Структура и свойства инструментальных сталей после термической обработки в магнитном поле

Улучшение эксплуатационных свойств металлообрабатывающего, деревообрабатывающего и измерительного инструмента является актуальной задачей, в связи с постоянно повышающимися требованиями, вызванными широким внедрением в промышленность автоматических линий, станков с ЧПУ и другого высокопроизводительного оборудования. Это также важно по причине повсеместного использования экономнолегированных инструментальных сталей, например, Р6М5 взамен стали Р18, что создает проблему получения у таких сталей характеристик стойкости требуемого уровня. Среди материалов, применяемых для производства различного инструмента, чаще всего используются инструментальные стали, требуемые свойства которых обеспечиваются термической обработкой. Однако традиционные способы термоупрочнения в условиях современного машинного производства далеко не всегда позволяют получить требуемый уровень характеристик механических и эксплуатационных свойств. В связи с этим особое внимание уделяется разработке и внедрению новых высокоэффективных технологических процессов упрочнения, разработанных на основе современных научных достижений.

Такими эффективными процессами применительно к металлическим сплавам являются различные варианты комбинированной обработки, сочетающей возможность теплового воздействия и фазовых превращений с пластической деформацией, ультразвуковыми колебаниями, излучением оптических квантовых генераторов, действием электрического и магнитного полей. Применение комбинированной обработки делает возможным реализацию резервов упрочнения металлических сплавов, улучшение их механических, технологических и эксплуатационных свойств, путём целенаправленного изменения структуры.

Термическая обработка в магнитном поле (ТОМП) является одним из комбинированных способов, особенностью которого является использование энергии внешнего магнитного поля (постоянного, переменного или импульсного) для воздействия на термодинамику, механизм и кинетику фазовых переходов с целью получения устойчивых изменений структуры и свойств, полезных для эксплуатации.

Интерес к проблеме использования магнитного поля для улучшения свойств конструкционных и инструментальных материалов появился со времени публикации цикла работ Е. Герберта [1−5], в которых указывалось на возможность упрочнения при старении сталей в постоянном магнитном поле, а также возможность интенсификации магнитным полем процесса отжига белого чугуна на ковкий. С тех пор и до недавнего времени характерной особенность исследований в области термической обработки в магнитном поле является чередование периодов повышенного интереса к этой проблеме, вызванного сообщениями о достижении существенных эффектов, с периодами относительного спада после появления публикаций (как правило, авторитетных ученных), в которых положительное влияние магнитного поля подвергалось сомнению. Такое положение во многом объясняется отсутствием систематического многопланового подхода к исследованию возможностей магнитного поля для термической обработки, недостаточным развитием теории, что зачастую приводило к дискредитации этой идеи. Положение изменилось с выходом в свет монографии профессора М. Л. Бернштейна [6], в которой рассматривался ряд вопросов о влиянии постоянного магнитного поля на характеристики механических свойств и структуру конструкционных и инструментальных сталей, диффузионные процессы при термической и химико-термической обработке, а также сделана оценка изменения энергии ферромагнитной фазы (или структурных составляющих) под действием внешнего поля. Большое значение для дальнейших работ в области ТОМП имела монография [7], отображающая труд школы академика Садовского В. Д. по изучению влияния сильного импульсного магнитного поля на термодинамику и морфологию продуктов мартенситного превращения в сплавах с изотермическим и атермическим типом кинетики.

Существенный вклад в развитие исследований процессов ТОМП внесли работы научной школы кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета под руководством профессора В. Н. Пустовойта. Исследования, выполненные Ю. М. Домбровским [8], В. А. Блиновским [9], С. А. Гришиным [10], Ю. А. Корниловым [11], положили начало систематическому изучению природы влияния магнитного поля на фазовые переходы в железоуглеродистых сплавах. Эти вопросы нашли наиболее полное отражение в исследованиях В. Н. Пустовойта [12] и были позднее обобщены в монографии [13]. Следует также отметить уникальный, не имеющий прецедента, опыт научной школы кафедры «Физическое и прикладное материаловедение» по созданию специализированного промышленного оборудования и оснастки для реализации процессов ТОМП в производственных условиях для упрочнения деталей машин и инструмента [14−18].

