Поліпшення комплексу властивостей елінварного сплаву 44НХМТ методом комбінованої деформаційно-термічної обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 620.22:67.017:621.78

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Поліпшення комплексу властивостей елінварного сплаву 44НХМТ методом комбінованої деформаційно-термічної обробки

Спеціальність -05.02.01 -

Матеріалознавство

Кучма Світлана Миколаївна

Харків - 2010

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі технології металів та матеріалознавства Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (ХНАДУ) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Мощенок Василь Іванович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор, завідувач кафедрою технології металів і матеріалознавства

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Скобло Тамара Семенівна, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, професор кафедри ремонту тракторів, автомобілів та сільськогосподарських машин, лауреат державної премії України, член-кореспондент інженерної академії наук.

кандидат технічних наук Аксьонова Світлана Ізраілівна, Державне підприємство «Завод ім. Малишева», начальник рентгенівської лабораторії Центральної лабораторії

Захист відбудеться 18.05.2010 р о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: Україна, 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: Україна, 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий 13.04.2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, професор І.В. Кіяшко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Нині розширюється галузь застосування малогабаритних канальних електромеханічних фільтрів (ЕМФ). Поряд з їх традиційним використанням в мережах телефонного зв'язку, вони знайшли широке застосування в спеціальній техніці. Для виготовлення резонаторів ЕМФ широко застосовуються елінварні сплави на Fe - Ni - Cr основі, які характеризуються малим температурним коефіцієнтом частоти (ТКЧ) резонансних коливань. Найбільш перспективним сплавом цього класу є елінвар 44НХМТ.

Актуальність теми. В зв'язку з тим, що в сортаменті металургійної промисловості відсутні малогабаритні (діаметром менше 4,5 мм) прутки зазначеного сплаву, технологія виготовлення резонаторів передбачає механічну обробку для забезпечення геометричних розмірів резонаторів та термічну обробку, в процесі якої формується оптимальна структура, яка забезпечує необхідний для резонаторів комплекс елінварних властивостей.

Виробництво резонаторів ЕМФ зі сплаву 44НХМТ пов'язане зі значними труднощами, головними з яких є:

– необхідність індивідуального запуску металу в виробництво та визначення індивідуальних для кожної плавки режимів термічної обробки з метою одержання необхідного комплексу властивостей (приблизно для 30% плавок сплаву 44НХМТ підібрати режим термічної обробки не вдається, і ці плавки відбраковують);

– великий обсяг механічної обробки вихідного напівфабрикату при виготовленні резонаторів канальних ЕМФ призводить до великих витрат вартісного металу (коефіцієнт використання металу не перевищує 50%);

- висока чуттєвість сплаву 44НХМТ до коливань вмісту хімічних елементів в межах марочного складу і до точності додержання режимів термічної обробки, що обумовлює низьку стабільність якості виробів.

Тому проблема розробки та освоєння нових прогресивних способів отримання малогабаритних прутків (діаметром 4,0…3,0 мм), які б виключали зазначені недоліки та оптимізували комплекс елінварних властивостей сплаву 44НХМТ, є вельми актуальною.

Для розробки таких методів доцільно застосовувати нові схеми, такі, як комбінована деформаційно-термічна обробка, що включає холодне деформування, динамічне старіння (ДС) і наступне остаточне старіння (достарювання).

Рішення такої задачі вимагає, з одного боку, детального вивчення структур, які забезпечують потрібне сполучення елінварних властивостей, і, з іншого боку, розробки методів їх одержання.

Можна вважати, що заміна операцій рихтування і обробки різанням, які використовуються в діючих нині технологічних схемах, процесом ДС забезпечить створення більш сприятливої дисперсійної структури сплаву 44НХМТ перед остаточним старінням і дозволить суттєво оптимізувати технологічний процес виготовлення напівфабрикатів резонаторів канальних ЕМФ. Тому вивчення процесів формування структури сплаву 44НХМТ при деформаційно-термічній обробці і характеру її впливу на комплекс елінварних властивостей для розробки комбінованої деформаційно-термічної обробки сплаву, яка включає холодне деформування, ДС та достарювання, є актуальною задачею, як з наукової, так і з практичної точки зору.

Рішення цієї задачі дозволить більш повно реалізувати потенційні можливості сплаву 44НХМТ, як матеріалу для виготовлення резонаторів канальних ЕМФ, поліпшити його елінварні властивості і суттєво оптимізувати процес виготовлення виробів з нього. Рішенню цієї актуальної задачі і присвячена робота.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках наукових програм кафедри «Обробка металів тиском та матеріалознавство» та кафедри «Технологія та організація машинобудівельного виробництва» Донбаського державного технічного університету (ДонДТУ). Наведені в дисертаційній роботі результати є складовою частиною науково-дослідної роботи «Розвиток ресурсозберігаючих технологій обробки металів тиском» (державний реєстраційний номер 0103U002538) та науково-дослідної роботи «Спосіб отримання малогабаритних прутків з елінварного сплаву 44НХМТ» (державний реєстраційний номер 0109U003236), де автор був відповідальним виконавцем. Основні матеріали дисертаційної роботи викладені в звітах за цими роботами.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка методу комбінованої деформаційно-термічної обробки, яка включає холодне деформування, ДС та наступне достраювання, що забезпечує високий рівень елінварних властивостей: стабільний ТКЧ в межах 3Ч10-⁶єС-¹ при високій добротності понад 25 000 одиниць в широкому експлуатаційному діапазоні температур -60є…+85єС прутків малого перетину для виготовлення резонаторів канальних ЕМФ зі сплаву 44НХМТ.

