Размещено на http://www.allbest.ru/

Приазовський державний технічний університет

УДК 621.785: 669.14.018.25(043.3)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вдосконалення технології термоциклічної обробки з метою підвищення властивостей інструменту для гарячого деформування металу

05.16.01 Металознавство і термічна обробка металів

Іващенко Вікторія Юріївна

Маріуполь 2010

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (м. Маріуполь) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Чейлях Олександр Петрович Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедри металознавства, проректор з науково-педагогічної роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор кафедри «Технологічні системи ремонтного виробництва» Скобло Тамара Семенівна, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П.Василенка доктор технічних наук, професор кафедри металознавства, технології і термічної обробки Заблоцький Володимир Кирилович Донбаська державна машинобудівна академія (м. Краматорск).

Захист відбудеться 21 травня 2010 р. о 1200 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01 Приазовського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Апатова, 115. штамповий інструмент валковий

Автореферат розісланий 17 квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.052.01 доктор техн. наук, професор В.О. Маслов

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема підвищення якості, надійності і довговічності інструменту для гарячої деформації металу актуальна у зв'язку з вдосконаленням конструкції прокатних станів і ковальсько-пресового обладнання за для необхідності досягнення більших зусиль обжимання і швидкостей деформації. Пріоритетною задачею металознавства на сучасному етапі є розробка нових високоефективних режимів зміцнення, що дозволяють підвищити рівень фізико-механічних і експлуатаційних властивостей інструменту.

Одним з ефективних видів термообробки, що комплексно підвищує властивості сплавів, є термоциклічна обробка (ТЦО). Проте в цей час вона застосовується у виробництві для дуже обмеженого переліку виробів. Задача створення такої зміцнюючої термоциклічної технології, застосовної для інструментів, працюючих в різних умовах термосилового навантаження, надзвичайно складна і різноманітна, проте її рішення дозволить значно збільшити ресурс експлуатаційної стійкості. Рішення цієї задачі можна досягнути шляхом пошуку нових нестандартних поєднань схем циклування і параметрів ТЦО у межах режиму, які дозволили б створювати в металі керовані структурні стани за рахунок подрібнення зерна, створення підвищеної густини дефектів, прискорення дифузійних процесів і інших фізичних ефектів.

Розробка нових режимів ТЦО для валкового і штампового інструменту, вивчення можливості поєднання її з іншими типами обробок (наприклад, з протифлокеневою) з метою ефективного керування структурою, підвищення механічних, експлуатаційних властивостей і запобігання руйнування робочих поверхонь інструменту - є актуальною задачею, що представляє теоретичний і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно пріоритетному напряму розвитку науки і техніки № 06 «Новітні технології і ресурсозаощаджуючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі», зазначеному в Законі України № 2623-III від 11 липня 2001 р., а також є складовою частиною ряду науково-дослідних держбюджетних робіт кафедри матеріалознавства ПДТУ за темою „Дослідження фазових і структурних перетворень в матеріалах з метою підвищення їх властивостей” (2000, 2001, 2004, 2006, 2008 р.р.), що направлені на розробку нових технологій зміцнення сталей і сплавів.

Метою дисертаційної роботи є підвищення якості і довговічності валкового і штампового інструменту для гарячої деформації металу за рахунок розробки і застосування нових режимів зміцнюючої термоциклічної обробки.

Для реалізації цієї мети були поставлені і розв'язувалися наступні задачі:

- вивчити причини недостатньої стійкості валків слябінгу і штампів для гарячого формування при різних типах руйнування робочих поверхонь інструменту і визначити чинники, що впливають на вихід їх з ладу;

- провести систематичні дослідження впливу параметрів режимів термообробки на структурний стан, механічні і експлуатаційні властивості валкових і штампових сталей;

- розробити способи термоциклічної обробки, що забезпечують підвищення комплексу властивостей і якість інструменту;

- дослідити механізми зміцнення, що діють в оброблюваних інструментальних сталях під впливом режимів термоциклічної обробки, характер протікання процесів руйнування і розвитку тріщин після обробки по розроблених режимах, а також вивчити можливість видалення водню із сталі;

- встановити залежності між параметрами структури, механічними властивостями, отриманими внаслідок термоциклування, показниками розпалостійкості і зносостійкості досліджуваних сталей, з метою оптимізації технологічних параметрів режимів;

- випробувати розроблені режими ТЦО в промислових умовах.

Об'єкт дослідження: інструментальні сталі для валкового і штампового інструменту.

Предмет дослідження: структурний стан, механічні і експлуатаційні властивості сталей, технологічні параметри режимів ТЦО, що визначають якість і експлуатаційну довговічність валкового і штампового інструменту для гарячої деформації металу.

Методи дослідження. При виконанні роботи використовувалися комплексні дослідження. Для виявлення чинників, сприяючих виходу з ладу інструменту, проводилися статистичні дослідження впливу хімічного складу, параметрів структури і механічних властивостей на стійкість інструменту, металографічний і рентгеноструктурний аналіз. Для вивчення механізмів зміцнення сталей використовувалися методи металографії, рентгеноструктурного аналізу, растрова електронна мікроскопія, методи фрактального аналізу поверхонь руйнування і стандартні випробування механічних властивостей. Випробування зносостійкості і розпалостійкості проводилися по методиках, відомих з літературних джерел. Для обробки результатів експериментів застосовувалися методи математичного планування експерименту і кореляційно-регресійний аналіз.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримали подальший розвиток уявлення про вплив ТЦО, у тому числі із змінними температурними параметрами, на комплекс механічних і експлуатаційних властивостей валкового і штампового інструменту для гарячої деформації. Встановлені закономірності впливу верхніх температур (Tmax), нижніх температур (Tmin) і схеми чергування циклів на механічні властивості, що дозволило розробити раціональні режими ТЦО, які істотно підвищують комплекс механічних властивостей інструментальних сталей.

Запропоновано новий класифікаційний підхід для розробки схем ТЦО, що враховує зміну положення Tmax і Tmin циклів відносно критичних точок Ас1, Ас3 і областей фазової рівноваги. На його основі виконана систематизація розроблених режимів ТЦО, відома класифікація способів термоциклічної обробки доповнена підкласом режимів із фазовою перекристалізацією із змінними Tmax і Tmin.

2. Встановлено, що режими ТЦО, які приводять до підвищення густини дислокацій у поверхневому шарі виробу, сприяють більш повному видаленню водню із заготівки за рахунок формування в поверхневих шарах виробу більш розвиненої субструктуры, що стимулює дифузійний потік водню зсередини у напрямку поверхні.

