Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

IMPROVING THE PERFORMANCE OF PRODUCTS FROM COMPLEX ALLOYED STEELS WITH A MAGNETO-THERMAL PROCESSING

Taskin V.Yu. 1 Kovaleva A.A. 1 Taskin V.Yu. 2 Nikiforova E.M. 1 Eromasov R.G. 1
1 Siberian Federal University
2 Biysk Technological Institute of Altai State Technical University
Improving the performance of parts and tools made from alloy steel, steel is an urgent problem industries. Preparation of high-resistant performance impacts of products from die steels is an important task in materials science. This work is being done in the following areas: production of new materials and improvement of traditional methods of their manufacture, to improve their mechanical properties. The performance characteristics of stamps depends largely on a combination of strength and plastic properties of the obtained product out of complex die steels. For this work blowing in different directions related to the improvement of the traditional thermal processing and holding it in conjunction with other forms of treatment: ultrasound, thermomechanical, thermochemical, etc. Use of magneto-thermal processing makes it possible to obtain such changes in the structure of steel, which provide enhanced plastic properties without sacrificing mechanical properties.
the optimum parameters
mechanical properties
magnetic fields
heat treatment
die steel
Введение

Повышение эксплуатационных характеристик деталей и инструментов, изготавливаемых из легированных сталей, является актуальной проблемой  металлургических отраслей промышленности.

Особенностью современных технологических процессов изготовления  высококачественных штампов, прессового, резьбового и лезвийного инструментов является использование комбинированных методов, включающих традиционную термическую, термо-механическую, ультразвуковую, лазерную и химико-термическую обработки в сочетании с воздействием сильных электрических, ионных, магнитных и других видов полей.

Получение высокопрочных, устойчивых к эксплуатационным воздействиям изделий из штамповых сталей является важнейшей задачей материаловедения. Эта работа ведется по следующим основным направлениям: получение новых материалов и совершенствование традиционных методов их изготовления, улучшение их механических свойств. Перспективными и эффективными методами следует считать применение различных видов обработки совместно с термообработкой без изменения состава используемых сложнолегированных материалов.

Термообработки в магнитном поле (ТОМП) и ее разновидность - магнито-термическая обработка (МагТО) позволяют достичь более высокого уровня механических свойств инструментальных сталей по сравнению с другими видами комбинированных обработок.

Практическая реализация этих преимуществ сдерживается недостаточной изученностью данного метода. Теоретические обоснования и практическое применение магнитных полей на превращения в сталях опубликованы в работах  Бернштейна М. Л. [1], Малыгина Б. В. [2]. Показано, что действие внешнего магнитного поля может быть значительным, если хотя бы одна из структурно-составляющих фаз является ферромагнетиком. Особенность этого способа воздействия заключается во влиянии энергии магнитного поля на термодинамику, механизм и кинетику фазовых превращений с целью получения изменений структуры. Эффекты влияния магнитных полей следует ожидать потому, что структурные составляющие в сталях сильно отличаются по своим магнитным свойствам. Так, аустенит абсолютно немагнитен, феррит магнитен до температуры Кюри, то есть ниже 768 °С, цементит магнитен при температуре ниже 217 °С, перлит, сорбит, троостит, бейнит и мартенсит - магнитны, Сг и Мп - антиферромагнетики. Различной магнитной восприимчивостью обладают как легирующие элементы сталей V, Cr, Mn, Mo, W и другие, так и их карбиды.

Методика исследований

В качестве объектов исследования были выбраны наиболее широко применяемые штамповые стали с различными свойствами. Для изучения влияния (МагТО) на механические свойства были использованы стали для штампового и прессового инструмента.

Для горячей штамповки (ГОСТ 5950-73) выбраны стали  5ХНМ с умеренной теплостойкостью и повышенной вязкостью; а также стали 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, ЗХЗМЗФ, характеризующиеся  повышенной теплостойкостью [5].

