Выбор материалов по назначению с позиций их конструкционной прочности. Учебное пособие

туре стали, наряду с мартенситом, остается мягкий феррит, и твер- дость стали снижается.

В зависимости от характера охлаждения сталей с закалочных температур различают следующие способы закалки: закалка в одном охладителе (непрерывная закалка); закалка в двух охладителях (пре- рывистая закалка); ступенчатая закалка; изотермическая закалка; за- калка с самоотпуском. Необходимая скорость охлаждения при закал- ке обеспечивается выбором соответствующих охлаждающих сред. Чаще всего это вода, растворы солей, щелочей, масло и др. Идеальная охлаждающая среда должна обеспечить максимальную скорость ох- лаждения в интервале минимальной устойчивости аустенита (порядка 550 °С) и замедленное охлаждение при температурах мартенситного превращения. В качестве охлаждающей среды для углеродистых ста- лей используют воду или водные растворы солей и щелочей. Закалка в воде вызывает значительные внутренние напряжения и коробление деталей. Более мягкой закалочной средой является минеральное мас- ло. Однако закалка углеродистых сталей в масле не обеспечивает по- лучение максимальной твердости, так как охлаждение для них проис- ходит со скоростью меньшей, чем критическая скорость закалки. Масло успешно используется в качестве закалочной среды при закал- ке легированных сталей, для которых критическая скорость закалки значительно ниже, чем для углеродистых сталей.

Отпуск заключается в нагреве закаленного состояния до темпе- ратур, ниже температур фазовых превращений (ниже критических точек АС1), в результате которого неравновесные структуры, полу- ченные после закалки, переходят в более стабильные структуры (мар- тенситно-карбидные и ферритно-цементитные). Отпуск является обя- зательной заключительной операцией термического упрочнения. Он обеспечивает снижение закалочных напряжений и получение задан- ного сочетания механических свойств за счет снижения прочности и повышения пластичности сталей. Конечная структура и свойства бу- дут определяться максимальной температурой отпуска, в зависимо- сти от которой различают три вида отпуска.

41

Низкий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до темпе- ратур 150–220 °С и выдержке 1–3 часа. При низком отпуске происхо- дит снижение внутренних закалочных напряжений без существенного понижения твердости и прочности.

Средний отпуск заключается в нагреве закаленной стали до тем- ператур 300–450 °С и выдержке 1–2 часа. Цель среднего отпуска – повышение пластичности и ударной вязкости за счет незначительно- го снижения прочности и твердости.

Высокий отпуск заключается в нагреве закаленной стали до тем- ператур 500–650 °С и выдержке 1–2 часа. Цель высокого отпуска – получение максимально возможной пластичности и ударной вязкости при относительно высокой прочности и твердости. Закалка с после- дующим высоким отпуском называется улучшением.

Скорость охлаждения углеродистых сталей после отпуска не из- меняет структуры, и их охлаждают на воздухе, что исключает появ- ление термических напряжений. Для легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости (хромистые и хромоникелевые стали), следует избегать охлаждения на воздухе с температур среднего и высокого отпусков.

Химико-термическая обработка материалов (ХТО)

ХТО – технологические процессы насыщения поверхностного слоя деталей химическими элементами в сочетании с операциями термической обработки.

ХТО применяют для повышения твердости, износостойкости, контактной выносливости поверхности, повышения предела выносли- вости материала, защиты от коррозии. По назначению выделяют два вида ХТО: упрочняющие процессы; процессы для придания поверх- ности особых свойств (жаростойкости, коррозионной стойкости и др.). К упрочняющим видам ХТО относятся цементация, азотирование, ко второму виду – алитирование, хромирование и др. Наиболее распро- страненными методами ХТО сталей являются цементация, азотирование, алитирование.

42

Цементация заключается в насыщении поверхности стали угле- родом при повышенных температурах (880–1000 °С) с последующей закалкой и отпуском. Основная задача цементации – придание по- верхности высокой твердости. При этом сердцевина детали остается достаточно вязкой, что обеспечивает высокий предел выносливости в условиях действия ударных и циклических знакопеременных нагру- зок. Для цементации используют низкоуглеродистые стали, а также легированные стали типа 12ХН3А, 18ХНВА, 18Х2Н4ВА.

