CC BY
37
УДК 620. 181.41
НАЗНАЧЕНИЕ РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННОЙ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
PURPOSE MODE HEAT TREATMENT FOR PARTS OF STRUCTURAL ALLOYED STEEL OPERATING UNDER CONDITIONS OF DYNAMIC LOADS.
Короткое Александр Николаевич,
доктор техн. наук, профессор, e-mail: [email protected] Korotkov Alexander N., Dr. Sc., Professor Короткова Лидия Павловна, кандидат техн. наук, доцент Korotkova Lidiya Р., С. Sc., Assistant Professor Баканов Александр Александрович, кандидат техн. наук Bakanov Alexandr А., С. Sc., Assistant Professor Лащинина Светлана Викторовна,
магистрант
Lashchinina Svetlana V., undergraduate Видин Денис Владимирович,
магистрант Vidin Denis V., undergraduate
Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28
T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Vesennyaya street, 28, Kemerovo, 650000, Ros-sia
Аннотация. В работе приведены результаты по оптимизации процесса термической обработки корпусных деталей из конструкционной легированной стали типа 50ХМЮА, обеспечивающего получение мартенситной структуры не выше 3+4 балла, с твердостью не менее 58+59 HRC. Разработан методологический подход по назначению режима закалки в условиях градиента температуры по сечению печи. Результаты имеют научное и практическое значение с точки зрения обеспечения высоких эксплуатационных показателей изделиям из данной стали, а так же с позиции возможности автоматизации процесса их закалки.
Abstract. The study shows the results of the optimization process of thermal treatment of body parts made of structural type alloyed steel 50HMUA ensuring obtaining of martensite structure not higher than 3+4 points with hardness not less than 58+59 HRC. A methodological approach is designed to setting of the mode of quenching in the temperature gradient conditions for the furnace profile. Results have scientific and practical importance in terms of providing high performance indicators for the products made of this steel, and also opportunities for introducing automated quenching process.
Ключевые слова: оптимизация термической обработки, качество стали, микроструктура, мартенсит, троостит, балл зерна, эксплуатационные свойства.
Keywords: optimization of thermal treatment, quality of steel, structure, martensite, troostite, grain size, operational indicators.
На машиностроительном предприятии по производству деталей из сложнолегированной стали марки типа 50ХМЮА возникла проблема, связанная с их низкими эксплуатационными характеристиками. В процессе эксплуатации детали, работающие в условиях значительных динамических нагрузок, либо сминались в момент удара, либо происходило их хрупкое разрушение. Разные
виды разрушения свидетельствуют о значительных различиях в свойствах термически обработанных деталей, т. к. смятие происходит из-за пониженной твердости, а хрупкое разрушение - из-за пониженной ударной вязкости.
Задачей данного исследования являлось обеспечение высоких эксплуатационных показателей стальных корпусных деталей за счет разработки
рекомендаций по назначению режимов упрочняющей термообработки, с получением мартенсит-ной структуры не выше 3-4 балла и твердостью не менее 58-59 НЯС [1].
Для реализации поставленной задачи проведен контроль качества материала деталей в состоянии поставки. Изучено также влияние упрочняющей термической обработки на качество стали в зависимости от режимов закалки путем определения допустимого соотношения интервала закалочных температур и длительности нагрева деталей. Материалы и методика исследований Материалом деталей послужила сложнолеги-рованная сталь типа 50ХМЮА, а процесс иссле-
ства сталей, разработанная и внедренная на кафедре «Металлорежущие станки и инструменты» Кузбасского государственного технического университета [1].
В состоянии поставки исследовались: химсостав, микроструктура мартенсита [2], макроструктура [3], твердость в исходном состоянии [4], вид излома [5], обезуглероженный слой [6], наличие неметаллических включений [7], микропористость [8].
После упрочняющей термической обработки исследовались: величина аустенитного зерна [9], механические свойства [10], твердость после закалки и отпуска [4].
хЮО
х500
хЮОО
хЮОО
е) ж) з)
Рис. 1 Микроструктура стали 50ХМЮА в состоянии поставки (а, б): а) нормализованный прокат (пластинчатый перлит и сетка феррита); б) улучшенный прокат (сорбит); после термической обработки:в) мартенсит, балл 3 (режим 4, 6, 7); г) мартенсит, балл 4 (режим 2, 6);д) мартенсит, балл 5, недопустимый (режимы 3 и 8); е) недогрев стали (режим 6);ж) мартенсит и троостит (режим 4);з) троостит (режим 1)
дований включал в себя контроль качества мате- Технические требования на исследуемую мар-
риала деталей в состоянии поставки и после ку стали типа 50ХМЮА изложены в ТУ 14-1-2232-упрочняющей термической обработки. Для иссле- 2004.
