WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Процесс химико-термической обработки осуществлялся из насыщающих обмазок (паст) нанесенных на поверхность упрочняемых деталей и образцов.

После проведения процессов диффузионного насыщения изучали структуру, фазовый и химический состав боридных слоев следующими методами: металлографическим и микрорентгеноспектральным, рентгеноструктурным.

Металлографическое исследование проводили на оптических микроскопах:

МИМ-7, МИМ-10, Neophot-21 и электронном растровом микроскопе BS-«Tesla».

Для просмотра в оптическом микроскопе шлифы готовились методами химического и электрохимического травления. С помощью растрового микроскопа был проведен фрактографический анализ поверхности разрушения и состояние изношенной поверхности.

Рентгеноструктурный фазовый анализ осуществляли по рентгенограммам полученным на дифрактометре ДРОН-1,5 в монохроматическом Fe-K излучении с автоматической записью на диаграммную ленту.

Механические свойства (твердость, прочность, пластичность, ударная вязкость) определяли по стандартным методикам. На универсальной испытательной машине «Instron» с максимальным усилием 50 кН определяли прочность и пластичность. Ударную вязкость определяли при испытании образцов без надреза на маятниковом копре типа 2130КМ-03. Исследование твёрдости производили на твердомере Роквелла ТР 5005 по шкале С (алмазный наконечник, нагрузка 150 кг.) согласно ГОСТ 9013-82. Дюрометрические исследования осуществляли на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76.

При проведении исследований были использованы математические методы планирования эксперимента с применением дробных факторов планов (типа 24-1 с определяющим контрастом 1=Х1Х2Х4).

При исследовании процесса окончательной термоциклической и химикотермоциклической обработки изучали влияние следующих факторов:

Х1 –максимальная температура в цикле, оС;

Х2 –минимальная температура в цикле, оС;

Х3 –длительность выдержки при максимальной температуре, минуты;

Х4 –длительность выдержки минимальная температуре, минуты.

В третьей главе приведены результаты исследования по влиянию окончательной термоциклической обработки на структуру и физико-механические свойства инструментальных сталей Х12М, 5ХНВ, 5Х2НМВФ. Изучали влияние различных технологических параметров (количество термоциклов, температурный интервал, скорость нагрева и охлаждения и т. д.) на ударную вязкость, твердость и прочность. На рисунке 1 показано влияние одного из основных технологических факторов (минимальной температуры в цикле) на ударную вязкость и твердость стали Х12М.

62 61 60 59 58 57 56 55 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 Минимальная температура в цикле, °С Твёрдость; Ударная вязкость Рисунок 1–Влияние минимальной температуры в цикле на механические свойства стали Х12М Твёрдость НRСэ Ударная вязкость КС,Дж/смПостроены математические модели, связывающие технологические параметры ТЦО со структурой и механическими свойствами наиболее широко применяемых углеродистых и легированных инструментальных сталей У10, Х12М и 5Х2НМВФ и проведена оптимизация их окончательной термоциклической обработки.

Для инструментальной стали Х12М математические модели, описывающие зависимость механических свойств (и и КС) от варьируемых факторов, имеют следующий вид:

КС=5,91–2,49Х1+2,12Х2 –0,17 Х4 –2,76Х1Х3+1,85Х2Х3;

и=3803 – 392,1 Х1 + 131,8 Х2 – 250,8 Х3 + 325,3 Х4– 642,9Х1Х3, Указанные факторы варьировали в следующих пределах: Х1–от 950 оС до 1100 оС; Х2 – от 20 оС до 1100оС; Х3 и Х4 от 0 до 20минут в зависимости от размеров образцов.

Анализ результатов статистической обработки экспериментальных данных показывает, что основными критериями, определяющими ударную вязкость стали Х12М, являются температуры в термическом цикле и время выдержки при максимальной температуре в цикле, а основными критериями, определяющими прочность при изгибе – температура и время выдержки при максимальной температуре в цикле. Время выдержки при минимальной температуре в цикле оказывает более слабое влияние на прочность и ударную вязкость стали Х12М при ТЦО по разработанным режимам.

Математические модели построенные для сталей У10, Х12М и 5Х2НМВФ отчетливо выявили те параметры ТЦО, которые наиболее сильно влияют на механические свойства, а также эффекты их взаимодействия. Установлено, что основными критериями не зависящими от исходного структурного состояния и химического состава стали, определяющими пластичность и ударную вязкость, являются температуры в термическом цикле и время выдержки при максимальной температуре. Установленные аналитические зависимости связывающие физикомеханические свойства с технологическими параметрами термоциклической обработки инструментальных сталей позволили оптимизировать процесс ТЦО.

В результате оптимизации установлено, что максимальные значения ударной вязкости (КС) и прочности (и) образцы из стали Х12М имеет при следующих значениях исследуемых факторов: Х1=1045–1050 С, Х2=700–710 С, Х3 = 8–9 минут, Х4 = 7–8 минут, число циклов – 4.

