Bryansk, Bryansk, Russian Federation
The paper reports the investigation results of combined strengthening impact upon material micro-structure changes. On the basis of the investigations carried out there is described an impact of wave deformation strengthening process upon material micro-structure by the example of chromium-nickel alloyed steels. It is shown that ChTT+SPD strengthening ensures the increase of material stress-strain properties.
strengthening, surface layer, wave deformation strengthening, micro-structure
В настоящее время известно много способов упрочнения поверхностного слоя деталей машин. Наиболее часто применяется термическая обработка (ТО), химико-термическая обработка (ХТО), горячее изостатическое прессование и поверхностное пластическое деформирование (ППД).
ППД позволяет упрочнить поверхностный слой до 6500 МПа на глубину до 10 мм. Из всего многообразия видов ППД наиболее широкими технологическими возможностями обладает статико-импульсный метод упрочнения поверхности волной деформации, формирующейся в ударных системах с промежуточным звеном ‒ волноводом [3].
Для волнового деформационного упрочнения (ВДУ) используется генератор импульсов, основными элементами которого является боек и волновод. При упрочнении боек ударяет по волноводу, статически поджатому к упрочняемой поверхности. В результате в ударной системе боек‒волновод генерируются плоские акустические волны, которые характеризуются законом изменения сил во времени, максимальным значением сил, временем действия сил (длительностью) и энергией волны деформации [5]. Эти характеристики, в основном, зависят от геометрии соударяющихся бойка и волновода, свойств их материалов и скорости соударения, рис. 1.
В отличие от других методов динамического воздействия, волна деформации проходит через промежуточное звено ‒ волновод, формируя пролонгированный импульс. Таким образом, при среднем значении амплитуды увеличивается энергия и длительность, что позволяет обеспечивать высокий КПД (более 38 %), а также заданную картину распределения микротвердости и остаточных напряжений в поверхностном слое материала [1, 2].
Для оценки влияния параметров упрочнения на микроструктуру материала выполнена серия экспериментальных исследований на примере легированных сталей марок 10ХСНД и 15ХС2Н2Г.
В ходе исследований установлено, что твердость упрочненных образцов стали 10ХСНД в 1,5‒2 раза больше по сравнению с неупрочненным образцом, в то время как величина ударной вязкости упрочненного образца уменьшалась не более, чем на 30 %. В результате сочетания деформационного и химико-термического механизма упрочнения обеспечивается повышение микротвердости в 3,5 раза, что объясняется изменением структурного строения металлов.
Под действием внешнего силового упрочняющего воздействия зерна дробятся, по межзеренным границам на большую глубину и с более высокой скоростью диффундируют атомы углерода в процессе цементации, что способствует увеличению глубины упрочненного слоя и положительно влияет на долговечность и ресурс изделия.
Ранее [4] проводились исследования по подбору оптимальных режимов упрочнения без ППД. Образцы из сталей 10ХСНД и 15ХС2Н2Г подвергались термической и химико-термической обработке: цементации, закалке, отпуску. Образцы цементировались с двух сторон при одинаковой температуре, но с разной выдержкой. Применялась закалка на масло двух видов: в одинаковом температурном интервале при непрерывном охлаждении и ступенчатая, после чего образцы подвергали низкотемпературному и среднетемпературному отпуску.
В ходе первой части исследования установлена высокая эффективность применения ступенчатой закалки, а также применение низкого отпуска. Упрочненный слой в образцах легированных сталей характеризуется несколькими зонами с разными структурными составляющими. Микроструктура подповерхностного слоя мелкозерниста и равномерна на протяжении 29...300 мкм вглубь материала в зависимости от времени цементации детали. Глубже ‒ мартенситная структура с фазовыми элементами разных размеров.
В начале мартенситной зоны иглы мартенсита имеют маленький размер и большой плотность упаковки. В сердцевине цементованного слоя иглы крупные, плотность упаковки существенно ниже. Наибольшие по размеру иглы мартенсита наблюдаются в образцах, цементируемых большее время. К границе цементованного слоя иглы уменьшаются в размерах, а их плотность увеличивается. Однако в образцах, цементируемых в течение большего времени (15 ч), нет зоны игольчатого мартенсита – структура равномерна и мелкозерниста. При двустороннем упрочнении образцов структуры обеих сторон идентичны.
Однако в некоторых образцах из стали 10ХСНД, подверженных среднетемпературному отпуску, мелкозернистая структура подповерхностного слоя переходит в сорбитную структуру с разной длиной полос. Аналогично образцам с мартенситной структурой, полосы сорбита, расположенные глубже подповерхностной зоны имеют небольшую длину и большую плотность упаковки, увеличиваясь к сердцевине упрочненного слоя, плотность упаковки уменьшается.
