 23 56,6 28 52

ТО2 1046 880 38 73,5 47,7 31

НТО2 1077 970 42 74,0 54,9 32

П р и м е ч а н и е: О1 — отпуск при 200 °С, 2 ч; О2 — отпуск при 510 °С, 1 ч.

мов термообработки, так и от режимов резания. Чем выше исходная твердость образца, тем меньше шероховатость, т. е. качественнее поверхность, причем лучшее качество поверхности у образцов, термически обработанных по новому режиму и после ВСО.

Высокоскоростное фрезерование является одним из самых нестационарных процессов механообработки, поэтому оно обладает наиболее сложной динамикой [12]. Эффект ВСО объясняется структурным изменением материала, возникающим вследствие пластических деформаций, проходящих с высокой скоростью в зоне отрыва стружки. При увеличении скоро-

сти деформации с достижением в зоне струж-кообразования определенной температуры сила резания существенно снижается.

Как видно из данных рис. 2 и 3, микротвердость и условные значения энергии Гиббса после термообработки минимальны по сравнению со значениями после механообработки, но наибольшие значения после закалки уменьшаются по мере увеличения температуры отпуска. Такая закономерность связана с возникновением наклепа при превращении аустенита в мартенсит при закалке, обратном мартенситном превращении при отпуске, сопровождающемся упорядочением структурной неоднородности.

в) 700 Ё 600 £ 500 % 400 £ 300 | 200 | 100 0 Т/О + ВСО и НТО + ВСО

1 2 3

Т/О + ВСО 532 556 379

НТО + ВСО 628 396 390

Рис 2. Гистограммы изменения микротвердости с поверхности образцов стали 30ХГСА в зависимости от режимов термической обработки и режимов резания: а — после традиционной термообработки и новой термообработки; б — после традиционной термообработки с ТМ и новой термообработки с ТМ; в — после традиционной термообработки с ВСО и новой термообработки с ВСО; режимы термообработки для всех графиков (см. табл. 2): 1 — 1 + 4; 2 — 3 + 6; 3 — 2 + 5

Uio

№ 4 (88)/2015

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

а)

0,03

После Т/О

б)

После Т/О и МО

в)

Рис 3. Гистограммы изменения условной энергии Гиббса в поверхностном слое образцов стали 30ХГСА в зависимости от режимов термической обработки и режимов резания: а — после традиционной термообработки и новой термообработки; б — после традиционной термообработки с ТМ и новой термообработки с ТМ; в — после традиционной термообработки с ВСО и новой термообработки с ВСО; режимы термообработки для всех графиков (см. табл. 2): 1 — 1 + 4; 2 — 3 + 6; 3 — 2 + 5

0,03

После Т/О и ВСО

Особенности высокоскоростной обработки заключаются в том, что структурные изменения материала в поверхностном слое по сравнению с традиционными режимами резания различаются. Температурные условия в зоне отрыва стружки при ВСО значительно выше [12, 13]. Поэтому наклеп поверхностного слоя механообработкой при ВСО в большей степени снимается самоотпуском из-за повышенной температуры. Значения микротвердости и условной энергии Гиббса несколько ниже по сравнению с традиционными режимами резания.

Таким образом, новый режим термообработки и финишная доводка поверхности ВСО деталей из среднелегированных сталей обеспечивают упорядочение структурной неоднородности, увеличение прочности, пластичности и улучшение качества поверхности.

Упорядочение структурной неоднородности поверхностного слоя деталей при ВСО должно оказывать влияние на усталостную прочность и надежность конструкции, что требует проведения дальнейших исследований.

Выводы

1. Выявлены температурно-временные условия упорядочения структурной неоднород-

ности фазово-наклепанной стали 30ХГСА в интервале аустенитного предпревращения и последующего превращения, при которых наблюдается повышение пластичности при сохранении прочности.

2. Установлено: качество поверхности сред-нелегированных сталей зависит и от режимов термообработки, и от режимов резания. Чем выше исходная твердость стали, тем меньше шероховатость. Наилучшее качество поверхности — у образцов стали 30ХГСА, термически обработанных по новому режиму (повторная закалка с сокращенной выдержкой при аусте-низации) и с последующей ВСО.

