Формування структури і властивостей швидкорізальної сталі в умовах гідро- та газової екструзії

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

Імені І.М. Францевича

ТАРАНОВА МАРІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 621.762

ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ І ВЛАСТИВОСТЕЙ ШВИДКОРІЗАЛЬНОЇ СТАЛІ В УМОВАХ ГІДРО- ТА ГАЗОВОЇ ЕКСТРУЗІЇ

Спеціальність 05.02.01 - Матеріалознавство

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському національному університет імені Олеся Гончара

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Санін Анатолій Федорович,

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара професор кафедри технології виробництва

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, чл.-кор. НАН України

Гогаєв Казбек Олександрович,

Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України, м. Київ зав. відділу диспергування матеріалів та пластичної деформації прокатуванням

кандидат технічних наук

Артамонов Юрій Вікторович

науково-технічний директор „УкрНДІСпецсталь” (м. Запоріжжя)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Р.В. Мінакова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах інтенсивного використання ресурсів Землі, що повільно відновлюються або зовсім не відновлюються, актуальним завданням є створення маловідходних технологічних процесів, які дозволять значно скоротити витрати сталі, яка легована таким рідкісним в земній корі металом, як вольфрам. До таких сталей відносяться швидкорізальні сталі, що мають підвищені механічні та експлуатаційні властивості. Характерна для цього класу сталей істотна карбідна неоднорідність обумовлює необхідність пошуку шляхів раціонального поліпшення структури шляхом удосконалення технології їх виготовлення. метал тиск деформація сталь

Здійснити однорідне деформування і отримати швидкорізальну сталь з дрібнозернистою структурою можливо при екструдуванні. Створюються специфічні умови деформування металу, які сприяють подрібненню первинних карбідів і дозволяють виготовити довгомірні вироби з малопластичних матеріалів діаметром 0,5...1 мм за один цикл обробки.

Дослідження в даному напрямку мають незаперечну актуальність, тому що до сих пір недостатньо вивчені зміни структури і властивостей сталі в процесі екструдування зі ступенями деформації більше ніж 80%. Використання підвищених температур при цьому дозволяє знизити напруження, при яких виникає пластична деформація, підвищити ступінь деформації, що створює можливість отримання точних виробів з матеріалів, порошки яких характеризуються низькою пресованістю і високою твердістю.

Актуальним є встановлення закономірностей формування структури та властивостей матеріалів при екструдуванні, що забезпечить можливість отримання виробів із заданими механічними та експлуатаційними характеристиками і вимагає проведення комплексу досліджень для обґрунтування застосування таких методів обробки тиском, як гідроекструдування та газове екструдування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у відповідності з тематичними планами наукових досліджень Дніпропетровського національного університету ім. Олеся Гончара в держбюджетних науково-дослідних роботах: “Створення наукових основ одержання композиційних багатофункціональних матеріалів для ракетно-космічної техніки” (№ ДР 010U000532), „Нестаціонарні та екстремальні процеси структуроутворення у порошкових та композиційних матеріалах для ракетно-космічної техніки” (№ ДР 0104U00475), „Розробка наукових засад виготовлення якісних елементів конструкцій ракетно-космічної техніки та конверсійних виробів” (№ ДР 0103U000569).

Мета роботи. Підвищення механічних і експлуатаційних властивостей порошкової швидкорізальної сталі Р6М5К5 шляхом керованого впливу на структуру та властивості на основі визначених закономірностей їх зміни при екструдуванні з високими ступенями деформації з передачею тиску через рідке та газове середовище.

Для досягнення мети були поставлені і вирішені наступні задачі:

- провести аналіз сучасних уявлень про формування структури і властивостей металів при обробці тиском з високими ступенями деформації;

- встановити вплив способів отримання та попередньої обробки заготовки з порошку стали Р6М5К5 на поведінку матеріалу при обробці тиском;

- визначити вплив температури нагріву і щільності стали на механічні властивості;

- дослідити процеси формування структури і властивостей порошкової швидкорізальної сталі Р6М5К5 при гідроекструдуванні і газовому екструдуванні зі ступенями деформації від 15 до 95,9%;

- встановити залежності властивостей сталі від ступеня деформації, тиску, температури, режимів післядеформаційної термічної обробки;

- розробити рекомендації по технології одержання раціональних заготовок з швидкорізальних сталей з використанням ізостатичного деформування.

Об'єкт дослідження - явища, що відбуваються в сталі при обробці тиском з високим ступенем деформації, закономірності формування структури і властивостей сталі при деформуванні.

Предмет дослідження - процеси та механізми формування структури та властивостей порошкової швидкорізальної сталі при гідростатичному та газостатичному екструдуванні з високими ступенями деформації.

Методи досліджень. Теоретична частина досліджень заснована на фундаментальних принципах металознавства, порошкової металургії, термічної обробки. У ході роботи використано комплекс наступних методів досліджень: методи оптичної та електронної мікроскопії, рентгеноструктурний аналіз, метод структурної реконструкції по пласкому зрізу, дюрометрія і мікродюрометрія, денситометрія, вимірювання механічних властивостей при нормальній та високій температурах.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше встановлено вплив пористості, ступеня і температури гарячого екструдування швидкорізальної сталі на її властивості, що дозволило обґрунтувати оптимальне значення щільності заготовки, що екструдується.

2. Вперше визначено температурно-силові інтервали екструдування порошкової сталі Р6М5К5 з передачею тиску через рідке та газове середовище, використання яких дозволяє знизити тиск деформування і підвищити ефективність технології виробництва заготовок зі швидкорізальної сталі.

3. Вперше визначено комплексний вплив різних параметрів екструдування на формування макро- і мікроструктури сталі Р6М5К5 і остаточного комплексу властивостей.

