Устранение короблений при упрочняющей термической обработке мелких стержневых изделий

Введение. В современной промышленности широко востребованы различные изделия стержневой формы, имеющие соотношение (длина(L) / диаметр (D)) > 10. Это всевозможные иглы (швейные, промышленные, медицинские), оси, штифты, валы, шпильки, плунжеры и др. Термическая обработка подобных изделий, применяемая для формирования необходимых свойств готовой продукции, сопряжена с сильным короблением [1][2]. Данная проблема решается последующими операциями рихтования и правки [3][4]. Однако такой подход имеет свои недостатки. Во-первых, подобные процедуры достаточно трудозатратны, т. к. зачастую осуществляются вручную, что увеличивает себестоимость продукции (≥ 50 % от изначальной стоимости [5][6]). А во-вторых, они могут оказывать негативное влияние на эксплуатационные свойства изделия, сокращая срок его службы [7][8].

Для решения обозначенной проблемы предлагается использовать особенности технологии термической обработки в магнитном поле [9]. Под действием магнитного поля возможно зарождение мартенсита напряжения [10], что обуславливает возможность внутренней правки изделия за счёт воздействия в состоянии сверхпластичности [11][12] и одновременного заневоливания обрабатываемого стержня вдоль вектора магнитного поля. Действие ТОМП (эффективность упрочнения 8 ÷ 12 %) можно сравнить по характеру влияния с эффектом от высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) (19 ÷ 24 %) [13][14] в том смысле, что обеспечивается одновременное повышение показателей сопротивляемости пластической деформации и хрупкому разрушению. Известно, что при использовании ТОМП оптимальное сочетание свойств формируется при проведении закалки в магнитном поле с отпуском без поля [9].

Возможности технологии ТОМП предлагается апробировать на машинных иглах, в качестве критерия коробления которых выступает величина остаточной деформации (радиальные биения), а основными показателями свойств являются твёрдость и предел выносливости. Предполагается исследование игл в процессе серийной и экспериментальной технологии обработки, в том числе и между различными операциями технологического процесса.

Целью данной работы является исследование возможности уменьшения коробления изделий стержневой формы путем воздействия на него магнитным полем при термической обработке.

Материалы и методы. В качестве объекта исследования была использована продукция Артинского механического завода: по 100 шт. машинных игл (ГОСТ 22249-82) разного диаметра (0,65, 0,75, 1,10 и 1,20 мм) для каждого режима. Машинные иглы изготовлены из стальной игольной проволоки марки У10А (ГОСТ 1435-99). Химический состав этой проволоки приведён в таблице 1.

Данные изделия в процессе производства претерпевают довольно много технологических переделов, что обусловлено особенностями их конструкции. Можно выделить следующие основные операции: механическая обработка, термическая обработка, финишные операции (хромирование). После всех операций формообразования иглы подвергаются термической обработке, имея исходную структуру зернистого перлита. Стандартный режим термической обработки предусматривает неполную закалку и низкий отпуск. Закалка проводилась в подогретом масле (~60 °C). После закалки твердость должна составлять 59 ÷ 63 HRC. Отпуск выполнялся в масляных электрованнах при температуре 200 ÷ 225 °C в течение минут. Твердость стержня после отпуска составляла 53 ÷ 59 HRC, а твердость колбы — не ниже 23 HRC.

ТОМП проводилась на лабораторной установке, описанной в [15]. Главная особенность установки заключается в том, что игла нагревается и удерживается в верхней части печи в вертикальном положении с помощью действия магнитного поля, создаваемого соленоидом. Когда температура иглы достигает ~745 °C, она теряет магнитные свойства и вертикально падает, одновременно нагреваясь в печи 780 °C, в закалочный бак. Здесь действует магнитное поле, которое способствует интенсивному образования мартенсита и вертикальному заневоливанию изделия. Далее следует отпуск без магнитного поля. Как было показано в [9], наложение магнитного поля при отпуске заэвтектоидных сталей нецелесообразно, т. к. тормозит распад твёрдого раствора.

Для исследования особенностей тонкой структуры применялся электронный микроскоп «УЭМВ-100К» путём прямого просвечивания фольги и рентгеновский дифрактометр «ДPOH-0,5» с трубкой FeKa».