Досягнення поставленої мети вимагає рішення наступних задач:

- провести комплексне матеріалознавче дослідження впливу режимів деформаційної, деформаційно-термічної і комбінованої деформаційно-термічної обробки на структуру та комплекс властивостей елінварного сплаву 44НХМТ;

- розробити ефективну технологічну схему комбінованої деформаційно-термічної обробки елінварного сплаву 44НХМТ, яка включає холодне деформування, ДС з наступним остаточним штучним старінням (достарюванням);

- провести теоретичне оцінювання та експериментальні дослідження з вибору оптимальної температури остаточного старіння (достарювання) залежно від фактичного вмісту основних легувальних елементів в плавках сплаву 44НХМТ, яка б забезпечувала властивості матеріалу на рівні вимог, що ставляться до заготовок резонаторів канальних ЕМФ;

- розробити методику експресного визначення оптимального температурного режиму остаточного старіння заготовок резонаторів канальних ЕМФ зі сплаву 44НХМТ з урахуванням індивідуальних особливостей плавок (фактичного вмісту основних легувальних елементів);

- провести промислові випробування отриманих результатів. Оцінити їх якість та економічну ефективність.

Об'єкт дослідження. - процес комбінованої деформаційно-термічної обробки дисперсійно-твердіючого елінварного сплаву 44НХМТ.

Предмет досліджень - поліпшення комплексу властивостей елінварного сплаву 44НХМТ методом комбінованої деформаційно-термічної обробки.

Методика досліджень. Експериментальне визначення елінварних властивостей здійснювали шляхом використання методу підрахунку числа вільних коливань (метод вимірювання декременту затухання).

Визначення характеристик міцності (межі міцності та плинності) та пластичності (відносне звуження та подовження) здійснювали випробуваннями при одноосьовому статичному розтягуванні циліндричних зразків за стандартними методиками.

Для вивчення структурних особливостей елінварного сплаву 44НХМТ використовували методи металографічного, електронно-мікроскопічного та рентгеноструктурного аналізів.

Експериментальні дослідження впливу вмісту основних легувальних елементів сплаву 44НХМТ і розробку методу визначення оптимального режиму термічної обробки з урахуванням конкретного вмісту елементів в плавці виконували з використанням математичного планування експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Встановлений взаємозв'язок структури з комплексом елінварних властивостей сплаву 44НХМТ та виявлено її оптимальний характер. Показано, що найбільш високий комплекс властивостей досягається при певному співвідношенні розпаду твердого розчину за безперервним механізмом всередині зерна та переривчастому - по границях зерен.

2. Визначені закономірності структурних перетворень в процесі деформаційного впливу та старіння і розроблено науковий підхід до використання методу комбінованої деформаційно-термічної обробки для створення оптимального структурного стану та забезпечення високого комплексу елінварних властивостей для сплаву 44НХМТ.

3. Запропоновано новий метод комбінованої деформаційно-термічної обробки елінварного сплаву 44НХМТ, який використовується для виготовлення резонаторів канальних ЕМФ, що включає холодне деформування, динамічне старіння та остаточне штучне старіння (достарювання). Визначені режими, які забезпечують отримання високого рівня добротності (понад 25 000 одиниць) в поєднанні з ТКЧ, який знаходиться в межах 3Ч10-⁶єС-¹, в експлуатаційному інтервалі температур -60є … +85єС.

4. Виявлено вплив основних легувальних елементів сплаву 44НХМТ (нікелю, хрому, титану) на добротність та ТКЧ; розроблено методику визначення оптимального температурного режиму остаточного етапу комбінованої деформаційно-термічної обробки (достарювання) індивідуальних плавок залежно від фактичного хімічного складу.

Практичне значення отриманих результатів. На базі отриманих результатів теоретичних та експериментальних досліджень були розроблені:

- нова технологічна схема комбінованої деформаційно-термічної обробки, яка включає холодне деформування, ДС та достарювання, та забезпечує ТКЧ в межах 3Ч10-⁶єС-¹, добротність понад 25 000 одиниць в широкому експлуатаційному діапазоні температур -60є … +85єС для дисперсійно-твердіючих елінварних сплавів типу 44НХМТ.

- новий технологічний процес виготовлення заготовок резонаторів канальних ЕМФ малого перетину з елінварного сплаву 44НХМТ (на запропонований технологічний процес одержано патент України №30882 на корисну модель «Спосіб отримання малогабаритних прутків з дроту елінварного сплаву»);

- інженерна методика та відповідне програмне забезпечення з визначення оптимального температурного режиму остаточного старіння (достарювання), яка надає можливість прогнозування та керування комплексом елінварних властивостей залежно від фактичної концентрації основних легувальних елементів (нікелю, хрому, титану);

Розроблена технологія отримання прутків малого перетину та методика автоматизованого визначення оптимальної температури достарювання впроваджені на підприємствах машинобудівного комплексу України: Сніжнянському машинобудівному заводі ВАТ «Мотор-Січ» (м. Сніжне Донецької області) та ПП науково-виробничому центрі нових технологій «Технологія» (м. Алчевськ Луганської області). Запропоновані методики використовуються в навчальному процесі Донбаського державного технічного університету (ДонДТУ).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати досліджень, наведених в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. В спільних роботах здобувачу належить:

- встановлення зв'язку структури з елінварними властивостями сплаву 44НХМТ [6]; елінварний деформаційний термічний сплав

- розробка нової технологічної схеми виробництва прутків малого перетину для виготовлення резонаторів канальних ЕМФ [8, 9, 10];

- вибір режиму динамічного старіння [5];

- методика дослідження впливу основних легувальних елементів на добротність та ТКЧ [7];

- інженерна методика експресного визначення температурного режиму остаточного старіння (достарювання) для одержання необхідноо комплексу елінварних властивостей в широкому діапазоні експлуатаційних температур залежно від фактичного вмісту основних легувальних елементів [11]

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені: на міжнародній науково-технічній конференції «Машиностроение и техносфера ХХI века» (м. Севастополь, 2007 р.); на ІІІ, V міжнародних науково-технічних конференціях «Стратегія якості в промисловості та освіті» (м. Варна, Болгарія, 2007, 2008, 2009 р.р.); на ІІІ міжнародній науково-практичній конференції «Умение и нововъведения» (м.Софія, Болгарія, 2007р.); на ІV міжнародній науково-практичній конференції «Достижения современной науки» (м. Прага, Чехія, 2008 р.); на V міжнародній науково-практичній конференції «Наука: теорія и практика» (м. Варшава, Польща, 2009 р.)

