Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ВЫДЕРЖКОЙ В ИНТЕРВАЛЕ СУБКРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР ДЛЯ РЕССОРНО-ПРУЖИННЫХ СТАЛЕЙ

Cазонов Ю.Б. 1 Комиссаров А.А. 1 Смирнова Ю.В. 1 Ожерелков Д.Ю. 1 Шашина И.И. 1
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»)
Статья посвящена одному из возможных вариантов решения проблемы повышения механических свойств сталей, а именно разработке режимов термомеханической обработки в сочетании с изотермической выдержкой в интервале субкритических температур. Объектом исследования являлись рессорно-пружинные стали 65 и 55ХГР. Важное значение представляет анализ влияния параметров термомеханической обработки на формирование комплекса свойств в ходе изотермической выдержки в области субкритических температур. Показано, что данный вид термообработки позволяет повысить механические свойства рессорно-пружинной стали. Полученные результаты имеют большое практическое значение и могут найти применение в машиностроительном производстве при изготовлении деталей из рессорно-пружинных сталей, поскольку позволяют значительно повысить их надежность и значения механических свойств, создавая возможность увеличения срока службы изделий из этого типа материала.
механические свойства
термомеханическая обработка
сталь
1. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. – М. : Металлургия, 1968. – Т. 1-2. – С. 187-207, 627-642.
2. ГОСТ 14959-79 Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали.
3. ГОСТ 9013-59 Метод измерения твердости по Роквеллу.
4. Сазонов Ю.Б., Комиссаров А.А. и др. Разработка режимов термической обработки для получения мелкозернистой структуры // МиТОМ. – 2009. – № 5. – С. 24-32.
5. Machado I.F. Technological advances in steels heat treatment // Journal of Materials Processing Technology 172. – 2006. – Р. 169–173.

Введение

Перспективный способ повышения надёжности стали – формирование мелкозернистой и ультрамелкозернистой структуры. Способ предварительной термомеханической обработки (ПТМО), разработанный М.Л. Бернштейном, заключается в холодной пластической деформации и последующем длительном предкристаллизационном отжиге ниже температуры рекристаллизации [1]. При нагреве под закалку скоростной электронагрев (100 °/сек) сохраняет структуру полигонизации в аустените.

Необходимая для этого большая скорость нагрева представляет значительную технологическую сложность. Трудно также избежать частичной рекристаллизации. Отжиг длительный, а повышение механических свойств невысокое [2].

Цель настоящей работы – упрощение подобного способа термомеханической обработки.

Методика проведения исследований

Исследование проводили на промышленных рессорно-пружинных сталях 65 и 55ХГР. Их химический состав приведен в таблице 1, соответствует ГОСТ 14959-79 [3].

Таблица 1 – Химический состав исследуемых сталей

Сталь

Содержание элементов, % (масс)

C

Mn

Si

Cr

B

P

S

Cu

Ni

65

0,63

0,64

0,20

0,22

-

0,01

0,01

0,15

0,22

55ХГР

0,54

0,95

0,20

1,10

0,002

0,015

0,01

0,12

0,21

Исходные отожженные образцы размерами 150х70х10 мм на прокатном стане ДУО 150 подвергали холодной пластической деформации со степенями обжатия 30, 40 и 50%.

Температуры критических точек определялись на высокотемпературном дилатометре DIL 402 C фирмы Netzsch на деформированных образцах длиной 25 мм и диаметром 6 мм. Скорость нагрева и охлаждения в аргоне 3 °С/мин.

Дальнейшая термическая обработка в аргоне проводилась в электрической муфельной печи F 46110 фирмы Barnstead International при изотермических выдержках в интервале температур (Ас1 – 10 °С) ± 2 °С.

После термической обработки из заготовок изготавливались образцы для проведения ударных испытаний (тип 1, ГОСТ 9454-78), испытаний на растяжение (тип 7, ГОСТ 1497-84, диаметр 6 мм), измерения твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) [4].

Ударную вязкость KCU определяли при комнатной температуре с использованием маятникового копра Instron SI-1M, 5 образцов «на точку». Испытания на растяжение со скоростью деформирования 5 мм/мин проводили на разрывной машине Instron 150LX, 3 образца «на точку». Твердость по Роквеллу HRC измеряли с помощью цифрового твердомера MacroMet 5101T фирмы Buehler при нагрузке 150 кг, по 20-ти уколам на образец.

Результаты исследований и их обсуждение

Температуры критических точек. Примерный вид дилатометрических кривых на примере стали 55ХГР представлены на рисунке 1, критические температуры – в таблице 2.

Рис. 1. Дилатометрические кривые стали 55ХГР при нагреве 3 °С/мин.

