blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-9-681-685blackmet-1718Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВЫБОР ТЕМПЕРАТУРНО-ВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЙ НАГРЕВА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЦЕССА БОРИРОВАНИЯ И ОБЪЕМНОЙ ЗАКАЛКИ КРУПНЫХ ШТАМПОВ ИЗ СТАЛИ 5ХНМCHOICE OF TEMPERATURE AND TIME CONDITIONS OF HEATING FOR THE COMBINED PROCESS OF BORATING AND VOLUME TRAINING OF LARGE STAMPS OF 5KhNM STEELМинковК. А.MinkovK. A.

ведущий инженер

607010, Россия, Нижегородская обл., Кулебаки, ул. Восстания, 1

Senior Engineer

Kulebaki, Nizhny Novgorod Region

k.minkov@ruspolymet.ruМинковА. Н.MinkovA. N.

к.т.н., доцент кафедры «Металловедение и термическая обработка металлов» 

84313, Украина, Донецкая обл., Краматорск, ул. Академичная, 72

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Material Science and Heat Treatment of Metals”

Kramatorsk, Donetsk Region, Ukraine

minkov46@mail.ruХлыбовА. А.KhlybovA. A.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение, технологии материалов и термическая обработка металлов»

603022, Россия, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Materials Science, Technology of Materials and Heat Treatment of Metals”

Nizhny Novgorod

hlybov_52@mail.ruПАО «Русполимет»РоссияJSC “Ruspolimet”Russian FederationДонбасская государственная машиностроительная академияУкраинаDonbass State Engineering AcademyUkraineНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University named after R.E. AlekseevRussian Federation201922102019629681685Copyright © Минков К.А., Минков А.Н., Хлыбов А.А., 20192019Минков К.А., Минков А.Н., Хлыбов А.А.Minkov K.A., Minkov A.N., Khlybov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1718

В промышленности широкое распространение получили штампы для горячего деформирования. В процессе эксплуатации они подвергаются воздействию высоких температур, напряжений, близких к пределу текучести, переменных термических нагрузок. Для производства штампов используются инструментальные стали повышенной прокаливаемости с высокими механическими характеристиками. В данной работе рассматривается возможность применения стали 5ХНМ. Одной из технологических операций при изготовлении штампов является закалка в масле. Для улучшения эксплуатационных характеристик, в том числе для повышения износостойкости штампов, рационально применять объемное и поверхностное упрочнение, в частности химико-термическую обработку. Представлен способ поверхностного упрочнения путем совмещенного нагрева под химико-термическую и термическую обработку. В качестве поверхностного способа упрочнения крупногабаритных штампов горячего деформирования предложено использовать борирование. Выбраны и подтверждены оптимальные температурно-временные параметры нагрева под совмещенную термическую обработку. Предложенный режим химико-термической обработки позволяет получить необходимую толщину борированного слоя, обеспечивающего высокую твердость и коррозионную стойкость в рабочем диапазоне температур штампа. Проведены исследования влияния термической обработки на структуру и размер зерна в образцах. Показано, что с повышением температуры и времени выдержки размер зерна увеличивается. Это приводит к снижению пределов прочности, текучести, твердости, ударной вязкости, что может отрицательно влиять на эксплуатационные свойства штампов. Для определения механических характеристик проведены испытания образцов (в исследуемом диапазоне температур и выдержек) на растяжение и ударную вязкость. Все испытания проводились в соответствии с существующими ГОСТами. На основании этих результатов выбраны температура и время борирования, обеспечивающие высокие механические свойства и толщину борированного слоя. Предложенный подход позволил значительно сократить экономические затраты на изготовление штампов из стали 5ХНМ за счет исключения из технологического процесса повторного нагрева для проведения закалки при сохранении требуемых эксплуатационных характеристик крупногабаритных штампов.

