ВОЛОЧІННЯ БУЛАТНОЇ СТАЛІ

Про способи виробництва булатної сталі в лабораторних і промислових умовах описувалось в попередніх журналах «Клинок» (виплавка, деформування, термічна обробка, а також застосування булатної сталі як зносостійкого матеріалу в промисловості і сільському господарстві замість легованих сталей, сплавів і наплавочних матеріалів). В цій статті автор постарається надати подробиці технології волочіння булатної сталі в лабораторних умовах, які були застосовані в Інституту металофізики Національної Академії Наук України. За цією технологією було налагоджено напівпромислове виробництво молоточків для взуттєвої промисловості України.

Для вирішення цього питання треба було виконати три окремі задачі:

1.Розробити методику переробки булатної сталі для виготовлення інструменту з прутків або катанки діаметром 10 мм на напівфабрикат - дріт чи пруток діаметром 2,5-3,8 мм.

2.Розробити і виготовити діючий макет для термічної обробки прутків-напівфабрикату.

3.Визначити в технологічному процесі виготовлення напівфабрикату граничну, проміжну та фінішну обробку напівфабрикату.

Критерієм виконання цієї програми повинно було стати промислове випробовування отриманого по нашій технології ударного інструменту. В роботі використана методика і устаткування для обробки дроту/прутків пластичним деформуванням — волочінням — і швидкісною термічною обробкою.

Ударний інструмент для взуттєвої промисловості представляє собою циліндричні молоточки різних розмірів з різними стовщеннями, стоншеннями, з виточками або без них. Діаметр молоточків коливається в межах 5,0-2,5 мм, довжина 110-46 мм. Спроба виготовити молоточки шляхом їх термічної обробки не увінчалась успіхом через скривлення осі виробу (молоточків). Тому нам прийшлося вирішувати проблему термічної обробки дроту (прутка), потім його різали на заготовки визначеної довжини, а потім — подальша механічна обробка: шліфування і надання остаточної форми виробу. Як матеріал для виготовлення молоточків була взята сталь булатного типу, котру виплавили і переробили на пруток діаметром 10 мм на заводі «Дніпроспецсталь» (місто Запоріжжя). Чому сталь булатного типу —дивись журнал «Клинок» №4, 2005 року, стаття автора «Булат, сталь булатного типу». Сталь булатного типу є високочиста доевтектоїдна вуглецева сталь, яка має в своєму складі наступні елементи (мас. %): вуглець 1,14; кремній 0,04; марганець 0,09; сірка 0,010; фосфор 0,003; алюміній 0,04; церій 0,003; бор розрахунковий 0,002. Для порівняння наводимо хімічний склад інструментальної вуглецевої сталі У12А, яка широко застосовується в машинобудуванні (мас. %): вуглець 1,15-1,24; марганець 0,15-0,30; кремній 0,15-0,30; хрому до 0,15.

Відомо, що процес волочіння відрізняється від процесу прокатки круга, квадрату, листа, де в процесі прокатки діють не лише давлення і обтискування, а й відштовхуюча сила в напрямку прокатки. Під час же волочіння діють обтискуючи і розривні сили, які часто приводять до розриву дроту/прутка. В Інституті металофізики Національної Академії Наук України розроблена методика переробки булатної сталі з прутків або катанки діаметром 10 мм (прутки більшого діаметру в Інституті неможливо було переробити) в напівфабрикати — дріт або пруток 2,5-5,0 мм, з використанням фильєр із спеціальної сталі. Під час роботи були проведені експерименти з використанням більш «м’яких» і більш «жорстких» маршрутів переробки на всьому шляху, від вихідного розміру до кінцевих діаметрів. Результати цих експериментів показали, що проміжні термообробки повинні проводитися після сумарної деформації в межах 35-45 %. Критеріями, що дозволяє судити про необхідність проводити проміжну термообробку, були: погіршення процесу волочіння, скрипи, які з’являються в процесі волочіння і, врешті решт, розрив дроту в процесі волочіння. Було експериментально визначено, що проміжний відпал дроту в інтервалі температур 770-780°С приводить дріт до стану, коли ведеться безобривне волочіння, тобто в сталі пройшли процеси релаксації напруги, усунулися мікротріщини і відновилися пластичні властивості. В процесі волочіння заготовка (пруток, катанка) змащуються сумішшю водно-аміачного розчину дисперсного графіту 70-75% і рідкого скла (силікатний клей) 30-25%. Волочіння проводиться після повного висушування змазки на повітрі, або після підігріву до температури не більше 100°С. Нижче приводиться технологічна карта для отримання напівфабрикату взуттєвого ударного інструменту — молоточків — з заевтектоїдної вуглецевої сталі.

