Исследование технологических возможностей упрочнения инструментальной углеродистой стали у12а способом продольного выдавливания в матрице с каналом переменного сечения

УДК 621.78

Исследование технологических возможностей упрочнения инструментальной углеродистой стали У12А способом продольного выдавливания в матрице с каналом переменного сечения

В. Г. Терещенко

В целях совершенствования технологии изготовления деталей повышенной прочности исследованы технологические возможности применения предварительной термомеханической обработки для получения повышенной твердости и пластичности инструментальной углеродистой стали У12А.

Ключевые слова: термомеханическая обработка, интенсивная пластическая деформация, продольное выдавливание в матрице с каналом переменного сечения.

Введение

В целях снижения металлоемкости машин и конструкций, увеличения ресурса их работы и надежности необходимо повысить качество металлопродукции. Для формирования механических свойств металла на практике используют термическую обработку и пластическую деформацию, порождающие в системе структурные и фазовые превращения. Представляется перспективным применение термомеханической обработки (ТМО) с использованием внешних пластических деформаций в едином технологическом цикле для упрочнения стальных деталей стержневого типа.

Основная часть

Механические свойства стали определяются ее структурным состоянием: типом кристаллической решетки, размером и формой зерен, внутризеренной структурой, числом и расположением упрочняющих фаз, степенью однородности химического состава по объему материала и рядом других более тонких составляющих [1].

При холодной пластической деформации повышается плотность дефектов кристаллического строения, что обусловливает упрочнение металлических материалов. Изменения, вносимые деформацией, могут оказывать влияние на фа-зово-структурные превращения при последующей термообработке сталей.

Согласно схеме предварительной термомеханической обработки (ПТМО) холодная пластическая деформация предшествует термической обработке — закалке с отпуском. В этом случае основное предназначение закалки — проведение нагрева и охлаждения так быстро, чтобы не допустить снятия наклепа. При этом перерыв между холодной пластической деформацией и нагревом под закалку не регламентируется, что значительно упрощает технологический процесс ПТМО. Данная схема приобретает в ряде случаев определяющее значение с точки зрения улучшения структуры и механических свойств металла, снижения окалинообразова-ния и обезуглероживания.

Наиболее целесообразным методом для накопления деформации может быть метод уширяющей экструзии [2] или, в соответствии с классификацией процессов штамповки, продольного выдавливания в матрице с каналом

№ 3(81)/2014

43В

МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

переменного сечения. В работе [3] была предложена схема с двумя последовательно расположенными эллиптическими сечениями.

Согласно схеме (рис. 1) исходная цилиндрическая заготовка (сечение А-А) в процессе прохождения через канал матрицы сначала приобретает форму эллипса (сечение Б-Б) в первом очаге пластической деформации (ОПД). Затем одна из полуосей эллипса увеличивается, а другая уменьшается (сечение В-В) в следующем втором ОПД. После завершения очередного цикла деформации в калибрующем участке матрицы (третьем ОПД) поперечное сечение заготовки принимает форму круга при некотором уменьшении площади сечения (сечение Г-Г), что позволяет создать противодавление для полного заполнения полости матрицы и многократно пропускать заготовку через одну матрицу, накапливая деформацию.

В настоящей работе исследовано влияние предварительной пластической деформации на механические свойства инструментальной углеродистой стали У12А после термообработки (закалки и отпуска) в зависимости от степени деформации и времени нагрева под закалку токами высокой частоты (ТВЧ).

В качестве исходной заготовки использовали пруток, из которого были изготовлены способом отрезки в штампе образцы диаметром 6 мм и длиной 20 мм. Перед первой штамповкой заготовки прошли термическую обработку — полный рекристаллизационный отжиг.

Процесс штамповки был реализован в опытном штампе. Деформирование заготовок выполнялось за четыре прохода через одну и ту же матрицу. При каждом последующем проходе очередная заготовка проталкивалась предыдущей заготовкой. Диаметр заготовок после

Рис. 1. Продольное выдавливание в матрице с каналом переменного сечения: 1 — заготовка; 2 — пуансон; 3 — матрица

продольного выдавливания 5,6 мм, длина — 23 мм. С аналогичными размерами были изготовлены заготовки на токарном станке, которые подвергли закалке и отпуску без предварительной деформации.

