Особливості структуроутворення швидкорізальних сталей з підвищеними властивостями, одержаних з використанням технології струменевого формування порошків та матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

інститут ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

ім. І.М. Францевича

УДК 621.762

Спеціальність 05.16.06 - Порошкова металургія та композиційні матеріали

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Особливості структуроутворення швидкорізальних сталей з підвищеними властивостями, одержаних з використанням технології струменевого формування порошків та матеріалів

Сидорчук Олег Миколайович

Київ - 2008



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної Академії Наук України

Науковий керівник: доктор технічних наук Гогаєв Казбек Олександрович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київзав. відділу диспергування матеріалів та пластичної деформації прокатуванням

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кондратюк Станіслав Євгенович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, м. Київ зав. відділу лиття та структуроутворення сталі

доктор технічних наук Баглюк Геннадій Анатолійович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ зав. відділу зносостійких та корозійностійких порошкових конструкційних матеріалів

Захист відбудеться “7”квітня2008р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.207.03 Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, вул. Кржижанівського, 3.

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

Автореферат розісланий “ 6 ”березня2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.207.03 доктор технічних наук Мінакова Р.В.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одержання швидкорізальних сталей за традиційними ливарними технологіями не забезпечує потрібної якості литого металу, необхідного поєднання характеристик міцності і пластичності. Це пов'язано з негативним впливом грубозернистості литих структур, значної ліквації, нерівномірної щільності структури тощо. Наслідком цього є карбідна неоднорідність та підвищена крихкість матеріалу. Для усунення цих недоліків застосовують дифузійний відпал, гаряче деформування та зміцнюючу термічну обробку.

Прояви ліквації у структурі металу можуть бути послаблені створенням певних температурно-часових умов кристалізації. Для цього використовують технології переплавних процесів (електрошлаковий, електронно-променевий, плазмово-дуговий) та класичної порошкової металургії. Проте наведені технології є досить енергоємними. Менш енергоємною, у порівнянні з цими технологіями, є технологія струменевого формування, а саме метод “Osprey process”, який дозволяє отримати метал високої якості.

Виходячи з цього, дослідження особливостей струменевого формування швидкорізальних сталей, зокрема структури металу, у поєднанні з оптимізацією хімічного складу сталі та режимів подальшої пластичної деформації і кінцевої термічної обробки, з урахуванням особливостей цього процесу є актуальними як у науковому, так і прикладному аспектах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відділі “Диспергування матеріалів та пластичної деформації прокатуванням” в ІПМ НАН України ім. І.М. Францевича (м. Київ) від 2000 до 2005 рр. за програмою “Нові процеси одержання і обробки металевих матеріалів” згідно тематики відомчого плану НАН України: 1.6.2.8-01 “Розробка технології вводу в розплави в процесі розпорошення та лиття додатків карбідо- і нітридоутворюючих компонентів та вибір оптимального вмісту легуючих, вуглецю та азоту з метою створення нових композиційних матеріалів на основі заліза” (№ ДР 0101U001490); та 1.6.2.14-03 “Вивчення механізмів підвищеної технологічної пластичності порошкових легованих сталей” (№ ДР 0103U005195).

Мета роботи. Розробити технологію одержання заготовок з економнолегованих швидкорізальних сталей, з урахуванням структуроутворення, особливостей процесу струменевого формування та наступних технологічних операцій: пластичної деформації і зміцнюючої термічної обробки. швидкорізальний сталь пластичний струменевий

Для реалізації поставленої мети в роботі були сформульовані наступні задачі дослідження:

- визначення переваг струменевого формування порівняно зі стандартними технологіями виробництва при одержанні швидкорізальних сталей;

- дослідження можливості зменшення вмісту дефіцитного вольфраму у складі стандартної швидкорізальної сталі марки Р6М5;

- дослідження впливу додаткового комплексного легування (N - Si - Nb - V) з метою підвищення фізико-механічних властивостей та технологічної пластичності швидкорізальної сталі;

- дослідження трансформації структур сталей, одержаних струменевим формуванням, залежно від режимів пластичної деформації та термічної обробки;

- визначення фізико-механічних властивостей швидкорізальних сталей у вихідному стані та після пластичної деформації, з урахуванням впливу кінцевої термічної обробки;

- проведення дослідно-промислових випробувань інструменту, одержаного з економнолегованої маловольфрамової швидкорізальної сталі при обробці різанням вуглецевих та легованих конструкційних сталей.

Об'єкт дослідження - швидкорізальні сталі марок Р6М5, Р2М5, Р2АМ5 та Р2АМ5Ф3СБ, одержані за технологією струменевого формування у вихідному стані та після подальшої пластичної деформації і кінцевої термічної обробки.

Предмет дослідження - фазово-структурний стан, режими прокатування та термічної обробки, фізико-механічні та експлуатаційні властивості швидкорізальних сталей.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше встановлено закономірності процесів кристалізації та структуроутворення в об'ємі консолідованих заготовок економнолегованих швидкорізальних сталей за умов технології струменевого формування та їх зв'язок з характеристиками кінцевої структури сталей після пластичної деформації та зміцнюючої термічної обробки.

2. Вперше виявлено, що у економнолегованих швидкорізальних сталей при підвищенні ступеню переохолодження розплаву під час кристалізації формується дрібнозерниста консолідована структура без обособлених утворень карбідної евтектики та великих первинних карбідних (карбонітридних) фаз, що зумовлює підвищення технологічності сталі та покращує її структуру після пластичної деформації та термічного зміцнення.

3. Встановлено можливість пластичного деформування прокатуванням економно-легованих швидкорізальних сталей Р6М5, Р2М5 та Р2АМ5Ф3СБ в області температур твердофазного перетворення (800±20 0С), причому у порівнянні з іншими сталь Р2АМ5 мала понижену деформівність пов'язану з негативним впливом азоту.