Діаметр 10, волочіння діаметр 9,5 — діаметр 8,5 — діаметр 8,0 — проміжна термообробка — діаметр 8,0 волочіння — діаметр 7,5 — діаметр 7,0 — діаметр 6,5 — проміжна термообробка.

Діаметр 6,0 волочіння — діаметр 5,5 — діаметр 5,0 — діаметр 4,5 проміжна термообробка.

а) Для напівфабрикату діаметр 3,8.

Діаметр 4,5 волочіння — діаметр 4,2 — діаметр 4,0 — фінішна термообробка, безцентрове шліфування до діаметру 3,8.

б) Для напівфабрикату діаметр 5,5.

Діаметр 4,5 волочіння — діаметр 4,2 — діаметр 4,0 — діаметр 3,7 фінішна термообробка, безцентрове шліфування.

в) Для напівфабрикату діаметр 2,5.

Діаметр 4,5 волочіння — діаметр 4,2 — діаметр 4,0 — діаметр 3,7 — діаметр 3,5 — діаметр 3,2 — діаметр 2,9 — діаметр 2,65 фінішна термообробка, безцентрове шліфування до діаметру 2,5.

Проміжна термообробка: швидкісний нагрів до 720-730°С впродовж 20-25 сек., витримка 5-10 сек., охолодження на повітрі.

Фінішна термообробка: швидкісний нагрів для гартування до 770-790°С впродовж 20-25 сек., гартування у воді (температура води 10-30°С), швидкісний нагрів до температури відпуску 300-310°С впродовж 10-12 сек., охолодження на повітрі.

В технологічній карті зазначені маршрути проходження виробів напівфабрикату діаметрами 3,8; 3,5; 2,5 мм для інструменту взуттєвої промисловості. Виготовлення напівфабрикату інших діаметрів має аналогічну картину.

Для визначення оптимальної температури гартування нами була проведена серія гартувань у воді зразків досліджуваної сталі в інтервалі температур 730-790°С з вимірюванням твердості через кожні 10 градусів (табл. 1).

З таблиці 1 видно, що найбільшу твердість отримують, коли сталь гартують при температурі 770°С. Нижча і вища температури нагрівання призводять до зниження твердості.

Для визначення температури відпуску загартовані зразки сталі піддавалися пічному відпуску при температурі 160-250°С з наступним вимірюванням твердості. Результати вимірювань наведені в таблиці 2.

Очевидно, оптимальна температура пічної обробки булатної сталі буде гартування при 770°С у воді і відпуск при 160°С.

Швидкісна електротермічна обробка, яка розроблена в Інституті металофізики, дозволяє значно збільшити продуктивність процесу термічної обробки, автоматизувати цей процес. Вона значно економніша пічної обробки, тому що нагрівання здійснюється безпосередньо пропусканням току через деталь, яку обробляють, і екологічно чистіша. У відповідності з термічним циклом швидкісної електротермічної обробки (десятки і сотні градусів за секунду), після швидкісної аустенизації проводиться різке охолодження сталі для її гартування, а потім швидкісний відпуск. В нашому експерименті нагрівання для проведення операції гартування дроту здійснювалося до температури 770°С за 20-22 сек., охолодження проводилось у воді. Вибір води в якості охолоджуючого середовища визначалося тим, що охолоджуюча властивість масла замала для отримання мартенситу в сталі нашого складу. Температура води повинна бути в межах 10-30°С. Підвищення температури води призводить до збільшення кривизни прутка, яка має бути не більшою 15/1000.

Швидкісний нагрів під час гартування має ще одну перевагу: зменшення глибини зневуглецювання і окалиноутворення. Короткочасність нагріву під гартування дозволяє отримати зневуглецювання не більше 0,05 мм навіть при температурі близько 1200°С. При електровідпуску фізична сутність фазових перетворень в сталі залишається та ж, що й при пічному відпуску. Але висока швидкість нагрівання призводить до деяких особливостей. Характер і послідовність перетворень взагалі однакові, тільки в останньому випадку температурні інтервали зміщені в область більш високих температур. Рекомендована температура пічного відпуску для сталі з твердістю 62-64 HRC відповідає 150-160°С, структурний стан після відпуску - мартенсит + карбіди (92-94% ), з них карбіди 12%, залишковий аустеніт 5-8%. Температура відпуску 300-310°С дозволяє отримати пруток з твердістю 55-57 HRC без кривизни, котрий можна обробляти на безцентровому шліфувальному верстаті. Ця операція, крім того, що прибирає окалину, справляє корисний вплив і на стійкість інструменту, що зазначає Геллер Ю.О. у своїй книзі «Інструментальна сталь».