3. На основі аналізу фрактальної розмірності мікрофрактограм поверхонь руйнування термоциклованих валкових сталей вперше показано, що накопичення структурних змін під час ТЦО із змінними параметрами викликає при руйнуванні утворення більш крупних локальних мікророзкрить, не здатних об'єднуватися у магістральну тріщину, що сприяє підвищенню стійкості інструменту і його експлуатаційної довговічності. Це розширює уявлення про механізм формування комплексу властивостей в процесі ТЦО, дає можливість використовувати теорію фракталів для раціонального вибору параметрів обробок.

4. Вперше показано, що в штампових сталях 5Х2НМА і 5Х3В3МФС попередня ТЦО із остаточним гартівним охолодженням посилює ефект дисперсійного твердіння при їх подальшому відпуску.

Практична цінність отриманих результатів.

1. Отримано регресійні залежності показників зносостійкості і розпалостійкості валкових і штампових сталей від параметрів їх мікроструктури і механічних властивостей, що сформувалися під час ТЦО і що дозволяє диференціювати вибір раціонального режиму ТЦО відносно провідного механізму руйнування поверхні виробів при експлуатації.

2. Показано, що розроблені режими ТЦО дозволяють підвищити: розпалостійкість і зносостійкість валкових сталей, відповідно, в 1,4..1,5 рази і 1,2..1,9 рази, а штампових сталей, відповідно, в 1,39..1,88 рази і на 11..22 % в порівнянні із типовою термообробкою.

3. Розроблені і успішно випробувані в промислових умовах ВАТ «МЗВМ Азовмаш» нові режими ТЦО валкового і штампового інструменту. Встановлено, що ТЦО валкових заготівок діаметром 700 мм із сталі 50ХН за режимом, що включає трихцикловий нагрів із швидкістю 100..120 оС/год до 840 оС і охолодженням між циклами на повітрі до 250..300 оС, відпуск при 550 оС забезпечує підвищення характеристик міцності на 10 %, пластичності - в 1,5-1,7 рази, ударної в'язкості - в 1,5-1,6 рази. ТЦО вставок штампів із сталі 5ХНМ горизонтально-кувальних машин за режимом, що включає 2 цикли з нагрівом до 820..840 оС з охолодженням між циклами на повітрі до 250..300 оС і охолодженням в другому циклі в маслі, а також відпуск при 370..400 оС, забезпечила збільшення стійкості вставок штампів в 1,7 рази.

4. Очікувані економічні ефекти при упровадженні режиму ТЦО валків і штампів у виробництво склали, відповідно, 8 гривень на тонну і 88000 гривень в рік.

Особистий внесок здобувача. Автором сформульовані і обґрунтовані цілі роботи, проведені теоретичні дослідження, підготовлені і проведені лабораторні дослідження, оброблені і проаналізовані результати експериментів, сформульовані висновки, підготовлені статті до друку. Виробничі випробування проходили при безпосередній участі здобувача. Постановка задач і обговорення результатів досліджень виконані спільно з науковим керівником і співавторами статей.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на конференціях: республіканської наукової методичної конференції «Сучасні проблеми зварювання, наплавлення і матеріалознавства» (Маріуполь, 2005); регіональної науково-технічної конференції «Університет - місту» (Маріуполь, 2006 рр.). На міжнародних науково-технічних конференціях: «Університетська наука» (Маріуполь, 2007, 2008, 2009 рр.), «Стародубовські читання: проблеми сучасного матеріалознавства» (Дніпропетровськ, 2003, 2006, 2009 рр.), «Підвищення зносостійкості деталей машин і конструкцій» (Маріуполь, 2008), «Сучасні проблеми технологій конструкційних матеріалів і матеріалознавства» (Харків, 2009), «Іван Фещенко-Чоповській: учений і патріот» (Львів, 2009).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 17 робіт, включаючи 8 статей в спеціалізованих виданнях, що входять у перелік ВАК України, 2 статті у виданнях Російської Федерації, 7 тез доповідей. Отримано позитивне рішення щодо заявки № U200910677 від 22 жовтня 2009 «Спосіб термічної обробки сталі».

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаної літератури (159 найменувань), що викладені на 202 сторінках (149 сторінок основного тексту), 71 малюнка, 30 таблиць, 9 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані цілі і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення роботи.

В першому розділі приведено огляд існуючих літературних даних по проблемах зміцнення кованого валкового і штампового інструменту для гарячої деформації металів. Проведений аналіз впливу легуючих елементів і термічної обробки на стійкість інструменту, розглянуті температурні умови експлуатації робочих поверхонь валків, штампів і види їх руйнування. Проаналізовані різні способи підвищення стійкості інструменту, у тому числі за допомогою термічної обробки.

Показано, що вживані до інструменту традиційні способи термообробки не дозволяють істотно підвищувати ресурс довговічності за рахунок збільшення стійкості до розпалу, як основної причини виходу інструменту з ладу. Не дивлячись на відомий факт значного підвищення опору сталей втомним явищам в результаті ТЦО, ця обробка практично не застосовується до інструменту гарячої деформації, і не вивчався її вплив на розпалостійкість, яку можна розглядати як термомеханічну втомленість. У зв'язку з цим проаналізовано літературні дані про застосування термоциклічної обробки і про процеси, що протікають в металі при термоциклуванні. Поставлені основні задачі дослідження.

У другому розділі приведено матеріали і методи досліджень. Для дослідження вибрані сталі, що використовуються для виробництва кованих робочих валків слябінгу - 50ХН і 60ХН, а також сталі для штампів гарячої деформації - 5ХНМ, 5Х2НМФ, 5Х3В3МФС.

Для валкових сталей розроблено режими ТЦО із змінними верхніми, нижніми температурами циклування з кількістю циклів (n) від 2 до 4. При ТЦО для моделювання нагріву і охолодження масивного тіла на маленьких зразках застосовувалися повільні швидкості нагріву до верхніх температур (Тmax) в циклі (80..100 оС/год); охолодження між циклами здійснювалися на повітрі до нижніх температур в циклі (Tmin); останнє охолодження з метою мінімізації залишкового напруження здійснювалося із швидкістю 40 оС/год до 400 оС, потім із швидкістю 15 оС/год до 20 оС.

При розробці режимів використовували різні схеми варіювання температурами в циклах (Tmax і Tmin); таким чином, режими ТЦО підрозділися на режими з постійними температурами і змінними.

