Reaserch of dependents between hardness of ribbon from steel 60C2A and heat treatment conditions

Full Text

Введение В процессе эксплуатации гидравлической системы самолета возможны следующие неисправности: внешняя негерметичность агрегатов и трубопроводов из-за потери эластичности и усадки материала уплотнительных колец, неточного изготовления уплотнений и поверхностей под уплотнения; внутренняя негерметичность агрегатов по причине износа уплотнителей [1]. Наиболее распространенный материал для изготовления уплотнительных колец гидравлической системы самолета - лента из конструкционной рессорно-пружинной стали 60С2А. Данная марка относится к высококачественным легированным сталям. Марке 60С2А свойственны отличные способности к сопротивлению знакопеременным и ударным нагрузкам, хорошие пружинящие способности, повышенная склонность к обезуглероживанию; при нагреве этой стали не происходит увеличения зерна материала [2, 3]. После штамповочной операции детали подвергаются термической обработке: закалка (850±10 °С с выдержкой 6 мин и охлаждением в масле) + отпуск (430±10 °С с выдержкой 40 мин и охлаждением в воде). Марка 60С2А распространена в производстве не только в России, но и в зарубежных странах. В табл. 1 представлены точные и ближайшие зарубежные аналоги материала 60С2А. В настоящее время процесс в зарубежной литературе большое внимание уделяется деформационным режимам изготовления ленты (прокатка) [4, 5]. Процесс термической обработки стали марки 60С2А практически не рассматривается, так как большее внимание и распространение получила марка стали 60Si2MnA, по химическому составу практически схожая с маркой стали 60С2А, но отличающаяся химическим составом: повышенным содержанием марганца и присутствием ванадия. Таблица 1 Зарубежные аналоги материала 60С2А США Германия Япония Франция Англия Китай Болгария - DIN, WNr JIS AFNOR BS GB BDS 9260 G92600 60MnSiCr4 60SiCr7 65Si7 SUP6 SUP7 61SiCr7 251H60 60Si2Mn 60S2A В табл. 2 указан химический состав пружинной стали марки 60Si2MnA. Таблица 2 Химический состав стали марки 60Si2MnA Элемент С Si Mn Ni Cr Cu V Массовая доля элемента, % 0,52-0,6 1,5-2 1-1,3 до 0,35 до 0,35 до 0,25 0,08-0,16 В зарубежной литературе рассматривается влияние режимов прокатки, штамповки и дисперсности перлитного зерна в исходной микроструктуре на механические свойства готовой продукции [6, 7, 8]. На производстве при изготовлении деталей возникает вопрос появления их пониженной твердости. Для решения вопроса улучшения механических характеристик необходимо изучить влияние термической обработки данного сплава на твердость по Виккерсу и микроструктуру. Целью данного исследования является изучение процесса термической обработки деталей из данного сплава для получения требуемой микроструктуры и механических свойств, соответствующих нормативно-технической документации. Материалы и методики Химический состав данной марки стали по ГОСТ 14959-79 указан в табл. 3. Таблица 3 Массовая доля элементов в стали марки 60С2А по ГОСТ 14959-79 - прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали Элемент С Si Mn Ni Cr Cu Массовая доля элемента, % 0,58-0,63 1,6-2 0,6-0,9 до 0,25 до 0,35 до 0,35 После поступления закупленной ленты из стали марки 60С2А на склад производится входной контроль. В процедуру входного контроля входит спектральный анализ на спектрометре МФС-8. После подтверждения соответствия химического состава нормативно-технической документации ленты отправляют на изготовление деталей - колец уплотнителей с последующей термической обработкой в виде закалки и отпуска. Из одной и той же ленты делаются различные партии деталей с разрывом по времени. Процесс закалки деталей и образцов-свидетелей проводится при температуре 850±10 °С, отпуск - при температуре 430±10 °С. По окончании цикла термической обработки образцы-свидетели в количестве 10 штук отправляются на контроль твердости по Виккерсу и исследование микроструктуры. Для изготовления образцов вырезается часть уплотнителя и шлифуется с обеих сторон с соблюдением параллельности поверхностей. Проводится испытание на твердость, после чего образец травится в 5%-м растворе азотной кислоты в воде и исследуется микроструктура с помощью анализатора фрагментов микроструктуры твердых тел Siams 700. Результаты Спектральный анализ показал соответствие химического состава ленты требованиям ГОСТ 14959-79. Химический состав исследованного образца указан в табл. 4. Таблица 4 Массовая доля элементов в образце из стали марки 60С2А Элемент С Si Mn Ni Cr Cu Массовая доля элемента, % 0,612 1,8 0,734 0,115 0,223 0,146 Начальные данные по параметрам и режимам технологии производства деталей из ленты стали марки 60С2А взяты из технологического процесса предприятия изготовителя. В ходе исследования для выявления связи твердости и микроструктуры взято 6 проб по двум термическим садкам. Значения твердости по Виккерсу после термической обработки указаны в табл. 5. Таблица 5 Твердость по Виккерсу № термической садки (т/с) № образца Значение твердости по Виккерсу, HV 1 238 336 239 349 243 509 2 244 309 260 238 264 286 На рис. 1 показана микроструктура исходного материала до проведения термической обработки. В микроструктуре наблюдается эвтектоид - перлит, состоящий феррита и цементита. Рис.1. Микроструктура исходного материала - феррит + перлит, увеличение Х1000 Рис.2. Микроструктура образца № 49 - игольчатый мартенсит, остаточный аустенит, увеличение Х1000 На рис. 2 показана микроструктура образца № 49. Данный образец взят из предыдущей партии уплотнительных колец и имеет микроструктуру, которая соответствует указанным режимам термической обработки, - игольчатый