Исследования свойств штамповой стали после термической обработки (стр. 13 из 17)
Сравнительная износостойкость образцов, отпущенных с разных температур (температура закалки 1 070оС)
| Номер образца | 91 | 30 | 89 | 69 | |
| Температура отпуска, оС | 550 | 570 | 600 | 650 | |
| Количество циклов трения | 40 000 | 40 000 | 40 000 | 40 000 | |
| Сечение профиля износа S, мкм2 | 1 | 1 844,3 | 1 027,3 | 522,9 | 1 196,9 |
| 2 | 973,3 | 845,3 | 592,8 | 1 212 | |
| 3 | 974,4 | 712,9 | 530,7 | 743,3 | |
| 4 | 578,3 | 1 822,5 | 521 | 1 004 | |
| 5 | 1 085,7 | 1 103,2 | 548,5 | 945,6 | |
| среднее | 1 091,2 | 1 102,24 | 543,18 | 1 020,36 | |
| Длина следа L, мкм | 1 873 | 1 956 | 1 997 | 2 001 | |
| Объем вынесенного материала V, мкм3 | 2 043 818 | 2 155 981 | 1 084 730 | 2 041 740 | |
| Износ шарика, мкм3 | 4,19 | 2,42 | 6,56 | 3,03 | |
По результатам экспериментов был построен график, характеризующий вынесенный объем материала в зависимости от температуры отпуска (рис. 38). Минимум на приведенной кривой соответствует образцу с максимальной износостойкостью.
Рис. 38. Сравнительная износостойкость образцов из стали 4Х5МФ1С в зависимости от температуры отпуска
Для сопоставления изменения твердости и износостойкости образцов, отпущенных на различные температуры на приборе Роквелла была измерена их твердость (рис. 39).
Рис. 39. Зависимость твердости стали 4Х5МФ1С от температуры отпуска
Максимальное упрочнение в исследуемой стали достигается после отпуска на 570оС. С дальнейшим повышением температуры до 600оС износостойкость возрастает, а твердость уменьшается, что связано с различной природой выделяющихся карбидов. При 500–550оС выделяется промежуточный карбид типа Ме2С; выше 550–600оС – карбиды Ме23С и Ме6С. Отпуск выше 600–625оС усиливает коагуляцию карбидов.
Также построена зависимость износа шарика в ходе эксперимента для каждого образца (рис. 40). Видно, что максимальный износ шарика был получен на образце с максимальной износостойкостью.
Рис. 40. Износ шарика в ходе экспериментов с образцами, отпущенными на разные температуры
Из полученных данных следует, что наибольшей износостойкостью обладает сталь, отпущенная с температуры 600оС. Данное явление связано с тем, что при этой температуре отпуска проходило дисперсионное твердение, приводящее не только к увеличению твердости, но и росту износостойкости.
Таблица 34. Сравнительная износостойкость образцов до и после напыления покрытий
| Номер образца | 91 | 30 | 89 | ||||
| Состояние поверхности | До напыления | Покрытие Ti + N + O (N:O = 3:1) | До напыления | Покрытие Ti + N + O (N:O = 1:1) | До напыления | Покрытие Ti + N | |
| Количество циклов трения | 5 000 | 5 000 | 5 000 | 5 000 | 10 000 | 10 000 | |
| Сечение профиля износа S, мкм2 | 1 | 42,7 | 625,6 | 32,9 | 1 342,1 | 66,5 | 22,0 |
| 2 | 32,0 | 701,7 | 30,3 | 1 341,0 | 75 | 30,8 | |
| 3 | 27,8 | 547,4 | 31,0 | 1 154,8 | 72,3 | 21,6 | |
| 4 | 31,8 | 602,9 | 38,6 | 1 452,3 | 69,2 | 20,3 | |
| 5 | 28,5 | 693,5 | 35,4 | 1 350,5 | 71,2 | 25,7 | |
| среднее | 32,56 | 634,22 | 33,64 | 1 328,14 | 70,84 | 24,08 | |
| Длина следа L, мкм | 1 991 | 1 996 | 1 998 | 2 002 | 2 005 | 1 985 | |
| Объем вынесенного материала V, мкм3 | 64 826 | 1 265 903 | 67 212 | 2 658 936 | 142 034 | 47 798 | |
Сравнительная оценка износа исходного металла и металла с покрытием приведена на рис. 41.
Рис. 41. Гистограмма, представляющая сравнительную износостойкость стали с различными покрытиями
Наибольшее сопротивление износу дает покрытие нитридом титана. Износостойкость при этом увеличивается в три раза. Наоборот, износ покрытий из оксинитрида титана идет активнее, чем на исходном образце. Причем износостойкость тем меньше, чем больше процент кислорода, введенный в покрытие. Для образца с маркировочным номером 91 износостойкость после нанесения покрытия уменьшается в 20 раз, а для образца 30 – в 40 раз.
Таким образом, в перспективе возможно увеличение износостойкости материала за счет нанесения покрытий из нитрида титана.
