Дан анализ процесса взрыво-термической обработки. Рассмотрены способы расширения технологических возможностей процессов металлообработки путем использования взрыво-термического упрочнения.

Вначале термообработка была введена в процесс взрывного упрочнения. Этот процесс был назван взрыво-термическая обработка и начал применяться в начале 70-х годов. Воздействие мощных ударных волн вызывает увеличение прочностных показателей и снижает пластичность и ударную вязкость, что связано с насыщением объема обрабатываемого металла дефектами кристаллической структуры. Этот фактор ограничивал целесообразность упрочнения взрывом большинства металлов и сплавов, не обладающих уникальной способностью к упрочнению, как сталь Гадфильда. Взрыво-термическая обработка последней, включающая ударно-волновую обработку и рекристаллизационный отжиг при 1045оС приводит к увеличению пластичности на 1820%, трехкратному повышению ударной вязкости, размеры зерен уменьшаются примерно в 10 раз, а срок эксплуатации зубьев ковшей экскаваторов увеличивается в 2,5-3 раза.

Термообработка предварительно упрочненного взрывом при давлении 5,5 ГПА сплава Д16, состоящая из закалки с 500оС, полного естественного старения и последующего искусственного старения при 200оС, в течение 0,5 часа повышает предел прочности до 470 МПа, при сокращении времени естественного старения сплава в 2,5 раза. Это, вероятно, связано со значительным измельчением зерна при высокоскоростной деформации и влиянием на кинетику фазообразования при последующей термообработке.

Двукратное импульсное упрочнение сплава ВТ6 с последующей закалкой с температуры 950оС и старением в течение 6 часов при температуре 500оС приводит к повышению ударной вязкости на 60% при незначительном снижении прочности и твердости.

Проведены эксперименты по взрыво-термической обработке мартенсито-стареющей стали.

С этой целью образцы из стали ВНС-17 нагружались взрывной нагрузкой. металлообработка термический упрочнение рекристаллизация

Испытуемый образец устанавливался с зазором (0,51)10-3м параллельно подложке. Над образцом помещалась передающая среда и слой взрывчатого вещества с электродетонатором. Выбранная форма заряда и его расположение обеспечивали импульсную нагрузку всей поверхности образца от одного конца до другого.

Условия экспериментов представлены в таблице. Полученные образцы испытывались на ударную вязкость с надрезом по Шарпи в ИЭС им. О.Е.Патона. При этих испытаниях образец представляет собой брус квадратного сечения (104,5)10-3м, на котором поперек одной грани сделан надрез с раствором 45.

Образец опирается обоими концами на опоры, и маятник массой 27кг со скоростью 5,3м/с ударяет по середине противоположной надрезу стороны. При разрушении образца измеряют поглощенную энергию. Результаты испытаний также представлены в таблице.

Проведенные испытания показали, что способность материалов противостоять влиянию концентраторов напряжений (трещин) после импульсного нагружения достаточно высокая, и даже превышает в 1,51,9 раза поглощенную энергию исходных состаренных образцов. Ударная вязкость состаренных образцов составляет (6368)10-4Джм-2.

Импульсное нагружение с последующей термической обработкой оказывает благоприятное воздействие и на стойкость инструментальных сталей, применяемых для изготовления кузнечно-штамповой оснастки и режущего инструмента.

Ударно-волновая обработка оказывает существенное влияние на фазовые превращения при нагреве и охлаждении металлов. Это позволяет в ряде случаев производить термообработку при более низкой температуре и сокращении времени выдержки.

В результате ударно-волнового упруговязко пластического деформирования часть затраченной энергии накапливается в металле. Поэтому последеформационный нагрев должен способствовать перераспределению дефектов решетки, которое приводит к уменьшению внутренней энергии. При этом происходят процессы: диссоциации сложный вакансионных комплексов, миграции и аннигиляции вакансий и межузельных атомов, перемещения и аннигиляции дислокаций, образование малоугловых и большеугловых границ, стоков вакансий и образования атмосфер вокруг дислокаций и т.д. В более общем виде процессы, происходящие при последеформационном нагреве классифицируют на три группы [2]: возврат точечных дефектов; дислокационный возврат; рекристаллизация.

Большое значение для разработки технологии термической обработки для конкретного металла имеют процессы возврата и рекристаллизации. Наиболее важно определить:

Изменение физико-механических свойств при нагреве после ударно-волнового нагружения и температуру, выше которой начинается быстрый процесс разупрочнения.

Механизм и кинетику процесса возврата и рекристаллизации.

Концентрацию и распределение дефектов, образующихся при ударно-волновом нагружении.

Взрыво-термическая обработка является не только эффективным методом оптимизации механических свойств материалов, обеспечивающих значительный выигрыш эксплуатационных свойств и характеристик обработанных деталей, но и эффективным средством расширения технологических возможностей процессов металлообработки, особенно импульсных.

