Структурные превращения и физико-механические свойства инструментальных и пружинных сталей при магнитно-импульсном воздействии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Воробьев, Роман Александрович

• Воробьев, Роман Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воробьев, Роман Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ ОБРАБОТКИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ (Литературный обзор).

1.1 Новые технологии упрочнения углеродистых инструментальных и быстрорежущих сталей.

1.2 Физическая сущность магнитно-импульсной обработки.

1.3 Механизм самоорганизации структуры быстрорежущей стали в процессе магнитной упрочняющей обработки.

1.4 Влияние обработки импульсным магнитным полем на структуру и физико-механические свойства сталей.

1.4.1 Влияние МИО на физико-механические свойства сталей.

1.4.2 Влияние МИО на микро - и субмикроструктуру сталей.

1.5 Преимущества и недостатки магнитно-импульсного воздействия как технологической операции обработки металлических изделий.

1.6 ВЫВОДЫ ПО 1 ГЛАВЕ.

1.7 Цель и программа исследований.

Глава 2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1 Образцы и материалы.

2.2 Термическая обработка быстрорежущих, углеродистых и легированных сталей, применяемых для исследований.

2.3 Химический состав исследуемых сталей.

2.4 Проводимые исследования и методики экспериментов.

2.4.1 Измерение микротвердости.

2.4.2 Измерение твердости по Роквеллу.

2.4.3 Методика измерения твердости по Виккерсу.

2.4.4. Определение нагрузки образования трещины методом вдавливания алмазных наконечников на твердомере Виккерса.

2.4.5 Испытание на трехточечный изгиб.

2.4.6 Микроструктурный анализ.

2.4.7 Определение величины микронапряжений и размеров областей когерентного рассеяния (блоков мозаики) рентгеноструктурным методом.

2.4.8 Определение периодов решетки мартенсита и содержания в нем углерода.

2.4.9 Методика измерения плотности.

2.4.10 Ультразвуковые исследования.

2.4.11 Испытания на релаксационную стойкость.

2.5 Оценка точности результатов эксперимента.

2.5.1 Погрешность измерения плотности.

2.5.2 Определение погрешности при измерении микротвердости

2.5.3 Оценка точности результатов измерения твердости.

2.5.4 Оценка точности ультразвукового исследования.

2.6 Регрессионный анализ экспериментальных данных.

2.7 ВЫВОДЫ ПО 2 ГЛАВЕ.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ.

3.1 Определение параметров магнитно-импульсной обработки на установке «ОИМП-101».

3.2 Изменение микротвердости быстрорежущих сталей Р6М5 и Р6М5К5 в результате обработки импульсным магнитным полем.

3.3 Исследование влияния МИО на свойства термоупрочненной стали Р18.

3.4 Влияние МИО на микротвердость высокоуглеродистых сталей 65Г и У10А.

3.5 Испытание на релаксационные характеристики стали 65Г.

3.6 Исследование распада мартенсита в стали 65Г при низком отпуске и импульсной магнитной обработке.

3.7 Влияние МИО на изменение физико-механических свойств холоднодеформированной стали 10.

3.8 Прогнозирование изменения уровня микронапряжений при магнитно - импульсной обработке стали 10 после предварительной деформации.

3.9 Влияние обработки импульсным магнитным полем на трещиностойкость термоупрочненной стали У10А.

3.10 Результаты ультразвуковых исследований.

3.11 ВЫВОДЫ ПОЗ ГЛАВЕ.

Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

4.1 Влияние магнитно - импульсного воздействия на сопротивление пластической деформации быстрорежущих сталей.

4.2 Сравнение процессов распада мартенсита закаленных сталей 65ГиУЮАприотпускеиМИО.

4.3 Влияние МИО на релаксационные характеристики термообработанной стали 65Г.

4.4 Характер изменения физико-механических свойств холоднодеформированной стали 10 при обработке импульсным магнитным полем.

4.5 Возможности повышения трещиностойкости термоупрочненной инструментальной стали У10А при магнитно - импульсном воздействии.

4.6 Исследование изменения акустических параметров стали 9ХС при термической и магнитно - импульсной обработках.

4.7 ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ.