Обсуждение результатов исследования
Известно, что прочность и вязкость снижаются в результате излишне высокого нагрева под закалку. Это ухудшение свойств – следствие роста зерна с повышением температуры, что является следствием стремления системы к уменьшению свободной энергии. При небольшом перегреве присутствующие в стали карбиды препятствуют росту зерна и заметному ухудшению свойств. Однако при высоких температурах закалки карбидная фаза растворяется в аустените, что снимает препятствия для роста зерна. Чувствительность к перегреву выявляется по величине зерна аустенита, получаемого после нагрева до разных температур. [1]
В штамповой стали 4Х5МФ1С величина зерна определяет прежде всего пластические свойства, ухудшение которых недопустимо для инструмента, так как ведет к образованию трещин и разрушению при эксплуатации. Таким образом, определение размера зерна после того или иного режима термообработки является практически важной задачей.
В настоящей работе была изучена зависимость размера аустенитного зерна от температуры нагрева под закалку. Так как с увеличением температуры аустенитное зерно растет (снижается вязкость стали), то согласно ГОСТ 5950–2000 для стали 4Х5МФ1С размер аустенитного зерна не должен превышать 8 балла. Исследования показали, что при температуре закалки 1 100°C обеспечивается достаточно мелкое зерно, соответствующее 8 баллу, что допустимо. Однако более предпочтительной для закалки является температура 1 070оС, так как в этом случае исключается возможность перегрева стали (балл аустенитного зерна 9).
Величина действительного зерна аустенита в конечном итоге определяет дисперсность мартенсита. В данной работе была изучена микроструктура стали после закалки на различные температуры (рис. 12). Выяснено, что штамповая сталь 4Х5МФ1С после закалки имеет структуру, состоящую из мартенсита, аустенита остаточного и карбидов, причем количество карбидной фазы уменьшается с ростом температуры закалки (рис. 15). Форма и размер включений также меняются. Если при закалке на 950оС в структуре наряду с вытянутыми включениями цементитного типа присутствуют карбиды округлой формы (специальные), то при более высоком нагреве цементитный карбид, не обладающий достаточной теплостойкостью, а также мелкие карбиды других типов, полностью растворяются в аустените. В результате этого средний размер включения растет вплоть до 1 070оС, когда начинают растворяться более крупные карбиды. Количество аустенита остаточного в комплекснолегированных сталях после закалки колеблется в пределах 15–30%. Кристаллы мартенсита в исследуемой стали имеют вытянутое (реечное) строение; дисперсность структуры падает при увеличении температуры нагрева под закалку [4].
Твердость является важнейшим свойством инструментальной стали. Инструменты с недостаточной твердостью не могут резать; под действием возникающих напряжений они быстро теряют форму и размеры. С увеличением твердости в большинстве случаев возрастает и износостойкость. [1]
Так как, инструментальная сталь должна обладать высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, то в работе была изучена зависимость твердости стали 4Х5МФ1С от температуры закалки. Было выяснено, что при повышении температуры закалки с 950 до 1 100оС объемная доля карбидов уменьшается от 17,3 до 3,3% за счет их растворения в аустените (табл. 13), который насыщается легирующими элементами, что способствует увеличению твердости вплоть до 54 HRC(рис. 13). Однако твердость мартенсита определяет общую твердость стали главным образом в закаленном состоянии. В процессе высокого отпуска происходит распад мартенсита, и твердость стали зависит от выделяющихся карбидов.
В ремонтных цехах и на малых предприятиях чаще всего нагрев под закалку проводится в окислительной среде, поэтому важно знать глубину обезуглероженного слоя, который необходимо удалять. В работе были использованы методы оценки обезуглероживания по изменению твердости и микротвердости в сечении образца. Результаты исследования показали, что глубина обезуглероженного слоя при температуре нагрева под закалку 1 070°C достигает 0,16 мм, а при 1 100°C – 0,18 мм, что гораздо меньше припуска, который дается на производстве на обезуглероженный слой.
В результате термической обработки существенно изменяются свойства стали, особенно механические свойства. Закалка при нагреве на высокие температуры проводится для растворения значительной части карбидов и получения высоколегированного мартенсита, в результате чего обеспечивается высокая твердость. Последующий отпуск на температуры 500–600°C вызывает дополнительное упрочнение. При указанных температурах возрастает диффузионная подвижность карбидообразующих элементов, что приводит к изменению химического состава мартенсита, увеличению содержания карбидов и эффекту упрочнения. Причина вторичного твердения – замена растворяющихся сравнительно грубых частиц цементита значительно более дисперсными выделениями специального карбида (V4С3, Мо2С и др.). В молибденовых сталях в последовательности карбидных превращений Fе3С → Ме2С + Ме23С6 → Ме6С максимум вторичного твердения соответствует стадии выделения дисперсных частиц Ме2С и Ме23С6. В работе было выявлено, что дисперсионное твердение стали 4Х5МФ1С происходит при температурах порядка 530–570оС (рис. 14). Одновременно с увеличением твердости возрастает и износостойкость, достигая максимального значения при отпуске на 600оС (рис. 38). Наряду с отмеченными выше процессами при отпуске происходит распад остаточного аустенита. Он протекает при 480–580оС, как правило, изотермически, заканчивается полностью и не оказывает влияния на работоспособность материала [4]. В результате превращения остаточного аустенита немного повышается твердость, но его влияние незаметно на фоне вторичного твердения.