4. Отримали подальший розвиток уявлення про вплив деформації з високим ступенем на структуру та механічні властивості сталей. Одночасне підвищення міцності і пластичності швидкорізальної сталі пов'язується з формуванням субструктури і утворенням границь субзерен дислокаціями, що рухаються. Визначено вплив деформації зі ступенями до 96% на формування дислокаційної структури і внутрішні напруження в матеріалі.

Практичне значення отриманих результатів. Використання основних наукових результатів дозволило істотно доповнити інформацію, що стосується основних закономірностей поведінки порошкової сталі в умовах обробки тиском з високими ступенями (до 96%), а також довести можливість отримання виробів з матеріалу, що важко деформується, з прогнозованими і регульованими структурою і властивостями.

Оптимізовано існуючі способи отримання виробів шляхом застосування попереднього гарячого динамічного екструдування спечених заготовок з водорозпиленного порошку сталі Р6М5К5. Встановлено оптимальні температурно-силові параметри екструдування порошкової швидкорізальної сталі з передачею тиску через рідке та газове середовище, які дозволили значно підвищити ефективність отримання виробів та скоротити витрати сталі в 2...3 рази у порівнянні зі стандартними методами виробництва дрібнорозмірного різального інструменту.

Запропоновано використовувати складові конструкції ріжучих інструментів, що сприятиме підвищенню ремонтопридатності інструменту і скороченню витрат швидкорізальної сталі. Розроблені технологічні режими виготовлення заготовок із порошкової швидкорізальної сталі Р6М5К5, які забезпечують високі механічні властивості, зносостійкість сталі і високу ефективність технології отримання кінцевих ріжучих інструментів.

Результати досліджень реалізовані при виробництві ріжучих інструментів та окремих складових інструментів на підприємствах: ДП «ВО Південний машинобудівний завод імені О. М. Макарова», ВАТ «Український науково-дослідний інститут технології машинобудування» для виготовлення виробів космічної техніки та енергетики з нержавіючих сталей, алюмінієвих сплавів, склопластиків та вуглепластиків.

Результати досліджень використовуються на кафедрі технології виробництва ФТФ ДНУ ім. Олеся Гончара при проведенні лекцій за курсами «Методи структурного аналізу матеріалів», «Фізичні властивості і методи дослідження матеріалів», «Порошкові та композиційні матеріали», «Металознавство», «Сплави з особливими властивостями», «Технології виробництва різальних інструментів».

Особистий внесок здобувача. Теоретичні, експериментальні та аналітичні дослідження, які включали: аналіз проблеми, вибір і апробацію методів дослідження, експериментальні роботи, обробку і узагальнення отриманих результатів, розробку технологічних режимів і схеми обробки тиском виконані безпосередньо автором. Постановка завдань, обговорення результатів досліджень і впровадження результатів роботи на виробництві виконувалися разом з науковим керівником д.т.н., професором Саніним А.Ф.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати проведених досліджень були надані та обговорені на: Міжнародній науково-практичній конференції «Людина і космос» (Дніпропетровськ, 2004, 2005, 2006, 2008 р.р.), Міжнародній конференції «Передові космічні технології на благо людства» (Дніпропетровськ, 2007, 2009 р.р.), Міжнародній конференції «Стратегія якості в промисловості та освіті» (м. Варна, Болгарія, 2006 р.), Міжнародній конференції «Матеріали і покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва та утилізації виробів» (Жуковка, АР Крим, 2006, 2008 р.р.), Всеукраїнській конференції молодих вчених «Сучасне матеріалознавство: матеріали і технології» (Київ, 2008 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 5 статтях у спеціалізованих наукових виданнях, а також викладені в 10 тезах доповідей на конференціях.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, відображено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі проведено огляд літературних даних, що стосуються структури і властивостей порошкових швидкорізальних сталей, отриманих різними методами, особливу увагу приділено обробці тиском з високими ступенями деформації та можливості деформування з використанням підвищених температур, структурним змінам в сталі при деформації. Показано, що порошкові швидкорізальні сталі у порівнянні зі швидкорізальними сталями традиційного виробництва, характеризуються підвищеними фізико-механічними характеристиками, які є наслідком високої дисперсності карбідів і рівномірного їх розподілу в обсязі металу.

В роботах І. Н. Федорченко, Р. А. Андрієвського, С. С. Кіпарісова, Г. А. Лібенсона, К. О. Гогаєва, Д. Роберта, а також у публікаціях, в яких викладені результати досліджень, що проводилися в Інституті проблем матеріалознавства імені І. М. Францевича, УкрНДІспецсталь, Донецькому ФТІ, відзначено, що екструдування з високими ступенями деформації дозволяє досягнути 100%-вого ущільнення матеріалу з одночасним отриманням рівномірної дрібнозернистої структури, забезпечити заліковування внутрішніх дефектів, отримати складні профільні вироби, які не потребують подальшої механічної обробки, значно підвищити коефіцієнт використання матеріалів.

Зроблено висновки про те, що в літературі недостатньо висвітлені дані, що стосуються обробки тиском зі ступенями деформації вище 80% і деформування при підвищених температурах, а та інформація, яка стосуються результатів досліджень процесів формування структури та властивостей при екструдуванні часто супротивна. Це підкреслює актуальність досліджень у даному напрямку.

У другому розділі обговорюється обрана для досліджень швидкорізальна сталь марки Р6М5К5, яка відноситься до сталей підвищеної продуктивності, теплостійкості і отримала широке застосування для виробництва виробів методами порошкової металургії. Вміст вуглецю сталі підвищено до 1,05%. Заготовки були отримані вакуумним спіканням прессовок з розпиленого водою порошку. За допомогою аналізатору Leco - RO 116 виміряний вміст кисню після розпилення порошків та в заготовках після спікання.