Зразки з штампових сталей пройшли термоциклічну обробку по режимах, що включали одноразовий, двоцикловий і трицикловий нагрів до постійної температури Tmax і проміжне охолоджування на повітрі до 300..450 оС (вище т. Мн), з температури останнього нагріву здійснювався гартування у масло. Далі проводився відпуск на необхідну твердість (Твідп від 300 до 600 оС, залежно від складу сталі). Tmax в режимах вибиралася з урахуванням положення критичних точок і температури розчинення спеціальних карбідів.

Відбір проб, випробування механічних властивостей, заміри твердості і мікротвердість евтектоїду (Н50) проводилися за стандартними методиками. Рентгеноструктурний аналіз пружних мікродеформацій і блоків мозаїки здійснювався на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-3 у випромінюванні Кб-Fe. Металографічні і фрактографічні дослідження проведено на мікроскопах NU-2E, Neophot-21 і РЕМ-200 (при збільшеннях Ч100..1000).

Випробування гарячої зносостійкості проводилися в режимі сухого тертя об поверхню ролика з твердого сплаву з частотою обертання 200 мін -1. Випробування розпалостійкості (m) на сталях 50ХН і 60ХН проводилося при багаторазових пічних нагрівах від 20 до 620 оС з подальшими охолоджуваннями у воді, а на сталях 5ХНМ, 5Х2НМФ, 5Х3В3МСФ - на при нагріві пропусканням струму (U=380 В), інтервал зміни температур від 20 до 620..640 оС, охолодження виконувалося стислим повітрям.

Вміст водню в сталі 50ХН визначався після кожного циклу режиму ТЦО шляхом екстракції водню із зразків діаметром 2 мм при 650..700 оС.

В роботі застосовано математичні методи обробки результатів: кореляційний, дисперсійно-регресійний аналіз, факторне планування експерименту, фрактальний аналіз поверхні руйнування зразків, що випробувані на розтягування.

В третьому розділі дана комплексна оцінка експлуатаційної стійкості валкового інструменту для гарячої деформації металу, яка дозволила встановити, що знос бочки (72 %) і сітка тріщин розпалу (18 %) є для прокатних валків із сталі 50ХН основними причинами зняття з експлуатації. Валки, що вийшли з ладу внаслідок розпалу, мають гіршу середню стійкість (на 80..90 тис. т. прокатаного металу менше) в порівнянні з валками, що вийшли з ладу внаслідок зносу, і у обох груп валків спостерігаються тенденції до зниження стійкості з підвищенням твердості бочки.

Кореляційний аналіз впливу хімічного складу і механічних властивостей на стійкість валків з цих двох груп показав, що зносостійкості і розпалостійкості сприяють різні чинники. Вуглець, кремній, марганець і мідь, підвищуючи стійкість переохолодженого аустеніту під час термообробки, сприяють утворенню в структурі більш дисперсного евтектоїду, зміцнюють ферит, за рахунок чого збільшують стійкість проти зносу. Стійкості проти розпалу також сприяють С і Mn (Mn як елемент, що підвищує опір термічної втомленості), а сірка, фосфор і хром знижують розпалостійкість (як елементи, що сприяють різним видам крихкості).

Серед механічних властивостей на опір розпалу позитивно впливає ударна в'язкість і відносне подовження. Оскільки поява будь-яких тріщин, у тому числі і розпалу, пов'язане із здібністю до релаксації напружень та з енергоємністю руйнування, то позитивний вплив цих властивостей на експлуатаційну стійкість цілком зрозуміло.

При дослідженні штампів із сталі 5ХНМ встановлено, що поява сітки тріщин розпалу спільно з іншими типами пошкодження гравюри або без них зустрічається більш ніж в 80 % випадків і є основною причиною зняття з експлуатації. Причому, підвищена початкова твердість (HRС 48..49) сприяє утворенню крупних тріщин біля концентраторів напруження гравюри і знижує стійкість штампу майже в 2 рази в порівнянні з тими штампами, які мають HRС 45..47 і виходять з ладу через утворення сітки тріщин розпалу. Появі тріщин сприяє наявність лікваційних смуг, що збагачені фосфором.

Для штампів, уражених сіткою розпалу характерно зниження рівня пружних мікронапружень в поверхневому шарі гравюри до 180..220 МПа, тоді як в підповерхневому шарі вони значно вищі - 780..880 МПа. Це пояснюється зменшенням густини дефектів, коагуляцією карбідів в результаті багаторазових розігрівань поверхні і процесами релаксації напружень при розкритті тріщин розпалу. В штампах з розвинутою сіткою розпалу робочий шар має рівень пружних мікронапружень нижче, ніж робочий шар штампів із слаборозвиненою сіткою.

Досліджено вплив розміру зерна на стійкість вкладишів штампів: штамп, що відкував 10,2 тис. поковок, мав в початковій структурі зерна з вузьким діапазоном зміни діаметрів (від 0,0225 до 0,0265 мм); більш широкий діапазон (від 0,015 до 0,035 мм) і наявність різнозернистості знижує стійкість приблизно на 1,5..4,0 тис. поковок. Таким чином, отримання рівномірної дрібнозернистої структури повинне сприяти підвищенню довговічності інструменту, а як обробку, що подрібнює зерно і підвищує як хімічну, так і структурну однорідність, можна використовувати термоциклування.

В четвертому розділі приведено результати систематичних досліджень впливу ТЦО з постійними, змінними температурами циклування на структуру і властивості валкових сталей 50ХН і 60ХН.

На відміну від загальноприйнятих підходів використовування при ТЦО швидкісних нагрівів і великої кількості циклів (до 6..8), необхідних для усунення хімічної неоднорідності і подрібнення зерна, до валків великого перетину необхідно застосовувати повільні швидкості нагріву, а також обмежити кількість циклів (від 2 до 4), щоб не збільшувати тривалість термообробки. Тому було вирішено знайти інші ефективні параметри керування структурою і властивостями під час ТЦО. Такими параметрами виявилися верхні і нижні температури циклів, варіюючи якими від циклу до циклу можна забезпечити потрібний рівень механічних і експлуатаційних властивостей.

Лабораторні випробування режимів із змінними Тmах і Tmin (табл. 1) показали, що ТЦО за три-чотири цикли підвищує хімічну однорідність по сірці і фосфору, приводить до подрібнення зерна від № 1..2 (в стані після кування) до № 11..12, знижує вірогідність утворення тріщин в лікваційних смугах, що збагачені фосфором.

Різні схеми зміни Тmах і Tmin в межах режиму ТЦО по-різному впливають

Табл. 1. Систематизація режимів ТЦО із змінними верхніми і нижніми температурами з урахуванням положення температур фазових перетворень і впливу на комплекс механічних властивостей поліпшуваних сталей

Характер зміни властивостей	ув, у0,2const, дconst, ш, KCU	ув, у0,2, д, ш, KCU
Схеми режимів ТЦО із змінними температурами	а) б) в) г)	д) е) ж) з)

- властивість зростає; - властивість зменшується; - властивість змінюється за кривою з максимумом; const - властивість трохи коливається відносно постійної величини.