Азотирование заключается в насыщении поверхности стали азо- том при температурах 500–600 °С после термической обработки ста- ли. Азотирование позволяет повысить твердость и износостойкость поверхности деталей, повысить теплостойкость, предел выносливо- сти и коррозионную стойкость. Наиболее распространенной маркой конструкционных сталей является 38ХМЮА, среди инструменталь- ных сталей – штамповые и стали для пресс-форм типа 3Х2В8Ф, 4Х5МФС и др.

Алитирование – процесс насыщения поверхности сталей алюми- нием при высоких температурах. Алитирование позволяет повысить окалиностойкость стали, повысить коррозионную стойкость в рас- творах солей и азотной кислоты.

Термомеханическая обработка материалов (ТМО)

ТМО – совокупность операций пластической деформации и терми- ческой обработки, совмещенных в одном технологическом процессе, который включает нагрев, пластическую деформацию и охлаждение.

Цель ТМО – получить упрочнение материала под действием пла- стической деформации и термической обработки. При ТМО материал деформируют в аустенитном состоянии, а затем реализуют процесс мартенситного превращения. Сочетание пластической деформации и фазовых превращений приводит к одновременному повышению прочностных показателей и показателей пластичности, по сравнению только с термической обработкой. Существует два основных вида ТМО. При низкотемпературной термомеханической обработке

43

(НТМО) пластическую деформацию осуществляют при температурах 400–550 °С с последующей закалкой и отпуском. НТМО применяют только для легированных сталей. При высокотемпературной термо- механической обработке (ВТМО) деформацию проводят при темпе- ратурах выше критических точек АС1 с последующей закалкой и от- пуском. ВТМО могут подвергаться любые стали, при этом этот вид обработки легче реализовать, чем НТМО.

Обработка материалов давлением

Основные процессы обработки давлением, следующие:

металлургический цикл:

−прокатное производство (получение сортового, листового, трубного проката; специальные виды проката);

−прессование (получение прессованных прутков, профилей,

труб);

−волочение (получение проволоки, прутков, труб);

машиностроительный цикл:

−ковка (получение универсальных фасонных заготовок);

−объемная штамповка (получение фасонных заготовок в штампах);

−выдавливание (получение полых и фасонных заготовок исте- чением материала из полости деформирующего инструмента;

−листовая штамповка (получение заготовок из листа);

−специальные процессы (получение специальных профилей);

−импульсные процессы обработки давлением (взрывные, пнев- матические, пневмогидравлические, магнитоимпульсные, ультразву- ковые);

−поверхностная пластическая обработка.

Процессы обработки давлением, в отличие от других методов об- работки материалов, позволяют при их реализации существенно и в нужном направлении изменять структуру исходного материала и формировать структуру, обеспечивающую высокое качество изготав- ливаемых деталей.

44

Приведем классический пример управления величиной зерна в поковке и изменения заключенной в материале технологической на- следственности путем выбора степени деформации за один переход и температуры окончания деформирования при ковке. Как известно [25], размеры равноосных зерен в металле, деформированном при на- личии рекристаллизации, зависят от температуры, при которой про- исходит рекристаллизация, от степени деформации и от скорости де- формации. Связь между величиной зерна, температурой и степенью деформации представляется объемными диаграммами рекристалли- зации. Особенностью зависимости величины зерна после деформации с рекристаллизацией от степени деформации является наличие кри- тических степеней деформации, при которых наблюдается резкое увеличение размеров рекристаллизованных зерен. Критическая сте- пень деформации при температурах начала рекристаллизации обычно не превышает 8–10 % и уменьшается при увеличении температуры. С учетом отмеченного степень деформации при ковке за последний удар не должна превышать 5–7 % для обеспечения в поковке мелко- зернистой структуры. Заготовку перед ковкой нагревают до такой температуры, чтобы на последнем ударе эта температура лишь незна- чительно (10–15 °С) превышала нижнюю границу температуры рек- ристаллизации.

Таким образом, даже из исходной заготовки, имеющей крупное зерно, получают поковку с мелкозернистой структурой и исправляют плохую технологическую наследственность в исходной заготовке.

Использование пластической деформации с последующей рекри- сталлизацией существенно влияет на характеристики макро и микро- структуры деформируемой заготовки. Волокнистость макрострукту- ры может быть существенно уменьшена за счет рационального выбо- ра механической схемы деформации (совокупность схемы главных напряжений и схемы главных деформаций) и кратности переходов с этими схемами. Этот прием также существенно снизит карбидную полосчатость, строчечность по неметаллическим включениям, а так- же полосчатость микроструктуры. После рекристаллизации микро-

45

структурная анизотропия свойств и текстура деформации исчезают, и формируется равноосная мелкозернистая микроструктура.