С учётом достигнутых успехов в развитии теории и практического использования технологии термической обработки в магнитном поле следует отметить, что в настоящее время ещё имеются проблемы, не нашедшие полного разрешения. Это, в частности, относится к задаче улучшения эксплуатационных свойств сталей для металлообрабатывающего, деревообрабатывающего и измерительного инструмента методами ТОМП. Применительно к этой группе материалов остаются неразрешенными ряд проблем теоретического характера, учитывающих особенности структурной организации, фазового состава и специфики режимов термической обработки инструментальных углеродистых и легированных сталей. Имеется также дефицит экспериментальных данных о влиянии магнитного поля на кинетику протекания фазовых превращений в инструментальных сталях, формирование структурной картины при закалке, отжиге, изотермической обработке и связанных с этим изменений характеристик механических и эксплуатационных свойств. Требуется также обоснованно определить технологическую целесообразность использования так называемого «эффекта Герберта» при омагничивании термообработанных быстрорежущих сталей.

В настоящей работе предпринята попытка на основе анализа достигнутых результатов провести комплексные исследования возможностей термической обработки в магнитном поле применительно к большой группе инструментальных сталей различного назначения. Теоретически и экспериментально доказано существование «эффекта Герберта» при омагничивании термически обработанных сталей и нецелесообразность его практического использования по причине того, что этот эффект достаточно мал и полностью обратим. Приведен анализ термодинамических факторов, обусловленных действием магнитного поля и влияющих на условия протекания фазовых превращений с участием ферромагнитных фаз. Показано, что воздействие магнитным полем может оказать существенное влияние на условия протекания фазовых переходов только при очень больших напряженностях поля. Проведены экспериментальные работы по исследованию влияния магнитных полей на кинетику фазовых превращений для ряда инструментальных и модельных сталей и установлено, что это влияние оказывается решающим фактором, определяющим результаты ТОМП. Выполнены исследования структуры и свойств инструментальных сталей после проведения их термической обработки в магнитном поле, определены рациональные режимы такой обработки, обеспечивающие достижение высокого уровня характеристик механических и эксплуатационных свойств. Технология и специализированное оборудование для ТОМП апробированы в производственных условиях и показали положительные технико-экономические результаты.

Интересы производства явились решающими для выбора характера и напряженности магнитного поля. Возможности сильного (~24МА/м) импульсного поля ограничены малой длительностью импульса (не более 0,005 с) и весьма небольшой глубиной намагничиванияприменение такого поля вообще невозможно для воздействия на процессы полностью или частично контролируемые диффузией. Применение в практике машиностроения аппаратуры для получения постоянных и переменных полей большой напряженности (соизмеримой с напряженностью импульсного поля) проблематично из-за необходимости использования сверхпроводящих обмоток, работающих при гелиевых температурах, сложности в эксплуатации и высокой стоимости и в условиях машиностроения пока экономически нецелесообразно. Анализ данных многих исследователей, выполненный в работе [6], не дает никаких преимуществ методам намагничивания переменным магнитным полемвместе с тем, конструктивное исполнение аппаратуры для создания постоянного поля существенно проще.

В связи с этим в работе показаны возможности и область использования постоянного магнитного поля напряженностью до 2,4МА/м (30 000 Э), которое сравнительно легко может быть реализовано в установках промышленного типа [14−18].

Экспериментальная часть диссертации выполнена в лабораториях кафедры и научно-исследовательского отдела «Физическое и прикладное материаловедение» Донского государственного технического университета. Автор считает своим долгом выразить благодарность доценту кафедры «ФиПМ», кандидату технических наук Корнилову Ю. А. за помощь в постановке экспериментов и полезные консультации.

Современное состояние вопроса и технологические перспективы упрочняющей термической обработки инструментальных сталей в магнитном поле.

Результаты исследования характеристик механических свойств иллюстрирует таблица 4.10. В результате проведенных испытаний установлено, что наиболее эффективной операцией с точки зрения достижения максимального упрочнения — закалка в магнитном поле в сочетании с отпуском без поля. Видно, что такая обработка позволяет улучшить свойства сталипри этом повышение прочности не сопровождается снижением характеристик пластичности. Данные.

Заключение

и общие выводы.