ГЛАВА 5. ОПРОБОВАНИЕ МИО В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ, РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ

ПО ПРИМЕНЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

ВЫВОДЫ ПО 5 ГЛАВЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурные превращения и физико-механические свойства инструментальных и пружинных сталей при магнитно-импульсном воздействии»

Магнетизм интересует человечество уже более 200 лет. К настоящему моменту известен большой класс явлений в твердых телах, связанных с изменением структуры приповерхностных областей после воздействия магнитного поля. Было установлено, что при воздействии магнитного поля наблюдаются изменения твердости и износостойкости быстрорежущих сталей, изменение микронапряжений, выделение мелкодисперсных фаз -упрочнителей. Наблюдалось также изменение вязкости жидкости (нефти) после воздействия импульсного магнитного поля, изменение физических свойств воды и льда, диэлектрической проницаемости, электропроводности при переменном токе, вязкости халькогенидных стеклообразных полупроводников. При этом влияние переменного магнитного поля было значительно более сильным, чем постоянного.

МИО представляет собой комплексное воздействие на материал магнитострикционных процессов и механических деформаций, тепловых и электромагнитных вихревых потоков, локализованных в местах концентраций магнитного потока, а также систему процессов, направленно ориентирующих "спин-характеристики" внешних электронов атомов металлов пограничной зоны контакта зерен (перегруженного участка кристаллита).

Магнитную и термомагнитную обработку достаточно широко применяют в машиностроении. В конце прошлого века магнитно-импульсная обработка (МИО) нашла применение при упрочнении лезвийного режущего инструмента и инструмента из слабомагнитных материалов, например, оснащенного пластинами из твердых сплавов типа ВК, ТК и ТТК, динамически нагруженных деталей машин для увеличения их стойкости и надежности работы.

В то же время применение МИО сдерживается недостатком научных исследований природы изменения свойств металлических материалов, механизмов влияния на структуру и свойства сталей и сплавов.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Воробьев, Роман Александрович

12. Результаты работы показали, что МИО стимулирует и ускоряет процессы возврата в холоднодеформируемой стали, находящейся в неравновесном наклепанном состоянии: восстанавливает ее плотность, снижает микротвердость, уменьшает степень наклепа и латентную энергию, тем самым обеспечивается повышение сопротивления разрушению и усталости холоднодеформированных изделий.

13. Анализ полученных результатов показывает, что энергии магнитного воздействия достаточно для развития внутренних, самоорганизующихся, коллективных явлений в металле. Синергетический подход к проблеме упрочнения предусматривает обмен энтропией системы образца стали с внешней средой, что выражено в дозированном подводе внешней энергии магнитного поля. МИО стимулирует релаксационные дислокационные и диффузионные процессы в сталях, находящихся в состояниях, далеких от равновесия. В зависимости от параметров МИО может в различной степени влиять на упрочняющие и разупрочняющие

146 процессы в металле, обеспечивая оптимальное сочетание прочности (твердости) и вязкости. Таким образом, появляется возможность управления с помощью МИО физико - механическими свойствами металлов и сплавов на основе экспериментальных зависимостей характеристик металла от параметров МИО и законов неравновесной термодинамики (синергетики).

14. Получены регрессионные зависимости микротвердости и микронапряжений исследуемых сталей от параметров магнитно-импульсного воздействия, которые позволяют устанавливать значимые факторы (параметры) МИО и выбирать режимы обработки для направленного воздействия на комплекс механических характеристик металлоизделий.

15. Установлена возможность фиксировать изменения «тонкой» структуры сталей с помощью акустических методов, что может быть практически использовано при отработке и выборе оптимальных режимов МИО.

16. Результаты исследований и установленные закономерности могут быть использованы для направленного воздействия импульсного магнитного поля на микро - и субмикроструктуру, что позволяет повысить стойкость инструмента за счет одновременного увеличения твердости и вязкости стали; размерную стабильность изделий за счет выравнивания внутренних напряжений и стабилизации структуры; улучшить качество упругих элементов за счет повышения релаксационной стойкости.

17. В результате обработки импульсным магнитным полем опытной партии метчиков из термоупроченной стали Р18 коэффициент их стойкости увеличился на 30%, что обусловлено эффектами МИО: снижением и выравниванием внутренних напряжений, выделением дополнительных дисперсных карбидов, более полным превращением остаточного аустенита в мартенсит, уменьшением структурной неоднородности, повышением предела прочности и красностойкости. Рассчитанный экономический эффект от применения магнитно-импульсной обработки инструмента - метчиков составляет 106080 руб./год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воробьев, Роман Александрович, 2011 год

1. Иванова, B.C. Синергетика и фракталы в материаловедении / B.C. Иванова, A.C. Баланкин. -М.: Наука, 1994. 383 с.