Публікації. Основні результати роботи викладено в шести статтях, опублікованих у виданнях, що входять до переліку ДАК України та в патенті на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 105 найменувань і 4 додатків. Основний зміст роботи викладено на 147 с. і включає 33 табл., 46 рис.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено мету та задачі досліджень, наведено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, їх реалізацію в промисловості.

У першому розділі проведено аналіз літературних джерел за напрямками досліджень з питань використання елінварних сплавів для виготовлення резонаторів канальних (ЕМФ) та вимог, які ставляться до елінварних сплавів у зв'язку з цим. Резонатор повинен забезпечувати стабільність роботи та комплекс необхідних властивостей канальних ЕМФ в широкому експлуатаційному діапазоні температур від -60єС до +85єС. Тому для виготовлення резонаторів застосовуються елінварні сплави.

Найбільш перспективним конструкційним матеріалом для виготовлення резонаторів канальних ЕМФ є дисперсійно-твердіючий елінварний сплав 44НХМТ.

Наявні літературні дані свідчать, що можливість отримання необхідного комплексу елінварних властивостей сплаву 44НХМТ визначається наступною технологічною схемою: загартування, рихтування, механічна обробка (шліфування), старіння (рис. 1, а). Проте виробництво резонаторів з серійних прутків пов'язане зі значними технологічними труднощами: відсутність в сортаменті необхідних розмірів прутків; необхідність використання спеціалізованого технологічного обладнання для якісного рихтування; значні обсяги браку за елінварними властивостями. Таким чином, доцільно дослідити можливість застосування нових технологічних схем комбінованої деформаційно-термічної обробки, які забезпечать необхідний рівень властивостей напівфабрикатів резонаторів канальних ЕМФ з більш високими показниками продуктивності та ефективності використання матеріалу і одночасним зменшенням витрат на виробництво. Зокрема, ефективним способом впливу на особливості структурного стану і комплекс елінварних властивостей є ДС.

У другому розділі наводяться використані матеріал та методики досліджень. Дослідження проводили на промислових та експериментальних плавках елінварного сплаву 44НХМТ. Хімічний склад експериментальних плавок відповідав вимогам ТУ 14-1-4630-89 на прутки із сплаву 44НХМТ (табл. 1).

Таблиця 1. Хімічний склад елінварного сплаву 44НХМТ (ТУ 14-14-1-4630-89)

Вміст елементів, ваг.% *
Ni	Cr	Ti	Al	Mn	Mo	Si	C	S	P
43,4 -44,0	4,3 - 5,1	2,6- 3,2	0,5 - 1,0	0,2 - 0,4	0,1- 0,3	0,1 - 0,4	? 0,05	?0,02	?0,02

Примітка: *Fe - решта

Для дослідження механічних та елінварних властивостей з дроту 4,5 мм сплаву 44НХМТ були виготовлені малогабаритні прутки 3,4 мм двома способами:

1) методом деформаційно-термічної обробки: загартований дріт піддавали холодному деформуванню та старінню в інтервалі температур 500 - 800єС протягом 2 годин;

2) методом комбінованої деформаційно-термічної обробки, яка включає холодне деформування, ДС з наступним старінням: загартований дріт піддавали волочінню крізь обертову роликову головку, після чого пруток 3,4 мм проходив ДС. ДС проводили в інтервалі температур 500-750єС через кожні 25єС з одночасним прикладанням розтягуючих напружень 40 МПа протягом 25 хвилин при заданій температурі. Потім прутки малого перетину піддавали остаточному штучному старінню (достарюванню).

На зразках прутків 3,4 мм, отриманих за двома способами, здійснювали випробування їх механічних та елінварних властивостей.

Елінварні властивості визначали на вимірювальному комплексі для визначення добротності та ТКЧ.

Для оцінки мікроструктури та фазового складу елінварного сплаву 44НХМТ при деформаційній, деформаційно-термічній та комбінованій деформаційно-термічній обробці використовували сучасні комплексні методи досліджень: металографічний, електронно-мікроскопічний, рентгеноструктурний.

Для дослідження впливу основних легувальних елементів на елінварні властивості та для визначення оптимальних режимів комбінованої деформаційно-термічної обробки сплаву 44НХМТ використано метод математичного планування експерименту.

В третьому розділі розглянуто вплив деформаційно-термічної обробки на структуру, механічні та елінварні властивості сплаву 44НХМТ. Деформаційно-термічна обробка за схемою: гартування, холодне деформування (волочіння), старіння використовується з метою поліпшення елінварних властивостей та забезпечення оптимального їх сполучення.

Для встановлення кореляції між елінварними властивостями сплаву 44НХМТ та характером структури, яка формується при деформаційно-термічній обробці, проведено дослідження дроту, виготовленого відповідно до ТУ 14-1-3057-89. Структуру сплаву досліджували в стані після гартування та холодного деформування, а також після старіння.

Механічні властивості є важливою технологічною характеристикою сплаву 44НХМТ. Зокрема практичний інтерес при розрахунку резонансних систем становлять дані про модулі поздовжньої пружності та зсуву.

Результати визначення елінварних характеристик: ТКЧ та добротності сплаву 44НХМТ залежно від режиму деформаційно-термічної обробки показали, що наступне після гартування та холодного деформування старіння призводить до монотонного зростання ТКЧ з підвищенням температури старіння.

