Основной целью настоящей работы является разработка оптимальных технологических схем изготовления инструментов из быстрорежущих сталей на основе теоретических положений, а также исследований автора с сотрудниками, в которых изучались вопросы формирования структуры и свойств стали PI8 и новых современных марок быстрорежущей стали в процессе их высокотемпературной пластической деформации и термической обработки. Особое внимание в настоящей работе уделено вопросам раскрытия механизма формирования аустенита быстрорежущей стали в процессе её пластической деформации и на разных этапах термической обработки, связанным с дальнейшим развитием и теоретическим обоснованием выбора схем термомеханической обработке быстрорежущих сталей с целью их использования в практике массового изготовления инструментов.
В работах посвященных исследованию влияния термомеханической обработке на свойства быстрорежущих сталей, отмечалось, что эффект их упрочнения и сохранения высоких режущих свойств проявляется лишь при определенных температурах нагрева и степенях пластической деформации. У разных авторов были получены отличающиеся друг от друга режимы термомеханической обработке, которые способствовали улучшению прочностных и режущих свойств инструментов, изготовленных по различным схемам.
При изучении формирования структуры и свойств литых малодеформированных и стандартных катаных повторнодеформированных быстрорежущих сталей был накоплен опыт работы с этой сложной по химическому составу и труднодеформируемой сталью. При проведении исследований использовались методы, кроме основных методов металлографического, электронномикроскопического анализов структуры, а также фазового анализа стали, которые нашли широкое применение в лабораторной и заводской практике.
Известно, что быстрорежущая сталь относится к труднодеформируемым сплавам, поэтому необходимо было исследовать её пластичность при высоких температурах, чтобы при создании новых технологических схем термомеханической обработки можно было применять научно обоснованные режимы нагрева стали.
Опытами установлено, что с повышением температуры сопротивление деформации инструментальных сталей снижается.
Сопротивление металла деформации определяется его химическим составом и определяет энергетические и силовые показатели процесса деформирования, а пластичность характеризует способность металла к деформации без разрушения. Обе эти характеристики металла могут косвенно отражать его способность к упрочнению в процессе пластической деформации. Поэтому в настоящей работе определялась технологическая пластичность новых, современных марок быстрорежущей стали и стали Р18 тремя разными методами, каждый из которых наиболее близко характеризует поведение стали при высоких температурах и при разных схемах её деформации.
Применительно к условиям горячей обработки давлением показателем пластичности является степень обжатия, выраженная в виде относительного обжатия, которое может изменяться в пределах от 0 до 1.
Но высота квадрата до деформации, fix - высота квадрата после деформации. Размер образцов принимался с таким расчетом, чтобы после их прокатки в затылованных гладких ручьях по схеме, указанной, можно было получить степень деформации (относительного обжатия), £ , от нуля до 99. Это потребовалось для того, чтобы получить от прокатанных клиньев максимальный объем информации, и этот вид испытаний был принят за основу при построении диаграмм рекристаллизации стали после её прокатки и последующей закалки, а также при использовании промежуточных режимов высокотемпературного отпуска и отжига.
При определении пластичности методом прокатки на клин, исследуемый образец находится в условиях объемного напряженного состояния, отвечавшего прокатке со свободным уширением при переменном обжатии. Образцы для испытаний изготавливались из литого и деформированного металла. При определении пластичности этим методом образцы прокатывались в валках с калибром, имеющим переменный радиус, на полосы клиновидного продольного сечения. Обжатие полосы при этом плавно изменяется от 0 до 9 и более, что зависит от калибровки валков и способа подачи образцов в валки.
Проведенные Ю.М. Чижиковым исследования показали, что предел пластичности в определенных условиях деформации достигается при некотором суммарном обжатии, величина которого мало зависит от того, как достигнуто это суммарное обжатие. При этом всё же следует учитывать характер напряженного состояния в процессе деформирования, который задается формой ручьёв. Принятый метод исследования пластичности прокаткой на клин ближе всего соответствует общепринятому способу прокатки стали в ручьях с постоянным профилем и совершенно адекватно характеризует поведение металла в процессе прокатки его на прокатных станах. Принятый метод удобен ещё и в том отношении, что по диаграммам пластичности, зная величину требуемого относительного обжатия стали при прокатке со свободным уширением и других способах её пластического деформирования, можно очень просто определить температуру нагрева стали, при которой она будет деформироваться без нарушения сплошности.
Из практики прокатки быстрорежущих сталей известны случаи, когда наблюдается пониженная пластичность отдельных плавок, которая приводит к нарушению сплошности металла и при допустимых степенях обжатия. В этом случае, если химический состав стали отвечает требованиям ГОСТ 19265-73, то клиновая проба может дать необходимую информацию для определения причин понижения пластичности данной плавки.