на характер зміни механічних властивостей (див. рис. 1, у лівому стовпці). Встановлено, що із збільшенням числа циклів ударна в'язкість сталей 50ХН і 60ХН зростає за умови, що Тmах в циклі не перевищує Ас3+50 оС; при перевищенні цих температур зерно аустеніту росте і KCU знижується. Збільшення Тmах в циклі веде до зростання в і 0,2 за рахунок підвищення дисперсності евтектоїду і зменшення кількості структурно-вільного фериту.

Кількість циклів, Тmах і схема чергування циклів впливають на співвідношення в структурі карбідів пластинчатої і зернистої форми. В режимах з Тmах трохи перевищуючій Ас3 із збільшенням числа циклів зростає кількість зернистої складової і в знижується, а 0,2 підвищується. Якщо ступінь перегріву відносно Ас3 в циклі перевищує 50..100 оС, то зростає кількість пластинчатої складової перліту.

Відносне звуження при ТЦО в цілому підвищується, але в деяких режимах досягає максимуму у 3-му циклі, а відносне подовження змінюється незначним чином. Знайдено, що змінні Тmах і Тmin в режимах ТЦО з повільними швидкостями нагріву і охолодження неоднозначно впливають на пружні мікродеформації (МКД) в металі. Протягом 2-3 циклів відбувається збільшення рівня МКД, пов'язане з генерацією дислокацій у фериті під час міжфазного наклепування, а в четвертому циклі спостерігається його зниження, що веде до підвищення ударної в'язкості. Релаксація МКД, мабуть, пов'язана з частковою анігіляцією граткових дислокацій і перебудовою їх у стінки, що повинне сприяти розвитку процесів мікрорелаксації.

Так, максимальний рівень розпалостійкості валкових сталей забезпечується застосуванням режимів ТЦО з ефективною сфероїдізацією карбідів, що дозволяє за 3-4 цикли підвищити опір розпалу в середньому в 1,4..1,5 рази в порівнянні з типовим режимом обробки - нормалізацією і високим відпуском.

Металографічно встановлено, що розпалостійкість сталі знижується за наявності лікваційних смуг, скупчень неметалічних включень, а також визначається комплексом механічних властивостей. Найсильнішим чином позитивно на неї впливають КСU і ш.

Для сталі 50ХН отримані рівняння залежності розпалостійкості від параметрів структури і механічних властивостей:

m =189,8·e+1333579·1/H50-1,3·108·(1/H50)2+486,4·П-2,8·П 2-16,42·Дd-23598,5; R2 = 0,74,

m = 7,19·KCU +3,69· ш - 4,90·д + 0,86·ув -0,54·у0,2+214,98; Rмн = 0,85,

де е - величина пружних МКД; 1/H50 - величина, зворотна мікротвердості евтектоїду, що характеризує дисперсність структури; П - кількість пластинчатого евтектоїду в структурі, %; Дd - діапазон зміни діаметрів зерен, мкм.

Для сталі 60ХН:

m = 8,14·KCU + 4,03·ш -5,21·д + 0,72·ув - 0,58·у0,2+189,06; Rмн = 0,83.

Для підвищення відносної зносостійкості (е), рекомендується використовувати режими ТЦО, що сприяють формуванню структури з перевагою сорбітоподібного перліту. Отримані рівняння регресії показують, що е зростає із збільшенням мікротвердості перлітової складової (Н50) і знижується при збільшенні рівня пружних мікродеформацій (е) в структурі.

Для режимів ТЦО з пониженням Тmax і підвищенням Тmax рівняння залежності мають вигляд, відповідно:

е = 2,119 - 0,343·е + 0,001·Н50; Rмн=0,86,

е = 0,235 - 0,042·е + 0,005·Н50; Rмн=0,73.

Встановлено, що ТЦО дозволяє підвищити зносостійкість сталей, в порівнянні із стандартною термообробкою в 1,2..1,9 рази (в залежності від параметрів ТЦО). При цьому неможливо одночасно досягти максимальних значень m і е. Таким чином, під час вибору оптимальних параметрів режиму необхідно застосувати диференційований підхід. Якщо валки піддаються інтенсивному розпалу, потрібно обирати режими, що сприяють підвищенню КСU і ш. Якщо ж руйнування поверхні валка відбувається внаслідок зносу - необхідні режими ТЦО, що сприяють збільшенню мікротвердості евтектоїда і зниженню рівня МКД.

У зв'язку з проблемою виникнення флокенів в великогабаритному інструменті, досліджена можливість поєднання ТЦО з протифлокеневою обробкою. Знайдено, що із зразків сталі 50ХН, що були оброблені ТЦО з різним числом циклів, у разі підвищення в поверхневих шарах густини дислокацій екстрагується більша кількість водню (концентрація в поверхневому шарі Сн=5,0..6,2 ppm), чим із зразків після типового режиму термообробки. Зміна Сн від циклу до циклу немонотонна і корелює з густиною дислокацій.

Таким чином, дислокації, виконуючи роль пасток для атомів домішок проникнення, можуть створювати градієнт концентрацій і стимулювати потоки дифузії, що сприяють більш повному видаленню водню.

На основі проведених систематичних досліджень відома класифікація способів ТЦО, запропонована В.К. Федюкіним із співробітниками доповнена підкласом обробок з фазовою перекристалізацією, куди введено режими ТЦО із змінними параметрами. Вперше для цієї групи режимів запропоновано ураховувати зміну положення Tmax і Tmin відносно температур Ас1 і Ас3 та областей фазової рівноваги.

В цілому за положенням Tmax і Tmin можна об'єднати режими ТЦО по підвидах:

- з постійними Tmax в межах режиму ТЦО. Положення Тmax в міжкритичній області (б+г) або трохи (на 20 оС) вище Ас3 приводить до сфероїдізації карбідів і, відповідно, до деякого зниження ув. Підвищення Тmax відносно Ас3 на 50 оС і більше в даній схемі забезпечує утворення більш однорідного аустеніту під час нагріву, а при охолоджуванні - пластинчатого евтектоїду з підвищеною дисперсністю, спричиняє зменшення кількості структурновільного фериту. При цьому характеристики міцності зростають, а також за рахунок подрібнення зерна від циклу до циклу підвищуються характеристики пластичності і ударної в'язкості.