4. Вперше показано, що структура сталі, одержаної струменевим формуванням, після пластичної деформації прокатуванням характеризується високою дисперсністю структурних складових, у першу чергу карбідної фази, що зберігається і після високотемпературної зміцнюючої термічної обробки, забезпечуючи високий комплекс фізико-механічних властивостей сталей;

5. Показано ефективність впливу додаткового комплексного легування (N - Si - Nb - V) швидкорізальної сталі Р2АМ5 на її фізико-механічні властивості, що дозволило знизити у три рази вміст вольфраму при підвищенні міцності, пластичності та експлуатаційних властивостей різального інструменту.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі експериментальних досліджень швидкорізальних сталей (Р6М5, Р2М5, Р2АМ5, Р2АМ5Ф3СБ), одержаних за технологією струменевого формування:

- досягнуто суттєве зниження температури пластичної деформації прокатуванням (приблизно на 300 0С);

- досягнуто підвищення величини максимальної деформації прокатуванням сталі Р2М5 з додатковим комплексним легуванням (N - Si - Nb - V): на першій стадії деформування (при 1100 0С - до 30 %) та на другій стадії деформування (в інтервалі температур твердофазного перетворення - до 25 %);

- оптимізовані режими термічної обробки сталей, що забезпечують потрібну твердість (64-66 HRC) та високі характеристики опору крихкому руйнуванню інструмента;

- розроблено нову економнолеговану швидкорізальну сталь Р2АМ5Ф3СБ з підвищеними фізико-механічними властивостями (ув = 3600-3800 МПа; KCU = 20,0-18,0 Дж/см2; 65-66 НRС; НRС59 при 625 0С) для обробки різанням високоміцних конструкційних сталей. Підвищено стійкість інструменту зі сталі одержаної струменевим формуванням (у 2 рази) та збільшено швидкість різання (у 1,5 рази) порівняно з інструментом зі стандартної сталі Р6М5 традиційного ливарного виробництва.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі автором проведено аналіз структур та властивостей вітчизняних та закордонних марок швидкорізальних сталей, які застосовують для обробки різанням конструкційних сталей. Проаналізовані різні технології одержання швидкорізальних сталей, а також показані переваги та недоліки промислових технологій їх виготовлення. Описано процес струменевого формування, проаналізовані результати вітчизняних та закордонних досліджень фазово-структурного стану та фізико-механічних властивостей економнолегованих швидкорізальних сталей.

Здобувачем проведено комплексне дослідження макро- та мікроструктури об'єму заготовок сталей Р6М5 та Р2АМ5, одержаних струменевим формуванням, а також зміни фазово-структурного стану економнолегованої швидкорізальної сталі Р2АМ5 за висотою заготовки [1, 2, 6]. Крім того, з метою підвищення фізико-механічних властивостей швидкорізальних сталей Р6М5, Р2М5, Р2АМ5, Р2АМ5Ф3СБ, одержаних струменевим формуванням, визначені режими пластичної деформації та кінцевої термічної обробки, з урахуванням дослідження трансформації їхніх структур [3-5, 7, 8]. Зроблено порівняльний аналіз структур після пластичної деформації та термічної обробки, фізико -механічних властивостей сталей Р6М5 та Р2М5, одержаних за технологіями струменевого формування, традиційного ливарного виробництва, переплаву металу та класичної порошкової металургії [4, 5, 8]. Автором запропоновано зменшити вміст дефіцитного вольфраму у економнолегованій швидкорізальній сталі Р6М5 за рахунок додаткового комплексного легування економнолегованої маловольфрамової швидкорізальної сталі Р2АМ5, забезпечивши при цьому високі експлуатаційні властивості одержаного з неї різального інструменту [3, 7, 9].

Обговорення результатів досліджень та формулювання основних висновків і рекомендацій виконано спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались і обговорювались на наступних наукових конференціях: Науково-технічна конференція студентів, викладачів ВНТУ та інженерно-технічних та наукових працівників підприємств та науково-дослідних інститутів, секція “Технологія підвищення зносостійкості”, Вінницький національний технічний університет (м. Вінниця), 25 березня 2005 р; міжнародна конференція “Современное материаловедение. Достижения и проблемы”, ІПМ НАН України (м. Київ), 30 вересня 2005 р; міжнародна конференція “Современные методы моделирования процессов обработки материалов давлением” (м. Краматорськ), 27 квітня 2006 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових робіт. Основний зміст дисертації викладено у 6 статтях опублікованих у фахових виданнях ВАК України, 2 тезах доповідей, 1 патенті України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи 130 сторінок у тому числі 56 рисунків, 21 таблиця. Список використаних джерел складається із 130 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан наукової проблеми, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету та задачі дослідження, відображено наукову новизну і практичну цінність роботи.

У першому розділі проведено аналіз попередніх наукових досліджень, присвячених одержанню та підвищенню властивостей швидкорізальних сталей. Розглянуто особливості фазово-структурного стану сталей при використанні різних технологій їх одержання. Показано перспективність технології струменевого формування у порівнянні з існуючими технологіями одержання швидкорізальних сталей. Проаналізовано переваги та недоліки застосування фізичних моделей процесу струменевого формування з використанням сучасних методів досліджень та комп'ютерної техніки.

У другому розділі обґрунтовано вибір досліджуваних матеріалів (табл. 1), методів дослідження та використаного устаткування. Досліджувані сталі одержували методом струменевого формування з технологічними параметрами приведеними у табл. 2.