Проблема упрочнения металлических материалов является одной из наиболее актуальных в современном материаловедении. При этом для жестких условий эксплуатации металлообрабатывающего инструмента возникает настойчивое требование решения сложной задачи достижения у инструментальных материалов высоких показателей сопротивления пластической деформации при высоком же сопротивлении разрушению, особенно хрупкому (квазихрупкому), характерному в частности, для сталей с мартенситной структурой. В данной работе рассмотрено одно из направлений в решении указанной проблемы — управление механическими свойствами инструментальных сталей путем специфической организации структуры при внешнем воздействии энергией постоянного магнитного поля в процессе фазовых превращений.

В соответствии с поставленной целью разработаны методические основы проведения исследований процессов термической обработки в магнитном поле. Некоторые известные частные методики структурного анализа и испытания свойств претерпели модернизацию с целью повышения их информативности, точности и экспериментального упрощения. Создано лабораторное оборудование для создания сильных постоянных магнитных полей (до 2,4 МА/м), специальные микроэлектропечи, измерительная, управляющая аппаратура и оснастка для осуществления экспериментальных работ на высоком метрологическом уровне.

Проведена опытная проверка существования эффекта Герберта при омагничивании термически обработанных быстрорежущих сталей. Несмотря на имеющиеся в литературе экспериментальные данные об увеличении стойкости режущего инструмента после омагничивания, в настоящей работе положительных эффектов не обнаружено. Полученные результаты обоснованы теоретически в модели взаимодействия движущихся доменных границ с дислокациями, а также убедительно доказаны испытаниями характеристик механических свойств и большим статистическим материалом по испытанию стойкости режущих инструментов. Это позволяет считать бесперспективными дальнейшие попытки улучшения свойств термически обработанного инструмента за счет омагничивания внешним полем.

Осуществлено комплексное исследование влияния магнитного поля, действующего во время протекания фазовых превращений, на процессы распада переохлажденного аустенита углеродистых инструментальных сталей в перлитной области температур. Показано, что под действием магнитного поля возникают кинетические эффекты, обусловленные снижением работы образования зародышей фазы, которая является продуктом превращения и обладает ферромагнитными свойствами. В связи с этим сделаны необходимые оценки увеличения темпа распада переохлажденного аустенита, структурных и субструктурных изменений, вызванных кинетическими и магнитострикционными эффектами, а также установлено положительное влияние этих изменений на свойства, определяющие конструктивную прочность.

Проведены комплексные исследования особенностей мартенситного превращения при закалке в постоянном магнитном поле напряженностью до 2,4МА/м, которое легко может быть реализовано в установках промышленного типа. Эти исследования проводились на основе теоретических представлений о механизме образования зародышей а-мартенсита при охлаждении стали с аустенитной структурой в магнитном поле. Характерной чертой этого механизма является признание определяющей роли устойчивых флуктуаций дальнего ферромагнитного порядка в парамагнитном аустените для процесса мультипликативного зарождения при у—>а превращении. Возможность такого процесса объясняется тем, что ферромагнитные кластеры в аустените, воспринимая энергию внешнего магнитного поля через магнитострикционные напряжения, изменяют поля упругих сил в микрообъемах матрицы и этим способствуют снижению энергетического барьера для образования зародышевого центра критического размера. Особо следует отметить, что работа этого механизма возможна не только в процессе образования мартенсита охлаждения в температурном интервале Мн — Мку, но и в условиях существования сверхпластичного аустенита в интервале Мд — Мн и образования выше Мн кристаллов мартенсита напряжения.

С использованием статистических методов количественной металлографии, гармонического анализа профиля рентгеновских дифракционных линий (ГАПРЛ) и измерения удельных объемов проведены исследования структуры мартенсита магнитной закалки, результаты которых в виде диаграмм фазового состава и распределения углерода по состояниям определяют структурные изменения, вызванные действием магнитного поля при закалке. Показано, что совокупность структурных изменений после закалки в магнитном поле позволяет реализовать резервы упрочнения за счет уникального сочетания свойств, обусловленного одновременным повышением сопротивления пластической деформации и хрупкому разрушению.