Установлено, что в сталях различного химического состава, с различной исходной структурой формирование оптимального комплекса физико-механических свойств, сочетающего высокую твердость и прочность с достаточной пластичностью и ударной вязкостью, происходит при циклировании в интервале, где максимальная температура в цикле равна температуре закалки, а минимальная температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита (рисунок 2) данной стали. Так, сталь Х12М при твердости 60–62 HRCЭ и прочности и=МПа после ТЦО по оптимальным режимам имеет значения ударной вязкости КС=0,8–0,9 МДж/м2.

АА АП Топт Мн Время, c Рисунок 2–Минимальная температура в цикле (Топт) Повышение пластичности и ударной вязкости стали Х12М после ТЦО связано с изменением химического состава мартенсита (снижением содержания углерода), измельчением и образованием новых мелкодисперсных карбидов (рисунок 3).

а б в г Температура, °С д е Рисунок 3 – Структура сталей после традиционной ТО (а, в, д) и после окончательной ТЦО (б, г, е): а, б–Х12М (х 500); в, г–5ХНВ; д, е – 5Х2НМВФ Выполнение ТЦО по разработанным режимам позволяет повысить ударную вязкость инструментальных углеродистых и легированных сталей при сохранении высокой твердости и прочности. Происходит это за счет чередующегося повторения процессов взаимного растворения – выделения между ферритокарбидной смесью и аустенитом, способствующего получению благоприятного структурного состояния в конечной структуре стали и возможности протекания процессов коагуляции и сфероидизации не только карбидной фазы, но и частиц неметаллических включений (сульфидов, фосфидов и др.), уменьшающих вредное влияние этих примесей (см. рисунок 3).

Проведение окончательной термической обработки методом ТЦО приводит к благоприятному с точки зрения механических свойств перераспределению и формоизменению карбидов в сталях, получению более однородной структуры стали как в литом (рисунок 3в, г и рисунок 3д, е), так и в деформированном (рисунок 3а, б) состоянии. Все это в итоге приводит к значительному повышению механических свойств. Ударная вязкость стали Х12М, обработанной по оптимальным режимам ТЦО (4 цикла 1050700 оС, закалка с последнего высокотемпературного нагрева в масле и отпуск при 200 оС, 2 часа) более 90 Дж/см2 при твердости 60 HRCэ (после стандартной закалки с 1050 оС и отпуска 200 оС, 2 часа – Дж/см2). Улучшение комплекса физико-механических свойств стали приводит к повышению эксплуатационную стойкость инструмента, особенно испытывающего высокие динамические нагрузки. Так, стойкость ножей из стали Х12М для рубки прутка на заготовки корпуса распылителя (рисунок 7а) повысилась в 2 раза.

В четвертой главе приведены результаты изучения влияния циклического теплового воздействия на структуру и фазовый состав борированного из обмазки на основе карбида бора (В4С–75 %, NaF–3%, графит–10, бентонит-7%) слоя на поверхности инструментальных сталей (сталь Х12М–рисунок 4, сталь 5ХНВ– рисунок 5).

Исследования показали, что независимо от состава и исходного состояния (литое состояние, деформированное и т. д.) сталей циклический нагрев и охлаждение во время борирования значительно ускоряют процесс диффузионного насыщения их поверхности (таблица 1).

Таблица 1–Влияние вида теплового воздействия при насыщении сталей бором на толщину диффузионного слоя Глубина борированного слоя, мкм (по микротвердости) Марка стали Изотермическое Термоциклическое борирование (2 часа) борирование (2 часа) У10А 60 5ХНВ литая 95 Х12М 50 а б Рисунок 4 – Структура диффузионного слоя стали Х12М после борирования из обмазки: а – после ХТЦО (2 часа), б– изотермическое борирование (4 часа) а б Рисунок 5–Толщина диффузионного слоя на литой стали 5ХНВ в зависимости от способа насыщения: а – изотермическая ХТО, 950 °С, 6 ч; б – ХТЦО, 950 °С, 3ч. Цена деления шкалы – 10 мкм Установлено, что термоциклирование при борировании приводит к увеличению толщины слоя до 80 % на углеродистых сталях, с увеличением степени легированности эффект снижается с 70 % (литая сталь 5ХНВ) до 20 % (сталь Х12М). С увеличением содержания углерода в стали снижается глубина борированного слоя, как после изотермического высокотемпературного борирования, так и после термоциклического борирования (таблица 1, рисунки 4–6).

Рисунок 6 – Распределение микротвердости в зависимости от метода борирования (литая сталь 5ХНВ) При борировании в условиях циклического изменения температуры значительно сокращается общее время процесса для получения упрочненного слоя. Так при термоциклировании с фазовыми превращениями на литой стали 5ХНВ достаточный для упрочнения боридный слой образуется за 3 часа, а при традиционном способе ХТО для этого необходимо затратить 6 часов. На стали Х12М также сокращается процесс образования слоя необходимой толщины в 2 раза (см. рисунки 4, 5). Для исследуемых сталей возможно совмещение борирования с окончательной ТЦО по оптимальным режимам.