- з підвищенням Tmax від 790 до 860 оС і постійними Tmin (див. рис. 1, а, б) або змінними Tmin (рис. 1, в, г). В цих режимах нагрів у міжкритичний інтервал температур в першому циклі забезпечує часткове фазове перетворення б>г, при якому відбувається міжфазовий наклеп. В другому циклі, нагріваючи трохи вище температури Ас3, забезпечується повний перехід б>г і отримання дрібного зерна, в третьому і четвертому циклах перегрів відносно Ас3 на 50 і 90 оС, відповідно, забезпечується більш повне розчинення легованого цементиту або спеціальних карбідів. В цілому гомогенізація твердого розчину і формування дисперсної субструктури приводить до підвищення комплексу механічних властивостей. Проте для формування високого рівня ударної в'язкості слід уникати істотного перегріву (більше 90 оС) відносно Ас3. В режимах ТЦО з постійними, але відмінними нижніми температурами циклів 250 і 600 оС (див. рис. 1 а, б) характер зміни властивостей не однаковий: при Тmin=600 оC відносне звуження вище, ніж при Тmin=250 оC, а максимальне значення KCU було досягнуте після 2-го циклу, тоді як при Тmin=250 оC - після 3-го.

- з пониженням Tmax від 860 до 790 оС і постійними Tmin (рис. 1, д, е) або змінними Tmin (рис. 1, же, з). Пониження Тmах від циклу до циклу з останнім нагрівом в інтервал температур (Ас1..Ас3) приводить до зниження показників міцності, твердості, але і до одночасного підвищення характеристик пластичності і ударної в'язкості за рахунок збільшення частки структурно вільного фериту і часткової сфероїдізації карбідної фази. В режимах ТЦО з однаковим характером зміни Тmах, збільшення Тmin (250 і 600 оС), як і в попередньому випадку підвищує відносне звуження і ударну в'язкість. Характеристики міцності при циклуванні за схемою цих двох режимів практично не відрізняються.

- з періодичним чергуванням циклів Tmax (790>860>790>860 оС). В кожному циклі ступінь перегріву щодо Ас3 змінюється, тому вибір Tmax проводиться диференційовано - залежно від необхідних показників механічних властивостей. Для досягнення підвищеної міцності при задовільній пластичності і ударній в'язкості слід використовувати ТЦО з найбільшою Тmax в останньому циклі (на 90 оС вище Ас3). При вимозі високих показників пластичності і KCU при задовільній, але все ж таки достатньо високій, міцності - доцільно використовувати режим, в якому Тmax останнього циклу повинна бути якнайменшою з незначним перегрівом (10 оС) відносно Ас3; або навіть нижчою за Ас3.

В той же час було доцільно вивчити можливість зміни нижніх температур від циклу до циклу, які нами вперше запропоновано закономірно варіювати. Чим нижче температура Тmin і відповідно більше тривалість процесу охолодження, тим нижче рівень залишкових напружень. Варіювання Тmin з підвищенням або пониженням аналогічно до режимів, наведеним на рис.1 в, г, ж, з приводить до зміни місця знаходження максимуму KCU, а також впливає на характер зміни відносного звуження від циклу до циклу. В режимах ТЦО з підвищенням Тmin від 250 до 600 оС дещо підвищується і межа текучості, тоді як в режимах з пониженням Тmin від 600 до 250 оС у0,2 змінюється немонотонно, що ймовірно свідчить про накладення конкуруючих процесів зміцнення і розміцнення.

Виявлені при систематизації закономірності, дозволяють прогнозувати зміну рівня характеристик властивостей під час ТЦО, що відкриває можливість використання подібних режимів для поліпшення комплексу механічних властивостей, не вдаючись до повторного трьох- або чотирьохциклового режиму ТЦО.

В п'ятому розділі за допомогою факторного планування експерименту і теорії фракталів проведено аналіз впливу параметрів ТЦО на механічні властивості і характер руйнування валкової сталі, визначено режими з оптимальними параметрами.

Отримано математичні моделі, що описують вплив режимів ТЦО із змінними параметрами на механічні властивості, які свідчать, що не тільки Тmах (як показано у розд. 4), але і Тmin, і n вчиняють статистично значущий вплив на 0,2 в і KCU. Таким чином, обидва ці параметри можна використовувати як «важелі» керування механічними властивостями при ТЦО.

Застосування теорії фракталів дозволило доповнити отриману при факторному плануванні формальну математичну залежність уявленнями про механізм руйнування структур, сформованих під дією ТЦО. Знайдені фрактальні показники Dci характеризують розвиненість топографічної поверхні зламу, її відмінність від еквіпотенційної площини (у=K·х2, Dci=2) на відповідних розмірних рівнях (і). Показники ДLi характеризують діапазон розмірів елементарних, подібних за геометрією об'єктів поверхні зламу на тих же розмірних рівнях.

При аналізі центральної зони зламу розривних зразків, встановлено зв'язок процесів руйнування, що протікають на мікрорівні (і=1) з густиною дислокацій, а процесів руйнування, що протікають на мезорівні (і=2), з показниками відносного звуження, які залежать від розмірів локальних мікророзкрить в шийці випробовуваного на розтягування зразка.

При порівнянні Dc1 сталей 50ХН і 60ХН знайдено, що під впливом підвищеного вмісту вуглецю в сталі 60ХН на мікрорівні більш ефективно відбувається гальмування дислокацій. Це, у свою чергу, приводить до зменшення критичного розміру мікророзкрить на мезорівні і зниженню таких показників як межа текучості і відносне звуження.

Встановлено, що зміни, які відбуваються під час ТЦО у субструктурі, впливають на процеси руйнування: в металі з'являються мікророзкриття, які в процесі руйнування збільшуються до великих розмірів (більше 5 мкм), але при цьому вони не здатні об'єднуватися в магістральну макротріщину. В такому випадку матеріал має достатню тріщиностійкість і, отже, підвищену довговічність. Після типового режиму термообробки валкових сталей розмір мікророзкрить не перевищує 2,20 мкм.

З режимів із пониженням Тmах від циклу до циклу найбільший розмір мікророзкрить (ДL2=5,43 мкм) дозволила отримати трьохциклова ТЦО на базі режиму, зображеного на рис. 1, д; з режимів із підвищенням Тmах - режим ТЦО, що включає 3 цикли 740>780>820 °С із охолоджуванням між циклами на повітрі до Тmin=250 оС показав найбільшу величину розкриття 7,62 мкм. Цей режим прийнято за оптимальний і випробувано в промислових умовах. Зі всіх випробуваних режимів ТЦО, режими з Тmin=250 оС дозволяють отримати більш високі величини ДL2, що свідчить про необхідність великих ступенів переохолодження відносно Аr1 між сусідніми циклами у режимі.