Таблиця 1 - Хімічний склад досліджуваних сталей

Марка сталі	Вміст елементів (мас. доля, %)
	С	W	Mo	V	Cr	Nb	N
Р6М5	1,00-1,05	6,1	5,1	2,0	4,5	-	0,020
Р2М5	0,87-0,95	1,4	4,7	1,9	4,4	-	0,025
Р2АМ5	0,95-1,05	2,1	4,6	1,8	4,6	-	0,080
Р2АМ5Ф3СБ	1,05-1,10	1,5	4,8	2,8	4,5	0,25	0,070

Таблиця 2 - Технологічні параметри струменевого формування заготовок

Технологічні параметри	Швидкорізальні сталі
	Р6М5	Р2М5	Р2АМ5	Р2АМ5Ф3СБ
Температура розплаву сталі, 0С	1431	1441	1437	1428
Температура розливки розплаву сталі, 0С	1630±10
Температура розплаву в металоприймачі, 0С	1590±10	1600±10	1600±10	1590±10
Температура розпилення розплаву, 0С	1450±10	1460±10	1460±10	1450±10
Подача газу (азоту) з тиском на форсунку, МПа	0,50-0,55
Тривалість розпилення розплаву, с	54	45	42	48

Деформування заготовок здійснювали повздовжнім прокатуванням на стані ДУО-200 з діаметром валків 200 мм зі швидкістю обертання 0,3 м/с. Термічну обробку проводили за стандартними режимами швидкорізальних сталей та варіювали температурні режимами гартування для їх оптимізації з урахуванням особливостей технології струменевого формування.

Величину зерна та кількісне співвідношення фаз визначали з використанням світлового мікроскопу МІМ-10, згідно вимог ГОСТ 5640-68. Для ідентифікації структурних складових сталі вимірювали їх мікротвердість на травлених шліфах за допомогою приладу ПМТ-3 згідно ГОСТ 9450-76. Використовувались також методи: електронної мікроскопії, рентгенофазовий та магнітний аналізи.

Визначення міцності при статичному згині проводили відповідно ГОСТ 18228-72, на зразках без надрізу розміром 6,0х6,0х60 мм. Випробування на ударний згин (ударну в'язкість, Дж/см2) визначали на зразках з концентратором виду U та без надрізу згідно ГОСТ 9454-78. Твердість сталей визначали за методом Роквелла на приладі ТК-2 (ГОСТ 9013-73). Випробування на теплостійкість проводили згідно ГОСТ 19265-73 за результатами вимірювання твердості (HRC). Визначення характеристик різання кінцевих фрезах зі швидкорізальних сталей Р6М5 та Р2АМ5Ф3СБ, одержаних струменевим формуванням, проводили на верстаті “MIKRON” при обробці різанням сталі марки 3Х2В8Ф. Одержані результати порівнювали з результатами випробувань кінцевих фрез із стандартної сталі марки Р6М5, одержаної за традиційною ливарною технологією виробництва. Різання здійснювали при швидкостях різання - 14,5 м/хв та 17,8 м/хв і подачі 50,0 мм/хв та 75,0 мм/хв.

Проведено статистичну обробку результатів експериментів у відповідності зі стандартними методиками.

У третьому розділі описано процес технології струменевого формування (метод “Osprey process”), який полягає у розплавленні металу в індукційній печі, вливанні розплаву у металоприймач після чого струмінь рідкого металу поступає у форсунку, у якій відбувається розпилення розплавленого металу газом з утворенням потоку рідких та твердорідких крапель, котрі попадають на горизонтальну поверхню кристалізатора, розплющуються і формуються у вигляді заготовки.

У даній роботі досліджено консолідовану структуру швидкорізальної сталі марки Р6М5, одержаної струменевим формуванням. Досліджено форму і розміри частинок (обособлених мікрооб'ємів), що утворюють заготовку та впливають на наявність і величину пористості в її об'ємі. Для цього були побудовані діаграми макроструктурного стану вертикальних зрізів заготовки. В макроструктурі металу спостерігались частинки, які умовно можна поділити на три види: тверді або твердорідкі кулястої форми, рідкотверді овальної форми і рідкі розплющеної форми (рис. 1, а). Для визначення розміру твердих (твердорідких) частинок вимірювався їх діаметр, рідкотвердих - менший та більший діаметри, а розплюснутих - їх ширину. Встановлено оптимальний фракційний склад частинок консолідованого металу, розмір яких змінювався від 20 до 270 мкм. Найбільша кількість частинок у структурі металу мала розмір 60-180 мкм.

Частинки розмірами більше 300 мкм мають більше рідкої фази, що погіршує властивості матеріалу, а частинки менше 50 мкм швидко закристалізовуються і не утворюють щільного матеріалу при струменевому формуванні. В заготовці, одержаної струменевим формуванням, відсутня карбідна евтектика грубої форми (рис. 1, б), що притаманна сталі того ж класу, одержаної за традиційним ливарним способом виробництва. Останнє пов'язане з високою швидкістю охолодження металу заготовки за умов струменевого формування. Подальшу обробку заготовок одержаних струменевим формуванням проводили у відповідності з традиційною схемою обробки швидкорізальних сталей: дифузійний та сфероїдизуючий відпали відповідно при 1150 0С та 850 0С. Було розроблено режими пластичної деформації прокатуванням сталі (рис. 2) і зміцнюючої термічної обробки (гартування та триразовий відпуск при 560 0С).

Показано, що після відпалу сталі Р6М5 струменевого формування, утворюється сорбітна структура з несуцільною сіткою карбідних фаз (рис. 3, а) і, порівняно зі структурою сталі того ж класу, одержаної за іншими технологіями відсутні карбідні фази великих розмірів (рис. 3, б-г). Слід відмітити, що структура сталі Р6М5 після струменевого формування та відповідної термічної обробки (відпалу) має високодисперсну карбідну складову, як і порошкова сталь того ж класу.

