Брянск, Брянская область, Россия
Муром, Владимирская область, Россия
Муром, Владимирская область, Россия
Муром, Владимирская область, Россия
В настоящее время развитие промышленности требует создания новых упрочняющих технологий, позволяющих расширить рациональную область их применения. Достаточно перспективным является применение способов комбинированного упрочнения, позволяющих изменять физико-механические свойства поверхностного слоя в процессе последовательных внешних воздействий, имеющих различную физическую природу: последовательное пластическое деформирование и внешнее термическое воздействие. Поэтому целью проведенных исследований является создание комплексной технологии комбинированного деформационного и термического упрочнения. Предварительное пластическое деформирование предлагается осуществлять методом волнового деформационного упрочнения, при котором повышение свойств достигается формированием структурных несовершенств кристаллической решетки материала под воздействием пролонгированных ударных импульсов со значительной энергией и длительностью. Использование таких импульсов способствует более полному протеканию пластической деформации упрочняемого металла и формированию более глубокого упрочненного поверхностного слоя, чем традиционные способы деформационного упрочнения. Предлагаемая комбинированная технология, заключающаяся в использовании волнового деформационного упрочнения перед термообработкой, позволяет получить высокую твердость и пластичность в поверхностном слое, обеспечивает дополнительный ресурс для повышения эксплуатационных характеристик детали. Новизна работы заключается в комплексной разработке способа комбинированного волнового деформационного и термического упрочнения поверхностного слоя легированных сталей. Проведенные исследования способа показали высокую эффективность технологии комбинированного деформационного волнового и термического упрочнения для различных марок легированных сталей.
упрочнение, волна, деформация, обработка, твердость, пластичность, вязкость, поверхностный слой
Введение
Упрочняющая обработка является важной технологической операцией, которая отвечает за обеспечение высоких эксплуатационных характеристик деталей машин. Известно большое количество технологических способов упрочнения, оказывающих благоприятное воздействие на изменение свойств материала несущего поверхностного слоя деталей, каждый из которых имеет свою определенную область применения. Современный уровень техники предъявляет все более высокие требования к надежности и ресурсу деталей машин, которые не всегда могут быть обеспечены известными способами упрочнения. В этой связи перспективным является развитие комбинированных упрочняющих технологий. Причем наиболее эффективно показали себя технологии, сочетающие воздействие на упрочняемый материал разной физической природы.
Материалы, модели, эксперименты и методы
Анализ существующих способов комбинированного упрочнения показал высокую эффективность совместного применения поверхностного пластического деформирования (ППД) и химико-термической обработки [1-4]. Использование ППД перед цементацией, повышает плотность дислокаций, интенсифицирует диффузионные процессы и позволяет достигнуть более высоких значений концентрации углерода в диффузионной зоне. Появляется возможность сокращения времени и энергетических затрат, связанных с процессом науглероживания, а поверхностный слой, упрочненный предварительным ППД и последующей цементацией, имеет дополнительные ресурсы для повышения эксплуатационных характеристик деталей.
В настоящее время известен комбинированный способ повышения прочностных характеристик металлических материалов – предварительная термомеханическая обработка (ПТМО), который заключается в предварительной пластической деформации исходной структуры и последующей термической обработке (ТО) [5, 6]. ПТМО может проводиться по двум вариантам:
- холодная пластическая деформация с последующей закалкой и отпуском;
- холодная пластическая деформация, затем термическая обработка, облегчающая сохранение влияния наклепа после двойной перекристаллизации, с последующей закалкой и отпуском.
Для пластического деформирования при ПТМО обычно используются методы объемной пластической деформации, такие как волочение, прокатка (особенно эффективна применительно к трубам) и др., которые обеспечивают образование дислокационной структуры устойчивой при нагреве. Однако объемное пластическое деформирование существенно ограничивает возможности такого упрочнения, поскольку может использоваться только для деталей постой геометрической формы. Предварительное упрочнение методами ППД для ПТМО не использовалось. Применение методов ППД позволит значительно расширить номенклатуру упрочняемых деталей.
Разработанный способ волнового деформационного упрочнения (ВДУ) статико-импульсной обработкой обладает увеличенным набором технологических факторов и широким диапазоном технологических возможностей. При ВДУ упрочненный поверхностный слой формируется под действием комбинированной статической и динамической нагрузки. Предударное статическое поджатие инструмента к обрабатываемой поверхности позволяет пролонгировать действие ударных импульсов за счет использования отраженных волн деформации и более полно передавать энергию удара в очаг деформации. Форма ударных импульсов регулируется геометрическими параметрами ударной системы, состоящей из бойка и волновода, на конце которого крепится деформирующий инструмент. Ударная система рассчитывается в соответствии с волновой теорией так, чтобы генерировать ударный импульс с формой, которая позволяет передавать максимальное количество кинетической энергии удара данному упрочняемому материалу. По сравнению с другими известными способами ППД, ВДУ позволяет обеспечивать большую глубину (до 6-
Результаты
Для более полного представления возможностей комбинированной обработки: предварительное ВДУ и последующее ТО (закалка, отпуск) - проведен комплекс экспериментальных исследований твердости и ударной вязкости образцов из различных сталей.
