УДК 621.789

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ЗОНЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ НАПЛАВКЕ НА ТЕРМООБРАБОТАННУЮ КОНСТРУКЦИОННУЮ СТАЛЬ 30ХГСА

 

Лаврентьев А.Ю. Дожделев А.М. (ТвГТУ, г. Тверь, РФ)

Lavrentev A.Y.,  Dozhdelev A.M. (Tver State Technical University, c. Tver, RF)

 

Рассмотрена возможность использования технологии поверхностного пластического деформирования для упрочнения стали 30ХГСА в зоне термического влияния,  возникающей при наплавке биметаллического инструмента.

The possibility of using the technology of surface plastic deformation for hardening steel 30ХГСА heat-affected zone, occurring when surfacing bimetallic tool.

 

Ключевые слова: наплавленная быстрорежущая сталь, поверхностное пластическое деформирование, твердость

Keywords: high speed steel, surface plastic deformation, hardness

 

Применение технологии наплавки позволяет изготавливать  биметаллический металлорежущий инструмент. Наплавка режущих кромок обеспечивает сокращение затрат за счет использования менее дорогостоящих материалов для корпуса инструмента. Наплавленные режущие кромки обладают более высоким комплексом эксплуатационных свойств по сравнению со свойствами инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали по традиционной технологии.

В процессе наплавки быстрорежущей стали на менее дорогостоящую конструкционную сталь 30ХГСА в зоне их соединения можно выделить несколько характерных участков, отличающихся своей структурой и свойствами. Совокупность этих участков получила название зоны термического влияния (ЗТВ) [1]. Наибольшего внимания заслуживает участок отпуска, где наблюдается разупрочнение металла. Максимальное разупрочнение металла наблюдается на относительно малом участке высокотемпературного отпуска. Структура участка представлена трооститом и сорбитом. [2,3,4,5,6]

Из литературных источников [7] известно о влиянии температуры отпуска на твердость предварительно закаленной конструкционной стали 30ХГСА. На рисунке 1 приводится график зависимости твердости стали 30ХГСА от температуры отпуска. При нагреве закаленной конструкционной стали 30ХГСА в интервале температур 200 … 700 оС происходит существенное снижение твердости металла.

Таким образом, наличие зоны разупрочнения не позволяет в полной мере раскрыть потенциальные возможности наплавки. Устранение данного разупрочнения позволит повыть надежность работы инструмента, а также уменьшить толщину наплавленного слоя металла, что позволит сократить расход дорогостоящего материала и уменьшить стоимость биметаллического наплавленного инструмента.

Для  повышения уровня эксплуатационных свойств наплавленного биметаллического режущего инструмента можно применять поверхностное пластическое деформирование (ППД). Использование этого метода позволяет получить двухфазную структуру при сохранении концентрации легирующих элементов наплавленной быстрорежущей стали, достигнутой при закалке [8].

В литературе нет данных о возможности применения ППД для упрочнения металла зоны термического влияния после наплавки на предварительно закаленную сталь. Целью данной работы является исследование возможности применения ППД для упрочнения металла ЗТВ за счет изменения структуры и свойств.

Рисунок 1 – Зависимость изменения твердости предварительно закаленной стали 30ХГСА от температуры отпуска

 

Для более детального изучения структуры и свойств металла на участке разупрочнения изготовили образцы из предварительно закаленной и отпущенной конструкционной стали 30ХГСА.

Температура нагрева была определена по термокинетической диаграмме для стали 30ХГСА [9] и составила 760 оС, что соответствует температуре Ас1  для 30ХГСА, при которой начинает формироваться участок высокотемпературного отпуска ЗТВ. Таким нагревом имитировалось тепловое воздействие на основной металл в процессе наплавки.

Замер температуры производить при помощи оптического пирометра. После нагрева в печи образцы охлаждались на воздухе. Затем при остывания до температуры 300 оС  было осуществлено ППД. Проведение ППД при данной температуре образцов обусловлено достаточно полным превращением аустенита и достижением двухфазной структуры наплавленной быстрорежущей стали при обработке заготовки биметаллического инструмента [8]. Последующее охлаждение также протекало на воздухе. Из полученных образцов были изготовлены микрошлифы для изучения структуры и измерения твердости.

