Способ определения пригодности стали для холодной пластической деформации

Изобретение относится к области физики и может быть использовано для исследования и/или анализа материалов путем определения их физических или химических свойств. Определение осуществляют по механическим и структурным характеристикам. При этом дополнительно определяют величину микротвердости перлита и при микротвердости менее 240 HV и не превышающей 50 HV разности значений по микротвердости между перлитом и ферритом принимают решение о пригодности стали для обработки путем холодной пластической деформации. Достигается повышение информативности и надежности определения. 4 ил.

 

Изобретение относится к области физики и может быть использовано для исследования и/или анализа материалов путем определения их физических или химических свойств.

Известен способ определения обрабатываемости давлением конструкционных сталей в холодном состоянии по величине твердости [1]. Сущность известного технического решения заключается в определении твердости стальных заготовок по методу Бринелля перед их холодной пластической деформацией. При твердости 120÷210 НВ стальные заготовки рекомендуется деформировать в холодном состоянии.

Недостаток [1] в том, что способ дает малодостоверную информацию, так как при одних и тех же значениях твердости сталь имеет различные показатели по обрабатываемости давлением при комнатной температуре. Недостаток существенно ограничивает область применения способа.

Известен способ оценки технологичности конструкционной стали для холодного выдавливания и высадки [2], который включает регламентирование в стали химических элементов и механических свойств, осадку контрольного образца до 1/2, 1/3 или 1/4 его первоначальной высоты и определяет требования по макро- и микроструктуре. В структуре стали не должно быть грубопластинчатого перлита, зерно феррита должно соответствовать 5-7 баллу, а также нормируется величина обезуглероженного слоя, размер аустенитного зерна и количество зернистого перлита. О технологичности стали судят по качеству поверхности осажденных образцов, на которых не должно быть надрывов и трещин. Под термином «технологичность» понимают способность материала легко поддаваться функционально ориентированной обработке при минимальных материальных и энергетических затратах с получением необходимой геометрической формы изделий и заданного комплекса - потребительских свойств. Технологичность стали зависит от структуры сплава и его свойств: твердости, прочности, пластичности, размера зерна и цементитных глобулей, соотношения структурных составляющих и других показателей. Для каждого вида обработки металла перечень таких показателей сугубо индивидуален.

Недостатком [2] является то, что способ не позволяет судить о технологичности к пластическому деформированию в холодном состоянии стали, в которой зачастую присутствует структурная микронеоднородность и другие ликвационные проявления, наследуемые от технологий металлургического производства.

Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом - является способ оценки технологичности стали для холодной объемной штамповки по ее механическим и структурным характеристикам [3], сущность которого заключается в количественном определении показателей свойств материала: твердости, предела прочности, относительного сужения, размера зерен, балла ферритной полосчатости, микротвердости феррита, соотношения перлита зернистого к перлиту пластинчатому и размеру цементитных глобулей. При этом известно, что высокая технологическая деформируемость заготовок из стали 40Х и 12ХН3А достигается при твердости 143-164 НВ и 139-156 НВ соответственно, пределе прочности 580-630 МПа и 480-520 МПА, относительном сужении 66-69% и 70-75%, а также при размере зерна 0,01-0,02 мм и 0,02-0,06 мм соответственно. Кроме того, для штамповки оптимальна микротвердость феррита 146-201HV, например - в стали 12ХН3А, а соотношение перлита зернистого к перлиту пластинчатому в стали 40Х должно находиться в пределах от 70/30 до 100/0.

При высокой информативности по технологичности стали для холодной пластической деформации способ [3] не позволяет спрогнозировать технологичность стали к пластическому деформированию в холодном состоянии вследствие неизбежного присутствия в ней макро- и микронеоднородностей, наследуемых от металлургического производства, и, в первую очередь, таких, как «островная» (Фиг. 1) и «строчечная» (Фиг. 2) структурные неоднородности.

Целью заявляемого изобретения является получение достоверной информации о пригодности стали для холодной пластической деформации.

Сущность заявленного технического решения заключается в том, что способ определения пригодности стали для холодной пластической деформации по механическим и структурным характеристикам характеризуется тем, что дополнительно определяют величину микротвердости перлита, при микротвердости менее 240 HV и не превышающей 50 HV разности значений по микротвердости между перлитом и ферритом принимают решение о пригодности стали для обработки путем холодной пластической деформации.

Цели достигают тем, что для выявления пригодности стали по механическим и структурным характеристикам для холодной пластической деформации дополнительно определяют величину микротвердости перлита, при микротвердости менее 240 HV и не превышающей 50 HV разности значений по микротвердости между перлитом и ферритом принимают решение о пригодности стали для обработки путем холодной пластической деформации.

Заявленное техническое решение поясняется следующими материалами.