Степень коробления оценивалась величиной радиального биения, измерявшегося на микроскопах «EC METAM PB-22» и «Микромед MC-2-Zoom вар.2CR» с цифровой окулярной насадкой Eakins и объект-микрометром.

Измерения твердости проводились по методам Роквелла и Виккерса на приборах «ТК-2М» и «ИТБРВ-187,5-М» соответственно.

Усталостные испытания при поперечном изгибе были проведены с пульсирующей нагрузкой, создаваемой асинхронным электродвигателем. Предел выносливости определялся по методике В.С. Ивановой [16].

Для обработки массива полученных данных использовался пакет статистических функций MS Excel; гистограммы, диаграммы и графики также созданы в этой среде.

Результаты исследования. Стандартная обработка формирует структуру игл, которая определяет следующие свойства: предел выносливости σ_–1 = 480 МПа, остаточная деформация ∆l_ост. ≈ 0,15 мм (для иглы ∅ 1,20 мм). Чем меньше диаметр игл, тем меньше величина остаточной деформации после термической обработки, например, для ∅ 0,75 мм она снижается до ∆l_ост. = 0,07 ÷ 0,08 мм.

Важным эксплуатационным параметром иглы служит значение радиального биения (l) оси стрежня относительно оси колбы. Радиальные биения [17][18] возникают из-за внутренних напряжений, обусловленных неравномерностями пластической деформации во время механообработки и распределения температуры при операциях термообработки. Радиальные биения устраняются на различных стадиях техпроцесса (редуцирование, фрезерование, пробивка отверстий, заточка, шлифовка, термообработка, гальванизация, полировка и т. д.) комплексом правильных операций. Поэтому для получения качественной продукции и уменьшения трудозатрат на её изготовление необходимо в техпроцессе исключить факторы, вызывающие радиальные биения.

Результаты распределения значений радиального биения игл (l) и углов (φ) отклонения их острия от вертикальной оси после обработки по стандартному режиму приведены на рис. 1 и 2.

После закалки изделий ∅ 0,65 мм интервал разброса значений l был аналогичен полученным результатам после механической обработки и составлял ~0,3 мм, в то время как технические условия требуют для готовой продукции l₀ ≤ 0,1 мм. Половина из 100 обработанных игл имела превышение по данному параметру. Можно отметить тенденцию отклонения (φ) стержня либо в сторону фрезерованного желобка (45 %), либо в противоположную (40 %). Такое поведение объясняется тем, что внутренние напряжения имеют преимущественную ориентировку, созданную операциями мехобработки (как предварительными, так и финишными). Закалочный нагрев не снимает все подобные напряжения, и они, аккумулируясь с термическими, в итоге создают наблюдаемое коробление.

Для диаметра ∅ 0,75 мм наблюдается аналогичная картина: 60 % стержней отклоняются в область углов φ = 0°, а 25 % — φ = 180°; превышение коробления, допустимого для данного диаметра (l₀ ≤ 0,15 мм), наблюдалось у 65 % образцов, максимальное значение l = 0,4 мм. Закалка изделий более крупного диаметра (∅ 1,10 мм, ∅ 1,20 мм) приводила к получению максимального коробления (l = 0,14 и 0,10 мм соответственно), удовлетворяющего требованиям технических условий (l₀ ≤ 0,15 мм), а распределение углов отклонения острия (φ) было равновероятным.

Проведение отпуска способствует сужению интервала максимальных значений коробления l (рис. 3) на следующие величины: ∅ 0,75 мм — 0,04 мм; ∅ 1,10 мм — 0,02 мм. Для изделий меньших диаметров наблюдается двукратное увеличение доли продукции, проходящей по техническим условиям. Для ∅ 1,10 мм (рис. 4) характерно равновероятное распределение φ, в то время как для ∅ 0,75 мм оно имеет преимущественное направление: 30 % — φ ≈ 0°, 50 % — φ ≈ 180°.

Выполненные исследования изделий с различным короблением позволили установить, что наилучшие эксплуатационные значения (σ_–1, l_ост.) имеет продукция, которая в процессе изготовления не имела либо имела минимальное коробление после термообработки и по этой причине не подвергалась правильным операциям (таблица 2).

