Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

МЕТОДЫ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ОБЪЕМНОГО УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Шматов A.А. 1
1 Белорусский национальный технический университет
Настоящая статья посвящена обзору методов термоциклической обработки (ТЦО), получивших применение для упрочнения во всем объеме стальных инструментов. В результате анализа литературных данных установлено, что многократные полиморфные превращения в стали при ТЦО приводят к фазовому наклепу, измельчению микро- и субзеренной структуры, увеличению плотности дислокаций и дефектов кристаллического строения. Такая структура создает преимущественно деформационное (дислокационное) упрочнение во всем объеме стальной матрицы. По назначению все процессы ТЦО делятся на две основные группы: 1) предварительная ТЦО для улучшения структуры перед термической и механической обработкой; 2) упрочняющая ТЦО (УТЦО), формирующая структуру закаленной стали с окончательными рабочими свойствами. В работе предложена новая классификация известных способов УТЦО по различным видам термоциклического упрочнения быстрорежущих и штамповых сталей. УТЦО может проходить с фазовыми или без фазовых превращений, с завершенными или незавершенными структурно-фазовыми превращениями при циклическом нагреве и охлаждении, осуществляться по диффузионному, сдвиговому или смешанному механизмам фазовой перекристаллизации, самостоятельно или вместе с другими видами воздействий. Процессы УТЦО являются наиболее эффективными и экономичными способами повышения стойкости режущих и штамповых металлообрабатывающих инструментов.
объемное упрочнение
термоциклическая обработка
стальные инструменты
1. Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. Л.: Машиностроение, 1989. 255 с.
2. Лыгденов Б.Д., Хараев Ю.П., Грешилов А.Д., Гурьев А.М. Термоциклирование. Структура и свойства. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2014. 251 с.
3. Гурьев А.М. Экономно-легированные стали для литых штампов горячего деформирования и их термоциклическая и химико-термоциклическая обработка: дис. … докт. техн. наук: 05.16.01. Томск, 2001. 487 с.
4. Ткаченко Г.А. Конструкционная прочность и структурообразование углеродистых сталей при термоциклической обработке // Респ. Межведом. сб. науч. тр. Металлургия / БНТУ. 2011. Вып. 33. Ч. 2. С. 119–133.
5. Югай С.С., Закирова М.Г., Абляз Т.Р. Диспергирование низкоуглеродистой мартенситной стали методом интенсивной термоциклической обработки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 4. С. 1347–1350.
6. Пантелеев И.А. Разработка режимов термоциклического отжига заготовок из быстрорежущих сталей с целью улучшения технологической пластичности: дис. … канд. техн. наук: 05.16.09. Москва, 2011. 136 с.
7. Косихина М.С. Эффективность термоциклической обработки шарикоподшипниковых сталей // Всероссийская научно-техническая конференция Студенческая научная весна 2014: Машиностроительные технологии [Электронный ресурс]. URL: http://studvesna.qform3d.ru (дата обращения: 24.06.2021).
8. Шматов А.А. Научные и технологические основы термохимических и термоциклических методов упрочняющей обработки металлообрабатывающих инструментов: дис. … докт. техн. наук: 05.16.01 и 05.02.07. Минск, 2020. 344 с.
9. Норхуджаев Ф.Р., Эргашев Д.М. Термоциклическая обработка нетеплостойких инструментальных сталей // Universum: технические науки: электрон. Научн. журн. 2020. № 11 (80). [Электронный ресурс]. URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/10923 (дата обращения: 24.06.2021).
10. Иващенко В.Ю., Чейлях А.П. Использование термоциклирования для обработки штампов // Вiстник Приазовського державного технiчного университету. 2011. Вып. 22. № 3. С. 108–112.
11. Мордасов Д.М., Зотов С.В. Термоциклическая обработка штампов для работы в условиях горячего деформирования из стали Х12МФ // Вестник ТГТУ. 2016. Т. 22. № 3. С. 481–490.
12. Борисова С.А., Комарова Т.В. Термоциклическая обработка инструментальной стали У12 // Материаловедение и металлургия Нижегор. гос. техн. ун-та. 2005. Т. 50. С. 245–247.
13. Шматов А.А. Способ термической обработки режущего инструмента из быстрорежущей стали // Патент РФ № 2563382. Патентообладатель Шматов А.А. 2015. Бюл. № 26.
14. Шматов А.А., Жилинский О.В., Фомихина И.В., Лактюшина Т.В., Марочкина C.И. Проектирование процесса термоциклической обработки стали Р6М5 с помощью компьютерных синтез-технологий // Вестник Полоц. гос. ун-та. Сер. В. 2009. № 8. С. 19–25.
15. Власова О.А. Повышение эксплуатационных свойств инструментальных сталей методами термоциклической обработки: дис. … канд. техн. наук: 05.02.01. Барнаул, 2009. 186 с.
16. Свеклин А.П., Горщкова Т.А., Хлыбов А.А. Термоциклическая обработка как метод повышения механических свойств инструментальных сталей // Sword: технические науки [Электронный ресурс]. URL: http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/conference/the-content-of-conferences/archives-of-individual-conferences/june-2014 (дата обращения: 24.06.2021).
17. Братухин А.В. Повышение износостойкости инструментальных сталей при изготовлении авиационного крепежа с использованием лазерного термического упрочнения: дис. … канд. техн. наук: 05.16.01. Нижний Новгород, 2020. 132 с.