На Фиг. 1 представлено присутствие в отожженной стали 20ХГНМТА зерен недиффузионного распада аустенита.

На Фиг. 2 представлена структурная полосчатость (балл 5 шкала 3Б ГОСТ 5640-68) в стали 20ХГНМТА.

На Фиг. 3 приведена Таблица 1, в которой представлены свойства стали 40Х с различными структурными состояниями.

На Фиг. 4 приведена Таблица 2, в которой представлены технологические и физико-механические свойства стали 20ХГНМТА.

Заявляемый способ осуществляют, например, следующим путем. Берут образец исследуемого металла. Образец очищают и протравливают в 4%-ном растворе азотной кислоты в спирте. Затем выявляют и анализируют микроструктуру стали, например, на металлографическом микроскопе типа «Неофот - 21» при увеличении 100*-400*. Используя микротвердомер, например, типа «Дюримет», определяют микротвердость каждой структурной составляющей при нагрузке 0,05Н (50 гс). Для достоверности результата выполняют не менее 10 замеров микротвердости по каждой структурной составляющей с последующим определением ее среднего значения.

В Таблице 2 приведены структура и свойства стали 20ХГНМТА после изотермического отжига и ее технологичность при деформировании в холодном состоянии. В качестве критерия технологичности принята способность стали деформироваться без образования трещин при осадке до 3/4Н (на 25%), 1/2Н (на 50%), 1/3Н (на 66%) и 1/4Н (на 75%) от первоначальной высоты (Н) контрольного образца. Для испытания используют образцы ⌀45×100 мм.

Выявление трещин на образцах после осадки проводят магнитолюминесцентным методом, например, на установке HV-700 фирмы «Karl Deutsch» (Германия).

Деформируемость сплава в холодном состоянии, его способность претерпевать пластическое формоизменение без разрушения зависит от многих факторов: качества поверхности заготовки, химического состава, структуры, механических свойств и технологических параметров процесса деформирования. Материал для холодной штамповки, например сталь, должен обладать высокой пластичностью, иметь равномерные механические свойства и химический состав по всему объему заготовки и не иметь поверхностных и внутренних дефектов, например трещин, плен, раковин, расслоений, флокенов, шлаковых включений и т.д.

ГОСТ 10702-78 по сталям для холодного деформирования регламентирует механические свойства материала, включая его твердость. Оптимальная твердость материала для холодной штамповки лежит в интервале 120-210 НВ с пределом прочности (σв) не более 690 МПа и относительным сужением (ψ) не менее 40%.

Важным звеном при создании технологий холодной пластической деформации деталей является структурный подход при выборе и подготовки стали. Прокат из конструкционных сталей в состоянии поставки обычно имеет феррито-перлитную структуру с присутствием пластинчатого перлита, наличие которого снижает показатели пластичности - относительное сужение (ψ) и относительное удлинение (ε). Кроме того, пластинки цементита в перлите, как и включения цементита, препятствующие пластическому течению металла при комнатной температуре, являются концентраторами напряжений и местами зарождения трещин. Из двух видов перлита предпочтение отдается перлиту с зернистым строением цементита, так как он по отношению к пластинчатому имеет меньшую прочность и более высокие пластические свойства. Твердость зернистого перлита находится в пределах 160-180 НВ, а пластинчатого - в пределах 180-230 НВ.

В стальном прокате зачастую присутствуют ликвационные проявления, в частности в стали 20ХГНМТА выявлены зерна недиффузионного распада аустенита - «островная» структурная неоднородность. Причиной такой микроструктурной неоднородности является неравномерное распределение химических элементов в различных структурных составляющих, что связано с дендритной ликвацией на этапе кристаллизации стали (Фиг. 1).

На Фиг. 2 показана структурная полосчатость (строчечность) (балл 5 шкала 3Б ГОСТ 5640-68), которая наблюдалась в другой плавке стали 20ХГНМТА. Одной из причин проявления ферритных и перлитных полос считают наличие в структуре стали пластичных сульфитных и оксидных включений, которые при горячей пластической деформации вытягиваются вдоль направления прокатки. Это явление способствует обогащению марганцем центральных участков сдеформированных аустенитных зерен, которые затем вырастают по механизму вторичной рекристаллизации в интервале 1050-750°C. При последующем охлаждении распад деформированного аустенита, обогащенного марганцем, происходит зарождением на его границах феррита с оттеснением углерода вглубь зерна, в которых и протекает превращение в перлит, наблюдаемый в виде полос в микроструктуре.