При цьому оптимальні значення ТКЧ 3Ч10-⁶єС-¹ досягаються в інтервалі температур старіння 540 - 590єС. Добротність має виражену екстремальну залежність від температури старіння. Інтервал температур старіння, в якому забезпечується необхідний рівень добротності (понад 25 000 одиниць) дуже вузький: 565 - 575єС. Ці температурні інтервали перекриваються, і оптимальна температура становить 570±5єС.

Результати металографічного, електронно-мікроскопічного та рентгеноструктурного аналізу показали, що оптимальний комплекс елінварних властивостей сплаву 44НХМТ забезпечується його структурою, яка носить змішаний характер розпаду твердого розчину - переривчастий на границях зерен та безперервний - всередині зерна. При цьому значна частина виділеної `-фази зберігає когерентний зв'язок з матрицею.

Недоліками традиційної деформаційно-термічної обробки сплаву 44НХМТ, як показали дослідження, є дуже вузький (5єС) температурний інтервал старіння, в якому забезпечується необхідний комплекс елінварних характеристик, що викликає значні технологічні труднощі при його підтриманні та обумовлює низьку стабільність якості матеріалу, а, відповідно, високий відсоток браку за елінварними властивостями.

Четвертий розділ присвячено дослідженню впливу ДС та комбінованої деформаційно-термічної обробки на елінварні властивості сплаву 44НХМТ.

Загартований дріт 4,5 мм піддавали холодному деформуванню (~60%) та ДС на термоволочільній установці з прикладенням розтягуючих напружень 40МПа в інтервалі температур 500-750єС з витримкою при заданій температурі на протязі 25 хвилин.

Проведені дослідження показали, що з підвищенням температури ДС добротність зростає і при 650єС досягає свого максимального значення близько 15 000 одиниць, після чого спостерігається деяке її зниження і при 700єС значення добротності падає до 13 000 одиниць. При цьому інтервал температур ДС, який забезпечує зазначену добротність досить широкий (620-700єС). Зміна ТКЧ сплаву залежно від температури ДС відбувалася монотонно від від'ємних значень (-24…-18)Ч10-⁶єС-¹ при 500єС до приблизно (+1…+6)Ч10-⁶єС-¹ при 700єС. Потрібні значення ТКЧ в межах 3Ч10-⁶єС-¹ в експлуатаційному діапазоні температур -60є …+85єС сплав має при 670єС. Але інтервал температур ДС, який забезпечує зазначений рівень ТКЧ дуже вузький.

Проведені дослідження впливу ДС на механічні властивості сплаву 44НХМТ показали, що ДС призводить до підвищення характеристик міцності. Причому зі зростанням температури ДС до 600-700єС спостерігається значне зміцнення (~25%) в порівнянні з загартованим та холоднодеформованим станом. Пластичні властивості сплаву 44НХМТ змінюються наступним чином. Відносне подовження при 500єС складає 1,9% і з підвищенням температури ДС зростає, досягаючи максимального значення 5,4%. Проте одночасно з цим поперечне звуження при зростанні температури ДС від 500є до 600єС практично залишається незмінним, а при температурах понад 600єС - знижується. Така поведінка механічних властивостей характерна для утворення впорядкованих структур. Вона пов'язана з орієнтованим виділенням другої фази в полі напружень, що веде до зміцнення матеріалу в районі утворення шийки та переміщення сконцентрованої деформації в іншу область зразка.

Таким чином, прутки, отримані методом комбінованої деформаційно-термічної обробки мають необхідний малий діаметр (3,4 мм), їм притаманна більш висока добротність (майже в два рази) у порівнянні з дротом 4,5 мм.

Для подальшого поліпшення комплексу елінварних властивостей сплаву 44НХМТ дослідили вплив комбінованої деформаційно-термічної обробки, яка включає холодне деформування, ДС та остаточне старіння (достарювання) (рис. 1, в) Аналіз проведених досліджень показав, що комбінована деформаційно-термічна обробка при всіх досліджених температурах ДС дозволяє досягнути стабільно високого рівня добротності (понад 30 000 одиниць). Це суттєво перевищує значення добротності сплаву при традиційній схемі його обробки. Причому зі збільшенням температури ДС чуттєвість величини добротності до температури достарювання зменшується.

Характер залежності ТКЧ від температури остаточного старіння (достарювання) для сплавів, що пройшли ДС та без нього, аналогічний. Але комбінована деформаційно-термічна обробка, яка включає холодне деформування (~60%), ДС при температурі 700єС та наступне достарювання дозволяє досягнути ТКЧ в межах 3Ч10-⁶єС-¹ в необхідному експлуатаційному інтервалі температур. Однак слід відзначити, що потрібні значення ТКЧ забезпечуються також в дуже вузькому інтервалі температур остаточного старіння (достарювання).

Встановлені фактори позитивного впливу ДС на структуру та властивості сплаву 44НХМТ:

- формування однорідної структури дисперсійного твердіння, яка сполучує в оптимальних співвідношеннях розпад твердого розчину за переривчастим механізмом по границях зерен та безперервним - всередині зерна;

- поліпшення комплексу елінварних властивостей;

- зменшення чуттєвості елінварних характеристик до коливань температури остаточного штучного старіння (достарювання).

Дослідження впливу ДС на фазовий склад і структуру сплаву 44НХМТ показали, що особливістю розпаду -твердого розчину в процесі ДС є перебіг його переважно за безперервним механізмом; комірковий розпад по границях зерен виражений слабо. В структурі зразків, підданих ДС з достарюванням, спостерігається виявлення обох видів розпаду. Однак ступінь безперервного розпаду всередині зерна носить більш інтенсивний та рівномірний характер (у порівняння з старінням без попереднього ДС).