3. Показано, что окончательная механообработка традиционными методами резания и ВСО из-за деформационного наклепа дает повышенные значения микротвердости и условной энергии Гиббса в поверхностном слое изделий по сравнению с исходным состоянием после термообработки.

4. Наклеп поверхностного слоя стали 30ХГСА, характеризуемый значениями микротвердости и условной энергии Гиббса, при ВСО несколько ниже по сравнению с традиционной механообработкой, что вызвано самоотпуском из-за повышенной температуры в зоне отрыва стружки.

5. Окончательная доводка ВСО деталей из среднелегированных сталей улучшает качество

поверхности, а доводка после термической обработки по новому режиму дает упорядочение в большей степени структурной неоднородности поверхностного слоя по сравнению с механообработкой традиционными методами, что позволяет повысить пластичность при сохранении высокой прочности.

Литература

1. Чеховой А. Н. Классификация наноматериалов и нанотехнологии для машиностроения и метрология наностроения // Конструкции из композиционных материалов. 2005. № 4. С. 8-17.

2. Терентьев В. Ф. Сопротивление усталости сплавов титана и железа с субмикрокристаллической и наноструктурой. Обзор // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 10. С. 21-27.

3. Пикеринг Ф. Б. Физическое металловедение и разработка сталей: пер с англ. М.: Металлургия, 1982. 184 с.

4. Лариков Л. Н. Залечивание дефектов в металлах. Киев: Наук. думка, 1980. 280 с.

5. Гуляев А. П. Состояние предпревращения в сплавах железа // Металловедение и термическая обработка металлов. 1991. № 6. С. 7-10.

6. Изотермическая закалка как инструмент нанофор-мирования дефектной структуры стали Р18 для улучшения эксплуатационных характеристик режущего инструмента / В. И. Муравьев, А. В. Фролов, А. М. Злыгостев [и др.] // Металлообработка. 2009. № 2. С. 50-57.

7. Влияние размера зерна и деформационной субструктуры аустенита на кристоллогеометрческие особенности бейнита и мартенсита низкоуглеродистых сталей / Н. Ю. Золоторевский, А. А. Зисман, С. Н. Понну-рин [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. № 10. С. 39-48.

8. Использование эффектов аустенизации предпре-вращения и превращения при термической обработке конструкционных сталей / В. И. Муравьев, А. В. Фролов, А. В. Кириков, А. М. Мартынюк // Вопр. материаловедения. 2012. № 3. С. 7-14.

9. Муравьев В. И., Фролов А. В. Управление дефектной структурой сплавов на границе фазовых превращений с использованием метода акустической эмиссии. Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2013. 219 с.

10. Малюков С. Т., Скаков Ю. А., Штремель М. А. Научно-исторический обзор // Научные школы МСИиС. 75 лет становления и развития / Под ред. Ю. С. Караба-сова. М.: МИСиС, 1997. 628 с.

11. Горелик С. С. Рекристаллизация и предрекри-сталлизационные процессы в неорганических материалах и их классификация // Научные школы МСИиС. 75 лет становления и развития / Под ред. Ю. С. Караба-сова. М.: МИСиС, 1997. 628 с.

12. Биленко С. В. Моделирование динамики сил резания при высокоскоростной механической обработке / С. В. Биленко, В. И. Муравьев, П. А. Саблин, А. Г. Серебрянникова // Ученые записки КнАГТУ. 2011. № 1У-1 (8). С. 42-50.

13. Влияние округления режущей кромки на шероховатость поверхности после фрезерования / В. А. Ким, Е. Б. Щелкунов, С. В. Белов // Технология машиностроения. 2011.№ 5. С. 14-16.

Уважаемые авторы!

Для полноценной работы ссылок в Научной Электронной Библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.

Ссылки должны быть составлены согласно ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (в случае, если они зарегистрированы). В противном случае НЭБ не сможет идентифицировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.

С уважением, редакция журнала «Металлообработка»