Для повышения пластических свойств стали, предназначенной для изготовления деталей сложной формы и при одновременно большой степени деформации при комнатной температуре, она должна иметь структуру зернистого перлита, содержание которого должно быть не менее 80% [4]. Но даже после длительного сфероидизированного отжига в структуре конструкционных сталей зачастую встречаются участки со следами пластинчатого перлита, а в отдельных случаях присутствуют зерна бейнита или мартенсита (фиг. 1) и наблюдается феррито-перлитная полосчатость (Фиг. 2). Такие структурные проявления в стали вызывают неоднородность свойств по сечению заготовки и снижают технологическую пластичность.

В Таблице 1 представлены результаты по твердости стали 40Х и микротвердости ее отдельных структурных составляющих, а также связь микроструктуры сплава с показателями прочности и пластичности. Видно, что рекомендуемый уровень относительного сужения (≥70%), необходимый металлу при изготовлении изделий сложной геометрической формы методом холодной объемной штамповки, достигается сталью со структурой зернистого перлита или со структурой феррито-перлитного строения. Гетерогенное структурное состояние стали, при котором одновременно присутствуют составляющие с высокой (мартенсит, бейнит, тростит) и низкой (перлит, феррит) микротвердостью, является причиной низкой технологической деформируемости стальных заготовок. Эффективность выполнения технологии холодной объемной штамповки требует высокой степени однородности структуры сплава, о которой можно судить по разности значений микротвердости между отдельными структурными составляющими.

Чем выше величина этой разности, тем выше структурная неоднородность стали и тем выше вероятность образования дефектов в изделиях изготавливаемых методом холодной пластической деформации. Дополнительно следует отметить, что в случае высокой однородности структурного состояния сплава твердость не должна превышать 210НВ, что полностью исключает чисто мартенситную или другую структуру стали с высокой твердостью.

Установлено, что высокой технологичностью обладает сталь с феррито-перлитной структурой и имеющая микротвердость перлита не более 235HV, феррита - не более 190 HV при разности значений между ними менее 50 HV (п. 1 табл. 2). Увеличение микротвердости структурных составляющих и увеличение разности их значений снижает показатели свойств. Причем чем выше эти значения, тем ниже технологическая деформируемость стали. При разности по микротвердости между структурными составляющими от 176 HV и более сталь 20ХГНМТА не подлежит деформированию в холодном состоянии. Об этом свидетельствует наличие трещин на образцах после осадки на 25% и более (пп. 4-6 табл. 2).

Приведенные примеры осуществления предлагаемого изобретения показывают его полезность для определения пригодности стали для обработки холодной объемной штамповкой. Применение заявляемого способа анализа свойств материала способствует выявлению оптимальных материалов для изготовления промышленных изделий с наивысшим качеством.

Предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружены средства, которым присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявляемый способ имеет изобретательский уровень, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявленное техническое решение можно реализовать в промышленном производстве аналитического оборудования, в деятельности промышленных предприятий посредством использования известных стандартных технических устройств и оборудования. Это соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.

Источники информации

1. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей: Справочник / Под общ. ред. В.Д. Кальнера. - М.: Машиностроение, 1984. - С. 132-133.

2. ГОСТ 10702-78. Прокат из качественной конструкционной углеродистой и легированной стали для холодного выдавливания и высадки. - М.: Изд-во стандартов, 1993. - 16 с.

3. Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т. / Ред. совет: Е.И. Семенов и др. - Т. 3, - Холодная объемная штамповка / Под ред. Г.А. Навроцкого. - М.: Машиностроение, 1987. - С. 156, Табл. 1.

4. Ильин С.И. Технология термической обработки сталей. Учебное пособие / С.И. Ильин, Ю.Д. Корягин. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2006. - 61 с.

Способ определения пригодности стали для холодной пластической деформации по механическим и структурным характеристикам, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину микротвердости перлита, при микротвердости менее 240 HV и не превышающей 50 HV разности значений по микротвердости между перлитом и ферритом принимают решение о пригодности стали для обработки путем холодной пластической деформации.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к определению механических характеристик однородных покрытий, а именно к определению модуля упругости покрытий посредством вдавливания в поверхность материала цилиндрического индентора, и может быть использовано для определения модуля упругости покрытий на подложках из различных материалов.

Изобретение относится к технике контроля и исследования материалов и изделий и может быть использовано для определения параметров рельефа поверхности (линейные размеры, шероховатость), механических (твердость, модуль упругости) и трибологических (коэффициент трения, износостойкость, время жизни покрытий) характеристик материалов с субмикронным и нанометровым пространственным разрешением.

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов путем вдавливания индентора в поверхность образца с заданной нагрузкой, а именно к способам определения статического модуля упругости Юнга.

Изобретение относится к технике испытания твердых материалов на микротвердость. .

Изобретение относится к устройствам для исследования или анализа материалов путем определения их твердости и может быть использовано для определения физико-механических характеристик растущих деревьев, пиломатериалов, деревянных строительных конструкций и т.п.