Таким чином, доведено доцільність використання ДС в схемі комбінованої деформаційно-термічної обробки прутків малого перетину для виготовлення резонаторів канальних ЕМФ. Визначено режим комбінованої деформаційно-термічної обробки, який забезпечує високу добротність та мінімальні значення ТКЧ: холодне деформування (~60%), ДС при температурі 700єС під навантаженням 40 МПа з витримкою в часі 25 хвилин та наступне достарювання в інтервалі температур 500 - 700єС. Цей режим запропоновано для промислового запровадження.

П'ятий розділ присвячений експериментальним дослідженням визначення оптимального режиму комбінованої деформаційно-термічної обробки, що включає ДС, з урахуванням вмісту основних легувальних елементів Ni, Cr, Ti та дослідженням їх впливу на елінварні властивості сплаву 44НХМТ.

З використанням методу математичного планування експерименту були проведені дослідження впливу основних легувальних елементів Ni, Cr, Ti на елінварні властивості сплаву 44НХМТ. В якості параметрів оптимізації було обрано добротність Q та ТКЧ в інтервалі експлуатаційних температур -60^о…+20^оС та +20^о…+85^оС. За основний рівень експерименту був прийнятий сплав з вмістом хімічних елементів, який відповідає вимогам технічних умов на прутки із сплаву 44НХМТ (ТУ 14-1-4630 - 89). Інтервали варіювання легувальних елементів вибирали відповідно з допустимими до внутримарочного складу сплаву відхиленнями.

Дослідження за перевіркою функції відгуків проводили на дроті, виготовленому з експериментальних плавок.

Встановлено кореляційну залежність між вмістом основних легувальних елементів плавки та температурою старіння, що забезпечує оптимальне співвідношення необхідних значень ТКЧ та добротності. Були отримані рівняння регресії для комбінованої деформаційно-термічної обробки, які показують кореляційну залежність між вмістом основних легувальних елементів плавки:

ТКЧ в інтервалі температур -60…+20° С:

ТКЧ⁵⁰⁰_ДС700 = 21,33 - 2,28х₁ - 10,75х₂ - 6,9х₃,

ТКЧ⁵⁵⁰_ДС700 = 21,38 - 1,78х₁ - 10,02х₂ - 6,72х₃;

ТКЧ⁶⁰⁰_ДС700 = 21,43 - 1,30х₁ - 9,28х₂ - 6,55х₃;

ТКЧ⁶⁵⁰_ДС700 = 23,08 - 2,31х₁ - 9,42х₂ - 6,75х₃;

ТКЧ⁷⁰⁰_ДС700 = 24,73 - 3,32х₁ - 9,57х₂ - 7,95х₃.

ТКЧ в інтервалі температур +20…+85° С:

ТКЧ⁵⁰⁰_ДС700 = 14,75 + 0,45х₁ - 8,75х₂ - 7,45х₃,

ТКЧ⁵⁵⁰_ДС700 = 17,45 - 0,13х₁ - 10,55х₂ - 9,78х₃;

ТКЧ⁶⁰⁰_ДС700 = 20,16 - 0,51х₁ - 12,3х₂ - 12,11х₃;

ТКЧ⁶⁵⁰_ДС700 = 20,98 - 0,88х₁ - 12,15х₂ - 10,85х₃;

ТКЧ⁷⁰⁰_ДС700 = 21,8 - 1,25х₁ - 11,95х₂ - 9,6х₃.

Добротність Q Ч10³:

Q⁵⁰⁰_ДС700 = 47,33 - 3,63х₁ - 1,27х₂ + 17,93х₃,

Q⁵⁵⁰_ДС700 = 47,43 - 1,85х₁ - 0,51х₂ + 15,32х₃;

Q⁶⁰⁰_ДС700 = 47,63 - 0,37х₁ + 0,20х₂ +13,45х₃;

Q⁶⁵⁰_ДС700 = 45,43 - 0,25х₁ - 0,8х₂ + 11,65х₃;

Q⁷⁰⁰_ДС700 = 43,03 + 0,7х₁ - 1,9х₂ + 9,85х₃.

де х₁, х₂, х₃ - відхилення фактичних концентрацій нікелю, хрому, титану від середніх значень відповідно до марочного складу.

Статистична перевірка результатів експерименту на однорідність дисперсій, значимість коефіцієнтів рівнянь регресії підтвердила адекватність математичних моделей.

На підставі аналізу отриманих математичних моделей зроблено висновок, що найбільший вплив на величину добротності сплаву має титан (х₃). Він підвищує добротність сплаву ефективніше, ніж нікель (х₁) або хром (х₂).

Таким чином, для отримання високої добротності сплаву повинні виконуватися дві умови:

1) старіння має проводитися в інтервалі температур 500є …600єС;

2) концентрація титану в сплаві має підтримуватися на верхньому рівні: 3,1%.

ТКЧ дуже чутливий до зміни хімічного складу сплаву 44НХМТ. Проведені експериментальні дослідження показали, що залежно від обраної температури старіння зміна концентрації основних легувальних елементів (нікелю, хрому, титану) в межах марочного складу сплаву 44НХМТ викликає коливання ТКЧ до 25…26 одиниць.

На підставі отриманих поліноміальних моделей розроблена методика визначення оптимальної температури достарювання сплаву 44НХМТ для отримання необхідного комплексу елінварних властивостей: ТКЧ в межах 3Ч10^-6єС-¹ при високій добротності (більш 25 000 одиниць) в широкому експлуатаційному інтервалі температур залежно від хімічного складу кожної конкретної плавки. Зазначена методика реалізована відповідною комп'ютерною програмою.

В виробничих умовах вибір температури достарювання з використанням розробленого програмного забезпечення дозволяє зменшити бракування матеріалу за елінварними властивостями та скоротити терміни підготовки виробництва.

В шостому розділі приводяться дані промислового випробування результатів дослідження та впровадження способу отримання малогабаритних прутків із сплаву 44НХМТ.