Прочность и пластичность аустенита быстрорежущей стали зависят от её состава и размеров зерна. В этом случае динамические испытания, при которых не успевает пройти рекристаллизация, дают более точную картину влияния легирущих элементов на сопротивление стали ударному разрушению.
Испытания на горячую ударную вязкость проводили на образцах I типа по ГОСТ 9456-60 на копре МК-30. Нагрев образцов, осуществляли в муфельной печи, перегрев составлял 35-45° для компенсации тепловых потерь при переноске и установке образцов на опорах копра.
Горячая ударная вязкость быстрорежущих сталей не может служить критерием оценки их пластичности. Однако эта характеристика свидетельствует о влиянии легирущих элементов в быстрорежущей стали на сопротивление её ударному разрушению при высоких температурах и может быть использована для оценки свойств сталей при ковке.
Для построения диаграмм рекристаллизации использовались клиновые образцы, которые прокатывались для построения диаграмм пластичности. Из клиньев в продольном сечении изготавливались шлифы, которые подвергались травлению с целью снятия наклёпанго верхнего слоя и выявления действительной структуры стали в средней части клина, где не могло сказаться на структуре достуживание образцов в процессе их прокатки в местах контакта с ручьями. Нагрев образцов под прокатку производился в соляной ванне, в которой температура контролировалась термопарами погружения ТГШ-У. Время нагрева образцов определялось по формуле Е.А.Смольникова. После прокатки клинья охлаждались сжатым воздухом, а затем из них изготавливались шлифы. Параллельно по тем же режимам прокатывалась ещё партия клиньев, которые в зависимости от их состава и марки стали, подвергались закалке.
Методом металлографического анализа на микроскопах МИМ-8 исследовалась микроструктура клиньев после прокатки. При увеличениях, которые позволяют использовать оптику светового микроскопа, определялись участки со следами начавшейся рекристаллизации. Рекристаллизованные зерна аустенита выделялись на общем структурном фоне тем, что они совершенно не протравливались, образуя так называемые зерна «безблочного» аустенита по терминологии В.Д. Садовского. После обнаружения отдельных рекристаллизованных зерен в этом сечении клина определялась степень деформации, количество рекристаллизованных зерен по площади, в процентах. Эти данные затем использовались для построения технологических диаграмм рекристаллизации.
Из закаленных после прокатки клиньев также изготавливались шлифы, которые протравливались с целью определения размеров зерен аустенита, для выявления влияния температуры прокатки и степени пластической деформации на величину действительного среднего диаметра зерна в стали после её закалки. По методике С.А.Салтыкова определялся средний диаметр зерен, строились гистограммы распределения зерен в стали, по которым судили о разно- зернистости, затем строились диаграммы рекристаллизации повторнозакалённой стали, которые явились основой для определения режимов термомеханической обработке исследованных сталей. По этой методике предусматривается замер длин хорд 200-400 зерен, чтобы оценить разнозернистость стали в поле зрения металлографического микроскопа. После математической обработки полученных статистических данных значений средних диаметров зерен, достигается достаточно высокая точность при оценке разнозернистости стали по результатам сравнения интервалов разбиения гистограммы.
При небольшом объеме проведения исследований с подсчетом средних диаметров зерен аустенита их трудоёмкость невелика и может проводиться на любом металлографическом микроскопе. Однако, когда требуется строить диаграммы рекристаллизации для различных марок стали и для нескольких состояний стали (для повторной закалки, закалки после отпуска, отжига и других), то на обычном металлографическом микроскопе фотографируется значительное количество микроструктур, по которым затем методом секущих или хорд производятся замеры средних диаметров зерен. Эта работа очень трудоёмка и отнимает много времени. Для ускорения подсчета средних диаметров зерен нами было изготовлено полуавтоматическое устройство для регистрации результатов количественного металлографического анализа, которые затем обрабатывались на ЭВМ, Измеряемая величина зерна определяется как разность координат его противоположных границ. Координаты границ фиксируются электрическим датчиком, сигнал которого поступает на цифровой вольтметр типа ВК7-10, транскиптор Ф595КМ и фиксируется цифропечатаицей машиной типа ЭУМ-23 на бумажной ленте,
Электрический датчик представляет собой переменное проволочное сопротивление круглой формы, смонтированное на барабане микрометрической насадки М0В-1-15х, которая используется в микротвердомерах ПМТ-3, интерферометре Линника и других измерительных приборах. Координаты измеряемых границ фиксируются в омах. Для упрощения расчета сопротивление датчика подбирается так, что за один оборот микрометрического винта оно изменяется от 0 до 100 ом, Цена одного ома в микронах подсчитывается так же, как и цена деления микрометрического барабана.