Поверхностная обработка не всегда может повысить работоспособность стальных инструментов, которые испытывают большие динамические нагрузки; в этом случае требуются высокие показатели прочности и трещиностойкости во всем объеме инструментов. В настоящее время самыми эффективными и экономичными способами объемного упрочнения считаются процессы термоциклической обработки (ТЦО), которые улучшают свойства сталей и сплавов за счет «постоянного накопления от цикла к циклу положительных изменений структуры» [1]. В отличие от традиционной термообработки при ТЦО появляются новые источники, оказывающие влияние на изменение структуры сплавов, прежде всего фазовые превращения, температурные градиенты, структурные и термические напряжения [1–3]. Процессы ТЦО имеют много общего с процессами пластической деформации, в обоих случаях можно создать деформационное (дислокационное) упрочнение. Большое влияние на формирование дислокационной структуры оказывают многократно повторяющиеся фазовые превращения сплавов; они приводят к фазовому наклепу, созданному из-за разницы удельных объемов и модулей упругости образующихся фаз. Фазовый наклеп сопровождается процессами рекристаллизации, что ведет к измельчению всех структурных составляющих. С другой стороны, с увеличением числа циклов проявляется эффект структурной наследственности, направленный на восстановление исходного состояния и снижение деформационного упрочнения. Как отмечено в работах [3–5], при ТЦО сплавов происходят следующие структурные изменения:

1. Диспергирование элементов микро- и субмикроструктуры, сфероидизация хрупких избыточных фаз (карбидов) и других структурных составляющих. Процессу диспергирования способствуют процессы пластической деформации и рекристаллизации, проходящие при ТЦО. Важнейшим рычагом дробления кристаллов является трещинообразование в хрупких избыточных фазах. В местах выхода дислокаций и субзеренных границ преимущественно растворяются избыточные фазы; нерастворившиеся фазы являются подложкой для повторного выделения этих фаз из пересыщенного твердого раствора. Явление сфероидизации идет наряду с коагуляцией избыточных фаз за счет внутризеренной и зернограничной диффузии.

2. Увеличение плотности точечных и линейных дефектов кристаллической структуры. Высокая концентрация точечных дефектов интенсифицирует диффузионные процессы, что приводит к обогащению твердого раствора легирующими элементами, повышению химической однородности сплава. Избыток вакансий ускоряет распад пересыщенного твердого раствора. При высокой плотности дислокаций на границах зерен, субзерен и первичных фаз со скоплениями вакансий создается деформационное упрочнение сплавов в результате формирования полей структурных и термических напряжений.

3. Немонотонность изменения свойств сплавов в зависимости от числа циклов, вызванная конкуренцией двух факторов, формирующих определенный тип структуры. Усиление деформационной компоненты сопровождается повышением количества различных дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций); напротив, на стадии формирования субструктуры, особенно при фрагментации, плотность дислокаций снижается.