Встановлено режими прокатування сталі Р6М5 струменевого формування. Так, гаряче пластичне деформування сталі проводилось за температурою 1100±20 0С (рис. 2), що забезпечило високу дисперсність карбідної складової сталі після відпалу (рис. 3, а). Це дає можливість здійснювати подальше деформування сталі в області температур твердофазного перетворення (800±20 0С). Структура прокатаної сталі одержаної струменевим формуванням, характеризується високою дисперсністю структурних складових, у першу чергу карбідної фази та відсутністю карбідної неоднорідності (рис. 4, а) порівняно зі сталю традиційного ливарного виробництва після прокату (гарячого деформування), рис. 4, б.

Визначено оптимальну температуру гартування сталі Р6М5 струменевого формування, яка становить 1210 0С, що на 20-30 0С нижче температури гартування сталі того ж класу традиційного способу ливарного виробництва. Дана температура гартування та триразовий відпуск при 560 0С дозволяє зберегти високу дисперсність карбідної складової (рис. 5, а) у порівнянні зі сталлю того ж класу, одержаною за іншими технологіями (рис. 5, б, в). Це забезпечує підвищення фізико-механічних властивостей сталі (табл. 3). Теплостійкість сталі - HRC59 при 620 0С.

Таблиця 3 - Фізико-механічні властивості сталі Р6М5 різних способів виробництва після гартування та відпуску

Технологія	Фізико-механічні властивості	Твердість, HRC
	Міцність на згин, МПа	Ударна в'язкість, Дж / см2
Традиційне виробництво (лиття, кування)	3500-3700	6,6-5,0	64-65
Традиційне виробництво (лиття, кування та прокат)	2600-3000	20,0-18,0	64-65
Електронно-променевий переплав (кування)	2890	6,0-10,5	64-66
Порошкова за методом “ASEA-Stora” (кування, прокат)	3000-3300	25,0-15,0	65-66
Струменеве формування (прокатування)	3300-3500	21,0-19,0	65-66

В результаті проведеного порівняльного дослідження можемо констатувати, що у складі стандартної швидкорізальної сталі Р6М5 традиційного ливарного виробництва, з метою досягнення достатнього легування аустенітних зерен, міститься підвищена кількість легуючих елементів, зокрема вольфраму, що призводить до утворення карбідної евтектики. Технологія струменевого формування (метод “Osprey process”), створює передумови для зменшення загальної кількості легуючих елементів і зокрема вольфраму без зниження фізико-механічних властивостей швидкорізальної сталі. Висока швидкість охолодження при кристалізації і остиганні заготовок забезпечують формування дисперсної карбідної фази і відповідно, після пластичного деформування усувають карбідну неоднорідність сталі.

У четвертому розділі досліджено консолідовану структуру маловольфрамової швидкорізальної сталі Р2М5 струменевого формування, яка характеризується відсутністю карбідної ліквації (рис. 6, а-в), що дає можливість провести пластичне деформування сталі при температурі твердофазного перетворення (рис. 2).

Після відпалу заготовок формується структура сталі з більшою дисперсністю карбідної складової (рис. 7, а) у порівнянні зі сталлю Р6М5 струменевого формування (рис. 3, а). Відсутня карбідна неоднорідність сталі Р2М5 струменевого формування після прокатування (рис. 2) на відмінну від сталі того ж класу, одержаної за технологіями традиційного ливарного виробництва та плазмово-дугового переплаву (рис. 7, б-г).

Слід відмітити, що після зміцнюючої термічної обробки з оптимальною температурою гартування 11955 0С та триразовим відпуском при 560 0С сталі Р2М5 струменевого формування, зберігається висока дисперсність карбідної складової, забезпечується підвищений комплекс фізико-механічних властивостей (міцність на згин 3500-3700 МПа, ударна в'язкість 20,0-19,0 Дж/см2 при 65-66 HRC), теплостійкість HRC59 при 620 0С. З метою підвищення теплостійкості сталі Р2М5 струменевого формування було проведено мікролегування азотом (табл. 1) та досліджено градієнт структур сталі за висотою заготовки для виявлення нітридних (карбонітридних) фаз і оцінки хімічної мікронеоднорідності по тілу та границях зерен. Встановлена структурна неоднорідність: до висоти 3 мм - дрібнозерниста структура з розміром зерна 3-5 мкм, а у центрі заготовки - збільшення зерна до 20 мкм (рис. 8, а-в).

Карбідні фази вдалось зафіксувати лише на фрактограмі зламу матеріалу в області карбідної сітки. Оскільки змінювався структурний стан за висотою заготовки (твердість металу змінювалася по висоті до 20 мм та від 45 до 50 мм), було проведено дослідження магнітних властивостей. Зразки металу, що відповідали висоті заготовки від 5 до 23 мм та від 42 до 50 мм мали намагніченість насичення (Is) та питому магнітну провідність (уs) відповідно 565-629 Гс та 73-81 Гс·см3/г. Рентгенофазовий аналіз показав присутність б-Fe та г-Fe, у нижній частині заготовки (від 13 до 23 мм), кількість б-Fe становила 38,67 %, а г-Fe - 61,33 %. У верхній частині заготовки від 42 до 50 мм, кількість б-Fe становила 33,99 %, а г-Fe - 66,01 %. Оскільки гартована та відпущена швидкорізальна сталь Р2АМ5 має Is=984 Гс та уs=127 Гс·см3/г, то згідно одержаних даних (Is та уs), можна стверджувати про відсутність фази фериту по висоті заготовки. Згідно з механізмом перебудови гратки аустеніту в б-мартенсит за Курдюмовим - Заксом обґрунтована присутність мартенситної структури в середині зерна аустеніту. Твердість металу за висотою заготовки змінюється від 54,7 до 60 HRC (рис. 9), а її величина відповідає твердості гартованої швидкорізальної сталі.