Металографічні дослідження макро- і мікроструктури сталі проведені з використанням мікроскопів МІМ-8М, МІМ-10, при проведенні фрактографічного аналізу - МРЕМ-100. Для визначення показників зеренної структури було вдосконалено і використано метод структурної реконструкції по пласкому зрізу, розроблений В. В. Перчаніком і О.Я Лезинською.

Інформацію про властивості різних структурних складових сталей отримано шляхом проведення дюрометричного і мікродюрометричного аналізів. Значення мікротвердості були виміряні в поздовжньому і поперечному перерізі для зразків, отриманих при різних температурах, ступенях деформації і швидкості витікання матеріалу.

Рентгеноструктурний і рентгенофазовий аналізи проведено на установці ДРОН-3УМ у залізному випромінюванні з використанням картотеки „АСТМ-Х-ray diffraction”. Розмір мікроіскаженій був визначений методом апроксимації, який заснований на аналізі інтегральної ширини дифракційних максимумів.

Високотемпературні випробування спечених зразків для визначення межі міцності та відносного подовження при розтягненні були проведені при температурах 950 ... 1100⁰С на установці ПВР-302 ВНІІТІ.

Для оцінки експлуатаційної придатності отриманих матеріалів та можливості їх роботи при статичних і динамічних навантаженнях, проведені випробування механічних властивостей, що включають випробування на ударний вигин, межу міцності при згині, межу міцності при розтягу при температуре 20⁰С. Механічні властивості досліджувалися в матеріалах після термічної обробки.

Експлуатаційні характеристики інструментів, виготовлених зі сталі, що досліджується, визначали у виробничих умовах на машинобудівному підприємстві.

Третій розділ роботи присвячений дослідженням структури спеченої сталі Р6М5К5, а також встановленню залежностей механічних властивостей сталі від температури і пористості.

При виробництві порошку і заготовок використані наступні операції:

- розпилення розплаву сталі водою при тиску 15,2 МПа;

- вакуумна сушка порошку при 130⁰С протягом 1,5 ... 2 годин з попередньою обробкою сумішшю на основі легко киплячої рідини;

- термоциклічний відпал у вакуумі;

- холодне гідростатичне пресування заготовок під тиском 200 МПа.

Спікання здійснювали до пористості від 2 до 10%. При спіканні нагрів заготовок здійснювали до температури 1210⁰С з подальшим підвищенням температури зі швидкістю 0,02 К/с протягом 10 хвилин. Ізотермічна витримка при спіканні в інтервалі температур 1080…1120⁰С здійснена з метою відновлення оксидів, вміст кисню в матеріалі після спікання знаходиться у межах допустимої норми 0,017 % мас. Діаметр заготовок становить 27…32 мм.

У структурі сталі присутні наступні фази - мартенсит, залишковий аустеніт, дрібні рівномірно розподілені і досить великі карбіди неправильної форми. Є окремі ізольовані пори, форма зерен ізомерна. Середній розмір первинних карбідів становить 7...8 мкм. Мікротвердість основи після спікання 6500...8500 МПа. Мікроструктура сталі Р6М5К5 після спікання представлена на рис. 1.

Виявлено істотну відмінність у поведінці заготовок при гідроекструдуванні відразу після спікання і після спікання та гарячого динамічного екструдування. При гідроекструдуванні спечених заготовок не вдалося отримати цілісний екструдат через наявність в структурі пор і, відповідно, низької щільності заготовок, що екструдуються.

Рис. 1 Мікроструктура швидкорізальної сталі Р6М5К5 після спікання, х300.

Для ліквідації залишкової пористості, яка згодом перешкоджає здійсненню гідроекструдування і газового екструдування з високими ступенями деформації, було проведено гаряче динамічне екструдування.

Для визначення температурного інтервалу попередньої обробки тиском сталі Р6М5К5 виконано дослідження механічних властивостей - міцності і відносного подовження при температурі від 950 до 1100⁰С.

Встановлено, що максимальне значення межі міцності 120 МПа було досягнуто при температурі випробувань 950⁰С і щільності 8,1 х10³ кг/м³ (рис. 2, а).

Рис. 2 Залежність межі міцності (а) та відносного подовження (б) від щільності сталі і температури випробувань.

При підвищенні температури випробувань до 1000...1050⁰С при щільності заготовки 8,1х10³ кг/м³ відбувається зростання відносного подовження до максимальної величини 11% (рис. 2, б). Подальше підвищення температури призводить до різкого зменшення відносного подовження.

Згідно з отриманими даними, температуру гарячого динамічного екструдування слід обирати в інтервалі температур 980...1050⁰С, тобто такою, при якій відносне подовження має досить високе значення (9...11%), а міцність змінюється незначно і має невисоку величину (50 МПа).

Гаряче динамічне екструдування спечених до щільності (7,5...7,8)х10³ кг/м³ заготовок здійснювали на пресі П8337 при температурі 1050⁰С без прес-залишку, коефіцієнт витяжки склав 6,5. Пористість, що збереглася після спікання, повністю ліквідована, а дефекти мікроструктури у вигляді ледебуритної сітки по межах зерен, характерної для спеченої сталі, не проявилися.

У структурі сталі після гарячого динамічного екструдування (рис. 3) присутні окремі великі карбіди, які розподілені в обсязі сталі досить нерівномірно. Завдяки тому, що операція гарячого екструдування використовувалася як попередня, згодом ці недоліки структури можуть бути усунені обробкою тиском з більш високими ступенями деформації.

Рис. 3 Мікроструктура сталі Р6М5К5 після спікання та динамічного гарячого екструдування при температурі 1050⁰С: а - х300, б - х500.

Значення міцності на вигин сталі Р6М5К5, отриманої спіканням і гарячим екструдуванням, складає 2000 МПа, ударна в'язкість - 100 кДж/м². Діаметр отриманих заготовок 10...25 мм.