В пятой главе приведены результаты практического применения разработанных способов упрочнения поверхностей. На основе выполненных разработок и ряда инженерно-технических решений прошли натурные испытания и нашли применение на ООО «Алтайский завод прецизионных изделий» (г. Барнаул) следующие востребованные производством и подтвержденные актами испытаний разработанные автором новые технологии ТЦО и ХТЦО:

–при проведении испытаний ножей из стали Х12М для рубки прутка на заготовки корпуса распылителя (рисунок 7а) упрочненных ТЦО по разработанным режимам стойкость повысилась в 2 раза. Кроме того, отсутствуют сколы инструмента при эксплуатации;

–при упрочнении рабочей поверхности кондукторных втулок (рисунок 7б) из стали Х12М для свёрл глубокого сверления топливоподводящих отверстий корпусов форсунок методом ХТЦО (термоциклическое борирование) стойкость повысилась в 4–5 раз. При этом отмечается уменьшение количества поломок свёрл.

Борированние вставок матриц для изготовления корпуса распылителя форсунки привело к увеличению их срока службы в три раза.

а б Рисунок 7 – Нож для рубки прутка на заготовки корпуса распылителя (а) и кондукторная втулка для свёрл глубокого сверления топливоподводящих отверстий корпусов форсунок (б) Расчет экономической эффективности применения полученных в работе результатов показал, что экономический эффект составит 2607,847 тыс. рублей в год (в ценах 2006 г.), при условии полной замены вставок матриц для изготовления корпуса распылителя форсунки на ООО «Алтайский завод прецизионных изделий» (г. Барнаул) на вставки упрочненные методом ХТЦО Высокая экономическая эффективность применения ХТЦО связана, прежде всего, с уменьшением расхода высоколегированной стали и существенным повышением эксплуатационных свойств (износостойкости) инструмента. Несмотря на то, что себестоимость инструмента несколько возросла после применения ХТЦО, экономическая целесообразность ее применения в производстве очевидна.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Установлены основные закономерности влияния температурно– временных параметров термоциклической обработки на физико-механические свойства инструментальной стали.

2. Построена математическая модель в виде аналитических зависимостей связывающих физико-механические свойства (твердость, ударная вязкость, прочность) с технологическими параметрами термоциклической обработки (количество циклов, температура и время) инструментальных сталей (Х12М, 5Х2НМФ, У10А и др.).

3. Установлено, что в сталях с различной исходной структурой формирование оптимального комплекса физико-механических свойств, сочетающего высокую твердость и прочность с достаточной пластичностью и ударной вязкостью, происходит при циклировании в интервале, где максимальная температура в цикле равна температуре закалки, а минимальная -температуре минимальной устойчивости переохлажденного аустенита данной стали. Сталь Х12М при твердости 60–62 HRCЭ и прочности и=5000 МПа после ТЦО по оптимальным режимам имеет значения ударной вязкости КС=0,8–0,9 МДж/м2.

4. Экспериментально установлено, что циклический нагрев и охлаждение во время ХТО значительно (до 2-х раз) ускоряют процесс диффузионного насыщения поверхности сталей бором независимо от их состава и исходного структурного состояния (литое состояние, деформированное и т. д.).

5. Проведены производственные испытания на ООО «Алтайский завод прецизионных изделий» (г. Барнаул) инструмента, подвергнутого ТЦО и ХТЦО по разработанным режимам. Испытания показали, что стойкость ножей из стали Х12М для рубки прутка на заготовки корпуса распылителя повысилась в 2 раза.

Кроме того, исключились сколы инструмента при эксплуатации. Разработанная технология Термоциклического упрочнения рекомендована для изготовления ножей в инструментальном производстве. Стойкость упрочненных методом ХТЦО (термоциклическое борирование) кондукторных втулок из стали Х12М для свёрл глубокого сверления топливоподводящих отверстий корпусов форсунок повысилась в 4–5 раз. При этом отмечается уменьшение количества деталей с заломами свёрл. Разработанная технология рекомендована для обработки кондукторных втулок в инструментальном производстве.

Данная технология позволяет повышать износостойкость изделий без применения специального, сложного оборудования. При диффузионном насыщении бором, в структуре сталей образуются бориды железа, обладающие высокой твердостью, что способствует повышению износостойкости и теплостойкости изделий, эксплуатируемых в различных условиях.

6. Ожидаемый годовой экономический эффект при условии полной замены вставок матриц для изготовления корпуса распылителя форсунки на ООО «Алтайский завод прецизионных изделий» (г. Барнаул) составит 2607,847 тыс. рублей в год.

Основные результаты опубликованы в работах:

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»