Схемы главных деформаций определяют характер изменения фи- зико-механических свойств материала при деформировании, а схемы главных напряжений позволяют судить о сопротивлении пластиче- ской деформации и деформируемости заготовки. Соответственно, механическая схема деформации при обработке давлением в сочета- нии с основными факторами пластической деформации (температура деформации, скорость и степень деформации) через регулирование макро и микроструктуры позволяет получать высокое качество кон- кретной детали после ее изготовления. При этом наиболее предпоч- тительными схемами главных напряжений являются объемные схемы всестороннего неравномерного сжатия, а главных деформаций – схе- ма с одной положительной деформацией и двумя равными по вели- чине отрицательными деформациями (простое растяжение). Оценить схемы главных напряжений и главных деформаций можно показате- лем вида напряженного состояния νσ:

При -1 ≤ νσ ‹ 0 – схемы главных напряжений с растягивающими напряжениями, при νσ = 0 – чистый сдвиг, при 0 ‹ νσ ≤ +1 – схемы главных напряжений с сжимающими напряжениями. Для объемных схем с одной положительной главной деформацией -1 ≤ νε ‹ 0, для объемных схем с одной отрицательной главной деформацией 0 ‹ νε ≤ +1. При νε = 0 будем иметь плоское деформированное состоя- ние. В формулах (2.1) и (2.2) ε1, ε2, ε3, σ1, σ2, σ3 – соответственно глав- ные деформации и главные напряжения в площадках, перпендику- лярных осям ОХ, ОУ и ОZ.

46

Вместе с тем следует иметь в виду следующее. Заготовки и дета- ли после обработки давлением наследуют дефекты исходных мате- риалов и приобретают собственные дефекты в ходе этих операций, что может привести в совокупности к неисправимому браку. Так, на- пример, большая часть поверхностных дефектов на заготовках и го- товом прокате являются результатом развития поверхностных дефек- тов исходных слитков под прокатку. Дополнительно при прокатке возникают собственные дефекты: риски, царапины, закаты, заусенцы, складки, морщины, плены, вдавленная окалина, раковины, попереч- ные и продольные трещины, рванины, волосовины, поверхностные неметаллические включения. При горячей прокатке легированных сталей возможны следующие дефекты: структура перегрева (крупное зерно); осевой перегрев; эвтектическая сетка; карбидная ликвация; флокены; закалочные трещины и т.п.

Таким образом, при использовании обработки давлением как технологический метод повышения конструкционной прочности ма- териалов следует учитывать металлургическую наследственность ис- ходного материала, а также влияние напряженно-деформированного состояния и основных факторов деформации (температура, степень деформации, скорость деформации) на основные показатели загото- вок и деталей после этой обработки: механические свойства; струк- турно-фазовый состав; физико-механическое и структурно-фазовое состояние их поверхностных слоев.

Состояние поверхности заготовок и деталей после обработки дав- лением приобретает особую важность при формировании у готовой детали специальных свойств поверхности: износостойкость, окалино- стойкость; коррозионная стойкость и других. При этом установлено [28], что при обработке давлением состояние поверхности в значи- тельной мере будет зависеть от характера распределения пластически деформированного объема (ПДО – очаг деформации) по всему объе- му заготовки на завершающей стадии пластического деформирова- ния. Так, при закрытой объемной штамповке практически вся по- верхность деформируемой заготовки будет в очаге деформации. В та-

47

ких же способах обработки, как прокатка, прессование, волочение, в каждый момент деформации поверхность заготовки будет состоять из пластически и упруго деформированных зон, при этом в последних, как правило, возможна вероятность наличия растягивающих напря- жений, которые в значительной степени могут изменить физико- механическое состояние поверхности, по сравнению с зонами по- верхности заготовки со схемами объемного сжатия.

Таким образом, с позиций технологической наследственности важно в процессах обработки давлением иметь информацию о форме и размерах пластически деформируемого объема, так как в объемах деформируемой заготовки, охваченных очагом пластической дефор- мации, предпочтительно имеют место схемы напряженного состоя- ния со сжимающими напряжениями, что обеспечит более высокие (в положительном смысле) показатели второй группы параметров тех- нологической наследственности: механические свойства заготовок и деталей; напряженно-деформированное состояние и структурно- фазовый состав как всего объема, так и поверхностных слоев.