Розроблений метод комбінованої термомеханічної обробки прутків зі сплаву 44НХМТ впроваджено в умовах термічного цеху Сніжнянського машинобудівного заводу ВАТ «Мотор Січ» (м. Сніжне, Донецька обл.) та термічного відділення науково-виробничого підприємства нових технологій «Технологія» (м. Алчевськ, Луганська обл.).

Випробування показали можливість одержання оптимального комплексу елінварних властивостей: стабільний ТКЧ зі значеннями в межах 3,0Ч10-⁶єС-¹ при високій (понад 45 000 одиниць) добротності на малогабаритних прутках зі сплаву 44НХМТ, одержаних методом комбінованої деформаційно-термічної обробки в виробничих умовах.

Впровадження розробленої технології виробництва прутків зі сплаву 44НХМТ методом комбінованої деформаційно-термічної обробки, яка включає холодне деформування, ДС з наступним достарюванням, дозволило отримати високодобротні прутки діаметром 3,4 мм, стабілізувати елінварні властивості та забезпечити їх необхідний рівень.

На підставі порівняльного економічного аналізу собівартості прутків, одержаних за розробленим способом, та прутків, одержаних за традиційною технологією, підтверджено економічну ефективність запропонованого методу одержання прутків малого перетину з елінварного сплаву 44НХМТ. Показано, що при застосуванні запропонованого способу комбінованої деформаційно-термічної обробки собівартість заготовок резонаторів канальних ЕМФ знижується в 1,9 рази за рахунок підвищення ефективності використання матеріалу та зменшення браку за елінварними властивостями та зменшення трудомісткості і термінів підготовки виробництва.

Споживачами високодобротних прутків малого перетину зі сплаву 44НХМТ є підприємства радіоелектронної промисловості та приладобудування.

ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу апріорної інформації було обґрунтовано доцільність та необхідність розробки нової технологічної схеми обробки елінварних сплавів типу 44НХМТ, який використовується для виготовлення резонаторів канальних ЕМФ, для поліпшення комплексу властивостей. В якості нової технологічної схеми було обрано комбіновану деформаційно-термічну обробку: холодне деформування > динамічне старіння > остаточне штучне старіння (достарювання), яка забезпечує необхідний рівень елінварних властивостей: ТКЧ в межах 3,0Ч10-⁶єС-¹ при високій добротності понад 25 000 одиниць в широкому експлуатаційному інтервалі температур від -60є до +85єС.

2. Розроблено нову технологічну схему виробництва прутків малого перетину 3,4 мм з елінварного сплаву 44НХМТ для виготовлення резонаторів канальних ЕМФ, яка включає холодне деформування та динамічне старіння (патент України №30882 на корисну модель «Спосіб отримання малогабаритних прутків із дроту елінварних сплавів»). Визначено оптимальний режим динамічного старіння прутків зі сплаву 44НХМТ: температура нагрівання - 700єС; величина розтягуючих напружень - 40 МПа; час витримки під навантаженням при заданій температурі - 25 хвилин.

3. Виявлено закономірності формування структури сплаву 44НХМТ в процесі деформаційно-термічної обробки, виконаної за технологічною схемою: гартування, холодне пластичне деформування, старіння. Встановлено особливості структурного стану сплаву залежно від режимів обробки: при низькотемпературному старінні переважає розпад твердого розчину за переривчастим механізмом, а з підвищенням температури старіння інтенсифікується безперервний розпад всередині зерна і плавно змінює склад твердого розчину, забезпечуючи найкращий ефект дисперсійного твердіння.

4. Встановлено зв'язок між характером структури та комплексом елінварних властивостей сплаву 44НХМТ. Показано, що оптимальний комплекс елінварних властивостей: ТКЧ в межах 3,0Ч10-⁶єС-¹ в інтервалі температур -60є … +85єС при добротності понад 25 000 одиниць забезпечується при формуванні в сплаві однорідної структури дисперсійного твердіння, яка поєднує в оптимальному співвідношенні розпад -твердого розчину за переривчастим механізмом по границях зерен та безперервному - всередині зерна.

5. Показано, що забезпечення оптимального комплексу властивостей елінварного сплаву 44НХМТ досягається в результаті застосування комбінованої деформаційно-термічної обробки, яка включає холодне деформування, динамічне старіння, остаточне штучне старіння (достарювання). Встановлено, що температура остаточного старіння (достарювання) знаходиться в інтервалі 500є … 700єС і суттєво залежить від фактичного хімічного складу кожної конкретної плавки.

6. Проведено теоретичну оцінку та експериментальні дослідження впливу основних легувальних елементів на елінварні властивості (добротність та ТКЧ). Отримано математичні моделі, які описують залежність добротності та ТКЧ при різних температурних режимах достарювання від концентрації нікелю, хрому, титану.

7. На підставі отриманих поліноміальних моделей розроблено методику і алгоритм визначення оптимального температурного режиму достарювання для отримання необхідного комплексу елінварних властивостей залежно від хімічного складу для кожної плавки сплаву 44НХМТ. Розроблено програмну реалізацію зазначеного алгоритму. Застосування запропонованої методики та програмного забезпечення в виробничих умовах дозволяє знизити відсоток браку матеріалу за елінварними властивостями, зменшити трудомісткість та терміни підготовки виробництва.

8. Промислові випробування показали, що поліпшення комплексу елінварних властивостей сплаву 44НХМТ найбільш ефективно забезпечується застосуванням комбінованої деформаційно-термічної обробки. Отриманим пруткам малого перетину притаманна висока добротність (понад 25 000 одиниць) в поєднанні з ТКЧ в межах 3,0Ч10-⁶єС-¹ в широкому експлуатаційному інтервалі температур від -60є до +85єС.