мартенсит, остаточный аустенит, карбидные выделения в ферритной матрице. Рис. 3. Микроструктура образца № 238 т/с 1 (отпущенный мартенсит -остаточный аустенит), увеличение Х1000 Рис. 4. Микроструктура образца № 244 т/с 2 (мартенсит отпуска, феррит), увеличение Х1000 На рис. 3, 4 показаны микроструктуры образцов № 238, 244: отпущенный мартенсит и частицы карбидов на образце № 238 и мартенсит отпуска с прожилками цементита на образце № 244. На рис. 5, 6 показана микроструктура образца № 243 - троостит отпуска с обезуглероженным слоем. Рис. 5. Микроструктура образца № 243 (троостит отпуска), увеличение Х1000 Рис. 6. Микроструктура образца № 243 с обезуглероженным слоем (троостит отпуска), увеличение Х1000 Обсуждение результатов По требованиям технологического процесса твердость уплотнительных колец должна находиться в диапазоне 440-510 HV, но из табл. 5 видно, что у исследованных образцов твердость не соответствует требуемым значениям. Причины несоответствия можно выяснить путем анализа микроструктуры. Для обеспечения оптимальных механических свойств сталь 60С2А должна иметь однородную структуру, для данных температур термической обработки годная микроструктура соответствует мартенситу отпуска по всему сечению детали [9]. В ходе исследования сделан микрошлиф исходного образца до термической обработки. Следует учесть, что, согласно данным выписки из сертификата на ленту марки материала 60С2А, с деталями ранних партий из данной ленты никаких несоответствий при проведении производственного цикла изготовления деталей не возникало. Пружинно-рессорная сталь марки 60С2А относится к перлитному классу сталей, соответственно исходная равновесная структура - феррит+перлит (см. рис. 1). В процессе отпуска микроструктура стали 60С2А претерпевает три стадии превращений. Первая стадия протекает в диапазоне температур 80-200 °С - формируется структура отпущенного мартенсита [10], данную структуру наблюдаем на образце № 238 т/с 1, где твердость по Виккерсу составляет 336 единиц, что не соответствует заложенным требованиям технологического процесса термической обработки завода изготовителя (см. рис. 3). Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200-300 °С и состоит из превращения остаточного аустенита в отпущенный мартенсит и распада отпущенного мартенсита [10] (данная структура наблюдается на образце № 244 т/с 2, где твердость по Виккерсу составляет 309 единиц, что также не соответствует требуемым значениям твердости) (см. рис. 4). Третья стадия, или превращение, происходит при 300-450 °С. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита [10]. Структура стали после среднего отпуска (350-500 °С) - троостит отпуска (высокодисперсный перлит) с остаточным аустенитом. Данная структура наблюдается на образце № 243 с твердостью по Виккерсу 509 единиц, что соответствует требованиям технологического процесса (рис. 5). Но в данной окончательной структуре по краям образца наблюдается обезуглероженный слой (рис. 6), который сигнализирует об отступлениях от корректного технологического процесса и может повлиять на работоспособность детали из-за своих пониженных физико-механических свойств. Для сравнения в исследовании изготовили поперечный микрошлиф образца № 49 от той же партии материала, где значение твердости по Виккерсу - 480 единиц, что соответствовало требованиям технологического процесса. В данной структуре наблюдаем несколько составляющих: игольчатый мартенсит отпуска, остаточный аустенит и феррит (см. рис. 2). Отличие микроструктур годных образцов № 243 и протокола № 49 объясняется повышенной дисперсностью исходной структуры образца № 243. Чем выше дисперсность, тем больше центров зарождения аустенита, следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Этим же и объясняется, что твердость образца протокола № 243 выше твердости образца протокола № 49. Так как троостит отпуска мелкодисперсный, его твердость выше твердости более крупного мартенсита с остаточным аустенитом. Обе структуры появляются после среднего отпуска и обеспечивают заложенную технологией твердость (являются допустимыми структурами для данных режимов термической обработки и марки стали) [9]. Структуры образцов № 238 и 244 являются промежуточными структурами при режиме отпуска, полное превращение игольчатого мартенсита не произошло. Данные структуры не обеспечивают заложенные требования к твердости и не могут быть рекомендованы для стали 60С2А. Возникшие дефекты микроструктуры и пониженное значение твердости являются результатом нарушения режимов технологического процесса термической обработки, сокращения времени выдержки во время отпуска. Исходя из исследования можно сделать вывод, что в случае изготовления уплотнителя из ленты марки стали 60С2А желание сократить время производственного процесса приводит к браку готовой продукции. Заключение Пониженное значение твердости детали вызвано нарушением режимов технологического процесса термической обработки. Данный вывод сделан после проведения ряда исследований образцов с анализом микроструктуры, который наглядно свидетельствует о нарушениях в проведении стадий термической обработки. Микроструктура с пониженной твердостью не соответствует требованиям к микроструктуре (троостит отпуска) закаленного и отпущенного сплава 60С2А. С целью исключения подобных дефектов необходимо производить термическую обработку четко в соответствии с требованиями технологического процесса с регистрацией всех параметров и термических садок.

About the authors

Ekaterina M Fomicheva

Samara State Technical University

Head of Department 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files