Дослідження повної дифракційної картини булатної сталі в загартованому, а також в загартованому і відпущеному стані показали наступне: в загартованому стані зразки в основному мали мартенсит з чітко вираженим тетрагональним дублетом (мал. 1 а,б). При електровідпуску при 310°С утворюються карбіди високого ступеня дисперсності і їх мало (до 5,0% загальної маси). Рентгеноструктурні дані засвідчили, що в загартованій сталі мартенсит існує не в звичайній голкоподібній формі, а в «приховано кристалічній» формі. Голчатість мартенситу і ділянки аустеніту важко виявляються. Як в загартованому так і у відпущеному стані маємо справу з дрібнокристалічною структурою. Електронна мікроструктура також свідчить про рівномірний розподіл структурних складових. Це складна структура з дрібним зерном, границі якої закріплені карбідами. Очевидно стійкість булатної сталі після електровідпуску обумовлена виділенням на границях дрібних зерен або вічок -твердого розчину дрібнодисперсних карбідних частинок, які стабілізують і зміцнюють булатну сталь (мал 2 а,б).

Розроблена нами технологія волочіння і термічної обробки сталі характерна не процесом волочіння як таким, що відомий з давніх часів, а тим, що при цьому можна виконувати наступні операції:

1. Нагрівати дріт до необхідної температури гартування або відпуску, здійснювати витримку при цій температурі.

2. Проводити охолодження дроту в середовищі гартування.

3. Проводити вказані операції в умовах, що запобігають жолобленню дроту при гартуванні, а також зберігати прямолінійність дроту.

З цією метою дріт повинен знаходитися під розтягуючим зусиллям, величина якого може змінюватися в залежності від діаметра дроту, що обробляється і температури обробки.

Нами був розроблений, виготовлений і випробуваний в роботі діючий макет, який проводить усі необхідні операції швидкісної термічної обробки дроту, діаметр якого може бути в межах 2 - 5 мм, довжина дроту (прутка), що оброблюється 1800 мм. Для гартування використовувалися вода або масло. Механічно напружений стан здійснювали розтягуванням дроту (прутка) за допомогою навантаження набором гир. Блок установки, на якому проводилася термообробка складається з:

— блока управління, який дозволяє регулювати час і швидкість нагрівання через зміни напруги, яка надходить на силовий знижувальний трансформатор, а також час витримки через реле часу, тобто задавати програму нагрівання;

— знижувального трансформатора потужністю 20, 40 або 100 кВт, який подає напругу безпечної величини (до 40 в) на контакти нагріваємого дроту (у випадку нагріву дроту будь-якої довжини) або прутка при фінішній обробці;

— діючого макета для проведення термообробки в механічно-напруженому стані; зусилля напруження підбиралися дослідним шляхом; критерієм добору слугувала прямолінійність дроту (прутка) після фінішної термообробки, добиралося мінімальне зусилля розтягування для отримання прямого дроту (прутка) після швидкісного гартування та відпуску.

Величини прикладеного навантаження при термообробці в залежності від діаметру дроту наведені в таблиці 3.

Виконання цієї роботи дозволило нам отримати напівфабрикати ударного інструменту і виготовити інструмент в серійному режимі, бо ми впродовж трьох років забезпечували взуттєві фабрики України молоточками до повної їхньої зупинки.

Перш ніж запустити в серію виготовлення молоточків ми випробували їх в промислових умовах, порівнюючи стійкість їх з молоточками, виготовленими з сталі чехословацького виробництва марки 110B2XMФ, а також з інших сталей. Результати випробувань: булатна сталь не поступалася вольфрамовій сталі чехословацького виробництва і перевищувала стійкість інших легованих сталей в 1,2-1,5 разів.

Таким чином обрана, досліджена и випробувана булатна сталь для виготовлення ударного інструменту — молоточків для взуттєвої промисловості, — а також розроблена установка-блок для швидкісної технології механіко-електротермічної обробки дозволили нам заявити, що раніше подібні роботи не виконувалися. Ми зробили це вперше не лише в колишньому Радянському Союзі, а й в усьому світі. Робота закінчилась успішно, тому що була вибрана для дослідження булатна сталь, яка добре вальцювалась, гартувалась и шліфувалась. Всі дослідження буди виконані в 1994 році в Інституті металофізики.