2. Панин, В. Е. Поверхностные слои как синергетический активатор пластического течения нагруженного твердого тела / В.Е. Панин // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. - №7. - С. 6268.

3. Коршикова, Н.В. Исследование влияния процессов диффузионногохромирования на свойства быстрорежущих сталей / Н.В. Коршикова, А.Ф.149

4. Софрошенков // Структура и свойства материалов. Новокузнецк: СМИ,1988. С. 54.

5. Иванов, В.И. Возврат и рекристаллизация в металлах при быстром нагреве / В.И. Иванов, Осипов К.А. М.: Наука, 1964. - 188 с.

6. Мальцев, И.М. Электрофизические процессы металлургии: Учеб. Пособие / И.М. Мальцев. Нижний Новгород: НГТУ, 2003. - 59 с.

7. Гриднев, В.Н. Физические основы электротермического упрочнения стали / В.Н. Гриднев. Киев: Наукова думка, 1973. - 234 с.

8. Спицын, В.И. Электропластическая деформация металлов / В.И. Сгащын. -М.: Наука, 1985. 159 с.

9. Аскинази, Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой / Б.М. Аскинази. М.: Машиностроение,1989. 200 с.

10. Дубинский, В.Н. Сравнение термического и магнитно-импульсного воздействия на структуру закаленной стали У10 / В.Н. Дубинский, JI.A. Ошурина, A.A. Сиднев // Материаловедение и металлургия. Труды НГТУ. Нижний Новгород: НГТУ, 2003. - Т.38. - С. 258 - 260.

11. Баранов, Ю.В. Особенности изменения физико-механических свойств и износостойкости быстрорежущих инструментальных сталей при обработке импульсным электрическим током / Ю.В. Баранов // Вестник машиностроения. М.: Машиностроение, 2003. - №1. - С. 29 - 33.

12. Малыгин, В.Б. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин / В.Б. Малыгин. М.: Машиностроение, 1989. - 112 с.

13. Бернштейн, М.Л. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле / М.Л. Бернштейн, В.Н. Пустовойт. М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.

14. Постников, С.Н. Влияние импульсных магнитных полей на усталость быстрорежущей стали / С.Н. Постников, А.Д. Кунгин // Электронная обработка материалов. 1981. - №6. - С. 8 - 11.

15. Бойко, В.М. Механизм самоорганизации структуры быстрорежущей стали в процессе магнитной упрочняющей обработки /

16. B.М. Бойко, В.И. Муравьев // Металлургия машиностроения.- 2006. №4.1. C. 25-28.

17. Малыгин, Б.В. Новая установка «Недра М86» для повышения долговечности зубчатых передач горного оборудования /Б.В. Малыгин // Сб. Марганец, 1986. - № 6 (108). - С. 23.

18. Гаркунов, Д.Н. О природе повышения износостойкости деталей и инструмента магнитной обработкой / Д.Н. Гаркунов, Г.И. Суранов, Г.Б. Коптяева // Трение и износ. 1982. - №2. - С. 496 - 498.

19. Малыгин, Б.В. Магнитоупрочнение деталей горного и обогатительного производства / Б.В. Малыгин // Уголь Украины. 1987. -№6.-С. 44-46.

20. Малыгин, Б.В. Повышение надежности иструментов,151приспособлений и деталей с помощью магнитно-импульсной обработки / Б.В. Малыгин, С.А. Мендельсон, Ю.Н. Николаева // Лесное хозяйство. -1987. -№7. -С. 63.

21. Полевой, С.Н. Упрочнение металлов / С.Н. Полевой, В.Д. Евдокимов. М.: Машиностроение, 1986. - 320 с.

22. Способы испытания металлов и сплавов: справочник / А.И. Власов. М.: Машиностроение, 1983. - 320 с.

23. Полетаев, В.А. Влияние обработки в импульсном магнитном поле и коронном разряде на прочность сталей / В.А. Полетаев, A.C. Помельникова, М.Н. Шипко // МиТОМ. 2000. - № 4. - С. 35 - 36.

24. Дубинский, В.Н. Исследование влияния ОИМП и ТЦО на свойства сплавов / В.Н. Дубинский, A.B. Панченко, A.A. Сиднев, В.В. Голубев // Межвузовский сборник научных трудов. Н. Новгород: НГТУ, -2000. -№2.-С. 229-231.