9. Оцінка економічної ефективності використання розробленого методу комбінованої деформаційно-термічної обробки сплаву 44НХМТ, який забезпечує поліпшений комплекс елінварних властивостей, показала, що за рахунок підвищення коефіцієнту використання вартісного матеріалу в 1,5 рази, зниження браку за елінварними властивостями, зменшення трудомісткості та термінів підготовки виробництва собівартість виготовлення резонатора канального ЕМФ знизилася в 1,9 рази.

10. Запропонована технологічна схема обробки елінварного сплаву 44НХМТ запроваджена в виробництво на Сніжнянському машинобудівному заводі ВАТ «Мотор Січ» (м. Сніжне Донецької області) та ПП науково-виробничому центрі нових технологій «Технологія» (м. Алчевськ Луганської області).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кучма С.Н. Анализ физико-механических свойств элинварных сплавов / С.Н. Кучма // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2005. - №5/1(17). - С.79 - 82.

2. Кучма С.Н. Исследование влияния режимов термической обработки на физико-механические и элинварные свойства сплава 44НХМТ /
С.Н. Кучма // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2005. - №6/1(18). - С. 27 - 29.

3. Кучма С.М. Дослідження фізико-механічних властивостей термообробленого сплаву 44НХМТ/ С.М. Кучма // Вестник Харьковского національного автомобильно-дорожного университета и Северо-Восточного научного центра Транспортной академии Украины. Сборник научных трудов - Выпуск 33 -2006. - С. 91 -95.

4. Кучма С.Н. Исследование структурных превращений в сплаве 44НХМТ при термической обработке / С.Н. Кучма // Восточно-европейский журнал передовых технологий.- 2006. - №3/1 (21). - С.27 -29.

5. Любченко А.П. Исследование влияния динамического старения на свойства прутков из элинварного сплава 44НХМТ / А.П. Любченко, Д.Б. Глушкова, С.Н. Кучма, С.Ю. Стародубов // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2007. - №5/1 (29). - С. 59 - 66. (Здобувачем проведено лабораторні дослідження впливу режимів динамічного старіння на елінварні властивості прутків зі сплаву 44НХМТ)

6. Кучма С.Н. Влияние структуры сплавов 44НХМТ и 46НХВИТЮ на их физико-механические и элинварные свойства / С.Н. Кучма, С.Ю. Стародубов // III Международная конференция «Стратегія якості у промисловості і освіті» (1-8 июня 2007 г., Варна, Болгария): Материалы, В 2-х томах. Т.1 - Днепропетровск-Варна: Фортуна-ТУ-Варна, 2007. - С.310-313. (Здобувачем проаналізовано зв'язок між структурою, яка формується в процесі термообробки сплаву 44НХМТ, та його елінварними властивостями)

7. Кучма С.Н. Оптимизация химического состава сплава 44НХМТ для изготовления резонаторов электромеханических фильтров / С.Н. Кучма // Сборник трудов ХІV международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера ХХI века» (17 - 23 сентября 2007 г., г.Севастополь), В 5-ти томах. Т.2 Сост. - Донецк: ДонНТУ, 2007. - С.233 - 236.

8. Пат. 30882 Україна, МПК(2006) C21D8/06. Спосіб отримання малогабаритних прутків з дроту елінварного сплаву / Кучма С.М. (Україна); Харківський національний автомобільно-дорожній університет (Україна), - №u200714161, заявл. 17.12.2007; опубл. 11.03.2008, Бюл. №5, - 4 с. (Автору належить ідея застосування методу ДС на прутках сплаву 44НХМТ для одержання високого рівня елінварних властивостей)

9. Кучма С.Н. Получение малогабаритных высокодобротных прутков из сплавов 44НХМТ и 46НХВИТЮ / С.Н. Кучма, С.Ю. Стародубов // Материали за 3-а международна научна практична конференция, «Умение и новоъведения», - 2007, Том 10. Технологии. София. «Бял ГРАД-БГ» ООД. - С.8-11. (Автором наведені переваги використання запропонованого методу одержання малогабаритних прутків зі сплаву 44НХМТ)

10. Ведерников Н.И., Кучма С.Н., Стародубов С.Ю. Технология получения малогабаритних прутков из сплава ЭП-977/ Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. - Выпуск 27. -2008. - С.263 - 268. (Автором запропоновано технологічну схему виготовлення малогабаритних прутків зі сплаву ЭП-977 (44НХМТ) обґрунтовано її переваги)

11. Мощенок В.И. Автоматизация выбора оптимального режима достаривания малогабаритних прутков из сплава 44НХМТ// В.И. Мощенок, С.Н. Кучма, С.Ю. Стародубов// Material V Miкdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencij “Nauka: teoria i praktyka - 2009” Volum 7. Tachniczne nauka. Fizyna kultura i sport.: Pґzemyњl. Nauka i studia, 2009. - S. 14 - 18. (Автором запропоновано методику і алгоритм визначення температури достарювання).

АНОТАЦІЯ

Кучма С.М. Поліпшення комплексу властивостей елінварного сплаву 44НХМТ методом комбінованої деформаційно-термічної обробки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - Матеріалознавство. Харківський національний автомобільно-дорожній університет. Харків, 2010 г.

Дисертація присвячена дослідженню можливості забезпечення комплексу високих елінварних властивостей в прутках малого перетину сплаву 44НХМТ, який використовується для виготовлення резонаторів канальних електромеханічних фільтрів (ЕМФ), в результаті застосування комбінованої деформаційно-термічної обробки, яка включає холодне деформування, динамічне старіння (ДС) та остаточне старіння (достарювання).

Для найбільш перспективного конструкційного матеріалу - дисперсійно-твердіючого елінварного сплаву 44НХМТ запропоновано та досліджено метод комбінованої деформаційно-термічної обробки, що дозволило отримувати малогабаритні прутки з необхідним комплексом елінварних властивостей при одночасній оптимізації процесу їх виробництва. Визначено оптимальний режим комбінованої деформаційно-термічної обробки: гартування, холодне деформування (~60%), динамічне старіння з прикладанням розтягуючих напружень 40 МПа при 700єС протягом 25 хвилин, достарювання в інтервалі температур 500є-700єС.