Щільність дислокацій б-Fe у металі по всій висоті заготовки становить 1012 см2, що відповідає мартенситній структурі. Встановлено, що темна складова у структурі металу являє собою мартенсит, а світла - лікваційні ділянки. Для підтвердження цього феномену було проведено визначення мікротвердості структурних складових за висотою заготовки (рис. 10, а).

Мікротвердість світлої складової (лікваційних ділянок) по висоті заготовки збільшується від 6,8 до 8,8 ГПа (рис. 10, а). Мікротвердість темної складової (мартенситу) підвищується лише до висоти 30 мм і становить 7,4 ГПа (рис. 10, а). Від 30 до 50 мм мікротвердість темної складової різко знижується до 5,0 ГПа (рис. 10, а), що відповідає структурі відпущеного мартенситу зі зниженою кількістю мартенситної складової 60-70 % (рис. 8, г, д, 10, а, б).

Отже, дослідження консолідованої структури сталі струменевого формування показало, що у нижній частині заготовки, під час охолодження відбувається гартування сталі, а у верхній - відпуск гартованої сталі.

При дослідженні розподілу легуючих елементів по тілу та границях зерен сталі Р2АМ5 струменевого формування, було встановлено відсутність хімічної мікронеодно-рідності хрому, молібдену, вольфраму по тілу і границях зерен сталі та виявлені наступні карбідні фази: (Fe, Cr)7С3, (Fe, Cr)7C4, (Fe, Mo, W)2C та (Fe, V, W)C.

Після дифузійного (1150 0С) та сфероїдизуючого (850 0С) відпалів сталі Р2АМ5 струменевого формування, спостерігається сорбітна структура з дисперсними карбідними фазами (табл. 4, рис. 11). Після прокатування сталі Р2АМ5 струменевого формування при температурі 110020 0С, спостерігається несуцільна сітка карбідної складової (рис. 12, а, б), а максимальна величина деформації не перевищує 10 % за прохід. Для підвищення технологічної пластичності сталі Р2АМ5 струменевого формування, було запропоновано додаткове комплексне легування елементами Si, Nb та V (табл. 1).

Таблиця 4 - Фазовий склад та характеристики тонкої кристалічної структури сталі Р2АМ5 струменевого формування після відпалу

Фазовий склад	Тонка кристалічна структура б-Fe
Основа	Карбіди	Параметр кристалічної гратки, Е	Щільність дислокацій, см -2
б-Fe - 99-98 % г-Fe - 1-2 %	(Fe, Cr) 7C3, (Fe, Cr) 7C4, (Fe, V, W)C, г'-MoC	2,869	0,42·1012

Досліджено трансформацію структур маловольфрамових швидкорізальних сталей мікролегованих азотом (Р2АМ5 та Р2АМ5Ф3СБ) струменевого формування, після відпалу (дифузійного при 1150 0С та сфероїдизуючого при 850 0С), пластичної деформації за встановленими режимами (рис. 2) та зміцнюючої термічної обробки (оптимальна температура гартування 1200 0С та відпуску при 560 0С). Для сталі Р2АМ5Ф3СБ характерна вища дисперсність структурних складових (рис. 13 а-в, 14 а) ніж для сталей Р6М5, Р2М5 і Р2АМ5 (рис. 3, а; 4, а; 5, а; 7, а, б; 11; 12 а, б, 14, б, в).

Визначено типи дисперсних карбідних фаз сталей Р2АМ5 та Р2АМ5Ф3СБ струменевого формування після зміцнюючої термічної обробки (табл. 5, 6).

Таблиця 5 - Фазовий склад сталі Р2АМ5 струменевого формування та термообробки

Термообробка	Твердість (HRC)	Карбіди
Гартування від 1200 0С	59-60	(Fe, Cr)7C3, (Fe, Cr)7C4, (Fe, V, W)C, (Fe, Mo,W)2C, г'-МoC
Триразовий відпуск при 560 0С	63-63,5	(Fe, V, W)C, (Fe, Mo, W)2C, г'-MoC, (Fe, Cr)7C3*
Чотириразовий відпуск при 560 0С	63-64	(Fe, V, W)C, (Fe, Mo, W)2C, г'-MoC, (Fe, Cr)23C6*

* - практично відсутні

Таблиця 6 - Фазовий склад сталі Р2АМ5Ф3СБ струменевого формування та термообробки

Термообробка (відпуск)	Твердість (HRC)	Фазовий склад
		Основа	Карбіди
Триразовий при 560 0С	64-65	б-Fe - 91,8 % г-Fe - 8,2 %	(Fe, W, V)C, NbC, MoC2, (Fe, Cr)7C3*
Чотириразовий при 560 0С	65-66	б-Fe - 95,7 % г-Fe - 4,3 %	(Fe, V, W)C, (Fe, Mo, W)2C, NbC, (Fe, Cr)7C3*, Cr23C6*

* - практично відсутні

Досягнуто підвищення теплостійкості на 5 0С (HRC59 при 625 0С) у сталей Р2АМ5 та Р2АМ5Ф3СБ струменевого формування.

Визначено комплекс фізико-механічних властивостей сталей Р2АМ5 та Р2АМ5Ф3СБ струменевого формування, у вихідному стані (міцність на згин 1550-1600 МПа, ударна в'язкість 6,5-2,5 Дж/см2 при 63-64 HRC та 1700-1800 МПа, 9,0-4,5 Дж/см2 при 65-66 HRC, відповідно) та після пластичної деформації (міцність на згин: 2300-2500 МПа, ударна в'язкість - 20,0-19,0 Дж/см2 при 63-64 HRC та 3600-3800 МПа, 20,0-18,0 Дж/см2 при 65-66 HRC, відповідно), з урахуванням зміцнюючої термічної обробки.

