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

TECHNOLOGICAL ADVANCES IN THERMOMECHANICAL PROCESSING OF SPRING STEELS WITH TREATMENT IN THE SUBCRITICAL TEMPERATURE RANGE

Cazonov Yu.B. 1 Komissarov A.A. 1 Smirnova Yu.V. 1 Ozherelkov D.Y. 1 Shashina I.I. 1
1 National University of Science and Technology "MISiS" (NUST “MISiS”)
The article is devoted to one of the possible solutions to the problem of improving the mechanical properties of steels, namely the development of modes of mechanical treatment in combination with isothermal holding in the range of subcritical temperatures. The object of the study were spring steel 65 and 55KhGR. Important moment is the analysis of the dependence of the parameters of thermomechanical treatment on the formation of a complex of properties during isothermal holding in the subcritical temperatures. It is shown that this type of heat treatment can improve the mechanical properties of spring steel. The results are of great practical value and can be used in the manufacture of mechanical production of parts made of spring steel, as can significantly improve the reliability and mechanical properties, creating the possibility of increasing the service life of products of this type of material.
mechanical properties
thermomechanical treatment
steel

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.