Ближе к границе цементованного слоя полосы сорбита уменьшаются в размерах, увеличивается плотность их упаковки, переходя в структуру сердцевины образца. В образцах из стали 15ХС2Н2Г сорбитная структура присутствует во многих образцах, подверженных низкотемпературному отпуску. Такие образцы характеризуются средними значениями ударной вязкости и микротвердости, что не отвечает предъявляемым требованиям об обеспечении высокой твердости упрочненного слоя при значительных показателях ударной вязкости.
В результате проведенных экспериментальных исследований выявлена комбинированная микроструктура с несколькими видами структурных составляющих: в подповерхностном слое – мелкодисперстный мартенсит отпуска, в центре цементованного слоя – пластинчатая мартенситная структура с оптимальным размером игл мартенсита, обеспечивающим высокие показатели твердости порядка 60 HRC и одни из максимальных параметров ударной вязкости среди исследуемых образцов.
На основе полученных данных проведена вторая часть исследований – упрочнение термообработанных образцов из сталей статико-импульсной обработкой. Обработка ВДУ проводилась за два прохода с использованием разных коэффициентов перекрытия отпечатков и разной кратности ВДУ, при неизменной геометрии соударяющихся бойка и волновода.
В результате проведенных испытаний экспериментально установлены режимы ВДУ, обеспечивающие наилучшее сочетание степени упрочнения и ударной вязкости, производительности и долговечности детали в целом.
Микроструктура образцов из легированных сталей в результате упрочнения волной деформации имеет более мелкое, равномерно ориентированное зерно на глубине около 350…570 мкм (рис. 2). Глубже расположена структура мелкоигольчатого плотно упакованного мартенсита, не изменяющаяся до глубины 1000…1800 мкм в зависимости от режимов упрочнения. Затем формируется структура, близкая к равномерной структуре сердцевины образца.
Сравнение микроструктуры упрочненного ВДУ и ХТО образца из стали 15ХС2Н2Г с образцом только ХТО показало:
- увеличение глубины упрочняемого слоя на 20…30 %;
- увеличение глубины мелкозернистой структуры в среднем в 2,0‒2,5 раза;
- уменьшение размера и плотности структурных составляющих сердцевины упрочняемого слоя;
- более плавный переход микроструктуры сердцевины упрочненного слоя к равномерной микроструктуре сердцевины образца.
Эти измерения в микроструктуре обеспечивают более плавную картину распределения микротвердости в упрочненном образце.
Таким образом, в ходе исследований выявлены следующие преимущества применения в одной технологической схеме деформационного и химико-термического механизма упрочнения:
‒ увеличение микротвердости (твердости по Виккерсу) упрочненных образцов в 1,5…2,0 раза по сравнению с не упрочненным образцом;
‒ уменьшение ударной вязкости на 30 % после ВДУ и на 60 % в результате ВДУ+ХТО;
‒ увеличение предела прочности в 1,5‒1,7 раза; предела текучести – в 1,5‒2 раза. Следует отметить сохранение на достаточно высоком уровне ударной вязкости материала при достигнутых значениях пределов прочности и текучести, что благоприятно сказывается на эксплуатационных свойствах изделий.
Полученные результаты позволяют рекомендовать комбинированную технологию упрочнения ВДУ+ХТО для повышения механических свойств легированных сталей хромо-никелевой группы.
1. Kirichek, A.V., Soloviyov, D.L. Nano-structure changes in iron-carbon alloys caused by impact of deformation percus-sion waves. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2013. Vol. 5. No.4. PARTI. - pp. 04009-1-04009-4.
2. Kirichek, A.V. Determination of the energy parameters of the shock mechanism user to harden the surface by plastic deformation. Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol.756. - pp. 85-91.
3. Kirichek, A.V., Soloviyov, D.L., Altukhov, A.Yu. Metal deformation-wave strengthening. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2014. Vol.5. No.6 pp. 03069-1-03069-4.
4. Kirichek, A.V., Soloviyov, D.L., Khandozhko, A.V., Silantiev, S.A., Fedonina, S.O., Maslyukov, Shmat, A.S. Investigation of strengthening parameters impact upon material structural constituents // Science Intensive and Vibration-Wave Technologies of Parts Machining for High-Tech Products. Proceedings of the Inter. Symposium of Technologist-Engineering Workers. - Rostov-upon-Don, September 26-28, 2018. - pp. 277-282.
5. Kirichek, A.V., Soloviyov, D.L., Khandozhko, A.V., Fedonina, S.O. Technological support of carrying layer para-meters by deformation and combined strengthening // Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. - 2018. - No. 10 (88). - pp. 43-48.