У п'ятому розділі показано промислове значення та визначено службові характеристики інструментів зі швидкорізальних сталей Р6М5 та Р2АМ5Ф3СБ, одержаних за технологією струменевого формування (табл. 7), які мають вищи показники порівнюючи зі сталлю Р6М5 традиційного ливарного виробництва. Розроблені режими пластичної деформації та термічної обробки сталі Р2АМ5Ф3СБ струменевого формування, забезпечили високу дисперсність структурних складових (розміри карбідної складової становлять менше 3 мкм) та відсутність карбідної неоднорідності, рис. 15, а-в.

Таблиця 7 - Фізико-механічні та службові характеристики інструментів швидкорізальних сталей

Властивості	Р6М5 (технологія ливарного виробництва)	Р6М5 (струменеве формування)	Р2АМ5Ф3СБ (струменеве формування)
Твердість після відпуску (HRC)	64-65	65-66	65-66
Міцність на згин (МПа)	2600-3000	3300-3500	3600-3800
Ударна в'язкість (Дж/см2)	20,0-18,0	21,0-19,0	20,0-18,0
Теплостійкість (НRС59 при 0С)	620	620	625
Час роботи* (хв)	20	55	60
Знос по задньому куту	0,35	0,35	0,33

* V - швидкість різання (V=14,5 м/хв), S - швидкість подачі (S=50 мм/хв)

В результаті проведених дослідно-промислових випробувань кінцевих фрез діаметром 8 мм з економнолегованої швидкорізальної сталі Р2АМ5Ф3СБ струменевого формування (обробка різанням сталі 3Х2В8Ф) встановлено, що стійкість інструменту підвищилася у два рази у порівняні сталі Р6М5 традиційного ливарного виробництва.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведене нове вирішення науково-технічного завдання у галузі порошкової металургії - створення різального інструменту з економнолегованих маловольфрамових швидкорізальних сталей з наперед заданою структурою та високим комплексом фізико-механічних та експлуатаційних властивостей за рахунок встановлення зв'язку між розміром, швидкістю охолодження, фізичним станом частинок порошку та структурою, утвореного ними консолідованого компакту, при формуванні методом “Osprey process”, та спадкового збереження розмірів і гомогенності карбідної складової в металі різального інструменту, не зважаючи на зміну її фазово-структурного складу під час подальшої пластичної деформації та термічної обробки.

2. Показано, що технологія струменевого формування дозволяє одержати заготовки з високою щільністю (96-97 %) і супроводжується консолідацією на кристалізаторі частинок у твердому (менше 50 мкм), твердорідкому (50-200 мкм) та рідкому (більше 200 мкм) станах. У роботі вперше встановлено градієнт структур та властивостей за висотою заготовки економнолегованих швидкорізальних сталей струменевого формування. Показано, що за висотою заготовки у структурі металу забезпечується рівномірне розподілення легуючих елементів по тілу зерна, одержання дрібнозернистої структури без обособлених утворень карбідної евтектики та великих первинних карбідних (карбонітридних) фаз, що зумовлює підвищенню технологічної пластичності сталі.

3. Вперше встановлено, що використання технології струменевого формування швидкорізальних сталей дозволяє зменшити кількість легуючих елементів за рахунок рівномірного їх розподілу по тілу зерна на відміну від традиційного ливарного виробництва, яке потребує перелегування, пов'язаного з тим, що більшість легуючих елементів при кристалізації зливка відтісняється у вигляді рідкої карбідної евтектики на границі зерен і в подальшому призводить до утворення карбідної сітки, яку необхідно руйнувати, щоб підготовити структуру до подальшої пластичної деформації.

4. Встановлено можливість пластичного деформування (прокатування) стандартних економнолегованих швидкорізальних сталей Р6М5 та Р2М5 в області температур твердофазного перетворення (800±20 0С), що пов'язано з високою структурною однорідністю консолідованих заготовок. Висока дисперсність карбідної складової дослідних сталей після пластичного деформування та термічного зміцнення, підвищує комплекс їх фізико-механічних властивостей (Р6М5: міцність на згин 3300-3500 МПа, ударна в'язкість 21,0-19,0 Дж/см2 при 65-66 HRC; Р2М5: міцність на згин 3500-3700 МПа, ударна в'язкість 20,0-19,0 Дж/см2 при 65-66 HRC) у порівнянні зі сталями того ж класу, одержаних за традиційним способом виробництва.

5. Встановлено, що розчинення у гомогенному аустеніті карбідних фаз (Fe, Cr)7C3, (Fe, Cr)7C4 та уникнення перегріву вдається досягти при оптимальній температурі гартування (1200 0С) маловольфрамових швидкорізальних сталей струменевого формування, на рівні стандартної швидкорізальної сталі Р6М5.

6. Встановлено, що мікролегування азотом до 0,080 мас. % маловольфрамової швидкорізальної сталі (Р2АМ5) струменевого формування підвищує її теплостійкість на 5 0С, у порівнянні зі стандартними сталями Р6М5 та Р2М5 (HRC59 при 620 0С).

7. Розроблено економнолеговану маловольфрамову швидкорізальну сталь марки Р2АМ5Ф3СБ. Показано ефективність впливу додаткового комплексного легування (N - Si - Nb - V) швидкорізальної сталі Р2М5 на її фізико-механічні властивості (міцність на згин 3600-3800 МПа; ударна в'язкість 20,0-18,0 Дж/см2; 65-66 НRС; НRС59 при 625 0С), що дозволило знизити у три рази вміст вольфраму (сталь марки Р6М5) при підвищенні технологічної пластичності, фізико-механічних та експлуатаційних властивостей різального інструменту.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВИСВІТЛЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Сидорчук О.М. Дослідження структури металу, отриманого струменевим формуванням // Сборник научных трудов ИПМ НАН Украины "Современные проблемы физического материаловедения". - Киев, 2005. - С. 99-103.