дований использовалась методика контроля каче- Результаты исследований и их обсуждение
В состоянии поставки отклонения в химсоставе материала деталей не обнаружены. Сталь во всех контролируемых партиях соответствовала марке типа 50ХМЮА. На предприятие поступает прокат в нормализованном состоянии с феррито-перлитной структурой (рис. 1, а), либо улучшенный с сорбитной структурой (рис. 1, б). Дефекты микроструктуры в состоянии поставки не обнаружены. Неметаллические включения присутствовали, но не превышали допустимые значения (1+2 балл), поры не обнаружены. Твердость находилась на допустимом уровне и не превышала 160+220 НВ.
Таким образом, можно сделать вывод, что все исследованные партии стали в состоянии поставки имели качество, соответствующее требованиям ТУ 14-1-2232-2004.
Упрочняющая термическая обработка деталей из стали типа 50ХМЮА выполнялась на микроструктуру мартенсит и заключалась в полной закалке в масло с последующим низким отпуском. В соответствии с техническими требованиями изделие должно обладать твердостью не менее 58+59 НЯС, а микроструктура мартенсита должна иметь по размеру не более 3+4 балла (рис. 1, в, г) [1]. Проблема заключалась в том, что после упрочняющей термообработки не все детали имели требуемый комплекс свойств и микроструктуру. Решение проблемы усложнялось тем, что для
закалки использовалась трубчатая печь типа П-20769-ПС с переменным градиентом температуры по длине нагревательного устройства. Детали в неё загружались и передвигались по трубе из зоны низких в зону высоких температур, обеспечивая их постепенный нагрев. Из-за конструкции печи длительность нагрева и температура перед закалкой каждой детали в партии различались, находясь в некотором интервале значений. Качество закалки определялось соотношением этих двух параметров режима термической обработки.
Характеристики режимов термической обработки (номера режимов 1 - 8) отражены в табл. 1.
Для повышения качества закалки проведены эксперименты по нахождению оптимального режима термообработки. За параметры оптимизации режимов закалки приняты температура, время нагрева и охлаждающая среда, обеспечивающие микроструктуру мартенсита не выше 3+4 балла и твердость не ниже 58+59 НЯС. В ходе экспериментов определялось допустимое соотношение между интервалом закалочных температур и интервалом длительности нагрева. При окончательном выборе режима термообработки учитывалась скорость нагрева деталей, т.к. из-за особенности конструкции печи этот параметр тоже менялся. Результаты исследований режимов упрочняющей термической обработки представлены в табл. 1.
№ режима Режим термической обработки Микроструктура Твёрдость, НЯС (средняя) Анализ микроструктуры и режимов закалки
и о р, и СО ® Время нагрева, т, с Охлаждение в масло, Т °с, Поверхность Сердцевина
1 940 200 60 °с Мартенсит и тростит, преимущественно 55,5 54,5 Возникновение троостита связано с замедленным охлаждением при закалке
2 930 200 20 °С Мартенсит, балл 4 58 55 Допустимый балл мартенсита
3 920 200 20 °С Мартенсит, балл 4+5 58,5 56,5 Классический мартенсит, крупноигольчатый, превышающий допустимый балл. Вызывается температурным перегревом стали
4 910 210 40 °С Мартенсит, балл 3 преимущественно и местами троостит 59 57 Возникновение троостита связано с замедленным охлаждением при закалке, а наличие вторичных карбидов - с недостаточной при нагреве
5 910 195 20 °С Мартенсит, балл 3 58 57 Допустимый балл мартенсита
6 900 220 20 °С Мартенсит, балл 3+4 и феррит (не более 10%) 59 57 Возникновение феррита связано с недогревом стали из-за недостаточной выдержки под закалку
7 890 267 20 °С Мартенсит, балл 3+4 58 56 Допустимый балл мартенсита
Таблица 1. Влияние режимов закалки на микроструктуру и твердость деталей из стали 50ХМЮА
Классический мартенсит, крупно-
8 910 240 20 °С Мартенсит, 58,5 56,5 игольчатый, превышающий допусти-
балл 4-5 мый балл. Из-за длительной выдержки при нагреве стали под закалку
Рис. 2. Область оптимального режима закалки стали типа 50ХМЮА с формированием структуры мартенсита 3-4 балла, с твердостью
Подбор режима закалки осуществлялся комплексно. Варьировались все три параметра режима закалки: температура нагрева (1) находилась в интервале 890-940 °С, время нагрева (т) - в интервале от 195 с до 270 с, температура охлаждающего масла (Т) - в интервале от 20 до 60 °С.