Методом математичного планування вивчено вплив основних легувальних елементів Ni, Cr, Ti на елінварні властивості сплаву 44НХМТ.

Результати досліджень пройшли промислову апробацію і запроваджені на Сніжнянському машинобудівному заводі ВАТ «Мотор Січ» і на Алчевському науково-виробничому підприємстві «Технологія.

Показано ефективність розробленого методу, яка полягає в підвищенні коефіцієнту використання металу в 1,5 рази, скороченні тривалості виробничого циклу, зниженні браку за елінварними властивостями.

Ключові слова: елінвар, дисперсійно-твердіючий сплав, добротність, температурний коефіцієнт частоти, динамічне старіння, термомеханічна обробка, твердий розчин, переривчастий та безперервний розпад.

АННОТАЦИЯ

Кучма С.Н. Улучшение комплекса свойств элинварного сплава 44НХМТ методом комбинированной деформационно-термической обработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2010 г.

Диссертация посвящена исследованию возможности обеспечения комплекса высоких элинварных свойств в прутках малого сечения сплава 44НХМТ, используемого для изготовления резонаторов электромеханических фильтров, за счет применения комбинированной деформационно-термической обработки, включающей холодную деформацию (~60%), динамическое старение (ДС) и окончательное старение (достаривание).

Рассмотрены элинварные сплавы, используемые для изготовления резонаторов канальных ЭМФ, их сортамент, механические и элинварные свойства в состоянии поставки, а также способы термической обработки, направленной на обеспечение требуемого комплекса свойств: стабильного ТКЧ со значениями в пределах 3Ч10-⁶єС-¹ при высокой добротности выше 25 000 единиц в интервале температур -60є…+85єС.

Для наиболее перспективного конструкционного материала - дисперсионно-твердеющего элинварного сплава 44НХМТ предложен и исследован метод комбинированной деформационно-термической обработки, что позволило получать прутки малого сечения с требуемым комплексом элинварных свойств при одновременной оптимизации процесса их производства. Определен оптимальный режим комбинированной деформационно-термической обработки: закалка с 105010єС, холодная деформация (~60%), ДС с приложением растягивающих напряжений 40 МПа при 700єС в течение 25 минут, достаривание в интервале температур 500є-700єС.

Показано, что комбинированная деформационно-термическая обработка проволоки 4,5 мм из сплава 44НХМТ позволяет получать высокодобротные прутки 3,4 мм без дальнейших термостатирования и термофиксации, обеспечивает требуемые значения ТКЧ в пределах 3Ч10^-6єС-¹ в эксплуатационном диапазоне температур -60є…+85єС, улучшает прочностные и пластические характеристики.

Методом математического планирования эксперимента изучено влияние основных легирующих элементов Ni, Cr, Ti на элинварные свойства сплава 44НХМТ. На основе полученных полиномиальных моделей разработаны методика и алгоритм определения температуры окончательного старения (достаривания) для получения требуемого комплекса элинварных свойств в зависимости от фактического содержания основных легирующих элементов в плавках сплава 44НХМТ. Выбор температуры достаривания с использованием разработанного программного обеспечения в производственных условиях позволяет уменьшить отбраковку материала по элинварным свойствам и сокращает трудоемкость и сроки подготовки производства.

Результаты исследований прошли промышленную апробацию и внедрены на машиностроительных предприятиях Украины: Снежнянском машиностроительном заводе ОАО «Мотор Сич» (г. Снежное Донецкой обл.) и на научно-производственном предприятии новых технологий «Технология» (г. Алчевск Луганской обл.).

Экономическая эффективность разработанного метода комбинированной деформационно-термической обработки элинварного сплава 44НХМТ достигается за счет снижения брака в производстве заготовок по физическим параметрам и повышения (примерно в 1,5 раза) коэффициента использования металла.

Ключевые слова: элинвар, дисперсионно-твердеющий сплав, добротность, температурный коэффициент частоты, динамическое старение, термомеханическая обработка, твердый раствор, прерывистый и непрерывный распад.

ABSTRACT

Kuchma S. Improvement complex elinvar`s alloy 44НХМТ properties by the combined termomechanical treatment. - Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Science on speciality 05.02.01 “Science of materials”. - Kharkov National Automobile and Highway University, Kharkov, 2010.

The dissertation is devoted to researching possibility of providing the complex of high elinvar`s properties in the alloy`s 44НХМТ small bars, using for making resonators of channel electromechanical filters (EMF), by the method combined termomechanical treatment, including a cold deformation, dynamic senescence (DS) and final senescence.

The perspective construction material for making resonators of channel EMF is a precipitation-hardening elinvare alloy 44НХМТ.

The combined treatment method, including a cold deformation, dynamic senescence (DS) and final senescence, to get small bars with high good quality (Q>25 000). The optimal mode of combined treatment is determined: tempering; cold deformation; dynamic senescence under the load at 700єC during 25 minutes; final senescence at interval 500є - 700єC.

The influence of the basic elements Ni, Cr, Ti on the alloy`s 44НХМТ elinvare`s properties is learned by the mathematical planning method.

The results of the work received practical approval and are inculcated in Snezhnoye machine building plant “MOTOR SICH” and Alchevsk scientific-and-industrial enterprise “Technology”. Economic efficiency of the developed method of an alloy 44НХМТ combined treatment is arrived at by cutting production rejects and rising in coefficient of using of metal.

Keywords: elinvare, precipitation-hardening alloy, good quality, temperature coefficient of frequency, dynamic senescence, termomechanical treatment, irregular and continuous disintegration.

Размещено на Allbest.ru

...