2. Сидорчук О.М., Гогаєв К.О., Радченко О.К., Коваль О.Ю., Гунченко О.І., Кальчук М.О. Структура і фазовий склад сталі типу Р2АМ5, одержаної струменевим формуванням // Металознавство та обробка металів. - 2005. - № 4. - С. 13-18.

3. Сидорчук О.М., Гогаєв К.О., Радченко О.К., Позняк Л.О., Кальчук М.О. Економнолеговані швидкорізальні сталі струменевого формування // Металознавство та обробка металів. - 2006. - № 2. - С. 31-36.

4. Гогаєв К.О., Сидорчук О.М. Структури і властивості швидкорізальної сталі 10Р6М5 одержаної струменевим формуванням // Збірник наукових праць Донбаська державна машинобудівна академія "Вісник" - 2006. - № 1 (3). - С. 117-119.

5. Сидорчук О.М., Гогаєв К.О., Радченко О.К., Аскеров М.Г. Структури і властивості економнолегованої швидкорізальної сталі Р2М5, одержаної струменевим формуванням // Металлофизика и новейшие технологи. - 2006. - № 7 (28). - С. 847-854.

6. Сидорчук О.М., Радченко О.К., Гогаєв К.О., Коваль О.Ю., Кальчук М.О., Аскеров М.Г., Ткаченко О.С. Хімічна мікронеоднорідність по тілу та границях зерен швидкорізальної сталі Р2АМ5, отриманої струменевим формуванням // Сборник научных трудов ИПМ НАН Украины "Современные проблемы физического материаловедения". - Киев, 2006. - С. 81-83.

7. Ulshin V.I., Sidorchuk O.M., Tikhomirov S.V. Powdered High-seed sell for the stamp instrument of cold deformation // Тез. допов. Міжнародної конференції “Современное материаловедение. Достижения и проблемы”, 30 верес., 2005, Київ.

8. Гогаєв К.О., Сидорчук О.М. Структури і властивості швидкорізальної сталі Р6М5 одержаної струменевим формуванням // Тез. допов. Міжнародної конференції “Современные методы моделирования процессов обработки материалов давлением”, 27 квіт., 2006, Краматорськ.

9. Патент UA 77729 C2, Україна. МКІ C22C, В22F 3/00, C22C 38/44. Швидкорізальна сталь / Ульшин В.І, Тихомиров С.В., Сидорчук О.М., Ульшин С.В. Вид. 15.01.2007.



АНОТАЦІЇ

Сидорчук О.М. Особливості структуроутворення швидкорізальних сталей з підвищеними властивостями, одержаних з використанням технології струменевого формування порошків та матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальності 05.16.06 - “Порошкова металургія та композиційні матеріали”. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2008 р.

В основу дисертації покладено ідею спрощення та здешевлення технології отримання економнолегованих швидкорізальних сталей, за рахунок використання прогресивної технології струменевого формування, методу “Osprey process”, для досягнення вищих показників фізико-механічних властивостей та покращення фазово -структурного стану, у порівнянні зі сталями традиційного ливарного виробництва та на рівні властивостей притаманних сталям одержаним за технологією порошкової металургії, методом “ASEA-Stora”. Досліджено фазово-структурний стан швидкорізаль-них сталей певного класу (Р6М5, Р2М5, Р2АМ5 та Р2АМ5Ф3СБ) струменевого формування у консолідованому стані та після пластичного деформування і термічного зміцнення. Визначено фізико-механічні властивості сталей у вихідному стані, після пластичної деформації та кінцевої термічної обробки. З одержаної маловольфрамової швидкорізальної сталі виготовлено інструмент у вигляді кінцевих фрез, які були випробувані при обробці різанням вуглецевих та легованих конструкційних сталей і показали високі експлуатаційні властивості. Встановлено, що консолідована структура сталей, після струменевого формування, характеризується відсутністю обособлених утворень карбідної евтектики та великих первинних карбідних (карбонітридних) фаз, що зумовлює підвищення технологічності і покращує її структуру після пластичного деформування та термічного зміцнення. Технологія струменевого формування, створює передумови для зменшення кількості легуючих елементів, зокрема вольфраму без зниження фізико-механічних властивостей сталей. Проведено паралельне дослідження структур та властивостей сталей - стандартної Р6М5 та маловольфрамової Р2М5, яке підтвердило вище означене припущення. Встановлено, що мікролегування азотом (до 0,080 % за масою) маловольфрамової швидкорізальної сталі Р2М5 підвищило її теплостійкість, але знизило пластичність при гарячому деформуванні. Проведене комплексне легування (N - Si - Nb - V) сталі Р2М5 дозволило підвищити її пластичність при гарячому прокатуванні. Також встановлено, що досліджені сталі струменевого формування, задовільно деформуються в області температур твердофазного перетворення (800±20 0С). Розроблено економнолеговану швидкорізальну сталь Р2АМ5Ф3СБ струменевого формування, з підвищеними фізико-механічними властивостями (ув = 3600-3800 МПа; KCU = 20,0-18,0 Дж/см2; 65-66 НRС; НRС59 при 625 0С) для обробки різанням високоміцної конструкційної сталі при підвищені стійкості інструменту у 2 рази та збільшено швидкість різання у 1,5 рази, у порівнянні з інструментом зі стандартної сталі Р6М5 традиційного ливарного виробництва.

Ключові слова: швидкорізальна сталь, струменеве формування, пластична деформація (прокатка), термічна обробка, фазово-структурний стан, фізико-механічні та експлуатаційні властивості.