Оптимальная область режима закалки представлена на графике рис. 2 в виде пространства, где обеспечивается получение мартенситной структуры не выше 3-4 балла с твердостью не менее 58-59 НЯС. Верхняя линия пространства характеризует собой максимальное соотношение температуры и времени прогрева, нижняя линия -отражает минимальное соотношение температуры и времени прогрева, а средняя линия представляет усредненное соотношение упомянутых параметров.
Представленные результаты актуальны для конкретного нагревательного оборудования, применяемого на предприятии, формы и размеров детали, но общим является методология выбора режимов термообработки, которые могут быть экстраполированы на другие случаи закалки. В этом контексте график рис. 2 имеет практическое значение.58-59 Н11С (здесь: М - мартенсит, Т -троостит, Ф - феррит)
Как видно из графика, формируемая микроструктура зависит от соотношения температуры и длительности нагрева под закалку, которые определяются скоростью нагрева деталей. Причем, чем выше температура, тем меньше должна быть длительность выдержки (сравните режимы №2 и №7). Слишком длительная выдержка приводит к перегреву стали (режимы №8) и к получению крупно-мартенситной структуры 5 балла (рис. 1, д). Недо-грев при закалке так же опасен, так как в результате недостаточной выдержки при нагреве в структуре остается феррит (режим №6 на рис. 3, а), который наследуется в структуре закаленной стали (рис. 1, е). Таким образом, нагрев под закалку может находиться в довольно широком интервале температур (890-930 °С), но при этом следует корректировать длительность выдержки, которая должна составлять 210-195 секунд, соответственно.
Для указанного интервала температур нагрева и времени выдержки, на основе метода наименьших квадратов, построена математическая модель зависимости балла зерна (Ы) от температуры (1, °С) и длительности выдержки (т, с), с коэффициентом корреляции Я2=0,74:
N = -50,913 + 0,0551 + 0,023т
Полученный результат может найти объяснение с точки зрения кинетики превращения перлита в аустенит ([11] + [15]). Он проиллюстрирован диаграммой, представленной на рис. 3, а. При сравнении, например, режимов №7 и №8, видно,
что чем выше скорость нагрева (у«> У7), тем выше температура окончания превращения перлита в аустенит и меньше длительность превращения (т§<
ту).
1050 1000 950
900
200
300
■I—
400 500 600 700
400
Мк М(№2,5,7)
М+Т(№4,7)
Аустенит
Т(№1)
т, с
а) б)
Рис. 3. Диаграммы изотермического превращения [11]: а) перлита в аустенит при нагреве; б) аустенита при непрерывном охлаждении
На характер структурных превращений при закалке стали типа 50ХМЮА влияет температура охлаждающей среды. Это видно на примере диаграммы кинетики превращения аустенита при охлаждении с различными скоростями (рис. 3, б). Из диаграммы следует, что закалка в масло с температурой 20 °С обеспечивает достаточную скорость охлаждения для образования мартенситной структуры во всех исследованных случаях (см. табл. 1). Закалка в перегретом масле с температурой 40 °С (по режимам №4, 7) приводит к образованию троосто-мартенситной структуры (рис. 1, ж), а с температурой масла 60 °С (по режиму №1) - к трооститной структуре (рис. 1, з), что недопустимо.
Выводы
1. Разработан методологический подход по оптимизации режима термической обработки в случае использования нагревательного устройства с переменной скоростью нагрева по сечению печи, с учетом того, что нагревательное устройство не обеспечивает постоянство скорости нагрева детали.
2. В результате исследований сформулированы рекомендации по назначению режима закалки на примере стали типа 50ХМЮА, обеспечиваю-
щие высокие эксплуатационные свойства за счет получения микроструктуры мартенсита 3+4 балла, с твердостью 58+59 НЯС, не менее:
- получена графическая интерпретация (рис. 2) и математическая модель оптимального соотношения между температурой и длительностью при нагреве под закалку;
- температура закалки может находится в интервале 890+930 °С, но при этом следует корректировать длительность выдержки, которая, для данной конструкции печи и размеров детали, должна находится в интервале 210+195 секунд, соответственно;
- для обеспечения образования мартенситной структуры в деталях необходимо следить за режимом охлаждения в процессе закалки, в частности, нельзя допускать перегрев масла выше 20 °С.
3. Параметры режима закалки (температура, время) в допустимом интервале значений могут быть обеспечены за счет подбора и изменения скорости передвижения образцов деталей в нагревательной печи.
4. Полученные результаты исследований могут послужить основой для автоматизации процесса закалки сложнолегированных сталей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Короткова Л.П., Шатько Д.Б., Дубинкин Д.М. Контроль качества материалов (в машиностроительном производстве). - ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева». -Кемерово, 2011. - 171 с.
2. ГОСТ 8233-56. Сталь. Эталоны микроструктуры. - Введ. 1957-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 2004. -4 с.