У четвертому розділі роботи наведені результати досліджень формування мікроструктури, напруженого стану, механічних властивостей сталі в процесі гідроекструдування і газового екструдування, розроблено технологічні параметри отримання сталі Р6М5К5 і різальних інструментів з неї з використанням екструдування з передачею тиску через рідке та газове середовище, представлені результати виробничих випробувань.

Для отримання виробів зі сталі Р6М5К5 з однорідною структурою і високим комплексом механічних властивостей було проведено гідроекструдування заготовок, які були отримані спіканням і гарячим динамічним екструдуванням. Максимальний тиск у контейнері при гідроекструдуванні досяг величини 1300 МПа. Швидкість екструдування підтримувалася постійною - 7 мм/с, досягнута ступінь деформації від 14 до 74%.

Бездефектну заготовку при гідроекструзії вдалося отримати в інтервалі ступенів деформації 14...42%, підвищення ступеню деформації до 74% супроводжувалося руйнуванням заготовки.

З метою зниження коефіцієнта тертя в парі заготовка-матриця і, відповідно, максимального тиску видавлювання, перед гідроекструзією на поверхню заготовок наносили спеціальне мідне покриття товщиною 20 мкм.

Структура сталі після гідроекструдування представлена на рис. 4. В ході досліджень встановлено, що вже при малих ступенях деформації (14%) відбувається подрібнення карбідної фази і більш рівномірний розподіл карбідів в обсязі сталі (рис. 4, а). Внаслідок більш рівномірного розподілу дрібних надлишкових карбідів в результаті деформації з високими ступенями (більше 34%), затримується зростання і злиття зерен, що, в остаточному підсумку, забезпечує більш дрібне зерно сталі (рис. 5).



Рис. 4 Мікроструктура сталі Р6М5К5 після гідроекструзії зі ступенем деформації 14% (а) і 34% (б), х500.

Рис. 5 Розподіл зерен в гладкому перетині зразків, отриманих з різними ступенями деформації.

Основні показники, що характеризують зеренну структуру зразків після гідроекструдування, визначені методом структурної реконструкції по пласкому зрізу, отримано розподіл зерен за розмірами в пласкому перетині (рис. 5).

Зі збільшенням ступеня деформації при гідроекструдуванні від 14% до 34% відбувається зменшення розмірів зерна до 11 балу, найбільша кількість зерен має середній розмір 4,8 мкм (рис. 5, а, б, в). Підвищення ступеня деформації до 42% призводить до зростання середнього розміру зерна до 7,2 мкм, але при цьому ступінь однорідності розподілу зерен по розмірам значно зростає (рис. 5, г).

Зростання зерна зі збільшенням ступеня деформації до 42% при гідроекструдуванні можна пояснити наступним. Досягнення високого ступеня деформації сприяє підвищенню рівня внутрішніх напружень. За рахунок активного переміщення шарів матеріалу один щодо одного відбувається підвищення температури, виникають рекристалізаційні процеси, а в деяких обсягах матеріалу рекристалізація набуває збірний характер, що призводить до зростання зерна. При ступені деформації менше 42% рекристалізація навпаки сприяє утворенню дрібної дислокаційної субструктури, що має високий ступінь однорідності.

Встановлена залежність механічних властивостей сталі від ступеня деформації при гідроекструдуванні і температури загартовування. Результати дозволили встановити оптимальні режими термічної обробки.

Оптимальний температурний діапазон проведення загартовування, при якому забезпечується високе значення теплостійкості і збереження дрібнозернистої структури, обмежується величиною 1210⁰С, а проведення після загартовування трикратного відпалу при температурі 560⁰С протягом 1 години дозволяє забезпечити високу твердість сталі 64…64,5 од. НRС.

Основними лімітуючими факторами при холодній деформації швидкорізальних сталей є високий опір деформації і низька пластичність матеріалу при кімнатних температурах, а також прояви швидкісної нестійкості, особливо при високих ступенях деформації.

Поєднати високу температуру і тиск дозволяє метод екструдування з передачею тиску через газове середовище, деформація стає можливою зі ступенем до 96%, що дозволяє отримати профільний дрібнорозмірний інструмент з високоміцного матеріалу.

Досліджено локальний метод нагріву заготовок. У цьому випадку контейнер, середовище, що передає тиск, і основна маса матеріалу, яка екструдується, мають температуру близьку до кімнатної, і лише малий обсяг заготівлі безпосередньо в зоні деформації (в каналі і заходному конусі матриці) розігрівається до температур екструзії. Застосування такої схеми дозволяє забезпечити однакові температурні умови деформування всього обсягу заготівлі, і, відповідно, рівномірність пластичної течії. В якості робочого газу установки використовувався аргон.

Газовій екструзії піддавали циліндричні заготовки діаметром 9,25...10 мм при початковому тиску в контейнері 550 МПа. Для визначення впливу температури екструдування на формування структури і властивостей сталі Р6М5К5 процес починали при температурі 1000⁰С, яку в процесі деформування збільшували до 1210⁰С з проміжними витримками через кожні 50⁰С. Швидкість деформування при цьому змінювалася від 1,25 до 14 мм/с, ступінь деформації заготовок досягла 95,9%.

При вивченні впливу ступеня деформації на структуру сталі деформували циліндричні заготовки ступінчатої форми при температурі 1210⁰С і початковому тиску в контейнері 350 МПа. Швидкість витяжки становила 6,3 мм/с. Отримана заготовка діаметром 1,86 мм, значення ступеня деформації складали для різних ділянок 84,0, 91,3 та 95,9%.

Після газової екструзії при всіх досліджених значеннях температури та ступенях деформації поверхня екструдата гладка, без задирів, відколи і тріщини відсутні.

Досліджено мікроструктуру зразків, деформованих при різних температурах і ступенях деформації, в поздовжньому і поперечному напрямі (рис. 7, 8).