При исследованиях морфологии [9][10] не было выявлено качественной разницы между мартенситом напряжения и охлаждения, полученным в процессе закалки в магнитном поле и после обычной закалки. Как показали рентгеноструктурные исследования, влияние магнитного поля сводится в основном к увеличению объёмной доли V_Ϟ Ϟ-мартенсита (на 10 % при закалке с 1000 ℃) и уменьшению тетрагональности α-мартенсита (рис. 5).

При закалке в магнитном поле, по сравнению с обычной закалкой, стабильно наблюдалось уширение мартенситного синглета β_физ.с. из-за большего количества нарушений кристаллического строения. Под действием поля усиливается степень двухфазного распада, на что чётко указывает сокращающийся физический профиль мультиплета мартенситной рентгеновской дифракционной линии β_физ.

Исследования на просвет металлической фольги показали, что образующийся мартенсит имеет смешанную морфологию (реечные+двойникованные кристаллы) при всех режимах обработки. Было установлено, что высокая плотность дефектов при закалке в поле объясняется повышенной дисперсностью продуктов мартенситной реакции. Результаты статистической оценки элементов тонкой структуры показаны на рис. 6. Влияние магнитного поля проявляется в том, что в пакетном мартенсите наблюдается измельчение (уменьшается количество крупных пакетов), размеры пакетов становятся более однородными, имеется тенденция к уменьшению толщины реек внутри пакетов, а также увеличивается доля самого пакетного мартенсита (на 12±4 %). Изменения в морфологии обусловлены тем, что граница между разными типами мартенсита сдвигается в область с большей концентрацией углерода. Такие изменения объясняются взрывной кинетикой множественного появления мартенситных зародышей: охлаждения — в области старта мартенситного превращения, напряжения — в области сверхпластичности мартенситного превращения (несколько выше М_н). Дополнительно можно отметить, что под воздействием поля усиливается роль деформационного скольжения при зародышеобразовании α-фазы.

Данные на рис. 6 свидетельствуют об измельчении областей с двойникованными кристаллами мартенсита при обработке в магнитном поле, но формфактор их остается без изменений. Повышение дисперсности также связано с каталитическим действием магнитного поля на множественное и повсеместное появление зародышей мартенсита, интенсифицируется появление мартенсита пакетной морфологии (образующегося при более высокой температуре [19][20]), что вызывает явление наклепа γ-фазы.

Значения твердости после обработки в магнитном поле были всегда выше, чем при обработке без поля (рис. 7). Такие результаты объясняются уменьшением размерных параметров мартенситных кристаллов, снижением объёмных долей A_ост. и других фаз (кроме мартенситной), протеканием дисперсионного твердения (в процессе закалки непосредственно происходит выделение промежуточного карбида [21][22]). Исключение составляет твёрдость в районе колбы, которая падает при магнитной закалке, что объясняется интенсификацией протекания процесса самоотпуска [23][24] в более крупной части изделия.

Исследование величины l изделий после термообработки в магнитном поле показало отсутствие коробления, превышающего технические требования (l < l₀), а распределение углов φ было равновероятным для всех диаметров. Пример полученных данных для диаметра ∅ 0,65 мм, имевшего наибольшее коробление при обработке по стандартному режиму, показан на рис. 8. Все иглы имели коробление l < l₀/2 (l₀ = 0,1мм), а две трети игл удовлетворяли и условию l < l₀/4. Значения твёрдости иглы после закалки и отпуска принципиально не изменились, хотя и немного понизились (рис. 8 б).

В режиме обработки ТОМП промежуточные правильные операции не проводились. Следовательно, значительное уменьшение радиального биения происходит только от внутреннего воздействия в процессе ТОМП, где определяющую роль играют сверхпластичность [25], наблюдающаяся в стали немного выше точки начала мартенситного превращения, а также непосредственное заневоливание иглы вдоль вертикальной оси под действием магнитного потока, что определяется уже особенностями предлагаемой установки [15] для поштучной ТОМП деталей с соотношением L/D > 10.