3. ГОСТ 10243. Сталь. Методы испытаний и оценки макроструктуры. Введ. 1978-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1985. - 41 с.
4. ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю. - Введ. 1960-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2007. - 39 с.
5. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенных температурах. - Введ. 1979-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2002. - 11 с.
6. ГОСТ 1763-68. Сталь. Методы определения глубины обезуглероженного слоя. - Введ. 1971-01-01. -М. : Изд-во стандартов, 1987. - 21 с.
7. ГОСТ 1778-70. Методы контроля обезуглероженного слоя. - Введ. 1972-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1971.-8 с.
8. ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая. Технические условия. - Введ. 1980-01-01. М. : Изд-во стандартов, 2004. - 23 с.
9. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. - Введ. 1983—01— 01. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 25 с.
10. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. - Введ. 1986-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2008. - 15 с.
11. Металлы и сплавы. Справочник. / под ред. Ю. П. Солнцева. - С.-Пб.: AHO НПО «Профессионал», AHO НПО «Мир и Семья», 2003. - 1066 с.
12. Зубченко, А. С. Марочник сталей и сплавов / под ред. А. С. Зубченко. - М. : Машиностроение, 2001. -1066 с.
13. Гольдштейн М. И. Специальные стали : учеб. для вузов / М. И. Гольдштейн, С. В. Грачев, Ю. Г. Векс-лер. - М. : Металлургия, 1985. - 408 с.
14. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов : учеб. для вузов. - М.: Металлургия, 1986. -480 с.
15. Франценюк И. В. Альбом микроструктур чугуна, стали, цветных металлов и их сплавов. - М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. - 192 с.
REFERENCES
1. Korotkova L.P., Shatko D.B., Dubinkin D.M. Kontrol kachestva materialov (v mashinostroitelnom proizvod-stve). - fgbou vpo «kuzbasskij gosudarstvennyj texnicheskiy universitet im. t.f. gorbacheva». - Kemerovo, 2011. -171 s.
2. Gost 8233-56. Stal. Etalony mikrostruktury. - Vved. 1957-07-01. - M. : Izd-vo standartov, 2004. -4 s.
3. Gost 10243. Stal. Metody ispytaniy i ocenki makrostruktury. Vved. 1978-01-01. M. : Izd-vo standartov, 1985. -41 s.
4. Gost 9012-59. Metally. Metod izmereniya tverdosti po brinellyu. - Vved. 1960-01-01. - M. : Izd-vo standartov, 2007. - 39 s.
5. Gost 9454-78. Metally. Metod ispytaniya na udarnyj izgib pri ponizhennoy, komnatnoy i povyshennyh tem-peraturah. - Vved. 1979-01-01. - M. : Izd-vo standartov, 2002. -Iis.
6. Gost 1763-68. Stal. Metody opredeleniya glubiny obezuglerozhennogo sloya. - Vved. 1971-01-01. - M. : Izd-vo standartov, 1987. -21 s.
7. Gost 1778-70. Metody kontrolya obezuglerozhennogo sloya. - Vved. 1972-01-01. - M. : Izd-vo standartov, 1971.-8 s.
8. Gost 801-78. Stal podshipnikovaya. Tehnicheskie usloviya. - Vved. 1980-01-01. M. : Izd-vo standartov, 2004.-23 s.
9. Gost 5639-82. Stali i splavy. Metody vyyavleniya i opredeleniya velichiny zerna. - Vved. 1983-01-01. - M. : Izd-vo standartov, 2003. - 25 s.
10. Gost 1497-84. Metally. Metody ispytaniy na rastyazhenie. - Vved. 1986-01-01. - M. : Izd-vo standartov, 2008.- 15 s.
11. Metally i splavy. Spravochnik. / pod red. yu. p. solnceva. - S.-Pb.: ano про «professional», ano про «mir i semya», 2003. - 1066 s.
12. Zubchenko, A. S. Marochnik staley i splavov / pod red. A. S. Zubchenko. - M. : Mashinostroenie, 2001. -1066 s.
13. Goldshteyn M. I. Specialnye stali : ucheb. dlya vuzov/ M. I. Goldshteyn, S. V. Grachev, YU. G. Veksler. -M. : Metallurgiya, 1985.-408 s.
14. Novikov I. I. Teoriya termicheskoy obrabotki metallov : ucheb. dlya vuzov. - M.: Metallurgiya, 1986. - 480
s.
15. Francenyuk I. V. Albom mikrostruktur chuguna, stali, cvetnyh metallov i ih splavov. - M. : IKC «Akade-mkniga», 2004. - 192 s.
Поступило в редакцию 26.01.2017 Received 26.01.2017