Рис. 7 Мікроструктура поздовжнього перетину зразків, які екструдовані при температурі 1210⁰С зі ступенем деформації: а - 84%; б - 95,9%; х400.

Рис. 8 Мікроструктура поздовжнього перетину зразків, які екструдувалися зі ступенем деформації 95,9% і температурі: а - 1000⁰С; б - 1150⁰С; в - 1210⁰С; х400.

Згідно з результатами металографічних досліджень, середній розмір карбідів зменшується на 35...40% у порівнянні зі станом після попереднього гарячого екструдування (рис. 7, 8). При цьому більш висока дисперсність і рівномірність розподілу карбідів спостерігається при температурі деформації 1150⁰С і максимальному ступені деформації 96% (рис. 7, 8, б).

З використанням методу структурної реконструкції по пласкому зрізу визначено основні параметри зеренної структури газоекструдованої сталі - бал зерна для всіх зразків дорівнює 11, що свідчить про дрібнозернистість структурі сталі. Виняток становить зразок, отриманий при ступені деформації 84% і максимальній температурі екструдування 1210⁰С, бал зерна - 10,5, а структура характеризується високою нерівномірністю (рис. 9). Спостерігається велика кількість дрібних зерен, діаметр яких в середньому рівний 7 мкм, але присутні й окремі великі зерна діаметром до 28 мкм.

Виникнення високої різнозернистості в сталі при газовій екструзії зі ступенем деформації 84% і температурі 1210⁰С, пов'язано з тим, що зі зростанням температури деформування відбувається збільшення швидкості рекристалізації. У деяких обсягах сталі при екструдуванні температура може досягати величини, при якій протікають процеси збірної рекристалізації.

Рис. 9 Розподіл зерен сталі Р6М5К5 за розмірами в пласкому перерізі, газове екструдування зі ступенем деформації 84% при температурі 1210⁰С.

Аналіз результатів, представлених на рис. 10, дозволяє зробити наступні висновки. По-перше, швидкість деформування, а значить і пластичність матеріалу, істотно залежать від ступеня деформації при відносно низьких температурах (нижче 1210⁰С). Якщо ж матеріал екструдується при температурі 1210⁰С, то його пластичність дуже слабко залежить від ступеня деформації, що характеризує на графіку більш плоска ділянка. По-друге, при низьких ступенях екструдування - менше 90% - швидкість деформації не залежить (або залежить в малому ступені) від температури газового екструдування.

Максимальне значення швидкості екструдування 16 мм/с спостерігається при використанні найбільш високого ступеня деформації 95,9% і температурі 1150⁰С.

Хід залежності швидкості деформації від ступеню деформації і температури (рис. 10), корреллює з даними, отриманими при вимірі мікротвердості матеріалу, екструдованого при різних температурах (рис. 11). В інтервалі температур 1150 ... 1210⁰С при ступені деформації (95,9%) крім підвищення внутрішніх напружень відбувається і зменшення показників мікротвердості.

Слід зазначити, що спостерігаються суттєві відмінності у зміні значень мікротвердості матеріалів в перетині уздовж напрямку екструдування і в поперечному напрямку. Це можна пояснити тим, що всі заготовки, що піддаються газовому екструдуванню, попередньо проходили цикл гарячого динамічного екструдування, у структурі отриманої заготовки спостерігається деформаційна текстура. Надалі ці заготовки деформувалися з тим же переважним напрямком видавлювання.

Рис. 10 Залежність швидкості витоку матеріалу при газовому екструдуванні від ступеня деформації і температури.

Рис. 11 Залежність мікротвердості сталі Р6М5К5 від температурно-силових параметрів газового екструдування.

Згідно з результатами проведеного рентгеноструктурного аналізу, найбільші викривлення кристалічної решітки характерні для матеріалу, отриманого при максимальній температурі газового екструдування 1210⁰С і ступені деформації 84%. Максимальна температура газового екструдування сприяє виникненню значних термічних напруг, які сумісно з механічними напругами, в ході релаксації після термічної обробки можуть призвести до зміни геометрії готового виробу. Про викривлення кристалічної решітки і зріст внутрішніх напружень свідчать високі значення істинного фізичного уширення в лінії 110.

З використанням методу скануючої електронної мікроскопії виконані фрактографічні дослідження поперечних зламів зразків, отриманих при різних температурно-силових параметрах екструдування (рис. 12).

Злам зразків, отриманих екструдуванням при температурі 1210⁰С, є крихким (рис. 12, а, 12, б). Руйнування відбувається по межах зерен і по поверхні великих включень карбідної фази. Спостерігаються сліди локального оплавлення структури, що свідчить про значний перегрів сталі при екструдуванні (зростання зерна, карбідів, виникнення евтектики). У структурі присутні окремі великі карбіди діаметром до 18 мкм. Особливості структури, що спостережуться, добре узгоджуються з встановленим зниженням пластичності матеріалу, який екструдувався при температурі вище 1150⁰С.

Зразки, які екструдувалися при температурі 1150⁰С і максимальному ступені деформації 96%, мають сліди в'язкого руйнування, з'являються характерні «язики» відриву (рис. 12, в). Розмір карбідів на 20% менше в порівнянні з карбідами при 1210⁰С, структура в цілому є більш дисперсною й однорідною.

Рис. 12 Поверхня зламу зразків, отриманих методом газового екструдування порошкової швидкорізальної сталі Р6М5К5: а - температура екструдування 1210⁰С, ступінь деформації 96%; б - 1210⁰С, 84%, в - 1150⁰С, 96%.