25. Геллер, Ю.А. Инструментальные стали. 4-е изд. / Ю.А. Геллер.-М.: Металлургия, 1986. 584 с

26. Зубченко, A.C. Марочник сталей и сплавов / A.C. Зубченко. М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.

27. Сорокин, В.Г. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин. М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

28. Рахштадт, А.Г. Пружинные стали и сплавы / А.Г. Рахпггадт. М.: Металлургия, 1982. - 400 с.

29. Сторожев, М.В. Теория обработки металлов давлением / М.В. Сторожев, Е.А. Попов. М.: Машиностроение, 1977. - 423 с.

30. Позняк, JI.A. Инструментальные стали. Справочник / JI.A. Позняк. М.: Металлургия, 1977. - 168 с.

31. Артингер, И. Инструментальные стали и их термическая обработка /И. Артингер. М.: Металлургия, 1982 г. - 312 с.

32. Бернштейн, М.Я. Механические свойства металлов / М.Я. Бернштейн, В.А. Займовский М.: Металлургия, 1979. - 495 с.

33. Болховитинов, Н.Ф. Атлас макро и микроструктур металлов и сплавов / Н.Ф. Болховитинов, E.H. Болховитинова. - М.: Машиностроение, 1959.-87 с.

34. Мальцев, М.В. Определение величины микронапряжений и размеров областей когерентного рассеяния (блоков мозаики) методом аппроксимации / М.В. Мальцев. -М.: Металлургия, 1984. 19 с.

35. Горелик, С.С. Рентгенографический и электронографический анализ металлов /С.С. Горелик, JI.H. Расторгуев. М.: Металлургиздат, 1963.-255 с.

36. Лиопо, В.А. Рентгеновская дифрактометрия: Учеб. Пособие / В.А. Лиопо. Гродно: ГрГУ, 2003. - 171 с.

37. Кивилис С.С. Плотномеры / С.С. Кивилис. -М.: Энергия, 1980. -232 с.

38. Труэл, Р. Ультразвуковые методы в физике твердого тела / Р. Труэл, Ч. Эльбаум, Б.Чик. -М.: МИР, 1972. 308 с.

39. Мишакин, В.В. Исследование разрушения при статическом нагружении сварных соединений акустическим методом / В.В. Мишакин, A.B. Гончар, К.В. Курашкин, Н.В. Данилова // Тяжёлое машиностроение. -2009. №7. -С. 27-30.

40. Хенкин, М.Л. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении / М.Л. Хенкин, И.Х. Локшин. М.: Машиностроение, 1974, - 256 с.

41. Сорокина, С.А. Влияние режимов термообработки на релаксацию напряжений сплава 1420 / С.А. Сорокина, В.А. Скуднов // Технология легких сплавов. М: ВИЛС, 1998. - №1. - С. 23 - 28.

42. Комарова, Т.В. Оценка точности эксперимента в металловедении / Т.В. Комарова. -М.: Металлургия, 1990. 56 с.

43. Новик, Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. М.: Машиностроение, 1980. - 304 с.

44. Комарова, Т.В. Моделирование и оптимизация технологических систем / Т.В. Комарова. Н. Новгород: НГТУ, 1999. - 227 с.

45. Гурский, И.П. Элементарная физика / И.П. Гурский. М.: Наука, 1973.-368 с.

46. Мучник, А.Я. Общая электротехника и электрооборудование / А.

47. Я. Мучник, К.А. Парфенов, Г.В. Древе. -М.: Высшая школа, 1961. 408 с.154

48. Веденяпин, Г.Н. Общая электротехника / Г.Н. Веденяпин, А.Н. Добкин, Ю.А. Михеев. -М.: «Высшая школа», 1967. 404 с.

49. Калетина, Ю.В. Фазовые превращения в сталях и сплавах под действием магнитного поля / Ю. В. Калетина // Развитие идей академика

50. B.Д. Садовского. Сборник трудов, посвященный 100 летию со дня рождения академика В.Д. Садовского. - Екатеринбург: УрО РАН, 2008.1. C. 144-172.

51. Бернштейн, M.JI. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. Изд. Т. II. Основы термической обработки / М.Л. Бернштейн, А.Г. Рахштад. М.: Металлургия, 1983. - 368 с.

52. Уманский, Я.С.Рентгенография металлов / Я.С. Уманский. М.: Металлургиздат, 1960. - 448 с.

53. Макклинток, Ф. Деформация и разрушение материалов / Ф. Макклинток, А. Аргон. М.: Мир, 1970. - 444 с.