Розроблений режим (3 цикл з Тmах 740>780>820 оС і Тmin=250 оС) показав збільшення розпалостійкості в 1,25 рази при одночасному підвищенні зносостійкості в 1,54 рази в порівнянні з типовою термообробкою.

Таким чином, аналіз морфології зламів за допомогою теорії фракталів і його результати можна з успіхом застосовувати у якості алгоритму оптимізації параметрів складних технологічних процесів, у тому числі - режимів ТЦО.

У шостому розділі розглянуто вплив ТЦО на мікроструктуру, механічні і експлуатаційні властивості штампових сталей 5ХНМ, 5Х2НМФ, 5Х3В3МСФ.

ТЦО з постійними Тmах, охолодженням між циклами на повітрі до 350 оС, охолоджуванням у маслі з останнього нагріву подрібнює структуру і робить її більш однорідною, що підвищує комплекс механічних властивостей сталі 5ХНМ після термоциклування і відпуску на задану твердість: KCU збільшується в 1,4..1,6 рази, характеристики міцності на 5..8 %, характеристики пластичності вдвічі і більше.

Збільшення кількості циклів в режимі ТЦО сприяє більш повному розчиненню карбідної фази, розташованої по межах зерен, та утворенню збагаченого аустеніту (для 5Х2НМФ при Тmax=970 оС; для 5Х3В3МСФ при Тmax=1050 оС), що дозволяє отримати більш однорідну структуру із збереженням дрібного зерна. Для таких структур властиве зростання показників міцності (у0,2 - на 80 МПа, ув - на 100 МПа) при одночасному збільшенні відносного звуження - в 1,5 рази і KCU в 1,3..1,5 рази після ТЦО і відпуска, що значно перевершує властивості сталей після типової термообробки.

Відносна зносостійкість (е) сталі 5ХНМ змінюється залежно від Тmax, кількості циклів і Твідп немонотонно: е після ТЦО з Тmax 850 і 870 оС істотно вище, ніж після ТЦО з Тmax=790 оС і після типових режимів гарту і відпуску. Із збільшенням температури подальшого відпуску е знижується. Після оптимального режиму ТЦО (3 цикли з Тmax=850 оС, охолодження в маслі, відпуск 300 оС) отримано найбільше підвищення зносостійкості - на 22 %.

Вперше встановлено, що ТЦО, передуюча гартівному охолоджуванню, підвищує приріст вторинної твердості під час відпуску навіть в сталях, що традиційно вважаються не схильними до вторинного твердіння. Ефект підвищення твердості зростає із збільшенням Тmах в циклі і залежить від кількості циклів (рис. 3). Це питання для сталей із ефектом карбідного зміцнення раніше не було вивчено.

Стимулювання ефекту вторинного твердіння пояснено тим, що ТЦО сприяє формуванню розвинутої дислокаційної субструктури, подрібненню зерна, перерозподілу легуючих елементів і підвищенню стійкості переохолодженого аустеніту. Скупчення дислокацій і підвищення рівня мікронапружень стають стимулюючими чинниками для зародження частинок карбідів і розпаду аустеніту з утворенням мартенситу при подальшому старінні.

Отримані рівняння, що зв'язують показник розпалостійкості (m) і механічні властивості штампових сталей, адекватність яких підтверджується перевіркою за критерієм Фішера.

Для сталі 5ХНМ: m = 5,38·KCU + 3,83·ш + 0,82·в - 0,43·0,2 - 5,95·д -192,1.

Для сталі 5Х2НМФ: m = 8,27·KCU + 9,98·ш + 0,53·в + 0,14·д - 0,36·0,2 -176,5.

Для сталі 5Х3В3МФС: m=11,36·KCU+13,63•ш +0,63·в-0,68·0,2-2,15·д+ 423,80.

Знаки рівнянь при однойменних властивостях в більшості випадків співпадають, що свідчить про схожий вплив механічних властивостей на показник розпалостійкості.

Між розпалостійкістю і показниками ударної в'язкості і відносного звуження спостерігається позитивний кореляційний взаємозв'язок: чим більше енергії потрібно буде на динамічне і статичне руйнування, тим довше виріб працюватиме без утворення тріщин. Дані по підвищенню розпалостійкості після ТЦО з оптимальними параметрами наведено у табл.1.

Таблиця 1. Збільшення показника розпалостійкості зразків з штампових сталей після ТЦО

Марка стали	Режим ТЦО	Кількість термозмін (m)	Збільшення m, рази
		типовий режим	ТЦО
5ХНМ	Тmах=850 оС, 3 цикли відпуск 470 оС, 1 год.	650..785	980..1020	1,39
5Х2НМФ	Тmах=970 оС, 2 цикли відпуск 590..600 оС, 1,5 год.	825..910	1235..1270	1,44
5Х3В3МФС	Тmах=1050 оС, 2 цикли відпуск 650..660 оС, 1,5 год.	730	1350..1385	1,88

Дослідження складу оксидів, що утворюються на дні та стінах гравюри штампу показало, що після ТЦО зменшується частка оксиду FeO і збільшується частка Fe2O3, який має більш щільну будову і затримує надходження кисню до більш поглиблених шарів металу, що також сприяє підвищенню експлуатаційної стійкості.

Висновки

1. В дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення і нове рішення актуальної науково-технічної проблеми підвищення комплексу механічних, експлуатаційних властивостей і довговічності інструментальних сталей для гарячої деформації металів за рахунок застосування розроблених нових режимів термоциклічної обробки.

2. В результаті статистичних досліджень стійкості інструментів встановлено, що гарячому зносу валків сприяє зниження вмісту вуглецю, кремнію, марганцю і міді у складі сталі, а також підвищення початкової твердості бочки валка. Утворенню тріщин розпалу на поверхні бочки сприяє підвищення вмісту хрому, фосфору, сірки.

Зниженню довговічності штампового інструменту сприяє структура, що характеризується неоднорідністю розмірів зерен, наявністю лікваційних смуг і неметалевих включень.

3. В результаті систематичних досліджень впливу параметрів ТЦО на структуру і властивості валкових сталей встановлено, що такі обробки дозволяють отримати більше переваг в порівнянні із загальноприйнятими технологіями термообробки. Вперше запропоновано новий підхід в класифікації режимів ТЦО із змінними Тmax і Тmin, який полягає в диференціації верхніх і нижніх температур циклів по відношенню до розташування областей фазового стану. Класифікація, розроблена з використанням цього підходу, доповнює відому класифікацію, запропоновану В.К. Федюкіним і М.Е. Смагоринським і відкриває подальші перспективи дослідження впливу ТЦО із змінними параметрами на структурні стани сталей і сплавів.