По назначению все процессы ТЦО сталей и сплавов можно условно разделить на две основные группы: 1) предварительная ТЦО для улучшения структуры перед термической и механической обработкой [1, 6, 7]; 2) упрочняющая ТЦО (УТЦО), формирующая структуру закаленной стали с окончательными рабочими свойствами [8]. Согласно классификации В.К. Федюкина [2] процессы ТЦО имеют много разновидностей (рис. 1, 2).

hmatov1.tif

Рис. 1. Классификация видов ТЦО [1]

hmatov2a.tif hmatov2b.tif

а б

hmatov2c.tif hmatov2d.tif

в г

Рис. 2. Схемы ТЦО сталей и сплавов [1]: а – маятниковая ТЦО, б – среднетемпературная ТЦО, в – высокотемпературная ТЦО, г – низкотемпературная ТЦО

ТЦО может проходить с фазовыми или без фазовых превращений, с завершенными или незавершенными структурно-фазовыми превращениями при циклическом нагреве и охлаждении, осуществляться по диффузионному, сдвиговому или смешанному механизмам фазовой перекристаллизации, отдельно или в сочетании с другими видами воздействий (рис. 1), а сами процессы выполняют по схемам маятниковой, средне-, высоко- и низкотемпературной ТЦО (рис. 2). Маятниковая ТЦО представляет собой циклический печной нагрев до температуры на 30–50 °С выше точки Ас1 с последующим охлаждением на воздухе до температуры на 50–80 °С ниже Аr1. При среднетемпературной ТЦО проводят циклический нагрев до температуры на 30–50 °С выше Ас1 с последующим охлаждением на воздухе до температуры на 50–80 °С ниже Аr1 и затем охлаждением в воде или масле. Высокотемпературную ТЦО осуществляют путем циклического электронагрева сталей со скоростью 30–50 °С/с до температуры полной аустенизации и быстрого охлаждения до температуры наименьшей устойчивости аустенита (420–450 °С) и выдержки при ней до полного его превращения, а на последнем цикле осуществляют закалку на мартенсит. При низкотемпературной ТЦО проводят многократный нагрев на 30–50 °С ниже точки Ас1 с последующим охлаждением в воде (масле). Эти процессы ТЦО практически не применяют для инструментальных сталей [1].

По мнению зарубежных и отечественных ученых процессы УТЦО являются наиболее эффективными способами термоциклической обработки, повышающей стойкость инструментов [8–10]. Изученные в настоящей работе процессы УТЦО режущих и штамповых металлообрабатывающих инструментов имеют много вариантов, которые отличаются от стандартной термообработки (закалки и отпуска) термоциклическими режимами и последовательностью выполнения операций [11–13].

По технологическому признаку все известные процессы УТЦО (табл. 1) можно условно разделить на три основные группы [8], в которых: 1) термоциклирование предшествует окончательной термической обработке, причем термоциклирование можно совмещать или не совмещать с закалкой; 2) термоциклирование осуществляют после окончательной термической обработки; 3) термоциклирование следует за пластической деформацией и окончательной термической обработкой. В табл. 1 термин «термоциклирование» представляет собой любое многократное чередование операций нагрева и охлаждения. В этом случае процессы многократной закалки, отжига, нормализации и другие термоциклические режимы в сочетании с термообработкой (закалкой и отпуском) можно полноправно отнести к УТЦО, формирующей структуру с окончательными рабочими свойствами инструментов. При этом словосочетание «термоциклирование, совмещенное с закалкой», означает, что с верхней температуры последнего термоцикла осуществляют закалочное охлаждение, а выражение «термоциклический отжиг с промежуточным перлитным превращением» означает, что на последнем цикле осуществляют медленное охлаждение до комнатной температуры. В изученных процессах УТЦО термоциклирование инструментальных сталей может проходить с завершенными и незавершенными структурно-фазовыми превращениями или при отсутствии таковых, а промежуточные фазовые превращения при циклическом охлаждении могут протекать по мартенситному, перлитному или бейнитному механизмам [8, 14].

Таблица 1

Известные способы УТЦО инструментальных сталей [8]

Технологические операции

1. Термоциклирование с промежуточным перлитным превращением, совмещенное с закалкой на бейнит + отпуск

2. Термоциклирование с промежуточным бейнитным превращением, совмещенное с закалкой на бейнитно-мартенситную структуру + отпуск

3. Многократная закалка на мартенсит + отпуск

4. Термоциклирование с промежуточным мартенситным превращением, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

5. Многократная закалка на мартенсит с промежуточным отпуском + отпуск

6. Многократная закалка на мартенсит с промежуточным многократным нагревом ниже А1 с последующим резким охлаждением + отпуск

7. Термоциклический отжиг с промежуточным перлитным превращением + закалка на мартенсит + отпуск

8. Многократный отжиг + закалка на мартенсит + отпуск

9. Многократная нормализация + закалка на мартенсит + отпуск

10. Термоциклирование с промежуточным перлитным превращением, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