54. Воробьев, P.A. Влияние обработки импульсным магнитным полем на твердость сталей в упрочненном состоянии / P.A. Воробьев, В.А. Скуднов, В.Н. Дубинский // Технология металлов. 2011. - №2. - С. 28-33.

55. Воробьев, P.A. Влияние магнитно импульсной обработки на микротвердость быстрорежущей стали / P.A. Воробьев, В.Н. Дубинский // Материаловедение и металлургия: труды НГТУ. - Н.Новгород: НГТУ, 2008. - Т.68. - С.116 -118.

56. Гайдук, В.В. Исследование влияния импульсных высокоэнергетических воздействий на прочностные и эксплуатационные свойства инструментальных сталей и инструмента / В.В. Гайдук, Т.В.

57. Володин, В.Р. Роккель, Д.В. Гайдук, B.JI. Володин // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2004. - №6. - С. 61-64.

58. Новиков, И.И. Теория термической обработки металлов / И.И. Новиков. -М.: Металлургия, 1978. 395 с.

59. Курдюмов, Г.В. Явления закалки и отпуска / Г.В. Курдюмов. М.: Металлургиздат, 1960. - 64 с.

60. Трефилов, В.И. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов / В. И. Трефилов. Киев: Наукова Думка, 1989. - 256 с.

61. Маклин, Д. Механические свойства металлов /Д. Маклин. -М. Металлургия, 1965. 431 с.

62. Воробьев, P.A. Исследование распада мартенсита в стали 65Г при импульсно магнитной обработке / P.A. Воробьев, В.Н. Дубинский // Физика металлов и металловедение. - 2010. - Т. 109. - №3. - С. 284 - 287.

63. Чалмерс, Б. Физическое металловедение / Б. Чалмерс. М.: Металлургия, 1963. - 457 с.

64. Лысак, Л.И. Физические основы термической обработки стали / Л.И. Лысак, Б.И. Николин. Киев: Техника, 1975. - 304 с.

65. Скуднов, В.А. О взаимосвязи релаксации напряжений, твердости и предельной деформации сталей различных классов / В.А. Скуднов, А.П. Краев, С.А. Мадянов // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1995. - №1. - С. 48-51.

66. Чувильдеев, В.Н. Прогнозирование и контроль физико -механических свойств металлических материалов по данным релаксационных испытаний / В.Н. Чувильдеев, С.А. Мадянов, А.П. Краев // Сб. науч. тр. Н. Новгород: Интелсервис, 1996. - С. 54 - 64.

67. Новиков, И.И. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки /И.И, Новиков, K.M. Розин. М.: Металлургия, 1990. - 336 с.

68. Воробьев, P.A. Изменение свойств холоднодеформированной стали 10 при магнитно импульсном воздействии / P.A. Воробьев // VII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов. - М: Интерконтакт Наука, 2010. - С. 14 - 15.

69. Воробьев, P.A. Характер изменения физико-механических свойствхолоднодеформированной стали 10 при обработке импульсным магнитным157полем / P.A. Воробьев, В.Н. Дубинский // Технология металлов. 2011. -№1. - С. 11 -14.

70. Воробьев, P.A. Повышение эксплуатационных свойств углеродистых сталей при обработке ИМП / P.A. Воробьев, В.Н. Дубинский // Авто НН - 2009» тез. докл. Всероссийск. молодеж. научно - техн. конф. -Нижний Новгород: НГТУ им P.E. Алексеева, 2009. - С. 345.

71. Воробьев, P.A. Влияние отпуска и магнитной импульсной обработки на микронапряжения и блочную структуру быстрорежущей / P.A. Воробьев, В.Н. Дубинский // Материаловедение и металлургия: труды НГТУ. Н.Новгород: НГТУ, 2007. - Т.61. - С.133 - 135.

72. Алешин, Н.П. Ультразвуковая дефетоскопия. Справ, пособие / Н.П. Алешин. Минск: Выш. школа, 1987. - 271 с.

73. Иванова, B.C. Синергетика. Прчность и разрушение металлических материалов / B.C. Иванова. М.: Наука, 1992. - 160 с.

74. Скуднов, В.А. Предельные пластические деформации металлов / В.А. Скуднов. -М.: Металлургия, 1989. 176 с.

75. Скуднов, В.А. Синергетика явлений и процессов в металловедении, упрочняющих технологиях и разрушении / В.А. Скуднов. Нижний Новгород: НГТУ, 2007. - 191 с.