4. Отримано залежності відносної зносостійкості валкової сталі 50ХН від мікротвердості евтектоїду і рівня мікродеформацій, а також стійкості проти розпалу від параметрів структури і механічних властивостей, що дозволили встановити, що при виборі параметрів термоциклічної обробки необхідно ураховувати переважний характер руйнування робочої поверхні валків. При переважанні умов, сприяючих розпалу, вимагається обирати режими ТЦО, що забезпечують ефективну сфероїдізацію карбідної фази, і як наслідок - підвищують ударну в'язкість і відносне звуження, що дозволяє підвищити розпалостійкість валкової сталі в порівнянні з типовою термообробкою в середньому в 1,4..1,5 рази. При домінуванні зносу, вимагається обирати режими, що формують структури з переважанням сорбітоподібного перліту, що дозволяє збільшити мікротвердість евтектоїду і зменшити величину пружних мікродеформацій. Це підвищує зносостійкість в 1,2..1,9 разів.

5. Встановлено, що підвищення густини дефектів в поверхневому шарі сталевого виробу при ТЦО сприяє видаленню водню. Це відкриває перспективи використання ТЦО як ефективного способу протифлокенової обробки.

6. З використанням знайдених математичних залежностей механічних властивостей валкової стали 50ХН від параметрів термоциклування (із змінними: Тmax, Тmin, кількістю циклів) і фрактального аналізу поверхні руйнування відпрацьовано оптимальний режим обробки валкової сталі 50ХН, що включає 3 цикли з нагрівами до Тmax 740, 780, 820 °С і охолодження між циклами на повітрі до Тmin=250 оС. Режим ТЦО випробувано в промислових умовах на поковці великого перетину, він показав підвищення комплексу механічних властивостей в цілому в порівнянні з типовим режимом термообробки. Очікуване зниження витрат при виготовленні валків з використанням розробленого режиму ТЦО склало - 8 грн. на тону.

7. Знайдено, що ТЦО штампового інструменту з гартом в масло з останнього нагріву і відпуском на задану твердість, в цілому підвищує комплекс механічних властивостей і експлуатаційні характеристики. Диференційований підбір параметрів ТЦО з урахуванням переважного характеру руйнування гравюр штампів дозволяє збільшити зносостійкість сталі 5ХНМ на 11..22 % за рахунок підвищення її стійкості проти відпуску, а розпалостійкість сталей 5ХНМ, 5Х2НМФ і 5Х3В3МСФ може бути підвищена застосуванням режимів ТЦО в 1,4 і більш раз.

8. Вперше знайдено ефект стимулювання дисперсійного твердіння за допомогою ТЦО, дозволяючий відчутно збільшити вторинну твердість при відпуску сталей 5Х2НМФ і 5Х3В3МФС. Величина вторинної твердості росте із збільшенням Тmах і числа циклів попередній ТЦО.

9. Проведені досліно-промислові випробування вставок штампів із сталі 5ХНМ показали, що режим ТЦО, що включає 2 цикли з нагрівом до 840 оС, охолодження з останнього нагріву в масло, відпуск 370 оС підвищує стійкість інструменту в 1,68 рази в порівнянні з типовим режимом термообробки. Випробуваний режим ТЦО рекомендовано для використання в умовах ВАТ «МЗВМ Азовмаш». Очікуваний економічний ефект при експлуатації штампів, оброблених за пропонованим режимом ТЦО, складає - 88000 гривень в рік.

Основний зміст дисертації надруковано у публікаціях

1. Иващенко В.Ю. Влияние термоциклической обработки на свойства валковой стали 50ХН //Захист металургійних машин від поломок.- 2000.- Вип. № 5.- С. 257- 261.

2. Шумилов М.А., Самохвалов Г.В., Иващенко В.Ю. Корреляция параметров диффузии атомов внедрения в феррите //Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.-2002.- № 10.- С. 31-34.

3. Иващенко В.Ю., Ткаченко Ф.К. Влияние ТЦО с переменными параметрами на состояние субструктуры и свойства валковой стали 50ХН // Нові матеріали і технології в металургіі та машинобудуванні. - 2004. - № 2.- С.16 - 18.

4. Иващенко В.Ю. Анализ причин разрушения гравюры и повышение стойкости штампового инструмента из стали 5ХНМ с помощью ТЦО // Захист металургійних машин від поломок. - 2006. - Вип. № 9.- С. 46 - 49.

5. Иващенко В.Ю. Применение теории фракталов для изучения процессов разрушения в стали, прошедшей термоциклическую обработку // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. тр. Вып. 36. Ч. 3. -Днепропетровск: ПГАСА, 2006.- С.10-15.

6. Иващенко В.Ю. Повышение стойкости против термической усталости с помощью термоциклической обработки // Инновационные технологии и процессы производства в машиностроении: международный сборник науч. тр./ ГОУ Ростовская гос. акад. с.-х. машиностроения.- Ростов-на-Дону, 2008. - С.70 - 74.

7. Иващенко В.Ю. О влиянии ТЦО на эффект вторичного твердения в штамповых сталях // Захист металургійних машин від поломок. - 2008. - Вип. № 10. - С. 274 - 278.

8. Иващенко В.Ю., Чейлях А.П. О повышении стойкости штампов для горячего деформирования // Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. тр. Вып. 48. Ч. 1. -Днепропетровск: ПГАСА, 2009.- С. 114 - 118.

9. Иващенко В.Ю., Чейлях А.П. Повышение стойкости валков для горячего деформирования с использованием ТЦО //Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного ун-та: сб. науч. трудов.- 2009.- Вып. 46. -С. 95 - 99.

10. Иващенко В.Ю., Чейлях А.П. Выбор оптимальных режимов ТЦО с использованием фрактальных показателей поверхности излома сталей // Міжнародна конференція „І.Фещенко-Чопівский: вчений і патріот”. Наук. праці конференції, 28-29 жовтня, 2009 р.- Львів, 2009.- С 45-48.

11. Иващенко В.Ю. Управление механическими свойствами валковых сталей с помощью термоциклической обработки. //Строительство, материаловедение, машиностроение: сб. науч. тр. - Днепропетровск, 2003.- Вып.22, Ч. 1. - С. 201.

12. Иващенко В.Ю. Исследование малых штампов из стали 5ХНМ и факторов, влияющих на причины выхода их из строя // Тез. докл. республиканской науч.-метод. конф. «Современные проблемы сварки, наплавки и материаловедения». - Мариуполь: ПГТУ, 2005. - С. 173 - 174.