Встановлено, що для поєднання високої твердості, міцності та в'язкості сталі Р6М5К5, яка була отримана з використанням газової екструзії, слід використовувати режим термічної обробки, що складається з загартовування від температури 1220⁰С і трикратного відпалу протягом 1 години при 560⁰С. Після термообробки межа міцності сталі Р6М5К5 має величину 4000...4200 МПа, в той час, як для сталі традиційного способу виробництва ця величина звичайно становить 3500...4000 МПа, міцність на вигин 4500...4550 МПа, у той час як для стандартної сталі міцність на вигин становить 2400...2800 МПа, ударна в'язкість - 285 кДж/м², твердість досягає величини 65 од. HRС, а відносне подовження 1%.

Методом гідроекструдування з порошкової швидкорізальної сталі Р6М5К5 були отримані заготовки для виробництва свердл діаметром 9 мм, а також ріжучої частини складного різального інструмента (мітчики, фрези).

Методом газової екструзії на підприємстві ДП «ВО Південний машинобудівний завод імені А.М. Макарова» були виготовлені свердла зі сталі Р6М5К5 діаметром 0,8...2,4 мм та машинні мітчики діаметром 2...3,5 мм для обробки деталей з нержавіючої сталі й алюмінієвих сплавів, виробів космічної техніки і вітроенергетики. Результати випробувань показали підвищення зносостійкості інструментів на 25...35% та скорочення витрат швидкорізальної сталі при виробництві кінцевих ріжучих інструментів малого діаметру на 75...80% у порівнянні з технологією, що раніше використовувалася, за рахунок використання раціональної заготівлі. Розроблені і передані підприємству рекомендації з термічної обробки сталі Р6М5К5-МП після екструдування.

В умовах головного підприємства Національного аерокосмічного агентства України ВАТ „Українського науково-дослідного інституту технології машинобудування” (УкрНДІІТМ) виготовлені свердла для обробки несучих поверхонь стільникових конструкцій сонячних батарей зі склопластиків і вуглепластиків, а також деталей нестандартного технологічного обладнання зі сталі Х18Н9Т і алюмінієвого сплаву АК6. Свердла виготовлені методом вишліфовування з заготівель, які були отримані газовим екструдуванням зі ступенем 91 і 96%. Термічну обробку проводили по режиму: загартовування від температури 1210⁰С і триразовий відпал при температурі 560⁰С протягом 1 години. Результати випробувань показали, що при обробці вуглепластиків марки КМУ-4Е і сталі Х18Н9Т стійкість інструменту на 25% вище у порівнянні з тими, що використовувалися традиційно на ВАТ „УкрНДІІТМ”, а при обробці склопластиків марки ВПС-7 и алюмінієвого сплаву АК6 - на 30%. Підвищення працездатності досягнуто за рахунок отримання більш дисперсної та однорідної структури сталі і забезпечення завдяки цьому підвищених механічних властивостей.

ВАТ „УкрНДІІТМ” рекомендовано використовувати сталь, що була отримана по запропонованій технології, і методу виготовлення ріжучих інструментів на підприємствах космічної і машинобудівної галузей.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Обґрунтовано вибір методів обробки тиском з високими ступенями (до 96%) - гідроекструдування і газовового екструдування для отримання заготовок і виробів з порошкової швидкорізальної сталі Р6М5К5 із заданими структурою і властивостями. Встановлено, що ізостатична обробка тиском дозволяє отримувати сталь з властивостями, що регулюються, забезпечує формування однорідної дрібнозернистої структури і рівномірний розподіл карбідів, можливість отримання довгих виробів малого діаметру за 1 цикл деформування, високий коефіцієнт використання матеріалів.

2. З метою визначення параметрів гарячого динамічного екструдування спечених заготівель встановлено сумісний вплив температури і щільності заготівель зі швидкоріжучої сталі на механічні властивості. Показано, що при щільності менше 7000 кг/м³ межа міцності і пластичність матеріалу не залежать від температури в інтервалі 950...1100⁰С, що досліджується. Оптимальне поєднання низьких значень межі міцності (не більше ніж 50МПа) і високої пластичності (9...11%) досягається при температурах екструдування 980...1050⁰С і щільності заготовки 0,9...0,95 від теоретичної.

Доведено, що попереднє гаряче динамічне екструдування усуває дефекти спеченої структури, підвищує пластичність матеріалу і забезпечує проведення подальшої деформації з високими ступенями.

3. Встановлено, що гідростатичне екструдування сталі Р6М6К5 зі ступенем деформації 74% призводить до руйнування заготовки, бездефектна заготівля отримана при ступені деформації 14...42%. Вперше для визначення параметрів зеренної структури деформованої швидкорізальної сталі використаний метод структурної реконструкції по пласкому зрізу. Підвищення ступеня деформації до 35% сприяє зменшенню середнього розміру зерна, при ступені деформації більше 40% спостерігається зростання зерна, але відбувається підвищення однорідності розподілу зерен за розмірами. Оптимальний температурний діапазон проведення загартовування, при якому забезпечується високе значення теплостійкості і збереження дрібнозернистої структури, обмежується величиною 1210⁰С, а проведення після загартовування трикратного відпалу при температурі 560⁰С протягом 1 години дозволяє забезпечити високу твердість сталі 64…64,5 од. НRС.

4. З використанням методу газового екструдування отримані заготовки зі швидкорізальної сталі Р6М5К5 зі ступенем деформації до 96% в інтервалі температур 1000...1210⁰С, що досліджується.

Структура сталі, яка була отримана при всіх температурно-силових параметрах процесу є дрібнозернистою - бал зерна 11. Виключення складають зразки, що були отримані при температурі екструдування 1210⁰С і ступені деформації 84%: бал зерна 10,5, структура має високу різнозернистість, що обумовлено високими швидкостями рекристалізації, а також протіканням в деяких об'ємах сталі процесів збірної рекристалізації.

Максимальна швидкість деформування сталі спостерігається при температурі 1150⁰С і ступені деформування 96%. Якщо температура екструдування перевищує 1150⁰С, то відбувається зниження швидкості деформування в 2,5 рази, здатність до деформації сталі вже не залежить від ступеню деформації. При ступенях деформації менше 90% швидкість витоку не залежить від температури в дослідженому інтервалі.