Легирующими элементами в этих сталях являются карбидообразующие элементы (W, V, Мо, Сг), повышающие стойкость стали  при соприкосновении с горячим металлом, и некарбидообразующие элементы (Si и Ni). В сталь 5ХНМ, применяемую для молотовых штампов, подвергаемых ударным нагрузкам, с целью повышения вязкости и прокаливаемости добавляют никель, а для повышения теплостойкости - молибден [4]. Химический состав этих сталей приведен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав сталей для  горячей штамповки (ГОСТ 5950-73)

Марка стали

Химический состав стали, масс %

С

Мп

Si

Сг

W

V

Мо

Ni

5ХНМ

0,50-0,60

0,50-0,80

0,10-0,40

0,50-0,80

-

-

0,15-0,30

1,40-1,80

4Х5МФС

0,32-0,40

0,20-0,50

0,90-1,20

4,50-5,50

-

0,30-0,50

1,20-1,50

 

4Х5В2ФС

0,35-0,45

0,15-0,40

0,80-1,20

4,50-5,50

1,60-

2,20

0,60-0,90

-

 

ЗХЗМЗФ

0,27-0,34

0,30-0,60

0,20-0,40

2,80-3,30

-

0,40-0,60

2,50-3,00

 

Магнитная обработка стальных образцов и изделий проводилась с использованием мощного стационарного электромагнита СП58Б с охлаждаемыми магнитными катушками. Диапазон регулируемой напряженности постоянного магнитного поля Н от 0 до 23,9 · 105 А/м.

В качестве образцов для исследований применялись стальные стержни с квадратным сечением 10х10 мм и длиной 55 мм (ГОСТ 945478-78) и образцы 30х30 мм длиной 70мм. Для промышленных испытаний изготавливались стальные изделия необходимых размеров. Нагрев образцов проводили в электропечах с автоматическим регулированием температуры типа СНОЛ-1.1,6/12-МЗ-4.2, имеющих следующие электрические характеристики: напряжение 220 В, мощность 2,5 кВт, частота 50 Гц.

Термическая обработка образцов и изделий проводилась согласно выбранному режиму, который определялся в зависимости от марки стали. При этом она проводилась одновременно с образцами, прошедшими и не прошедшими магнитную обработку. Механические испытания проводились в лабораториях университета и промышленных предприятий. Технологический процесс термообработки состоял из закалки и отпуска. Нагрев образцов под закалку проводили либо однократно, либо ступенчато с промежуточными подогревами. Закалку образцов осуществляли в масло с последующей промывкой в воде. Затем образцы подвергали однократному или многократному отпуску с последующим охлаждением на воздухе. Температуры закалки и термоциклирования назначали в соответствии с маркой стали.

Результаты исследований и их обсуждения

После магнитной обработки термическую обработку стали ЗХЗМЗФ проводили по режиму,  который включал в себя закалку при температуре 1060 °С, повторную закалку с подогревом при температуре 880 °С и двойной отпуск при температурах 580 °С и 540 °С (таблица 2).

Таблица 2. Результаты магнито-термической обработки стали 3X3М3Ф

Марка стали

Параметры магнитно-термической обработки

Механические свойства

Н 105, А/м

τ, мин

tзак1зак1,

°С/мин

tпод1под1,

°С/мин

tзак2зак2,

°С/мин

tотп1отп1,

°С/мин

tотп2отп2,

°С/мин

КCU,

Дж/см2

HRC

3ХМ3Ф

без поля

1060/60

880/20

1060/25

580/60

540/60

42,7

48

3ХМ3Ф

20,7

5

1060/60

880/20

1060/25

580/60

540/60

57,3

48

tпод, tзак, tотп - температуры подогрева, закалки, отпуска.

τ, τпод, τзак, τотп - время намагничивания, подогрева, закалки, отпуска.

Влияние ориентации образцов относительно силовых линий магнитного поля на механические свойства сталей было изучено на примере штамповой стали 5ХНМ. Термическая обработка стали включала в себя закалку с подогревом и отпуск.  Магнитную обработку образцов проводили в поле с напряженностью Н 16,9·105 А/м в течение 5 минут, при этом образцы были ориентированы вдоль поля (а) или поперек (б) направления магнитных силовых линий (таблица 3).

Таблица 3. Результаты магнито-термической обработки штамповой стали 5ХНМ

Марка стали

Направление магнитного поля

Параметры магнитно-термической обработки

Механические свойства

Н 105, А/м

τ, мин

tподпод,

°С/мин

tзакзак,

°С/мин

tотпотп,

°С/мин

КCU,

Дж/см2

HRC

5ХНМ

а

16,9

50

720/20

850/25

550/60

25

40

5ХНМ

Без МагТО

720/20

850/25

550/60

12

38

5ХНМ

б

20,7

5

720/20

850/25

550/60

50

39

5ХНМ

Без МагТО

720/20

850/25

550/60

20

38

а - направление магнитных силовых линий вдоль образца.

б - направление магнитных силовых линий поперек образца.

tпод, tзак, tотп - температуры подогрева, закалки, отпуска.

τ, τпод, τзак, τотп - время намагничивания, подогрева, закалки, отпуска.