Сидорчук О.Н. Особенности структурообразования быстрорежущих сталей с повышенными свойствами, полученных с использованием технологии струйного формования порошков и материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.06 - “Порошковая металлургия и композиционные материалы”. - Институт проблем материалловедения НАН Украины, Киев, 2008 г.

В основу диссертации положена идея упрощения и удешевления технологии получения экономнолегированных быстрорежущих сталей, за счет использования прогрессивной технологии струйного формования, в частности метода “Osprey process”, для достижения более высоких физико-механических свойств и улучшения фазово -структурного состояния, в сравнении со сталями традиционного литейного производства и на уровне свойств присущих сталям полученным по технологии порошковой металлургии, методом “ASEA-Stora”. Исследовано фазово-структурное состояние быстрорежущих сталей определенного класса (Р6М5, Р2М5, Р2АМ5 та Р2АМ5ФЗСБ) струйного формования в консолидованом состоянии и после пластической деформации и термического упрочнения. Определенны физико-механические свойства сталей в исходном консолидованом состоянии, после пластической деформации и конечной термической обработки. Из полученной маловольфрамовой быстрорежущей стали изготовлен инструмент в виде концевых фрез, которые были испытаны при обработке резанием углеродистых и легированных конструкционных сталей и показали высокие эксплуатационные свойства. Установлено, что консолидованая структура сталей, после струйного формирования, характеризуется отсутствием обособленных образований в виде карбидной эвтектики и крупных первичных карбидных (карбонитридных) фаз, что обуславливает повышение технологичности и улучшает ее структуру после пластического деформирования и термического упрочнения. Технология струйного формования создает условия для уменьшения количества легирующих элементов, в частности вольфрама, без понижения физико-механических свойств сталей. Проведено параллельное исследование структур и свойств сталей - стандартной Р6М5 и маловольфрамовой - Р2М5, которое подтвердило высказанное выше предположение. Установлено, что микролегирование азотом (до 0,080 % по массе) маловольфрамовой быстрорежущей стали Р2М5 повысило ее теплостойкость, но снизило пластичность при горячем деформировании. Проведенное комплексное легирование (N - Si - Nb - V) стали Р2М5, позволило повысить ее пластичность при горячей прокатке. Также установлено, что исследованные стали струйного формования, удовлетворительно деформируются в области температуры твердофазного перехода (80020 0С). Разработана экономно-легированая быстрорежущая сталь Р2АМ5ФЗСБ струйного формования, с повышенными физико-механическими свойствами (ув = 3600-3800 МПа; КСU = 20,0-18,0 Дж/см2; 65-66 НRС; НRС59 при 625 0С) предназначенная для обработки резанием высокопрочной конструкционной стали, при этом достигнуто повышение стойкости инструмента в 2 раза и скорости резания в 1,5 раза, в сравнении с инструментом из стандартной стали Р6М5 традиционного литейного производства.

Ключевые слова: быстрорежущая сталь, струйное формование, пластическая деформация (прокатка), термическая обработка, фазово-структурное состояние, физико -механические и эксплуатационные свойства.



Sidorchuk O.M. Features of High-speed steels structure formation with enhanceable properties, with the use of technology of the spray forming of powders and materials. (Manuscript).

Thesis for a Candidate's degree in “Powder metallurgy and composition materiales” (05.16.06). Institute for problems of materials science of NASU, Kiev, 2008.

The basis of dissertation is an idea about simplification and reduction of costs of technology for producing low-alloyed High-speed steels due to application advanced technology of spray forming, in particular Osprey process, in order to obtain higher physicomechanical properties and improve phase-structural state of steels in comparison with those produced by traditional process, while retaining properties peculiar to steels prepared by ASEA-Stora method of powder metallurgy. The structural-phase state has been studied for High-speed steels of definite class (R6М5, R2М5, R2АМ5, and R2АМ5FЗSB) prepared by spray forming, in cast state and after plastic deformation and finish thermal hardening. The physicomechanical properties of steels in cast state, after plastic deformation and heat treatment have been determined. The end mills have been manufactured from low-tungsten High-speed steel and tested upon cutting carbon and alloyed structural steels. The tools exhibited high service characteristics. It was revealed that cast structure of steels after spray forming is characterized by absence of separate inclusions in the form of carbide eutectic and coarse primary carbide (carbonitride) phases thus improving steel manufacturability and structure after plastic deformation and thermal hardening. It was suggested that the spray forming process creates conditions for decreasing amounts of alloying elements, in particular tungsten, without decrease in physicomechanical properties of steels. A comparative study of the structure and properties of standard R6M5 and low-tungsten R2M5 steels has been performed. The results obtained confirmed aforementioned suggestion. It was determined that microalloying with nitrogen (up to 0.08 mass %) of low-tungsten High-speed steel R2M5 increased its heat resistance while decreased plasticity upon hot deforming. Complex alloying (N - Si - Nb - V) of R2M5 steel made it possible to increase steel plasticity upon hot rolling. It was also determined that spray formed steels investigated exhibit satisfactory deformation in temperature range for solid-phase transition (80020 0C). The low-alloyed High-speed steel R2АM5FЗSB has been prepared with improved physicomechanical properties (ув = 3600-3800 МPа; КСU = 20,0-18,0 Dj/cm2; 65-66 НRС; НRС59 at 625 0С), which is intended for cutting High-strength structural steel. The tools manufactured from that steel exhibited two-fold increase in service life and increase in cutting speed by a factor of 1.5 in comparison with tools manufactured from standard steel R6M5 prepared by traditional technology.

Keywords: High-speed steel, spray forming, plastic deformation (rolling), heat treatment, phase-structural state, physicomechanical properties, service properties.

Размещено на Allbest.ru

...