СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРОЧНЕНИЯ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

 

Барчуков Д.А., Ильяшенко С.Е., Лаврентьев А.Ю., Зубков Н.С.

(ТвГТУ, г. Тверь, РФ)

Barchukov D.A., Ilyashenko S.E., Lavrentev A.Y., Zubkov N.S.

(Tver State Technical University, c. Tver, RF)

 

Рассмотрена возможность повышения эффективности упрочнения быстрорежущей стали за счет увеличения количества дисперсных вторичных карбидов при отпуске быстрорежущих сталей, повышения концентрации легирующих элементов в пересыщенном твердом растворе в процессе ускоренного охлаждения при наплавке.

The possibility of increased efficiency of high speed steel hardening due to increase of number of dispersed secondary carbides in during the tempering of high speed steels, release elevated concentrations of alloying elements in the supersaturated solid solution in the process of accelerated cooling at welding, has been considered.

 

Ключевые слова: наплавленная быстрорежущая сталь, упрочнение, вторичные карбиды, твердость

Keywords: high speed steel, Hardening secondary carbides, hardness

 

Быстрорежущие стали с карбидным упрочнением являются распространенным инструментальным материалом, широко применяемым для изготовления инструмента различного назначения. Карбиды, присутствующие в стали, являются неотъемлемыми структурными составляющими, оказывающими существенное влияние на ее механические и эксплуатационные свойства. В быстрорежущей стали присутствуют избыточные эвтектики, образующиеся при кристаллизации, и вторичные карбиды, выделяющиеся из растворов.

Вторичные карбиды, образующиеся при отпуске закаленной стали, имеют очень малые размеры (1…10 нм) и являются упрочняющей фазой. Упрочнение достигается в результате выделения из пересыщенного раствора огромного количества (до 1016…1018 1/см3) вторичных карбидов наноразмерного уровня, которые задерживают перемещение дислокаций и, соответственно, упрочняют сталь. Эффективность упрочнения стали вторичными карбидами при отпуске определяется количеством образовавшихся карбидов и их свойствами [1]. Чем выше концентрация легирующих элементов в пересыщенном растворе, тем выше теплостойкость, твердость и эксплуатационная стойкость инструмента.

Концентрация легирующих элементов в пересыщенном растворе зависит от химического состава стали и режима закалки. Полное растворение вторичных карбидов при нагреве стали под закалку сдерживается возможным ростом зерна аустенита до неприемлемых размеров. Потенциальные возможности повышения концентрации легирующих элементов в растворе за счет полного растворения вторичных карбидов практически не реализуемы при классической термической обработке быстрорежущей стали.

Повышение эффективности упрочнения за счет изменения химического состава стали и увеличения в ней содержания вольфрама, молибдена, ванадия и других элементов приводит к образованию дополнительного количества избыточных эвтектических карбидов, что создает дополнительные проблемы при горячей обработке давлением, применяемой для дробления карбидной сетки и измельчения первичных карбидов. В этом случае существенно уменьшается эффективность применения дорогих дефицитных легирующих элементов при одновременном снижении уровня механических свойств быстрорежущей стали.

Более перспективным направлением проведения исследований в области повышения эффективности упрочнения быстрорежущей стали за счет увеличения количества дисперсных вторичных карбидов наноразмерного уровня при отпуске закаленной стали является разработка способов и технологий, позволяющих повышать концентрацию легирующих элементов в пересыщенном растворе за счет уменьшения количества эвтектических карбидов. Это должно повысить эффективность упрочнения при отпуске и способствовать повышению уровня механических свойств и эксплуатационной стойкости инструмента в результате снижения вероятности поломок и выкрашивания режущей кромки, вызываемых крупными эвтектическими карбидами. При этом будет возрастать эффективность использования легирующих элементов в стали.