Так, для стали 30ХГСА (исходная твердость HV=2790 МПа, исходная ударная вязкость KCU=148 Дж/см2) установлено, что упрочнение только ТО позволяет повысить твердость до 3290 МПа, при этом ударная вязкость снижается до 113 Дж/см2 (рис. 1). При комбинированном упрочнении ВДУ+ТО твердость повышается до 3290 МПа, ударная вязкость снижается до 116 Дж/см2. Следовательно, применение ВДУ способствует повышению твердости после комбинированного ВДУ+ТО до 25 %, относительно упрочнения только ТО, при сохранении ударной вязкости относительно полученной упрочнением только ТО.
Для стали 10ХСНД (исходная твердость HV=2090 МПа, исходная ударная вязкость KCU=196 Дж/см2), для которой обычно упрочняющая обработка не применяется, установлено, что упрочнение ТО позволяет повысить твердость до 2280 МПа, при этом ударная вязкость повышается до 251 Дж/см2 (рис. 1). При комбинированном упрочнении ВДУ+ТО твердость повышается до 2900 МПа, ударная вязкость составляет 227 Дж/см2. Следовательно, применение ВДУ способствует повышению твердости после комбинированного ВДУ+ТО до 27 %, относительно упрочнения только ТО, при этом ударная вязкость повышается до 16% относительно неупрочненной стали.
|
0 |
|
40 |
|
80 |
|
120 |
|
160 |
|
200 |
|
240 |
|
280 |
|
сталь 30ХГСА |
|
0 |
|
600 |
|
1200 |
|
1800 |
|
2400 |
|
3000 |
|
3600 |
|
4200 |
|
KCU, Дж/см2 |
|
HV, МПа |
|
без упрочнения |
|
2790 |
|
3290
|
|
4120 |
|
2090 |
|
2280 |
|
148 |
|
113 |
|
116 |
|
196 |
|
251 |
|
ТО |
|
ВДУ+ТО |
|
2900 |
|
227 |
|
сталь 10ХСНД |
|
ТО |
|
ВДУ+ТО |
|
без упрочнения |
Рис. 1. Твердость и ударная вязкость без упрочнения и после ТО и ВДУ+ТО для сталей 30ХГСА и 10ХСНД
Fig. 1. Hardness and toughness without hardening and after maintenance and VDU+ TO
for steels 30HGSA and 10HSND
Заключение
ППД, в частности ВДУ это один из способов, который позволяет полнее реализовать потенциальные возможности других упрочняющих технологий, с которыми применяется при комбинированном упрочнении. Комбинированная обработка, заключающаяся в использование волнового деформационного упрочнения перед термообработкой, позволяет достигнуть более высоких значений степени упрочнения в поверхностном слое. Для ряда сталей (например, сталь 10ХСНД) поверхностный слой после комбинированного упрочнения ВДУ+ТО, получает дополнительный ресурс повышения эксплуатационных характеристик детали, заключающийся в одновременном повышении твердости и ударной вязкости. Использование предлагаемого комбинированного упрочнения расширяет технологический потенциал традиционной термообработки сталей. Появляется возможность использования более дешевых марок легированных сталей, которые позволяют обеспечивать требуемых уровень механических свойств и эксплуатационных характеристик.
1. Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Новые технологии обработки поверхностным пластическим деформированием. Упрочняющие технологии и покрытия. 2012;8:36-42.
2. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Тарасов Д.Е. Повышение долговечности деталей машин комбинированной упрочняющей обработкой. Вестник Брянского государственного технического университета. 2016;2(50):52-58
3. Киричек А.В., Тарасов Д.Е. Перспективные методы комбинированного упрочнения на основе статико-импульсной обработки ППД. Упрочняющие технологии и покрытия. 2007;10(34):44-47.
4. Киричек А.В. Соловьев Д.Л., Силантьев С.А. Технология комбинированного упрочнения волной деформации и цементацией конструкционных низколегированных сталей. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2017;8:30-35
5. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов (в 2-х томах). М.: Металлургия, 1968. 1172 с.
6. Ивашко В.С., Буйкус К.В., Саранцев В.В. Современные технологии при восстановлении узлов и деталей автомобилей. Минск: Изобретатель, 2011. 279 с.
7. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г. Технология и оборудование статико-импульсной обработки поверхностным пластическим деформированием. Библиотека технолога. М.: Машиностроение, 2004. 288 с.
8. Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Технологические возможности статико-импульсной обработки. Упрочняющие технологии и покрытия. 2006;8:3-5
9. Киричек А.В., Силантьев С.А., Соловьев Д.Л. Адаптация промышленных мотолов для деформационного упрочнения деталей машин. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012;3-2 (293):94-98
10. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Силантьев С.А., Баринов С.В., Яшин А.В. Технологические возможности управления эффективной глубиной наклепа поверхностного слоя волновым деформационным упрочнением. Упрочняющие технологии и покрытия. 2021;2(194):73-76.