5. Встановлено вплив екструдування з високими ступенями на формування дислокаційної структури та внутрішні напруження в матеріалі. Найбільші викривлення кристалічної решітки спостерігаються при максимальній температурі газової екструзії 1210⁰С та ступені деформації 84%. Враховуючи, що при цих параметрах деформування спостерігається зростання зерна сталі та огрубіння структури, можна очікувати суттєвої зміни геометрії готового виробу після термічної обробки.

6. Визначено температурно-силові інтервали гідроекструдування і газового екструдування. Гідроекструдування порошкової швидкорізальної сталі слід здійснювати при ступені деформації до 40%. При газовому екструдуванні ступінь деформації повинен перевищувати 90%, а температура деформування знаходитися в межах 1150...1180⁰С. Після термообробки межа міцності газоекструдованої сталі складає 4000...4200 МПа, міцність на вигин 4500 ... 4550 МПа, що на 12% і 45%, відповідно, вище у порівнянні зі сталлю традиційного виробництва, ударна в'язкість - 285 кДж/м², а твердість досягає величини 65 од. HRС.

7. Результати досліджень реалізовані при виробництві свердл діаметром 0,8...2,4 мм та машинних мітчиків діаметром 2...3,5 мм з порошкової сталі Р6М5К5 на підприємствах ДП „ВО Південний машинобудівний завод імені А.М. Макарова” та ВАТ „Український науково-дослідний інститут технології машинобудування”. При обробці покрить стільникових конструкцій сонячних батарей зі склопластиків ВПС-7 і вуглепластиків КМУ-4Е стійкість інструменту підвищено на 30 і 25%, відповідно. Підвищення стійкості при обробці деталей виробів космічної техніки, вітроагрегатів і нестандартного обладнання зі сталі Х18Н9Т склало 30...35%, зі сплаву АК6 - 25...30%.

З метою економії швидкорізальної сталі запропоновано використовувати складові конструкції ріжучих інструментів. Це забезпечить високу ремонтопридатність виробів і високий коефіцієнт використання матеріалу - витрати сталі скорочуються на 20…30% у порівнянні з традиційними технологіями.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ, ВИСВІТЛЕНІ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1. Таранова М. О. Кількісний аналіз форми часток порошків і структурних складових легованих сплавів / М. О. Таранова, А. Ф. Санін, Є. О. Джур // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - 2005.- Вип. 5 (40). - С. 66-74.

2. Таранова М. О. Структурні зміни в порошкових сталях при гарячому екструдуванні / М. О. Таранова, А. Ф. Санін, Л. Л. Щеглова // Вісник міжнародного слов'янського університету. - 2005. - Том VIII, № 1-2. - С. 27-32. - (Серія „Технічні науки”).

3. Таранова М. О. Структурні зміни в порошкових швидкорізальних сталях при гарячій газовій екструзії / М. О. Таранова, А. Ф. Санін, Л. Л. Щеглова, В. А. Доморацький // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - 2006. -№ 5 (40), частина 1. - С. 66-68.

4. Таранова М.О. Підвищення властивостей матеріалів шляхом гідростатичного екструдування / М.О. Таранова // Вісник Дніпропетровського університету. - 2008. - №4 , Т. 16. - С. 72-77. - (Серія „Ракетно-космічна техніка”).

5. Таранова М.О., Санін А.Ф. Вплив високих ізостатичних тисків на структуру швидкорізальної сталі / М. О. Таранова, А. Ф. Санін // Металофізика і новітні технології. - 2008. - Том 30, Спец. вип. - С. 743-751.

6. Таранова М. А. Влияние высоких изостатических давлений на структуру легированных сталей / М. А. Таранова, А. Ф. Санин // Сучасне матеріалознавство: матеріали і технології : Всеукраїнська конференція молодих вчених, 12-14 листопада 2008 р. : тези доповідей. - К. : Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, 2008. - С. 87.

7. Таранова М. А. Повышение свойств материалов путем гидростатической обработки. / М. А. Таранова, А. Ф. Санин, Е. А. Джур // Передовые космические технологии на благо человечества : международная конф., 18-20 апреля 2007 г. : тезисы докл. - Днепропетровск, 2007. - С. 53. (ГКБ „Южное”).

АНОТАЦІЇ

Таранова М.О. Формування структури і властивостей швидкорізальної сталі в умовах гідро- та газової екструзії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.01 - матеріалознавство. - Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара, Дніпропетровськ, 2010.

Дисертація присвячена вивченню процесів, що протікають в порошкової швидкорізальної сталі під впливом обробки тиском з передачею тиску через рідке та газове середовище, встановленню закономірностей формування структури та властивостей сталі при різних температурно-силових параметрах екструдування. На основі експериментальних даних встановлено, що гідроекструзії та газовому екструдуванню порошкової стали Р6М5К5 повинна передувати попередня обробка тиском (гаряче динамічне екструдування) з метою видалення залишкової після спікання пористості та підвищення пластичності сталі, визначена оптимальна щільність заготовки, що екструдується. Гідроекструзія зі ступенем деформації до 40% дозволяє отримати якісну заготівлю, матеріал характеризується однорідною дрібнозернистою структурою (бал зерна 11), що має високу твердість та міцність.

Газове екструдування дозволило поєднати високий тиск (до 800 МПа), температуру (до 1210⁰С) та здійснити деформування зі ступенем 96%. Досліджено метод локального нагріву заготовки. Встановлено, що оптимальним температурним інтервалом газового екструдування є 1150...1180⁰С, а ступінь деформації повинен перевищувати 90%. Після термічної обробки заготовок, що деформовані при оптимальних температурно-силових параметрах газової екструзії, межа міцності сталі Р6М5К5 складає 4000...4200 МПа, міцність на вигин - 4500...4550 МПа. Відносне подовження - 1%.