Поскольку при ТОМП исключаются операции промежуточной рихтовки, то это сказывается на значении предела выносливости изделий. Исследованные значения σ_–1 (рис. 9) для игл с радиальным биением l ≈ 25 мкм были выше для всех диаметров, по сравнению со значениями, полученными после типовой обработки.

Обсуждение. Полученные данные (рис. 1, 2) указывают на несомненную связь искривления стержня с его жёсткостью. Иглы больших диаметров имеют и большую жёсткость стержня по отношению к колбе, что коррелирует с меньшей подверженностью короблению (главным образом связанным с фрезерованием желобка). Иглы крупных диаметров после мехобработки имели значения l ≤ l₀, т.е. не превышали допустимых отклонений, а угловое распределение отклонений φ было равномерным по всем углам.

У изделий меньшего номера после закалки наблюдалось предпочтительное отклонение вдоль фрезерованного желобка (как в одну, так и в другую сторону). Подобное коробление вызвано наличием ориентации во внутреннем напряжённом состоянии детали, возникшем после механообработки и следом проводимой рихтовки, последствия которых не устраняются нагревом, а сочетаясь с закалочными деформациями, они и приводят к наблюдаемым отклонениям острия под определённым углом.

Процессы, протекающие при отпуске (рис. 3, 4), несколько снижают значения l для всех диаметров, оставляя их у малых диаметров вне допустимых пределов, а имеющееся преимущественное распределение по φ сохраняется.

Данные таблицы 2 демонстрируют, что в процессе механообработки происходит такое изменение напряженного состояния детали, когда значительно падают эксплуатационные показатели изделия. Таким образом, если устранить коробление (и, следовательно, необходимость в правке), то можно повысить эксплуатационные свойства изделий [26]. Реализация бездеформационной закалки становится возможной благодаря своеобразной внутренней рихтовке (рис. 5 и 6) за счёт возникновения кристаллов мартенсита напряжения (под действием магнитного поля в интервале сверхпластичности) и ориентированному заневоливанию игл вдоль линий магнитного потока.

Статистические данные на рис. 6 свидетельствуют об измельчении мартенситной фазы (реечной и двойниковой морфологии), ансамбля в целом (пакета) и кристалла в отдельности в случае закалки в магнитном поле. Дисперсность, соответственно, увеличивает удельную поверхность границы и субграницы — создаются дислокационные барьеры для пластической деформации. Пиковые напряжения спадают и более равномерно распределяются в ситуации, когда области скопления дислокаций фрагментируются и пакеты мартенсита более однородно распределяются. Таким образом, закалка в магнитном поле формирует структуру мартенсита с большим запасом реализуемых прочностных и пластических показателей, что обеспечивает повышенный комплекс свойств после ТОМП.

По результатам исследования влияния низкого отпуска (рис. 3, 4, 8) можно заключить, что он, снижая уровень закалочных напряжений, не приводит к кардинальному искоренению радиальных биений.

Результаты исследования предела выносливости (рис. 9) показали его повышение при обработке в магнитном поле, в сравнении с серийным режимом, предполагающим механическую обработку для устранения коробления.

Заключение. Установлено, что операции механической правки, применяемые для устранения коробления, создают картину напряжений, значительно снижающую эксплуатационные характеристики изделий (предел выносливости может падать до 370 МПа, остаточная деформация может достигать 0,40 мм).

Опытным путем получены свидетельства того, что упрочняющая технология ТОМП, основанная на закалке стали в магнитном поле, позволяет устранять радиальные биения изделий стержневой формы (L/D > 10). В процессе внутренней рихтовки, которая реализуется особой схемой обработки ТОМП, исключается необходимость обычной мехобработки, снижающей эксплуатационные характеристики изделия. Это достигается, с одной стороны, непосредственным вертикальным заневоливанием обрабатываемой иглы под действием вектора магнитного потока, а с другой стороны, за счёт влияния магнитного поля на закалочные процессы (повышение дисперсности мартенсита). По сравнению с серийным режимом, наблюдалось увеличение предела выносливости в среднем на ~ 82 МПа, а значения коробления (с двукратным запасом) не превышали технических требований (0,10 мм).