Таблица 2 – Температуры фазовых превращений

Стали

АС1

АС3

°С

65

730

755

55ХГР

745

780

Термомеханический режим обработки. Исходя из полученных данных, назначен термомеханический цикл обработки (рисунок 2) и составлены температурные режимы [5].

Рис. 2. Схема предлагаемой термомеханической обработки.

Перед проведением термомеханической обработки сталь подвергалась отжигу для получения исходного состояния.

Цикл обработки заключался в предварительной холодной пластической деформации с различными степенями обжатия, выдержкой в области субкритических температур (температура выдержки выбиралась как Ас1 - (5 – 15 °С) и Ас1 - (20 – 30 °С)), при последующем медленном нагреве и стандартной закалке и отпуске. После такой обработки образцы исследуемых сталей приобретают более высокие прочностные характеристики при повышенных пластических характеристиках и ударной вязкости (таблица 3) по сравнению с результатами обработки по известному способу (таблица 4) [1].

Таблица 3 – Механические свойства стали 65 после обработки по предлагаемому способу (приведены средние результаты измерений, во всех вариантах обработки была дана закалка   800 °С и отпуск при 450 °С, 2 часа)

 

Операция*

Граничные значения параметров обработки

Механические свойства

σв, МПа

σ0,2, МПа

δ, %

ψ, %

KCU, Дж/см2

HRC

1

Степень холодной пластической деформации

30%

1240

1080

10

42

55

40

40%

1300

1120

14

45

60

42

50%

1350

1180

10

35

55

45

2

Субкритическая температура выдержки

Ас1 - (5 – 15 °С)

1300

1110

14

46

55

45

Ас1 - (20 – 30 °С)

1220

1050

10

35

48

42

3

Время выдержки при СКТ

1,5 часа

1280

1100

12

40

48

44

2,0 часа

1300

1110

14

46

55

45

2,5 часа

1350

1180

12

40

50

40

*граничные значения параметров обработки варьировались при остальных оптимальных параметрах.

Таблица 4 – Механические свойства стали 65, обработанной по известному способу (предрекристаллизационная температура для стали 65–450 °С)

 

Операция

Граничные значения параметров обработки

Механические свойства*

σв, МПа

σ0,2, МПа

δ, %

ψ, %

KCU, Дж/см2

HRC

1

Пластическая деформация

30%

1050

840

8

25

32

40

40%

1080

860

7

26

30

41

50%

1085

890

7

23

25

40

* испытания проводились после обработки при оптимальных параметрах.

По результатам механических испытаний для стали 55ХГР были выбраны оптимальные параметры и также проведены сравнительные исследования (таблица 5).

Таблица 5 – Сводная таблица механических свойств стали 55ХГР

 

Операция

Механические свойства*

σв, МПа

σ0,2, МПа

δ, %

KCU, Дж/см2

HRC

1

После предлагаемого способа

1320

1405

11

60

44

2

После известного способа

1035

1242

6

58

41

* испытания проводились после обработки при оптимальных параметрах.

Приведенные результаты показывают, что применение предлагаемого способа термомеханической обработки – пластическая деформация на 50% с последующей выдержкой при субкритических температурах Ac1 - (5÷15 0C) в течение в 2,5 часов и стандартной термической обработкой – по сравнению с известным способом [1] для обработки исследуемых сталей приводит к значительному повышению механических свойств, не только по прочностным, но и по пластическим характеристикам и значениям ударной вязкости.

Вывод

Термомеханическая обработка по схеме «холодная деформация – субкритический отжиг» позволила получить повышение механических свойств по сравнению с известным способом обработки сталей. Благодаря тому что предлагаемый способ не требует электронагрева при обработке стали, технология обработки значительно упрощается.

Исследование выполнено в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Государственное соглашение № 14.A18.21.2108 по обобщенной теме «Современные методы исследования микроструктуры и механических свойств перспективных материалов») на оборудовании Центра коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» НИУ «БелГУ».

Рецензенты:

Салищев А.Г., д.т.н., профессор, руководитель лаборатории объемных наноструктурных материалов ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный институт», г. Белгород.

Иванов О.Н., д.ф.-м.н., руководитель Центра коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный институт», г. Белгород.


Библиографическая ссылка

Cазонов Ю.Б., Комиссаров А.А., Смирнова Ю.В., Ожерелков Д.Ю., Шашина И.И. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ВЫДЕРЖКОЙ В ИНТЕРВАЛЕ СУБКРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР ДЛЯ РЕССОРНО-ПРУЖИННЫХ СТАЛЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=7799 (дата обращения: 19.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074