11. Термоциклирование с бейнитным превращением, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

12. Термоциклирование вокруг точки А1 без распада аустенита при охлаждении, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

13. Термоциклирование выше А1, совмещенное с закалкой на мартенсит + отпуск

14. Многократный нагрев ниже A1 с последующим резким охлаждением + закалка на мартенсит + отпуск

15. Закалка на мартенсит + отпуск + многократный нагрев ниже А1 с последующим резким охлаждением

16. Пластическая деформация + закалка на мартенсит + отпуск + многократный нагрев ниже A1 с последующим резким охлаждением

Анализ (табл. 2) показал, что инструментальные стали упрочняют не всеми известными способами УТЦО: быстрорежущие стали – способами под номерами 3, 5, 7, 13, 14; а штамповые стали – практически всеми, кроме 13 и 14. Для быстрорежущих сталей наилучшим по достигаемому эффекту является процесс УТЦО, включающий 5–7 циклов многократного нагрева до полной их аустенизации при температуре на 20–50 °С ниже температуры плавления и термоциклического охлаждения с выдержкой при 800–850 °С (выше точки А1), закалку, совмещенную с последним термоциклическим нагревом, и трехкратный отпуск (560 °С по 1 ч). Для ударно-штамповых сталей (У8–У12) наилучшим является способ УТЦО, включающий термоциклирование (пять циклов) в интервале температур от 740 до 800 °С с изотермическими выдержками при этих температурах для полного завершения фазовых превращений сталей, закалочное охлаждение в воде с верхней температуры термоцикла и низкий отпуск при 180 °С. Однако подавляющее большинство известных процессов УТЦО инструментальных сталей имеет такой недостаток, что каждый цикл УТЦО проводят с полностью завершенными структурно-фазовыми превращениями для измельчения и гомогенизации структуры во всем объеме инструмента. Это не позволяет сформировать наиболее работоспособную структуру инструментальной стали с градиентом химического состава и свойств по сечению инструмента, когда на его поверхности создаются более высокие показатели твердости и износостойкости, а в сердцевине инструмента – более высокие значения вязкости и прочности.

Таблица 2

Результаты изучения инструментальных сталей после УТЦО [9]

Структура

Свойства

на основе отпущенного мартенсита

или бейнита

физико-химические, механические,

технологические

Увеличение плотности дислокаций

Снижение степени тетрагональности

мартенсита

Повышение напряжений 2-го рода

Измельчение зерен и субзерен

Уменьшение блоков мозаики

Уменьшение размера карбидов

Увеличение количества вторичных

дисперсных карбидов

Повышение степени легирования и

однородности твердого раствора

Устранение структурной полосчатости

Повышение ударной вязкости

Повышение прочности (при изгибе, растяжении)

Повышение твердости

Повышение износостойкости

Увеличение теплостойкости и термостойкости

Повышение коррозионной стойкости

Повышение контактной выносливости

Увеличение периода стойкости инструмента

Снижение температур критических точек

Повышение изотропности свойств

Уменьшение деформации

Устранение закалочных микротрещин

В результате применения УТЦО инструментальных сталей (табл. 2) существенно улучшается микро- и макроструктура инструментальных сталей, что положительно сказывается на увеличении целого комплекса важных эксплуатационных и технологических характеристик металлообрабатывающих инструментов [15–17].

Заключение

Поверхностная обработка не всегда может повысить работоспособность стальных инструментов, которые испытывают большие динамические нагрузки; поэтому так важно развивать технологии объемного упрочнения, чтобы обеспечить высокие показатели прочности и трещиностойкости во всем объеме инструментов. В этом плане большой интерес представляет метод термоциклической обработки, который создает деформационное (дислокационное) упрочнение в инструментальных сталях, приводит к их фазовому наклепу, диспергированию элементов микро- и субзеренной структуры. Среди известных технологий термоциклической обработки наиболее перспективным считается процесс упрочняющей термоциклической обработки, формирующей мелкоизмельченную структуру закаленной стали с окончательными рабочими свойствами высокого уровня. Благодаря своей простоте, технологичности и эффективности использование данной технологии упрочняющей термоциклической обработки на практике позволит решить важнейшую проблему повышения работоспособности стальных металлообрабатывающих инструментов.


Библиографическая ссылка

Шматов A.А. МЕТОДЫ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ОБЪЕМНОГО УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2021. – № 7. – С. 56-60;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13249 (дата обращения: 13.08.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074