Применение взрыво-термической обработки в процессах сварки взрывом расширяет номенклатуру свариваемых материалов, повышает эксплуатационные характеристики получаемых слоистых металлических композиций и улучшает их технологические свойства (технологическую деформируемость) перед последующими операциями обработки металлов давлением. Предварительная взрыво-термическая обработка стали Гадфильда позволила осуществить процесс ее сварки с высокопрочным чугуном (плакирование приливов корпусов букс). А взрыво-термическая обработка плакируемых поверхностей корпуса буксы предотвратила образование трещин. Ранее этот процесс считался неосуществимым [3]. Это также позволило осуществить процесс восстановления пластин-матриц для производства силикатного кирпича, путем взрывного плакирования изношенной поверхности. Пластина-матрица изготавливается из стали содержащей ~1% хрома и подвергается цементации. При взрывном нагружении, соответствующему процессу сварки взрывом, в пластине-матрице образовались многочисленные трещины и отколы в угловых зонах. Предварительный отжиг изношенных пластин-матриц не предотвращал образование трещин при взрывном плакировании пластинами из углеродистой стали толщиной 1,52 мм. Предварительное ударноволновое нагружение давлением ~ 1,4 ГПа (давление соударения пластин при взрывном плакировании ~ 2030 ГПа) перед рекристаллизационным отжигом предотвращает образование трещин при сварке взрывом.

Применение взрыво-термической обработки перед сваркой взрывом позволяет повысить качество слоистых композиций, содержащих плакирующие компоненты из высокоуглеродистых и мартенситостареющих сталей.

Рассматриваемая технология позволяет плакировать взрывом криволинейные поверхности большей кривизны. Метаемая пластина при плакировании на криволинейных поверхностей, как правило, плоская. Максимальная кривизна ограничивается деформациями которые возникают в плакирующей заготовке при ее двойном перегибе в процессе метания последней зарядом взрывчатого вещества. Величина двойного перегиба косвенно зависит от расстояния (зазора) между плакирующей и плакируемой заготовками. Предварительная взрыво-термическая обработка повышает ударную вязкость (трещиностойкость) плакирующей заготовки, а следовательно увеличивает и взможные расстояния между свариваемыми заготовками, т.е. кривизну обрабатываемой поверхности.

Повышаются качественные показатели и сталеалюминиевых композиций получаемых сваркой взрывом. Процесс сварки взрывом алюминия со сталью производится при сварочных зазорах, равных примерно семи толщинам плакирующей алюминиевой заготовки. Для других материалов зазор соответствует примерно толщине метаемой заготовки. Следовательно, при сварке взрывом алюминия со сталью в алюминиевой заготовке возникают большие изгибные деформации и связанное с этим образование трещин. Предварительная взрыво-термическая обработка повышает трещиностойкость алюминиевых сплавов и коррозионную стойкость композиций.

Комплексная термическая обработка в сочетании с импульсным нагружением является эффективным методом повышения прочности и ударной вязкости биметаллических соединений и обеспечивает уменьшение коробления изделий при закалке. Если слоистые металлические композии в дальнейшем после их изготовления используют для производства деталей холодной и горячей штамповкой, гибкой, импульсными методами обработки, вальцовкой и другими операциями обработки давлением, то характер взрыво-термического упрочнения следует устанавливать исходя из особенностей деформации слоистых сред. Заготовки компонент с большим сопротивлением пластическому деформированию перед сваркой взрывом или др. подвергают ударно-волновому нагружению в пределах зоны упругопластической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом. Непосредственно после сварки взрывом, когда температура пакета составляет 500-700оС биметаллическую заготовку желательно термостатировать в течение 5-60 мин. Это повышает ударную вязкость материала и увеличивает суммарную степень деформации.

В процессах обработки металлов давлением, особенно при листовой штамповке взрыво-термическая обработка становится эффективным интенсифицирующим фактором процесса деформирования, способствующим активизации и торможению пластического течения отдельных зон слоистых и монолитных заготовок. Анализ диаграмм растяжения материалов подвергнутых взрыво-термическому и деформационно-термическому нагружению свидетельствует о повышении показателя упрочнения. С повышением способности материала к упрочнению пластическая устойчивость листовой заготовки возрастает и предотвращается образование волнистости при вытяжке деталей сложной конфигурации. Существенное повышение ударной вязкости повышает деформативную способность и предельную деформацию наиболее растянутых зон заготовки.

Таким образом взрыво-термическая обработка не только повышает эксплуатационные свойства обрабатываемых материалов, но является и эффективным технологическим приемом в процессах металлообработки.

Таблица

Список литературы

Оптимизация технологических процессов механической обработки./ Рыжов Э.В., Аверченков В.И.; Отв. ред. Гавриш А.П.; АН УССР. Ин-т сверхтвердых материалов.- Киев: Наук. думеп, 1989 - 129 с.

Захаренко И.Д. Сварка металлов взрывом. - Мн.: Наука і техніка, 1990. - 205 с.

Беляев В.И. и др. Высокоскоростная деформация металлов. - Мн.: Наука і техніка, 1976. - 224 с.

Размещено на Allbest.ru