13. Иващенко В.Ю. Применение теории фракталов для оценки влияния состава стали и параметров ТЦО на особенности разрушения при испытаниях на растяжение //XIII региональная науч.-техн. конф. «Университет - городу»: тез. докл.- Мариуполь: ПГТУ, 2006. - Т.2. - C. 121 - 122.

14. Иващенко В.Ю., Трофимец О.И. Влияние ТЦО на формирование механических свойств валковой стали и оценка поверхности изломов с помощью показателей фрактальности // Междунар. науч.-техн. конф. «Университетская наука - 2007»: тез. докл. - Мариуполь, 2007. - Т.2. -С. 143 - 144.

15. Иващенко В.Ю. Совершенствование режимов ТЦО валковых сталей с целью повышения их стойкости против разгара // Междунар. науч.-техн. конф. «Университетская наука - 2008»: тез. докл.- Мариуполь, 2008. - Т.2. -С. 104 - 106.

16. Иващенко В.Ю. Влияние ТЦО на параметры структуры, механические свойства и разгаростойкость валковых сталей // III Междунар. науч.-метод. конф. «Повышение износостойкости деталей машин и конструкций»: тез. докл.- Мариуполь, 2008.- С. 58 - 60.

17. Иващенко В.Ю., Чейлях А.П. Влияние ТЦО на эксплуатационные свойства инструментов горячего деформирования // Междунар. науч.-техн. конф. «Университетская наука - 2009»: тез. докл.- Мариуполь, 2009. - Т.2. - С. 138.

Аннотации

Иващенко В.Ю. Совершенствование технологии термоциклической обработки с целью повышения свойств инструмента для горячего деформирования металла. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. Приазовский государственный технический университет. Мариуполь, 2010 г.

Диссертация посвящена изучению влияния ТЦО на микроструктуру, субструктуру, механические и эксплуатационные свойства валковых и штамповых сталей и разработке новых режимов термоциклической обработки, позволяющих гибко управлять комплексом механических и эксплуатационных характеристик валков и штампов для горячего деформирования.

Разработанные режимы ТЦО со скоростями печного нагрева, количеством циклов (n = 2..4), переменными верхними и нижними температурами (Tmax, Tmin) в циклах с разнообразными схемами чередования циклов в режиме позволяют измельчать зерно, изменять соотношение зернистых и пластинчатых карбидов, влиять на уровень упругих микронапряжений и плотность дислокаций, за счет чего эффективно управлять механическими и эксплуатационными свойствами.

Разработаны оптимальные режимы ТЦО с переменными Tmaх и Tmin в циклах для валкових сталей 50ХН и 60ХН, позволяющие повысить разгаростойкость в 1,4..1,5 раза, а также достичь увеличения износостойкости в 1,2..1,9 раз по сравнению с типовым режимом обработки.

ТЦО повышает химическую однородность по сере и фосфору, приводит к измельчению зерна за 4 цикла до № 11..12, снижает вероятность образования трещин в ликвационных полосах, обогащенных фосфором.

Получены регрессионные зависимости показателей износостойкости и разгаростойкости валковых и штамповых сталей от параметров их микроструктуры и механических свойств, формирующихся при ТЦО, что позволяет дифференцировать выбор оптимального режима ТЦО относительно ведущего механизма разрушения поверхности изделий при эксплуатации.

Известная классификация способов ТЦО дополнена подклассом обработок с переменными верхними и нижними температурами циклов, дифференцированными по отношению к положению критических точек (Ас1, Ас3) и областей с различными фазовыми состояниями.

При анализе морфологии поверхностей разрушения с помощью теории фракталов установлено, что термоциклирование способствует увеличению размеров микрораскрытий, образующихся в металле при разрушении, которые не способны сливаться в магистральную трещину, что способствует повышению трещиностойкости и долговечности инструмента.

Установлено, что ТЦО можно применять в качестве противофлокенной обработки, поскольку, увеличивая плотность дислокаций в поверхностных слоях изделия, можно создать условия для более эффективного удаления водорода.

К штамповым сталям 5ХНМ, 5Х2НМА и 5Х3В3МФС применялись режимы ТЦО, включавшие: 2..3 цикла с постоянными Tmax, Tmin не ниже температуры начала мартенситного превращения; охлаждение в масло с последнего нагрева; отпуск на требуемую твердость. Установлено, что ТЦО позволяет получить более дисперсную, однородную микроструктуру, повысить стойкость сталей к разупрочнению при отпуске, улучшить комплекс свойств, повысить износостойкость стали 5ХНМ на 5..11 %, а разгаростойкость в 1,4 и более раз.

Впервые обнаружено, что ТЦО стимулирует в сталях эффект вторичного твердения, величина которого зависит от числа циклов и Тmax предварительной термоциклической обработки и составляет 10..12 HRC для сталей 5Х2НМА и 5Х3В3МФС.

Оптимизированные режимы ТЦО прошли промышленные опробования на валковой заготовке из стали 50ХН (ожидаемый экономический эффект - 8 грн. на тонну продукции) и на вкладышах штампов из 5ХНМ (88000 грн. в год) в подразделениях ОАО «МЗТМ Азовмаш» (г. Мариуполь) и показали повышение комплекса механических свойств и качества инструментов.

Ключевые слова: валки, штампы, термоциклическая обработка, структура, механические свойства, разгаростойкость, износостойкость, фрактальный анализ.

Іващенко В.Ю. Вдосконалення технології термоциклічної обробки із метою підвищення властивостей інструменту для гарячого деформування металу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.16.01 - Металознавство і термічна обробка металів. Приазовський державний технічний університет. Маріуполь, 2010 р.

Дисертація присвячена вивченню впливу термоциклічної обробки на мікростуктурну, субструктурну будову валкових та штампових сталей, механічні і експлуатаційні характеристики інструменту гарячої деформації та розробці нових режимів ТЦО із змінними температурами циклування, що дозволяють гнучко керувати комплексом властивостей та підвищити довговічність інструменту.

В роботі на підставі систематичних досліджень розроблено оптимальні режими ТЦО із змінними верхніми і нижніми температурами (Tmax, Tmin) в циклах для валкових сталей 50ХН і 60ХН, що проводяться із урахуванням переважного типу руйнування робочої поверхні інструменту (тріщини розпалу або знос). За допомогою певних параметрів ТЦО можна підвищити розпалостійкість в 1,4..1,5 рази, а також досягти збільшення зносостійкості в 1,2..1,9 рази в порівнянні з типовим режимом обробки.

...