The stamps for hot deformation are widely adopted in industry. In use they are affected by high temperatures, tension (close to a fluidity limit) and variable thermal loadings. High-hardenability tool steels with high mechanical characteristics are used for stamps production. In this article, the possibility of use of 5KhNM steel for this goal is considered. One of technological operations at production of stamps is training in oil. It is rational to apply volume and superficial hardening, in particular chemical heat treatment, to improve operational characteristics of stamps, including wear resistance. The way of superficial hardening by the combined heating under chemical and thermal and heat treatment is presented. As a superficial way of hardening of largesize stamps of hot deformation, it is offered to use borating. Optimum temperature and time parameters of heating under the combined heat treatment are chosen and confirmed. The offered mode of chemical heat treatment allows receiving the necessary thickness of the borated layer providing high hardness and corrosion resistance in the working range of temperatures of a stamp. Also the influence of heat treatment on structure and grain size of the samples has been researched. It is shown that with increase in temperature and hold time, the size of grain increases. It leads to decrease in strength, fluidity, hardness and impact strength that can negatively influence operational properties of stamps. For definition of mechanical characteristics, the samples (in the studied range of temperatures and excerpts) have been tested for stretching and impact strength. All tests were carried out according to the existing state standard specifications. On the basis of these results, temperature and time of borating are chosen providing high mechanical properties and thickness of a borated layer. The offered approach has allowed reducing economic costs of stamps production from 5KhNM steel by exception from technological process of repeated heating for training with saving the required operational characteristics of largesize stamps.