Якщо читач звернув увагу на хімічний склад булатної сталі, то він не міг не помітити, що вона не має в такій кількості кремнію і марганцю, як їх мають високовуглецеві інструментальні сталі У7-У13.

Професор Ларіков Л.Н. (Інститут металофізики) в статті «Булат, минуле і сучасне», надрукованій в журналі №2 за 1995 рік «Металознавство та обробка металів» писав: «Встановлено, що слід контролювати крім звичайних домішок, також вміст марганцю і кремнію, які звичайно додають до промислових залізно-вугільних сплавів як розкислювачі. Ці елементи значно підвищують межу текучості фериту і зменшують його пластичність. Марганець утворює стабільний карбід, ізоморфний цементит і знижує його здатність до деформації. Кремній, взаємодіючи з киснем, утворює моноокис кремнію (фактор окрихчення), а також сприяє графітизації. Відсутність марганцю і кремнію в такій кількості, як у високовуглецевих інструментальних сталях, сприяла задовільному волочінню. Щодо гартування сталі без достатньої кількості марганцю і кремнію, то процес гартування сталі булатного типу забезпечувався наявністю вуглецю в кількості 1,14%».

БУЛАТНА СТАЛЬ — КОМПОЗИТНИЙ МАТЕРІАЛ

Про те, що булатна сталь — композитний матеріал, згадується в багатьох статтях та книгах різних авторів. Академік Національної Академії Наук України, директор Інституту матеріалознавства Трефілов В.І. в передмові до науково-популярної книги Ю.Г. Гуревича «Загадка булатного узора» писав: «З іншого боку булат в сучасному розумінні виявляється першим композиційним матеріалом, що поєднує в собі пластичність заліза і міцність вуглецевих сталей. Будова булату надає новій сучасній технології виробництва композиційних матеріалів для багатьох запозичень».

Те, що булатна сталь є композиційним матеріалом автор статті переконався, працюючи над розкриттям складу і технології виготовлення булатної сталі в лабораторних і промислових умовах. Так, наприклад, на поверхні деяких зливків лабораторних плавок масою 0,5-1,0 кг можна було спостерігати на фоні темного кольору зливка білі хвилясті лінії не залежно від того, скільки вуглецю мав булат: 0,4 чи 2,5%, або більше. Іноді після виготовлення зразків зі сталі лабораторних плавок, які піддавалися термічній обробці, під час вимірювання їх твердості ми отримували відхилення по твердості, яке досягало 14-20 одиниць. Крім того, на деяких зразках ми зовсім не мали твердості, тобто булатна сталь не гартується в маслі. Цим ненормальним явищем я поділився з доктором ф.м.н. Інституту металофізики НАН України Юрченком Ю.П., який попросив у мене необхідні зразки булатної сталі за кількістю вуглецю 1,27% і 1,05% і сталі У1З, і через деякий час проінформував мене про виконану роботу. Нижче викладається ця робота, яка мала назву «Коефіцієнт лінійного розширення і змінення питомого об’єму високовуглецевих сталей».

А. Матеріал і методика експерименту

Вимірювання змінення лінійних розмірів зразків сталі при нагріванні здійснювалось за допомогою кварцового дилатометра з робочим датчиком для визначення лінійних розмірів — механометром 6МХ1С. Запис в координатах температура — змінення довжини проводилось на двокоординатному самописі ПДП4-002. Контроль збільшення, який складав х 3700, здійснювався при вимірюванні лінійних коефіцієнтів теплового розширення чистого (99,99% ваг.) срібла. Величина визначалась в температурному інтервалі 50 К, помилка складала 10%. В таблиці 4 приведений хімічний склад досліджуваних сталей.

Зразками для дилатометричних досліджень були циліндри діаметром 5,0 мм (або 6,5 мм), висотою 6-8 мм. Гартування зразків здійснювалось від температур: 750,780,800,850,900,950 град. С у воді, розсолі (12,5 г NaCl на 250 мл води), маслі. Витримка при температурі гартування дорівнювала в усіх випадках 10 хвилин.

Б. Лінійні коефіцієнти теплового розширення вуглецевих сталей.

В таблиці 5 приведені значення лінійних коефіцієнтів теплового розширення високовуглецевих сталей, виміряні в цій роботі. Для порівняння приведені існуючі дані по альфа для сталей У8...