Закалка выполнена с помощью высокочастотного генератора ВЧГ1-60/0,066УХ14 (установленная мощность 14 кВт) поштучно. Длительности выдержки, которые установлены из априорных соображений 6 и 10 с, измерены секундомером. Заготовки охлаждали в ванне, содержащей 10%-ный раствор поваренной соли. Каждый опыт повторяли 3 раза для различных степеней деформации. После закалки проведен отпуск (2%-ный раствор ^2^3, 4 ч, 100 °С). Затем заготовки охлаждали на воздухе. После термической обработки образцы очищали от окалины. Поверхности заготовок для измерения твердости в пяти точках (прибор ТК-2М) отшлифовывали для получения низкой шероховатости и обеспечения параллельности.

В результате получена графическая зависимость твердости заготовок от степени предварительной холодной пластической деформации и времени выдержки при нагреве под закалку ТВЧ (рис. 2). Из графика следует, что длительность выдержки при нагреве под закалку слабо влияет на твердость, для недеформиро-ванных заготовок практически не отличается. При минимальной выдержке твердость ниже. Последующая упрочняющая термообработка (закалка с низким отпуском) заготовок после

нкс

68

67

66

65

64

63

62

0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

Степень деформации

Рис. 2. Зависимость твердости заготовок от степени предварительной холодной пластической деформации и времени выдержки при нагреве под закалку ТВЧ: —--время выдержки 6 с; —♦— — время выдержки 10 с

№ 3(81)/2014

холодной пластической деформации при кратковременном нагреве ТВЧ позволяет получить большее значение твердости по сравнению с термоупрочненными недеформированными заготовками. Можно утверждать, что для стали У12А существует оптимальная степень накопленной пластической деформации с точки зрения повышения механических свойств.

Однако известно, что при увеличении твердости снижается пластичность стали, следовательно, выше вероятность хрупкого разрушения, возникающего под действием изгибающих и крутящих моментов. Для сравнения пла-стичностей выполнены сравнительные испытания прочности закаленных образцов, изготовленных с применением предлагаемого способа и без предварительной деформации, на сжатие. Схема испытания представлена на рис. 3.

На рис. 4 представлены диаграммы сила — перемещение для стали У12А, полученные при сжатии закаленных образцов из стали У12А. Установлено, что закаленные образцы, изготовленные предлагаемым способом, разрушаются при больших силе сжатия и перемещении верхней плиты. Следовательно, энергия, необходимая для разрушения образцов после термической обработки, зависит от степени предварительной холодной пластической деформации. Можно предположить, что образцы из стали У12А, подвергнутые ПТМО, наследуют деформационную структуру, которая обеспечивает повышение прочности на изгиб и кручение.

Целесообразно продолжить исследования влияния предварительной пластической деформации на прочность различных сталей после термообработки.

к

«

<й ч к о

4

Рис. 3. Испытание стальных образцов на сжатие:

1 — верхняя плита; 2 — обойма; 3 — испытуемый образец; 4 — нижняя плита

160 140 120 100 80 60 40 20

0 1 2

Перемещение Н, мм

Рис. 4. Диаграммы сила — перемещение, полученные при сжатии закаленных образцов из стали У12А: --степень деформации 0; —--степень деформации 0,9

Работа выполнена под руководством канд. техн. наук, профессора Н. П. Агеева.

Выводы

1. Последующая упрочняющая термообработка (закалка с низким отпуском) заготовок после холодной пластической деформации способом продольного выдавливания в матрице с каналом переменного сечения при кратковременном нагреве ТВЧ позволяет получить большее значение твердости по сравнению с термоупрочненными недеформированными заготовками.

2. Сравнительные испытания прочности закаленных образцов, изготовленных с применением предлагаемого способа и без предварительной деформации, на сжатие показали повышение прочности и пластичности.

Литература

1. Смагоринский М. Е., Булянда А. А., Кудряшов С. В.

Справочник по термомеханической и термоциклической обработке металлов. СПб.: Политехника, 1992. 416 с.

2. Винтовая экструзия — процесс накопления деформации / Я. Е. Бейгельзимер, В. Н. Варюхин, Д. В. Орлов, С. Г. Сынков. Донецк: ТЕАН, 2003. 87 с.

3. Агеев Н. П., Терещенко В. Г. Исследование технологических возможностей применения предварительной, до термообработки, интенсивной холодной пластической деформации способом уширяющей экструзии для упрочнения стержневых деталей // Металлообработка. 2012. № 5-6. С. 40-44.

/

2

3

№ 3 (81)/2014

45В