Скорость количественной оценки структуры исследуемых образцов возросла в 4-5 раз при высокой надёжности прибора и точности замеров. Все рабочие узлы и блоки изготовленного устройства выпускаются отечественными заводами и широко используются в радиотехнике.
На этом приборе и на структурном анализаторе «Эпиквант» фирмы «Цейс» нами проводилась стереологическая реконструкция аустенитных зерен быстрорежущей стали, обработанной по различным схемам термомеханической обработки. Эти приборы позволили проводить металлографические исследования с высокой точностью и большой скоростью.
Для математической обработки результатов исследований была создана программа для электронно-вычислительной машины М-222, на которой проведены все расчеты для построения диаграмм рекристаллизации и гистограмм распределения зерен в стали.
Качественная характеристика структуры стали может быть получена из гистограмм распределения истинных диаметров зерен зерен в группе с истинным диаметром.
Наибольшее сечение данного зерна не всегда попадает в плоскость шлифа. Распределение истинных размеров зерна Ш и размеров, видимых в сечении, не совпадав, но по размерам зерен, видимых в сечении, можно найти истинные диаметры зерен после математической обработки полученных данных. В нашем случае для определения истинных размеров зерен аустенита был принят метод хорд. Согласно этого метода на шлифе (или микрофотографии) проводятся случайные секущие прямые линии и измеряются длины всех отрезков (хорд), на которые секущая делится при пересечении с границами зерен.
После построения гистограммы распределения хорд, гистограмма распределения истинных размеров зерен вычислялась по формуле.
Измерение видимых пересечений хорд с границами зерна производилось непосредственно на шлифах с помощью изготовленного нами для этой цели устройства, которое позволяет осуществлять измерение длин хорд, ограниченных противоположными границами зерна, а затем регистрировать результаты измерений на ЦПМ.
При разработке новых схем термомеханической обработки быстрорежущей и других инструментальных высоколегированных сталей, режущие свойства которых зависят от степени легированности твердого раствора, потребовалось разработать методику определения удельного электросопротивления непосредственно на исследуемых клиновых образцах, так как в нашем случае основным объектом исследований является клиновая проба, от которой мы получаем большой объем информации. Так, на клиновых образцах мы исследовали: влияние степени деформации на начало протекания рекристаллизации в деформированной стали; влияние степени деформации на изменение зеренного строения в стали при построении диаграмм рекристаллизации; горячую пластичность литой и деформированной стали; проводили сравнительные металлографические исследования методом структурного подобия сварных швов и т.п.
Кроме описанных методик в проведении исследований нами очень широко использовался метод структурного подобия, который основан на сравнении структуры закаленных после термомеханической обработке образцов со структурой аналогично обработанных клиновых проб, по которым строились диаграммы рекристаллизации аустенита исследуемых сталей, Метод структурного подобия широко использовался при исследовании зеренного строения в зоне термического влияния сварного шва биметаллического инструмента с целью выяснения процесса структурообразования сварных швов при сварке быстрорежущей рабочей части инструмента с хвостовой частью из поделочной конструкционной стали и после термомеханической обработке сварного шва.
Метод структурного подобия является весьма эффективным средством для сравнительной оценки структуры в зоне порога рекристаллизации, зоне аномального роста зерен аустенита, а также в участках клиновых проб с завершившимся процессом полигонизации и сформировавшимися новыми зернами, со структурой готовых инструментов, изготовленных при их формообразовании с применением горячих пластических деформаций.
Механические и режущие свойства стали, прошедшей высокотемпературную термомеханическую обработку, исследовались на стандартных образцах и непосредственно на изделиях, изготовленных заводских условиях по технологическим схемам, разработанным на основе полученных результатов проведенных исследований.
Для исследования свойств полигонизованной структуры аустенита в быстрорежущей стали была разработана методика получения полигонизованной структуры методом фазового наклепа. Были исследованы режимы двойной закалки стали Р6М5, которые обеспечивали получение в образцах полностью полигонизованной структуры аустенита. На основе этих исследований создана методика для рентгеноструктурного анализа полигонизованной структуры аустенита, полученной непосредственно в высокотемпературной камере при повторном нагреве образцов и их одновременной рентгеновской съемке. Момент образования полигонизованной структуры при фазовом наклепе аустенита фиксировался на дифрактограммах расщеплением линии аустенита. На специально приготовленных образцах с полностью полигонизованной структурой исследовались твердость, красностойкость, прочность и удельное электросопротивление.
Материал взят из диссертационного исследования: ХАЗАНОВА И.О. Термодинамическая обработка стали и инструментов из нее.
0 комментариев