Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

Гурьев А.М., Хараев Ю.П., Гурьева О.А., Лыгденов Б.Д.

Для повышения механических свойств сталей и улучшения структуры разрабатываются различные виды поверхностной обработки металлов, основанные на использовании циклических тепловых воздействий, получивших название химико-термоциклической обработки (ХТЦО) [1]. В отличие от других видов термообработки структурные и фазовые превращения при ХТЦО совершаются многократно при изменяющейся температуре нагрева-охлаждения. Необходимость многократного повторения обработки при заданных температурах, как правило, обусловлено стремлением накопить изменения в поверхностном слое, которые коренным образом улучшают качество изделий и придают им свойства, недостижимые при одноразовой термической обработке.

Характер фазового взаимодействия компонентов в системе во многом определяет эффективность воздействия термоциклической обработки на изменения структуры и свойств сплавов. В случае полной не смешиваемости компонентов в твердом состоянии термоциклирование не сопровождается изменением количества фаз в системе, а структурные изменения в сплавах этой системы под воздействием ТЦО могут быть связаны лишь с последствиями микропластической деформации и последующей рекристаллизации. Микропластические деформации упрочняют сплавы, а рекристаллизация повышает их пластичность.

В случае наличия растворимости компонентов друг в друге в эвтектической и перетектической системе, характер процессов ТЦО изменяется. Растворимость компонентов приводит к возможности диффузионного массопереноса через твердые растворы. Появляется возможность диффузионного деления протяженных частиц, как в эвтектике, так и избыточных фаз, а также их сфероидизация и коагуляция.

При ТЦО сплавов, матрица которых претерпевает фазовые превращения (сплавы на основе железа) возникают значительные межфазные напряжения при повторных диффузионных превращениях, а также градиенты температур между отдельными элементами матрицы, которые приводят к увеличению центров превращения и, в итоге, к измельчению зерна. Сплавы со сформированной таким образом структурой имеют повышенную ударную вязкость, высокую прочность и удовлетворительную пластичность.

В железоуглеродистых сплавах имеет место фазовое превращение, которое играет решающую роль в делении сетки карбидов и значительно упрощает ТЦО. Установлено [2, 3], что ТЦО оказывает существенное влияние на структурное состояние карбидов. Из непрерывной сетки пластинчатого строения в результате ТЦО образуются изолированные дисперсные карбиды округленной формы, располагающиеся как по границам аустенитных зерен, так и внутри зерна.

Эффективность влияния ХТЦО на структуру и свойства поверхностных слоев стали во многом определяется режимом ее осуществления, т. е. температурами в цикле, количеством циклов, а также скоростями нагрева и охлаждения.

Изучению возможностей применения ХТЦО с целью улучшения структуры и механических свойств поверхности сталей, а, следовательно, и повышению работоспособности деталей машин и инструмента уделяется в последнее время большое внимание, как со стороны производства, так и со стороны науки. В результате разработан ряд новых технологий предварительной термоциклической обработки, имеются сведения и об использовании ХТЦО в качестве окончательной термической обработки. Однако выбор режимов ТЦО до сих пор ведется эмпирическим путем, а недостатками этих технологий является то, что повышение прочности стали не сопровождается необходимым высоким уровнем ее пластичности, а также то, что все известные способы достаточно трудоемки и длительны.

Отсутствие обоснованных представлений о механизме формирования комплекса оптимальных свойств в процессе ХТЦО создало условия нерационального выбора и зачастую неэффективного использования потенциальных возможностей перспективного метода упрочнения сталей и сплавов.

Противоречивое понимание взаимного влияния различных параметров термоциклирования (температура в цикле, скорости нагрева и охлаждения, количество термоциклов и др.) создало предпосылки для применения широкого спектра способов ТЦО, отличающихся не только принципом воздействия на структуру (с полными фазовыми превращениями, с частичными или без таковых), но и самое главное, различающихся до 20 - 50 раз энергозатратами для получения необходимого результата.

В связи с этим разработка и внедрение новых более эффективных технологий упрочнения инструментальных сталей, повышающих качество готового инструмента и, в конечном итоге - его эксплуатационную стойкость, обеспечивающую значительное снижение ресурсо- и энергозатрат, направлены на теоретическое обоснование и решение научно-теоретической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Для решения поставленной задачи проведены следующие исследования. Оптимизация режимов разработанных способов ХТЦО. Построение математической модели, связывающей технологические факторы ТЦО со структурой и механическими свойствами наиболее широко применяемых углеродистых (У8, У10) и легированных инструментальных сталей (9ХС, Х12М). Изучена кинетика формирования окончательной структуры поверхностного диффузионного слоя легированных сталей в процессе проведения ХТЦО с использованием тонких методов исследования (растровый и просвечивающий электронный микроскоп, рентген и т.д.) и на основе поведенных исследований предложить механизм формирования структуры и свойств этих сталей при окончательной ХТЦО.

Разработан способ термоциклической обработки углеродистых инструментальных сталей [4] и способ термоциклической обработки легированных инструментальных сталей [3, 5-7]. Разработанная технология термоциклического упрочнения инструментальных сталей является окончательной операцией термической обработки стали и защищена патентами Российской Федерации на изобретения.

Новая технология термической обработки предназначена для повышения эксплуатационной стойкости режущего и холодноштампового инструмента из этих сталей и наиболее эффективна для инструмента, испытывающего большие ударные нагрузки, в частности для мелкоразмерного инструмента, а также для инструмента применяемого при вырубке-пробивке благодаря более высоким показателям ударной вязкости и прочности.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин. - Л. : Машиностроение. Ленинград. Отд-ние. 1989. - 255 с.

2.      А.с. 1102815 СССР, МКИ С 21 Д 9/22, 1/78. Способ термической обработки заэвтектоидной стали /В.С. Биронт.

3.      Гурьев А.М., Ворошнин Л.Г., Чепрасов Д.П. и др. Способ термоциклической обработки инструментальных сталей //Патент №2078440, РФ, л. С 21 Д 1/78 от 27.04.97.

4.      Гурьев А.М., Кириенко А.М., Рубцов А.А. Способ термоциклической обработки углеродистых инструментальных сталей//Патент № 2090629, РФ, л. С 21 Д 1/78 от 20.09.97.

5.      Гурьев А.М., Козлов Э.В., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Физические основы термоциклического борирования.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000.- 216 с., ил.

6.      Гурьев А.М.,. Козлов Э.В., Жданов А.Н., Игнатенко Л.Н., Попова Н.А. Изменение фазового состава и механизм формирования структуры переходной зоны при термоциклическом борировании ферритоперлитной стали.- Изв. Вузов. Физика.-2001 № 2.- С. 58 - 63.

7.      А.М. Гурьев, Хараев Ю.П.,. Теория и практика получения литого инструмента. - Барнаул:.- Изд-во АлтГТУ, 2005. - 220 с.