Изобретение относится к технике контроля и исследования материалов и изделий и может быть использовано для определения параметров рельефа поверхности и механических характеристик материалов с субмикронным и нанометровым пространственным разрешением.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано для оценки твердости почвы. .

Изобретение относится к горному делу, в частности к устройствам для определения механических свойств горных пород. .

Изобретение относится к способам определения показателей механических свойств монолитных образцов, в том числе образцов горных пород, и может быть использовано при определении сцепления образцов как из искусственных, так и природных материалов.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к аглококсодоменному переделу, и может быть использовано для аттестации пригодности к доменной плавке компонентов железорудной части доменной шихты и коксов.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры магниевого сплава на аналитический сигнал. Способ контроля структурных изменений в магниевом сплаве включает измерение интенсивностей входящих в состав магниевого сплава химических элементов эмиссионно-спектральным методом на исходных и термообработанных в специальных контейнерах образцах, что позволяет обеспечить высокую точность и информативность контроля элементного состава и структуры магниевого сплава.

Изобретение относится к способу анализа множества ферромагнитных частиц. Способ характеризуется тем, что выравнивают частицы упомянутого множества таким образом, что каждая из упомянутых частиц ориентирована практически в одном и том же направлении.

Изобретение относится к системе измерения свойств расплавленного металла. Система включает в себя контактный блок, выполненный с возможностью функционального соединения с первым концом по существу полого держателя штанги.

Изобретение относится к измерительному зонду для измерения и взятия проб в металлическом расплаве. Зонд выполнен с расположенной на штанге измерительной головкой, которая содержит, по меньшей мере, датчик температуры и камеру для проб.

Изобретение относится к исследованию титановых сплавов. Способ включает следующие этапы: (а) отрезают образец от детали из упомянутого сплава; (b) подготавливают область поверхности среза упомянутого образца вблизи кромки упомянутого образца, причем упомянутая кромка является общей с наружной поверхностью детали, таким образом, чтобы позволить обследовать упомянутую область поверхности среза; (с) обследуют альфа-фазу данной области при более чем 5000-кратном увеличении; (d) решают, присутствуют ли или отсутствует зернистость в альфа-фазе первой зоны, смежной с упомянутой кромкой образца; (е) делают вывод о существовании загрязнения упомянутого сплава газом, если установлено отсутствие зернистости в альфа-фазе упомянутой смежной зоны, но зернистость (зерна) присутствует(ют) в альфа-фазе вне упомянутой смежной зоны.

Изобретение относится к аналитической химии, конкретно к химическим индикаторам на твердофазных носителях, и может быть использовано для экспрессного определения металлов в водных средах и бензинах с помощью реагентных индикаторных трубок на основе хромогенных дисперсных кремнеземов.

Изобретение относится к погружному зонду для расплавов железа или стали с несущей трубкой с погружным концом и окружной боковой поверхностью, причем зонд может быть выполнен в качестве пробоотборника для шлака, находящегося на расплаве железа или стали.

Изобретение относится к методам тепло-прочностных испытаний конструкционных материалов преимущественно при прогнозировании и оценке работоспособности необлучаемых конструктивных элементов в атомной технике.

Изобретение относится к области моделирования технологических процессов, в частности к моделированию методами конечно-элементного (МКЭ) анализа горячего пластического деформирования металлических материалов и сплавов в процессах обработки металлов давлением (ОМД).

Группа изобретений относится к медицине и описывает композицию реактивов для измерения количества лития в биологических образцах, отличающуюся тем, что указанная композиция реактивов для измерения количества лития представляет собой водный раствор, содержащий соединение, которое имеет структуру, представленную формулой (I), смешиваемый с водой органический растворитель, выбранный из диметилсульфоксида (DMSO), диметилформамида (DMF) и диметилацетамида (DMA), и модификатор pH для доведения pH до значения в диапазоне от pH 5 до pH 12, концентрация соединения формулы (I) составляет от 0,1 до 1,0 г/л. Описан также набор реактивов для определения количества лития в биологических образцах, а также способ определения количества ионов лития в биологических образцах. Группа изобретений позволяет измерять количество ионов лития быстро или незамедлительно с использованием стандартного колориметра. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 пр., 11 ил.

Изобретение относится к области физики и может быть использовано для исследования иили анализа материалов путем определения их физических или химических свойств. Определение осуществляют по механическим и структурным характеристикам. При этом дополнительно определяют величину микротвердости перлита и при микротвердости менее 240 HV и не превышающей 50 HV разности значений по микротвердости между перлитом и ферритом принимают решение о пригодности стали для обработки путем холодной пластической деформации. Достигается повышение информативности и надежности определения. 4 ил.

Наверх