Выявлены закономерности изменений структуры и свойств инструментальных сталей под действием магнитного поля в процессе отпуска. Исследование превращений в различных температурных интервалах при отпуске с учетом влияния магнитного поля и закалочной предыстории дало возможность экспериментально оценить изменения структуры и фазового состава, а также обсудить полученные закономерности с термодинамических позиций. В целом данные экспериментов по влиянию магнитного поля при закалке и отпуске позволили провести сравнительный анализ характеристик механических свойств инструментальных сталей. Результаты этого анализа определяют практическую возможность использования термической обработки в магнитном поле как комбинированного метода упрочнения, позволяющего реализовать резервы повышения конструктивной прочности.

Выполнен комплекс экспериментальных работ по оценке влияния ТОМП на свойства, определяющие долговечность режущего и штампового инструмента. Показано, что прирост эксплуатационных свойств делает вполне целесообразным и экономически оправданным применение ТОМП в производстве инструмента. Приведены данные о специализированном технологическом и контрольно-управляющем оборудовании для ТОМП, применение которого позволило осуществить внедрение этого метода упрочнения. Выбор оптимальных режимов ТОМП проиллюстрирован на примере технологического процесса термической обработки накатных полотен при электронагреве токами высокой частоты.

Итог научных разработок, изложенных в диссертации и характеризующих научную новизну и практическую значимость, может быть кратко сформулирован в виде следующих общих выводов:

1. Предложена и количественно обоснована доменно-дислокационная модель, объясняющая физическую природу эффекта Герберта (увеличение твердости при омагничивании термически обработанных инструментальных сталей). Основополагающая роль при этом отводится взаимодействию полей упругих напряжений дислокаций и междоменных границ. При движении последних в процессе намагничивания отрезки дислокационных петель между точками закрепления выгибаются в поле магнитоупругих напряжений доменной границы, в результате чего происходит увеличение суммарной длины таких отрезков, то есть плотности дислокаций. После выключения магнитного поля измененные дислокационные конфигурации под действием сил линейного натяжения полностью не восстанавливаются до исходных в связи с явлением магнитного гистерезиса, а время частичной релаксации дислокационной деформации определяется соотношением линейного натяжения, величиной барьера Пайерлса и магнитоупругим взаимодействием выгнутых отрезков дислокационных петель с доменными границами, занимающими после выключения поля новое положение.

Данные испытаний характеристик механических свойств и эксплуатационной стойкости убедительно доказывают, что омагничивание термически обработанного режущего инструмента не может рассматриваться как практически применимый метод повышения долговечности поскольку, во-первых, рассматриваемые эффекты очень малы, практически полностью релаксируют в течение нескольких часов, а во-вторых, если и проявляются сразу после омагничивания, то не для всех сталей и при экономически нецелесообразных режимах резания. Теоретически и экспериментально показано, что при действии магнитного поля напряженностью ~2 МА/м объемная скорость превращения переохлажденного или остаточного аустенита с образованием ферромагнитных продуктов увеличивается до 2,5 раз. В уравнении, описывающем изменение скорости превращения, кроме магнитной энергии 1Н, учитывающей снижение термодинамического потенциала ферромагнитных продуктов превращения, впервые учтен вклад энергии увеличивающей движущую силу фазового перехода по причине локального прироста свободной энергии матричной фазы (аустенита), вызванного образованием флуктуаций дальнего ферромагнитного порядка.

Действие магнитного поля в процессе распада переохлажденного железоуглеродистого аустенита в области температур перлитного превращения проявляется по-разному в зависимости от состава стали. У доэвтектоидных сталей за счет мультипликативного зарождения ферромагнитного феррита, как избыточной фазы и как составляющей эвтектоидной смеси, интенсифицируется выделение избыточного феррита, что приводит к снижению характеристик прочности и возрастанию показателей пластичности. В заэвтектоидных углеродистых инструментальных сталях подавляется процесс выделения неферромагнитного вторичного цементита, что повышает прочность стали с незначительным снижением характеристик пластичности. Упрочнение углеродистых инструментальных сталей обусловлено нарушением сплошности сетки избыточного цементита, уменьшением межпластиночного расстояния в эвтектоиде, образованием структуры с более развитой межфазной поверхностью и большим количеством барьеров, препятствующих скольжению. При этом показано, что ТОМП не изменяет характер препятствий для движущихся дислокаций (степени блокировки) и не оказывает влияния на организацию дефектной структуры внутри ферритных промежутков.