борированиештампобъемная закалкаотпусктемпературавремястальboratingstampvolume trainingtemperingtemperaturetimesteelReferencesОколович Г. А. Штамповые стали для холодного деформирования металлов. – 2-е изд., перераб. и доп. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. – 202 с.Okolovich G.A. Shtampovye stali dlya kholodnogo deformirovaniya metallov: Monografiya [Stamp steels for cold deformation of metals: Monograph]. Barnaul: Izd-vo AltGTU, 2010, 202 p. (In Russ.).Лахтин Ю.М. Материаловедение: Учебник. – М.: Металлургия, 1990. – 528 с.Lakhtin Yu.M. Materialovedenie: ucheb. [Materials science: Textbook]. Moscow: Metallurgiya, 1990, 528 p. (In Russ.).Геллер Ю.А. Инструментальные стали. – М.: Металлургия, 1975. – 584 с.Geller Yu.A. Instrumental’nye stali [Tool steels]. Moscow: Metallurgiya, 1975, 584 p. (In Russ.).Mintz B. The influence of composition on the hot ductility of steel and to the problem of transverse cracking // ISIJ International. 1999. Vol. 39. No. 9. P. 833 – 855.Mintz B. The influence of composition on the hot ductility of steel and to the problem of transverse cracking. ISIJ International. 1999, vol. 39, no. 9, pp. 833–855.Fleischer R.L., Hibberd W.R. The relation between the structure and mechanical properties of metals. – H.M.S.O., 1963. – 203 p.Fleischer R.L., Hibberd W.R. The relation between the structure and mechanical properties of metals. H.M.S.O., 1963, 203 p.Тополянский П.А., Тополянский А.П., Ермаков С.А., Соснин Н.А. Повышение стойкости инструмента для холодной объемной штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2014. № 3. С. 22 – 32.Topolyanskii P.A., Topolyanskii A.P., Ermakov S.A., Sosnin N.A. Increase in firmness of the tool for cold volume stamping. Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. Obrabotka materialov davleniem. 2014, no. 3, pp. 22–32. (In Russ.).Гадалов В.Н., Емельянов С.Г., Романенко Д.Н., Розина Т.Н. Износ и повышение стойкости штампов // Новые решения в области упрочняющих технологий. Т.1. – Курск: ЗАО «Университетская книга», 2016. С. 46 – 48.Gadalov V.N., Emel’yanov S.G., Romanenko D.N., Rozina T.N. Wear and increase in firmness of stamps. In: Novye resheniya v oblasti uprochnyayushchikh tekhnologii [New decisions in strengthening technologies]. Vol. 1. Kursk: Universitetskaya kniga, 2016, pp. 46–48. (In Russ.).Гурьев А.М., Лыгденов Б.Д., Власова О.А. Совершенствование технологии химико-термической обработки инструментальных сталей // Обработка металлов. 2009. № 1. С. 14 – 15.Gur’ev A.M., Lygdenov B.D., Vlasova O.A. Improvement of technology of chemical heat treatment of tool steels. Obrabotka metallov. 2009, no. 1, pp. 14–15. (In Russ.).Богданова Т.А., Перебоева А.А., Третьякова Л.П., Окладникова Н.В. Исследование структуры и свойств штамповых инструментальных сталей // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева. 2009. № 2. С. 239 – 241.Bogdanova T.A., Pereboeva A.A., Tret’yakova L.P., Okladnikova N.V. Research of structure and properties of stamp tool steels. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta imeni akademika M. F. Reshetneva. 2009, no. 2, pp. 239–241. (In Russ.).Попова Л.Е., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и β-раствора в сплавах титана: Справочник термиста. – М.: Металлургия, 1991. – 503 с.Popova L.E., Popov A.A. Diagrammy prevrashcheniya austenita v stalyakh i β-rastvora v splavakh titana: spravochnik termista [Transformation diagrams of austenite in steels and β-solution in alloys of the titan: Reference book of heat-treater]. Moscow: Metallurgiya, 1991, 503 p. (In Russ.).Sourmail T., Smanio V. Low temperature kinetics заbainite formation in high carbon steels // Acta Materialia. 2013. Vol. 61. No. 7. P. 2639 – 2648.Sourmail T., Smanio V. Low temperature kinetics of bainite formation in high carbon steels. Acta Materialia. 2013, vol. 61, no. 7, pp. 2639–2648.Yang B., Degischer H.P., Presslinger H. etc. Influence of chemical composition on high temperature tensile properties of carbon steels // BHM Berg- und Huttenmannische Monatshefte. 2005. Vol. 150. No. 9. P. 313 – 320.Yang B., Degischer H.P., Presslinger H., Xia G., Reisinger P. Influence of chemical composition on high temperature tensile properties of carbon steels. BHM Berg- und Huttenmannische Monatshefte. 2005, vol. 150, no. 9, pp. 313–320.Thermochemical Surface Engineering of Steels / Mittemeijer Eric J., Somers Marcel A.J. eds. Woodhead Publishing, 2015. – 827 p.Thermochemical Surface Engineering of Steels. Mittemeijer Eric J., Somers Marcel A.J. eds. Woodhead Publishing, 2015, 827 p.Czerwinski Frank. Thermochemical Treatment of Metals. – INTECH Open Access Publisher, 2012. – 418 p.Czerwinski F. Thermochemical Treatment of Metals. INTECH Open Access Publisher, 2012, 418 p.Ворошнин Л.Г. Борирование сталей и чугунов: Справ. пособие. – Минск: Изд-во Беларусь, 1981. – 205 с.Voroshnin L.G. Borirovanie stalei i chugunov: sprav. posobie [Borating of steel and pig iron: Reference book]. Minsk: Izd-vo Belarus’, 1981, 205 p. (In Russ.).López-Chipresa E., Mejía I., Maldonado C. etc. Hot flow behavior of boron microalloyed steels // Materials Science and Engineering A. 2008. Vol. 480. P. 49 – 55.López-Chipres E., Mejía I., Maldonado C. etc. Hot flow behavior of boron microalloyed steels. Materials Science and Engineering A. 2008, vol. 480, pp. 49–55.Gopalakrishnan P., Shankar P., Palaniappa M., Ramakrishnan S.S. Interrupted boriding of medium-carbon steels // Metallurgical and Materials Transactions. 2002. Vol. 33A. No. 5. P. 1475 – 1485.Gopalakrishnan P., Shankar P., Palaniappa M., Ramakrishnan S.S Interrupted boriding of medium-carbon steels. Metallurgical and Materials Transactions. 2002, vol. 33A, no. 5, pp. 1475–1485.Kartal G., Eryilmaz O.L., Krumdick G. etc. Kinetics of electrochemical boriding of low carbon steel // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257. P. 6928 – 6934.Kartal G., Eryilmaz O.L., Krumdick G., Erdemir A., Timur S. Kinetics of electrochemical boriding of low carbon steel. Applied Surface Science. 2011, vol. 257. P. 6928–6934.Yeh C.L., Wang H.J. Preparation of borides in Nb-B and Cr-B systems by combustion synthesis involving borothermic reduction of Nb2O5 and Cr2O3 // Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 490. P. 366 – 371.Yeh C.L., Wang H.J. Preparation of borides in Nb-B and Cr-B systems by combustion synthesis involving borothermic reduction of Nb2O5 and Cr2O3 . Journal of Alloys and Compounds. 2010, vol. 490, pp. 366–371.А.с. 1712461 СССР, С23С8/70. Минков А.Н., Колесник Н.М., Гатченко А.Е. Способ борирования стальных изделий; заявл. 09.10.1987; опубл. 15.02.1992. Бюл. № 6.Minkov A.N., Kolesnik N.M., Gatchenko A.E. Sposob borirovaniya stal’nykh izdelii [Method of steel products borating]. Certificate of authorship USSR no. 1712461, S23S8/70. Byulleten’ izobretenii. 1992, no. 6. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.