Результати досліджень реалізовані при виробництві свердл діаметром 0,8...2,4 мм та машинних мітчиків діаметром 2...3,5 мм з порошкової сталі Р6М5К5, які показали значне підвищення зносостійкості у порівнянні з інструментом, що використовувався раніше.

Ключові слова: швидкорізальна сталь, гідроекструдування, газове екструдування, карбідна неоднорідність, ступінь деформації.

Таранова М.А. Формирование структуры и свойств быстрорежущей стали в условиях гидро- и газовой экструзии. - Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. - Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара, Днепропетровск, 2010.

В диссертации освещены вопросы, касающиеся процессов, протекающих в порошковой быстрорежущей стали при обработке давление с передачей давления через жидкую и газовую среду, установлены закономерности формирования структуры и свойств стали при различных температурно-силовых параметрах экструдирования. На основе экспериментальных данных показано, что гидроэкструдированию и газовому экструдированию порошковой стали Р6М5К5 должна предшествовать предварительная обработка давлением (горячее динамическое экструдирование) с целью удаления остаточной после спекания пористости и повышения пластичности стали, что в дальнейшем позволит осуществить деформирование с высокими степенями деформации (до 96%). Данные высокотемпературных испытаний позволили установить оптимальную плотность экструдируемых заготовок - 7500…7800 кг/м³, при этом достигается оптимальное сочетание низкого предела прочности (50 МПа) и высокой пластичности стали (9%).

Гидроэкструдирование порошковой быстрорежущей стали Р6М5К5 со степенью деформации до 40% позволяет получить качественную заготовку. При этом сталь имеет однородную мелкозернистую структуру (балл зерна 11), обладает высокой твердостью и прочностью. При степени деформации более 40% наблюдается рост зерна стали и одновременное повышение однородности распределения зерен по размерам. Оптимальный температурный диапазон проведения закалки заготовок после гидроэкструзии ограничивается величиной 1210⁰С, а проведение после закалки трехкратного отпуска при температуре 560⁰С в течение часа позволяет обеспечить высокую твердость стали 64…64,5 ед. НRС.

Для достижения более высокой степени деформации, чем это возможно при гидроэкструдировании, с целью получения профильных заготовок малого диаметра из материалов, порошки которых характеризуются низкой прессуемостью и высокой твердостью, предложено использовать метод газового экструдирования. При газовой экструзии удается совместить высокие давления (до 800 МПа), температуру (до 1210⁰С) и осуществить деформирование со степенью 96%. Исследован метод локального нагрева заготовки, который позволяет осуществить однородное деформирование и избежать явлений скоростной неустойчивости. Максимальная пластичность стали Р6М5К5 наблюдается при температуре экструдирования 1150⁰С и степени деформации 96%. Установлено, что оптимальным температурным интервалом газового экструдирования является 1150…1180⁰С, а степень деформации должна превышать 90%. Сталь имеет мелкозернистую структуру (балл зерна 11), дисперсную карбидную фазу, обладает повышенной пластичностью. После термообработки газоэкструдированной стали, которая заключается в закалке от температуры 1220⁰С и трехкратного отпуска при температуре 560⁰С в течение 1 часа, предел прочности составляет 4000…4200 МПа, прочность на изгиб - 4500…4550 МПа, что на 12% и 45%, соответственно, выше по сравнению со сталью традиционного производства, ударная вязкость - 285 кДж/м², а твердость достигает величины 65 ед. HRС.

Результаты исследований реализованы при производстве сверл диаметром до 2,4 мм и машинных метчиков диаметром 2…3,5 мм из порошковой стали Р6М5К5, стойкость которых на 25…35% выше по сравнению с инструментом, изготовленным по традиционной технологии.

С целью экономии быстрорежущей стали рекомендовано использовать составные конструкции режущих инструментов.

Ключевые слова: быстрорежущая сталь, гидроэкструзия, газовое экструдирование, карбидная неоднородность, степень деформации.

Taranova M. Formation of the structure and properties of high-speed steel in hydro-and gas-extrusion - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.02.01 - materials. - Dnipropetrovs'k National University by Oles Gonchar, Dnipropetrovs'k, 2010.

The dissertation dealt with questions concerning the processes occurring in high-speed steel powder under the influence of extrusion, the regularities of formation of structure and properties of steel at various temperature-force parameters of extrusion. On the basis of experimental data revealed that hydroextrusion and gas extrusion by powder high speed steel R6M5K5 should be preceded the hot dynamic extrusion to remove residual porosity after sintering and improving the ductility of steel, determined the optimum density of extruded billet.

Hydroextrusion with the degree of deformation up to 40% can get high-quality extrudate with uniform fine grain structure (grain grade 11). The optimum temperature range for hardening bars after hydroextrusion limited 1210⁰C and an after triple tempering at a temperature 560⁰C during hour provides high hardness of steel 64...64.5 units HRC.

The gas extrusion possible to combine the high pressure (up to 800 MPa), temperature (up to 1210⁰C) and implemented with the degree of deformation of 96%. We investigate the method of local heating of the workpiece. Found that the optimum temperature range of gas extrusion - 1150...1180⁰C, and the degree of deformation should not exceed 90%. After extrusion of gas at the optimum temperature and force parameters of tensile and heat treatment strength steel R6M5K5 was 4000...4200 MPa, flexural strength - 4500...4550 MPa. Elongation - 1%.

In order to save high speed steel is recommended to use the composite design of cutting tools, thereby greatly enhancing the maintainability of products and utilization of materials.

Keywords: High Speed Steel, hydrostatic extrusion, gas extrusion, carbide heterogeneity, the degree of deformation.

Размещено на Allbest.ru

...