Полагают [2], что при очень высоких скоростях охлаждения диффузионное перераспределение легирующих элементов резко замедляется и кристаллизация может происходить без перераспределения элементов с образованием растворов состава исходной стали, в том числе и перенасыщенных. Как правило, при увеличении скорости охлаждения концентрация растворенного элемента возрастает по сравнению с равновесной концентрацией с образованием пересыщенных растворов. Следовательно, перераспределение легирующих элементов в сторону увеличения их концентрации в растворе за счет уменьшения количества эвтектических карбидов без общего увеличения легирующих элементов в быстрорежущей стали потенциально возможно путем повышения скоростей охлаждения при кристаллизации малых объемов жидкой быстрорежущей стали. При повышении скоростей охлаждения до значений, обеспечивающих ограничение ликвационных процессов, возможно достижение более однородной по химическому составу закристаллизовавшейся стали с минимальным количеством эвтектических карбидов, более благоприятных по форме, размерам и толщине карбидной сетки [2].

Для экспериментального подтверждения возможности уменьшения толщины сетки эвтектических карбидов за счет повышения скоростей кристаллизации малых объемов была выбрана молибденовая быстрорежущая сталь с пониженным содержанием вольфрама и углерода [3].

Молибденовые быстрорежущие стали высокотехнологичны в производстве, обладают достаточно высокой теплостойкостью, твердостью, износостойкостью и имеют достаточно хорошие механические свойства. Стали широко применяются для изготовления металлорежущего инструмента и тяжелонагруженных штампов холодной штамповки [4]. Важным свойством молибденовых быстрорежущих сталей является пониженная температура кристаллизации эвтектики, вследствие чего эвтектика молибденовых сталей может быть тоньше, а ее нерастворимые карбиды мельче, чем у вольфрамовых сталей. При кристаллизации молибденовых быстрорежущих сталей в структуре формируется эвтектика на основе карбида M2C палочной формы с высокой концентрацией молибдена [1, 3].

Закалку молибденовой быстрорежущей стали выполняли из жидкой фазы ограниченных объемов при повышенной скорости охлаждения при дуговой наплавке плавящимся электродом в среде аргона при минимальных, но достаточных для устойчивого плавления порошковой проволоки малого диаметра и удовлетворительного формирования наплавленного валика, значениях погонной энергии. Дополнительное уменьшение тепловложения и, соответственно, повышение скоростей охлаждения жидкой стали обеспечивали применением импульсного управления переносом электродного материала в дуге. Скорость охлаждения наплавленного металла определяли по данным термического цикла наплавки.

Из наплавленных заготовок подготавливали микрошлифы для исследования влияния скоростей охлаждения на структуру литой молибденовой быстрорежущей стали после ее закалки с температур кристаллизации и повышение эффективности упрочнения при отпуске. Эффективность упрочнения за счет повышения содержания легирующих элементов в пересыщенном растворе и выделение большего количества дисперсных карбидов при отпуске оценивали по результатам замера твердости наплавленной стали после наплавки и четырехкратного отпуска на режимах, принятых для стандартной упрочняющей термической обработки молибденовых быстрорежущих сталей (рис. 1).

 

Рисунок 1 - Изменение твердости при отпуске молибденовой быстрорежущей стали, закаленной с температур кристаллизации при ускоренном охлаждении

 

Изменение толщины сетки эвтектических карбидов в зависимости от скорости охлаждения литой молибденовой быстрорежущей стали оценивали по результатам исследований микроструктуры, выполненных на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6610LV (рис. 2).

Выполненные исследования подтвердили повышение эффективности упрочнения литой молибденовой быстрорежущей стали при повышении скоростей охлаждения. При высокой скорости охлаждения максимальное упрочнение достигали после двухкратного отпуска, увеличение твердости составило 6-7 единиц НRC, толщина сетки эвтектических карбидов уменьшилась более чем в 3 раза.

Рисунок 2 - Микроструктура литой молибденовой быстрорежущей стали Р2М8

 

Список использованных источников

1.        Кремнев Л.С. Теория легирования и создание на ее основе теплостойких инструментальных сталей // МиТОМ. -2008. -№ 11. -С. 18-22.

2.        Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. –М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. -664 с.

3.        Кремнев А.С., Онегина А.К., Виноградова Л.А. Особенности превращений, структуры и свойств молибденовых быстрорежущих сталей // МиТОМ. -2009. -№12.-С.13-19.

4.        Геллер Ю.А. Инструментальные стали. -М.: Металлургия, 1983. -525 с.