Использование ТОМП в интервалах температур распада, соответствующих образованию структуры сорбита и троостита, приводит к снижению характеристик сопротивления разрушению по причине утонения карбидных пластин и увеличения предела текучести. Осуществление мартенситного превращения по мультипликативному механизму и увеличение темпа фазовой реакции приводит к снижению количества остаточного аустенита в высокоуглеродистых сталях и усилению степени его фазового наклепа, повышению дисперсности, как отдельных кристаллов мартенсита, так и структурной фрагментации их ансамблей (пакетов).

Мультипликативное зарождение способствует протеканию процессов распада пересыщенного твердого раствора «in statu nascendi», особенно в микрообъемах мартенсита напряжения, который образуется под действием магнитного поля выше Мн в температурном интервале сверхпластичного аустенита. Это имеет следствием усиление сегрегации углерода на структурных дефектах и выделение высокодисперсных частиц е-карбида, то есть увеличение степени распада мартенсита по двухфазному механизму. В результате закалки в магнитном поле фиксируется структурное состояние, свойственное стали после обычной закалки и отпуска при 120−150°С.

Возрастание после магнитной закалки удельной поверхности субграниц, состоящих из дислокаций, увеличивает количество углерода, связанного с дефектами, и усиливает степень их закрепления. Образование высокодисперсных выделений е-карбида также создает дополнительные структурные барьеры при движении дислокаций. Характерно, что большинство этих барьеров является полупроницаемыми, что облегчает релаксацию «пиковых» напряжений путем эстафетной передачи деформации в соседние микрообъемы.

Меньшая степень затрудненности в развитии пластической деформации является следствием общего диспергирования структуры и увеличения объемной доли малоуглеродистого эг-мартенсита после закалки в магнитном поле. Совокупность структурных изменений после закалки в магнитном поле обеспечивают больший запас пластичности, что приводит к повышению реализуемой прочности в закаленном состоянии.

Показано, что характер влияния магнитного поля при термической обработке легированных инструментальных сталей на механизм превращений, кинетику фазовых переходов, процесс структурообразования и свойства сталей остается таким же, как и для углеродистых сталей. Различия определяются лишь термическими режимами обработки, обусловленными легированием, положением критических точек, температурными интервалами превращений, охлаждающими средами и т. п.

Воздействие магнитным полем при отпуске оказывает тормозящее влияние на процесс распада ферромагнитного мартенситаглавной причиной этого является магнитострикционные эффекты, усиливающие процессы сегрегации углерода на дислокациях, а также инициирующие упорядочение примесных атомов по механизму Сноека. Это приводит к уменьшению термодинамической активности углерода и смещению в область более высоких температур отпуска метастабильного равновесия между е-карбидом и мартенситом.

Снижение интенсивности распада мартенсита при обычном отпуске после закалки в магнитном поле является следствием увеличения количества дефектов, главным образом дислокаций, в результате повышения дисперсности кристаллов а-фазы и общей структурной фрагментации, что приводит к снижению активности углерода по причине его взаимодействия с дефектами, а также частичной реализации первых стадий отпуска уже во время закалочного охлаждения (распад «in statu nascendi»).

Распад остаточного аустенита в магнитном поле для высокоуглеродистых и высоколегированных (быстрорежущих) инструментальных сталей протекает более интенсивно по причине, изложенной в выводе 2. Это, в частности, делает возможным при термической обработке сталей, обрабатываемых на вторичную твердость (быстрорежущие, высокохромистые штамповые) производить не три, как обычно, а два или даже один отпуск при температуре 560−570°С, что существенно повышает производительность на операциях термообработки.

Применение технологии термической обработки в магнитном поле делает возможным эффективную реализацию резервов долговечности режущего и штампового инструмента. Установленные в результате лабораторных и цеховых испытаний увеличение показателей долговечности составляет 1,2−1,5 раза, что обусловлено положительным влиянием ТОМП на процессы структурных и субструктурных изменений при фазовых переходах под действием внешнего магнитного поля. Указанные изменения являются целесообразными с технической и экономической точки зрения, что показано на примере технологического процесса ТОМП накатных полотен в условиях завода специнструмента и технологической оснастки.