На микроскопе МИМ-8 были получены снимки микроструктуры образцов (рисунок 2). Было выявлено изменение структуры металла после термического воздействия и ППД.

    

а)                                                      б)                  10мкм

        

                     в)                10 мкм                          г)                     10 мкм     

Рисунок 2 – Микроструктура образцов конструкционной стали 30ХГСА

 а) образцы для исследований микроструктуры; б) микроструктура после закалки и отпуска; в) микроструктура после закалки, отпуска и нагрева до температуры Ас1 (760 0С);  г) микроструктура после закалки, отпуска и нагрева до температуры Ас1 (760 0С) с последующей упрочняющей чеканкой

 

Измерение твердости (HV) выявило различие между полученными образцами. Как видно из графика (рисунок 3), применение упрочняющей чеканки позволило повысить твердость предварительно закаленной и отпущенной конструкционной стали 30ХГСА, подвергшейся нагреву до температуры Ас1 (760 0С).

Результаты измерения твердости образцов приведены на рисунке 4.

 

Рисунок 3 – Изменение твердости стали 30ХГСА по глубине, после нагрева и упрочняющей чеканки при 300 оС   

 

Рисунок 4 - Твердость образцов конструкционной стали 30ХГСА после различных воздействий

 

1 – значение твердости закаленной и отпущенной конструкционной стали 30ХГСА по ГОСТ 8479-70; 2 - твердость образца после закалки и отпуска; 3 -  твердость образца после нагрева до температуры Ac1 (760 0С) и последующего охлаждения на воздухе; 4 – твердость образца, подвергшегося ППД.

Установлено, что твердость участка конструкционной стали 30ХГСА, подвергнутого ППД, повысилась на 250 МПа. Глубина упрочненного слоя при таком воздействии составляет около 3 мм.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о возможности применения ППД для упрочнения металла ЗТВ стали 30ХГСА на участке высокого отпуска.

 

Список использованных источников

1.        Никифоров, Г.Д. Технология и оборудование сварки плавлением [Текст] / Г.Д. Никифоров.  М.: Машиностроение. 1978.  -328 с.

2.        Петров В.Г. Теория сварочных процессов. [Текст] / В.Г. Петров, А.С. Тумарев. М.: Высшая школа. 1977. - 392 с.

3.        Акулов, А.И. Технология и оборудование сварки плавлением [Текст] / А.И. Акулов, Г.А. Бельчук, В.П. Демянцевич. -  М.: Машиностроение, 1977. - 432 с.

4.        Толов, Д.М. Микроструктура сварного соединения. [Текст] / Д.М. Толов, И.В. Маликов, А.К. Кузьмин, Е.А.Гусева. Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, Иркутск, - 2009. -15 с.

5.        Ефименко, Л.А. Металловедение и термическая обработка сварных соединений. [Текст] / Ефименко Л.А., Прыгаев А.К., Елагина О.Ю. - М.: Логос, 2007. - 456 с.

6.        Морозов, В.П. Особенности процесса кристаллизации металла расплавленной ванны при дуговой импульсно-периодической сварке. [Текст] / В.П. Морозов // Наука и образование. .: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.  №08, -15 с.

7.        Сорокин, В.Г. Стали и сплавы. Марочник: Справ. изд. [Текст] / В.Г. Сорокин. – М.: Итермент Инжиниринг. 2001. – 608 с.

8.        Барчуков, Д.А. Совершенствование структуры быстрорежущих сталей наплавкой и поверхностным пластическим деформированием. [Текст] /  Д.А. Барчуков, А.Ю. Лаврентьев, Н.С. Зубков // Современные проблемы науки и образования. 2012. №5.

9.        Попов, А.А. Справочник термиста. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. [Текст] /   А.А. Попов, Л.Е. Попова. Свердловск, 1961. - 431 с.