Помимо формы и размеров очага деформации в качестве его ко- личественной меры можно рассматривать параметр Sкп, представ- ляющий собой контактную поверхность деформируемой заготовки с деформирующим инструментом в очаге деформации. Этот параметр не будет равен всей контактной поверхности «заготовка – инстру- мент», которая в каждый момент деформации будет иметь поверх- ность, деформируемую упруго. Анализ этого параметра показывает, что он включает в себя и ту поверхность деформированной заготовки, которая в условиях сжимающих напряжений будет иметь высокие показатели материала заготовки, а, следовательно, и положительную технологическую наследственность. При этом, чем больше доля Sкп охвачена сжимающими напряжениями, тем выше свойства, опреде- ляющие положительную технологическую наследственность после обработки давлением.

Соответственно, в качестве количественной меры по оценке ка- чественной, с точки зрения технологической наследственности, по- верхности заготовки после обработки давлением можно использовать параметр Sкп.

48

Используем рекомендации по параметрам νσ, νε и Sкп при анализе процессов открытого и закрытого обратного холодного выдавливания цилиндрической полости с плоским дном из стали 12Х18Н9Т диа- метром dп = 20 мм, глубиной Sр = 20 мм.

На рис. 2.1 представлена схема процесса закрытого обратного выдавливания указанной полости. Заштрихованная область под тор- цом Пуансона представляет собой ПДО с параметрами Hпл – высота ПДО, Rпл – радиус ПДО. Параметр Sкп равен поверхности дна полости (торцевая поверхность Пуансона).

Рис. 2.1. Схема закрытого обратного выдавливания цилиндрической полости

Анализ ПДО для выбранных схем выдавливания полостей пока- зал, что при закрытом обратном выдавливании схема главных напря- жений для всего ПДО представляет собой объемную схему всесто- роннего неравномерного сжатия и 0 ‹ νσ ≤ + 1. В случае открытого об- ратного выдавливания в зонах ПДО, примыкающих к зоне непосред- ственно под торцом Пуансона, будет иметь место объемная схема главных напряжений с одним растягивающим напряжением. Для это- го случая νσ ‹ 0. Соответственно, при закрытом обратном выдавлива- нии по всей поверхности Sкп действуют только сжимающие напряже- ния, а при открытом обратном выдавливании в зонах перехода дна

49

полости во внутреннюю боковую поверхность возможно действие растягивающих напряжений, что изменит общую картину напряжен- ного состояния по поверхности Sкп по сравнению с закрытым обрат- ным выдавливанием.

Таким образом, после выдавливания имеем две идентичные по- лости из одного и того же материала с одинаковыми геометрически- ми параметрами состояния внутренних полостей и различными схе- мами напряженного состояния во внутренних поверхностных объе- мах и, в первую очередь, по поверхности Sкп.

Далее на внутренние поверхности полостей наносили износо- стойкие и коррозионностойкие ионно-плазменные покрытия TiN и TiAlN. Нанесение ионно-плазменных покрытий выполнялось на модернизированной вакуумной установке ННВ-6,6-И1 по методу КИБ. После нанесения покрытий оценивали следующие параметры их качества:

−микротвердость покрытий составила Н□50 = 18–25 ГПа;

−толщина покрытий 1,5 мкм;

−отсутствие осыпания покрытий с внутренних поверхностей полостей;

−одинаковый уровень адгезии для исследованных вариантов;

−пористость покрытий – не более 2-х пор на кв. мм;

−стабильность цветовой гаммы по внутренней поверхности полостей.

Долговечность покрытий оценивали по результатам модельных испытаний. Проводили ультразвуковую обработку полостей с покры- тием в растворе, содержащим 10 % Н2SO4 и 10 % CuSO4. Испытания проводили в ультразвуковой ванне УЗВ-30. Длительность испытаний образцов профилей с покрытиями составляла 3 часа. После ультра- звуковой обработки оценивали параметры качества покрытий на об- разцах. Результаты исследований показали следующее. На полостях, полученных закрытым обратным выдавливанием, параметры оста- лись практически неизменными. На полостях, полученных открытым

50