При разной ориентации образцов в магнитном поле меняются их механические свойства. Предшествующая магнитная обработка незначительно повлияла на изменение твердости, но способствовала увеличению ударной вязкости. Причем после МагТО образцов при ориентации их поперек направления магнитных силовых линий происходило увеличение ударной вязкости в 2,5 раза (с 20 до 50 Дж/см2), в то время как при ориентации образцов вдоль направления магнитных силовых линий ударная вязкость возрастает лишь в два раза (с 12 до 25 Дж/см2) по сравнению с образцами, прошедшими только ТО. Для стали 4Х5МФС применена циклическая предварительная магнитная обработка. Термическая обработка этой стали включала в себя закалку с предварительным подогревом, затем следовали два отпуска (таблица 4). Предварительная магнитная обработка заключалась в трехразовом намагничивании образцов по две минуты в магнитном поле с напряженностью 4,8·105 А/м и 16,9·105 А/м. В результате ударная вязкость обработанных в магнитном поле образцов возрастает примерно в два раза (с 13 до 27 Дж/см2), при этом твердость почти не меняется (таблица 4).

Таблица 4. Результаты магнито-термической обработки штамповой стали 4Х5МФС

Марка стали

Параметры магнитно-термической обработки

Механические свойства

Н 105, А/м

τ, мин

tподпод,

°С/мин

tзакзак,

°С/мин

tотп1отп1,

°С/мин

tотп2отп2,

°С/мин

КCU,

Дж/см2

HRC

4Х5МФС

Без МагТО

750/20

1030/45

560/60

520/60

13

44

4Х5МФС

4,8

3 цикла *2

26

44

4Х5МФС

16,9

27

45

tпод, tзак, tотп - температуры подогрева, закалки, отпуска.

τ, τпод, τзак, τотп - время намагничивания, подогрева, закалки, отпуска.

Циклическая магнитная обработка образцов из стали 4Х5В2ФС [3] проведена при разной ориентации их в магнитном поле с напряженностью 16,9·105 А/м и времени намагничивания 3 цикла по 2 минуты. Последующая термическая обработка включала в себя закалку с подогревом и двумя отпусками.

Таблица 5. Результаты магнито-термической обработки стали 4Х5В2ФС в зависимости от ориентации образцов в магнитном поле

Ориентация образца

Параметры магнитно-термической обработки

Механические свойства

Н 105, А/м

τ, мин

tподпод,

°С/мин

tзакзак,

°С/мин

tотп1отп1,

°С/мин

tотп2отп2,

°С/мин

КCU,

Дж/см2

HRC

Без МагТО

-

88020

1080/45

580/60

540/60

35

47

 

 

16,9

3 цикла *2

75

48

 

 

65

49

tпод, tзак, tотп - температуры подогрева, закалки, отпуска.

τ, τпод, τзак, τотп - время намагничивания, подогрева, закалки, отпуска.

Результаты проведенных исследований показали, что механические свойства стальных образцов также зависят от ориентации их в магнитном поле.  Наибольший эффект достигается при вертикальной ориентации образцов в магнитном поле. Ударная вязкость возрастает с 35 до 75 Дж/см. Твердость при этом практически не меняется. При замене ориентации образцов с вертикальной на продольную  происходит незначительное увеличение твердости (с 48 до 49 HRC), а ударная вязкость при этом снижается до 65 Дж/см2.

Заключение

Таким образом, проведенные исследования показали, что МагТО приводит к увеличению ударной вязкости легированных штамповых сталей без изменения их твердости. Ударная вязкость стали 5ХНМ возрастает более чем в два раза. Определены оптимальные технологические параметры МагТО для сталей 5ХНМ, ЗХЗМЗФ, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС. При МагТО с циклической магнитной обработкой стали 4Х5В2ФС при вертикальной ориентации образцов ударная вязкость увеличивается до 75 Дж/см2. Максимальный эффект от МагТО для штамповых сталей достигается с использованием оптимальных параметров магнитного поля для каждой марки стали с необходимой ориентацией образцов и режимом намагничивания [3]. При нарушении технологических режимов термообработки сталей эффективность магнитотермической обработки снижается.

Рецензенты:

  • Прошкин Александр Владимирович, д-р.техн.наук, профессор, начальник лаборатории углеродистых и футеровочных материалов ООО «РУСАЛ Инженерно-технологический центр», Красноярск.
  • Руденко Анатолий Павлович, д-р. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологии конструкционных материалов и машиностроения», ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск.