Влияние легирования никелем и молибденом на устойчивость аустенита и формирование структуры и свойств низкоуглеродистых мартенситных сталей с повышенным содержанием углерода
На правах рукописи
Закирова Мария Германовна ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НИКЕЛЕМ И МОЛИБДЕНОМ НА УСТОЙЧИВОСТЬ АУСТЕНИТА И ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2010
Работа выполнена на кафедре «Металловедение, термическая и лазерная об работка металлов» ГОУ ВПО Пермского государственного технического университета
Научный консультант:
Доктор физико-математических наук Спивак Лев Волькович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Глинер Роман Ефимович кандидат технических наук Пряничников Владислав Александрович
Ведущая организация:
НИУ ГОУ ВПО Южно-уральский государственный университет, г. Челябинск
Защита диссертации состоится « 24 » декабря 2010 г. в 1100 часов на заседа нии диссертационного совета Д 212.165.07 при Нижегородском государст венном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, НГТУ, корп. 1, ауд. 1258.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государ ственного технического университета им. Р.Е. Алексеева Автореферат разослан «_» _ 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Доктор технических наук, профессор Ульянов В.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Традиционные конструкционные стали с со держанием углерода 0,20-0,40% обладают недостаточной конструкционной прочностью и пониженной технологичностью при изготовлении термоуп рочненных деталей. Комплексные исследования кинетики превращения, структуры и характеристик механических свойств низкоуглеродистых мар тенситных сталей (НМС) показали, что НМС имеют высокие прочность, пла стичность и ударную вязкостью. Для НМС характерна высокая устойчивость переохлажденного аустенита в области температур нормального и промежу точного превращения, в отличие от сталей бейнитного класса, для которых комплекс характеристик механических свойств в существенной мере опреде ляет механизм превращения.
Требования, предъявляемые современным машиностроением к сталям – это высокая конструкционная прочность, низкая стоимость и технологич ность в изготовлении деталей машин. Прочность широко применяемых в на стоящее время, НМС составляет 1000 – 1200 МПа. Поэтому расширение хи мического состава низколегированных сталей мартенситного класса, повы шение комплекса механических и технологических характеристик, в том числе и надежности деталей, изготовленных из НМС, является важным эле ментом в переходе от традиционных представлений в этой области знаний, к новым, инновационным, основанным на научных подходах к созданию ста лей для изготовления деталей ответственного машиностроения. Одно из на правлений дальнейшего прогресса в сталях мартенситного класса связано с повышением конструкционной прочности рациональным легированием, обеспечивающим мартенситное превращение при медленном охлаждении.
Легирование мартенситных сталей позволяет обеспечить прокаливаемость в крупногабаритных изделиях при замедленном охлаждении на спокойном воздухе и, в результате, отказаться от использования экологически вредных закалочных сред.
Увеличение в стали содержания углерода дает возможность повысить характеристики прочности. Однако возникает при этом риск понижения ус тойчивости переохлажденного аустенита и развития крайне нежелательного, с точки зрения обеспечения вязкости, бейнитного превращения. Поэтому по иск составов сталей, позволяющих повысить характеристики прочности, и в тоже время сохранить преимущества сталей со структурой пакетного мартен сита, является актуальным как с научной, так и с практической точек зрения.
Тематика диссертации соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ и Перечню критических техноло гий РФ. Работа выполнена при поддержке «Фонда содействия развитию ма лых форм предприятий в научно-технической сфере», государственный кон тракт № 4293p/6718, гранта РФФИ 07-08-96007-р_урал_а, гранта РФФИ 09 08-99001-р_офи, аналитической ведомственной целевой программе «Разви тие научного потенциала высшей школы» (раздел «Проведение фундамен тальных исследований в области технических наук», № 2.1.2/1225).
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является иссле дование влияния легирования никелем и молибденом на устойчивость аусте нита, закономерности структурообразования и формирование свойств при термической обработке НМС повышенной конструкционной прочности и технологичности с увеличенным содержанием углерода без введения силь ных карбидообразующих элементов.
Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие зада чи:
Обосновать составы и исследовать фазовые превращения в изо 1.
термических условиях, при непрерывном нагреве и охлаждении в низкоугле родистых мартенситных сталях типа Х2Г2Н1 с повышенным содержанием углерода от 0,17 до 0,29%, никеля до 2,5%, молибдена 0,3-1,0%.
Изучить структуру и механические свойства сталей в зависимо 2.
сти от их состава и вида термической обработки с целью получения высокого комплекса характеристик механических свойств и технологических преиму ществ.
Предложить составы сталей, обеспечивающие достижение высо 3.
кой прочности, пластичности и вязкости.
Разработать технологические параметры термического упрочне 4.
ния предложенных сталей.
Подтвердить работоспособность разработанных сталей в реаль 5.
ных условиях эксплуатации изделий буровой техники.
Положения, выносимые на защиту.
1. Закономерности превращений при нагреве и охлаждении низколеги рованных сталей мартенситного класса с повышенным содержанием углеро да.
2. Получение структуры пакетного мартенсита в НМС с повышенным содержанием углерода, при охлаждении на воздухе с температур горячей де формации, а также при последующих циклах термической обработки новых НМС.
3. Пределы легирования углеродом, никелем и молибденом разрабо танных экономнолегированных НМС, обеспечивающие высокий комплекс характеристик механических свойств.
4. Состав новых низколегированных повышенной прочности сталей мартенситного класса не содержащих сильные карбидообразующие элемен ты и режимы термообработки, обеспечивающих высокие эксплуатационные и технологические характеристики сталей.
5. Параметры технологических процессов термической обработки НМС, со структурой пакетного мартенсита, с пределом прочности не менее 1500 МПа и высокими характеристиками вязкости и пластичности.
Научная новизна.
На основании исследования фазовых превращений в изотермиче 1.
ских условиях и при непрерывном нагреве и охлаждении установлены преде лы легирования никелем и молибденом высокопрочных сталей с повышен ным содержанием углерода, имеющих структуру пакетного мартенсита. Раз работаны составы НМС обеспечивающие высокую устойчивость переохлаж денного аустенита без дополнительного введения сильных карбидообразую щих элементов, таких как ванадий, ниобий, титан.
Доказано, что разработанная система легирования, при содержа 2.
нии углерода до 0,24%, гарантирует формирование структуры пакетного мартенсита обеспечивающей высокий уровень конструкционной прочности.
Показано, что в НМС, с повышенным содержанием углерода, 3.
процесс аустенитизации при нагреве в межкритическом интервале темпера тур носит сложный характер, включающий бездиффузионную и диффузион ную компоненты фазовых превращений.
Обоснованные пределы легирования НМС углеродом, хромом, 4.
марганцем, никелем, молибденом, обеспечивающие высокие характеристики прочности, пластичности и вязкости.
Практическая значимость.
1. На основании установленных в работе закономерностей фазовых превращений, формирования структуры и комплекса механических характе ристик предложены составы и режимы термической обработки, существенно повышающие конструкционную прочность известных НМС при сохранении присущей этому классу сталей технологичности.
2. Реализовано на практике применение разработанной стали 19 24Х2Г2НМ и технологии термической обработки для детали "карданный вал" диаметром 125 мм винтового забойного двигателя ООО "Фирма Радиус Сервис", что позволило снизить деформацию и коробление при термообра ботке, исключить правку и использование экологически вредных жидких ох лаждающих сред (минеральные масла, щелочи), обеспечить ресурс до 800 ча сов.
Объект исследования. НМС с повышенным содержанием углерода, не содержащие сильных карбидообразующих элементов, обладающие высокой технологичностью при изготовлении термоупрочненных деталей Предмет исследования. Устойчивость аустенита НМС с содержанием углерода 0,17-0,30%, хрома и марганца по 2% в зависимости от легирования никелем и молибденом. Структура и механические свойства.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуж дены на следующих конференциях: II Международной школе «Физическое металловедение» и XVIII Уральской школе металловедов–термистов «Акту альные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Тольятти, 2006 г;
VII Международной научно-технической конференции «Уральская школа-семинар металловедов – молодых ученых», Екатеринбург, 2006 г;
«XVII Петербургские чтения по проблемам прочности», Санкт-Петербург, 2007 г;
XIX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные пробле мы физического металловедения сталей и сплавов», посвященной 100-летию со дня рождения академика В.Д. Садовского, Екатеринбург, 2008 г;
Восьмой ежегодной международной Промышленной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современ ных условиях», п. Славское, Карпаты, 11-15 февраля 2008 г;
«Х Междуна родная научно-техническая уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых», Екатеринбург, 7-11 декабря 2009 г;
«V-я Евразийская научно практическая конференция «Прочность неоднородных структур», ПРОСТ 2010, Москва, 2010 г;
ХХ Уральской школе металловедов-термистов «Акту альные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвя щенная 100-летию со дня рождения Н.Н. Липчина. Пермь, 2010, 1-5 февраля 2010 г.
Личное участие. Все экспериментальные исследования по теме дис сертации, как в лабораторных, так и в производственных условиях, а так же обработка и анализ полученных результатов выполнены лично автором.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, приложений. Работа изложена на 130 страницах, включа ет 60 рисунков, 28 таблиц и 2 приложения. Список использованных источни ков содержит 68 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность, изложены цели и задачи, сфор мулированы научная новизна, практическая значимость работы, представле ны положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Формирование структуры при мартенситном превра щении, конструкционная прочность и технологичность низколегированных сталей мартенситного класса» рассмотрены особенности формирования структуры и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей. Глава за вершается постановкой задачи для исследования.
Во второй главе изложены материалы и методики исследования.
Основные исследования проведены на НМС базового состава 17Х2Г2Н1, с различным количеством углерода и легирующих элементов.
Стали экспериментальных плавок выплавляли в индукционной печи, разли вали в слитки размерами 100 х 100 мм массой 100 кг, прокатывали на диа метр 19 мм. Химический состав исследуемых сталей приведен в табл. 1. Со держание вредных примесей в сталях: 0,02 - 0,05% Al, не более 0,025% S и P.
Для получения сопоставимых результатов кованые прутки подверга лись термической обработке по режимам: а) закалка с 980 С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе (что при данной системе легирования позво ляет получить структуру пакетного мартенсита, номер зерна 7-10, твердость 40-44 HRC);
б) закалка с 980 С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе.
Отпуск 650 С, выдержка 2 часа, охлаждение на воздухе (в структуре полу чен отпущенный мартенсит). Проведенная фазовая перекристаллизация обеспечила величину зерна структуру и твердость такую же, как после горя чей прокатки.
Таблица 1 - Химический состав исследуемых сталей Содержание элементов, % Марка стали C Si Mn Cr Ni V Mo 17Х2Г2Н1 0,17 0,30 1,84 2,46 1,08 0,02 0, 18Х2Г2Н2,5 0,18 0,45 1,99 2,60 2,39 0,01 0, 17Х2Г2НМ0,3 0,17 0,28 1,90 2,28 1,52 0,02 0, 18Х2Г2НМ0,6 0,18 0,46 2,05 2,41 1,49 0,02 0, 24Х2Г2НМ0,5 0,24 0,28 1,82 2,27 1,50 0,02 0, 22Х2Г2НМ1 0,22 0,37 1,68 2,31 1,45 0,01 0, 29Х2Г2НМ0,5 0,29 0,17 1,97 1,98 1,40 0,01 0, Структура сталей – пакетный мартенсит (рис. 1).
Структура исследуемых сталей после ковки характеризуется большим размером зерна, чем после прокатки.
Рисунок 1 - Электронная микроструктура пакетного мартенсита стали 17Х2Г2Н1, х Основные исследовательские методы включали металлографический (Neophot-32) и электронно-микроскопический анализ (ЭМ-125) структуры.
Фазовые превращения изучали дилатометрическим (дифференциальный ди латометр Шевенара), магнитометрическим (модернизированный анизометр Акулова с автоматизированной системой регистрации результатов измере ний) и калориметрическим (дифференциальный сканирующий калориметр STA 449 C Jupiter) методами. Рентгеновский анализ проводили на приборе ДРОН-3М. Испытания на одноосное растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497–84 на машине INSTRON 300 LX. Ударную вязкость (KCV) опре деляли согласно ГОСТ 9454–78 на маятниковом копре ИО 5003–0.3. Дюро метрические исследования на твердомере Роквелла ТК – 2М.
В третьей главе "Влияние легирования на фазовые превращения, ус тойчивость аустенита и структуру низколегированных мартенситных сталей с повышенным содержанием углерода" приведены результаты изучения фа зовых превращений.
Фазовые превращения наиболее подробно изучены методом диффе ренциальной сканирующей калориметрии (DSC).
DSC кривые при нагреве сталей до 1000°С, 1150 °С в качественном плане похожи. Для примера, на рис. 2 представлена DSC кривая стали 24Х2Г2Н1,5М0,5. В стали состава 24Х2Г2Н1,5М0,5, как и во всех других сталях, нагрев после ковки или прокатки фиксирует появление в районе 750 – 830 °С хорошо выраженного эндотерми ческого пика, обусловленного перехо дом в аустенитное состояние.
Выше температуры завершения аустенитизации, точки Ас3, в процессе первого нагрева происходят некоторые явления, сопровождающиеся калоримет рическими эффектами. И только при на греве выше 980 – 1000 °С поведение сплава в этом отношении стабилизиру Рисунок 2 DSC зависимость (1) и ется.
вид ее первой DDSC (2) и второй DDD Характер изменения в районе тем производных (3) при нагреве стали ператур появления эндотермического 24Х2Г2Н1,5М0,5 со скоростью пика второй производной сигнала DSC 40 С/мин свидетельствует о том, что при нагреве реализуются несколько последовательно следующих друг за другом механизмов аустенитизации (несколько четко вы раженных максимумов на второй производной) (рис. 2).
Температуры точек Ас1, Ас3, определенных по данным DSC, представ лены в соответствующих таблицах диссертационной работы.
Из данных DSC следует, что оптимальной температурой аустенитиза ции исследуемых сталей после прокатки или ковки следует считать темпера туру 980 – 1000 °С. Нагрев до этих температур гарантирует получение в ста лях гомогенного аустенита.
Результаты определения критических точек исследуемых сталей пред ставлены в табл. 2.
Температуры критических точек, полученные с помощью DSC, сопос тавляли с данными, полученными дилатометрическими методами. Различие между значениями критических точек, полученные из данных дилатометри ческого и DSС анализов, не превышает 3% от определяемой температуры, что вполне отвечает точности проведения таких сравнительных сопоставле ний. С увеличением в сталях содержания углерода наблюдается снижение температуры начала мартенситного превращения. Влияние молибдена на точку Ас1 в исследованных интервалах легирования не отмечено.
Для исследуемых марок сталей были построены диаграммы изотерми ческого превращения переохлажденного аустенита. Одна из них для стали 24Х2Г2Н1,5М0,5 представлена на рис. 3.
На кинетических кривых при охлаждении сталей, как обычно, наблю даются три стадии: медленное начало процесса, ускорение в средней части и медленное завершение, характерные для изотермического превращения.
Таблица 2 - Температуры критических точек исследуемых сталей.
АС1 АС3 Мн Мк Марка стали Дила- Дила- Дила- Дилато DSС тометр DSС тометр DSС DSС тометр метр 17Х2Г2Н1 700 715 780 840 360 400 210 18Х2Г2Н2,5 710 715 830 815 340 370 260 17Х2Г2Н1,5М0,3 720 721 830 830 370 395 220 18Х2Г2Н1,5М0,6 700 710 830 845 360 395 190 24Х2Г2Н1,5М0,5 740 720 870 825 360 370 200 22Х2Г2Н1,5М1 740 720 870 840 360 400 200 29Х2Г2Н1,5М0,5 730 725 830 820 300 330 160 Примечание: температура аустенитизации 950 °С для дилатометрических исследований и 1000 – 1150 °С для исследований DSC.
3600С Рисунок 3 - Изотермическая диаграмма устойчивости переохлажденного аустенита стали 24Х2Г2Н1,5М0, В исследованных сталях, за исключением стали 17Х2Г2Н1, инкубаци онный период в области нормального превращения составляет не менее 6 ча сов. Устойчивость переохлажденного аустенита к нормальному превраще нию в стали 17Х2Г2Н1 1 час, что вполне достаточно для закалки на воздухе деталей сечением до 110 мм.
С увеличением содержания никеля до 2,5% повышается устойчивость аустенита. Нормальное превращение в стали 18Х2Г2Н2,5 не фиксируется в течение 8 часов выдержки.
При выбранной системе легирования ни в одной из сталей, содержащих менее 0,24% углерода, бейнитное превращение не обнаружено. Однако уве личение содержания углерода до 0,29% (29Х2Г2Н1,5М0,5) приводит к появ лению признаков бейнитного превра щения при изотермических выдержках в интервале температур 360 – 400 С.
На рис. 4 показано, в качестве примера, изменение DSC сигнала и его второй производной при охлаждении стали 24Х2Г2Н1,5М0,5 со скоростью С/мин. В районе температур мартен ситного превращения наблюдается эк Рисунок 4 - DSC зависимость (1) и вид зотермический пик, который, судя по ее второй производной DDD (2) при характеру изменения в этом темпера охлаждении стали 24Х2Г2Н1,5М0,5 со турном интервале второй производной, скоростью 10 С/мин представляет собой результат наложе ния тепловых эффектов от близких по температурам протекания этапов мар тенситного превращения Об отсутствии бейнитного превращения свидетельствуют данные по микроструктуре и микротвердости образцов. Результаты рентгеноструктур ного анализа не выявили присутствия в сталях после закалки остаточного ау стенита.
В зависимости от требуемой прокаливаемости оптимальное количество Ni в этих сталях должно находиться в пределах 1 - 2,5%.
Не обнаружено влияния молибдена (0,3-0,6%) на положение темпера турного интервала мартенситного превращения.
Рассмотрено влияние содержания углерода (0,17-0,24%) при одинако вом содержании молибдена на превращение переохлажденного аустенита.
Оказалось, что примененная система легирования позволяет сохранить высо кую устойчивость переохлажденного аустенита в области нормального пре вращения даже при содержании углерода 0,29%. Увеличение содержания уг лерода в стали с 0,18 до 0,29 % при одинаковой системе легирования (Х2Г2Н1,5М0,5-0,6) незначительно снижает температуру начала мартенсит ного превращения (табл. 2).
Магнитометрические измерения не фиксируют выделение из аустенита парамагнитных карбидных фаз. Однако их образование, меняя состав аусте нита, может привести к изменению температур начала и конца мартенситно го превращения. Изотермические выдержки в интервале температур нор мального и предполагаемого бейнитного превращения не привели к измене нию Мн. Следовательно, можно полагать, что при выдержке сталей в области температур 660-450 С не происходит перераспределение углерода в твердом растворе, карбиды не выделяются.
Для определения рациональной температуры аустенитизации, образцы из исследуемых сталей выдерживали один час при температурах: 850 С, 900 С, 950 С, 1000 С, 1050 С, 1100 С, 1150 С с последующим охлажде нием на воздухе или в масле. Заметный рост зерна аустенита начинается в интервале температур нагрева 950-1000 С. Введение молибдена, как карби дообразующего элемента, оказывает сдерживающее влияние на рост зерна аустенита.
Один из главных факторов, влияющих на твердость и прочность стали, является химический состав (при сравнении сталей с одинаковой термиче ской обработкой). Увеличение содержания Ni от 1% до 2,5% не приводит к заметному повышению твердости после различных температур аустенитиза ции.
При введении молибдена в количестве 0,3% твердость меняется незна чительно после закалки с температур 950-1050 оС. Существенное снижение твердости (на 4 HRC) наблюдается только при закалке с 1100 С. Это связано с высокой устойчивостью карбидов молибдена, которые растворяются пол ностью лишь при температурах выше 1050 С. Сталь 18Х2Г2Н2,5 не имеет устойчивых карбидов, поэтому твердость этой стали снижается при меньших температурах аустенитизации.
На основании полученных результатов, оптимальная температура ау стенитизации для данной группы сталей принята равной 980 ±10 С. Это со гласуется и с данными DSC. Установлено, что после закалки с температуры 980 С у всех исследуемых сталей наблюдается структура пакетного (реечно го) мартенсита. Рекомендуемое содержание никеля и молибдена должно находиться в пределах 1 - 1,5% и 0,3 - 0,6% соответственно.
Высокая температура начала мартенситного превращения исследуемых сталей в ходе охлаждения может способствовать самоотпуску. Закалка с раз личной скоростью охлаждения на воздухе (3-5 С/с) и в масле (40-50 С/с) оказала незначительное влияние на значения твердости. Следовательно, можно полагать, что изменение состава твердого раствора и структуры в температурном интервале мартенситного превращения не происходит. Воз можно только частичное снятие при этом закалочных напряжений.
В четвертой главе на основании результатов исследований разработаны технологические параметры упрочнения НМС с повышенным содержанием углерода.
Результаты исследования свидетельствуют о высокой устойчивости ау стенита, а, следовательно, о возможности закалки медленным охлаждением на воздухе деталей с сечением до 350 мм.
Решающим при выборе марки стали и режима ее термической обработ ки является комплекс механических характеристик и технологичность.
Температура аустенитизации для упрочняющей термической обработки равная 980 °С, была раннее обоснованна по результатам влияния температу ры аустенитизации на размер зерна и твердость, а также по данным DSC.
Анализ полученных в работе данных свидетельствует о том, что уро вень твердости образцов из НМС без молибдена, закаленных в масле и на воздухе, сохраняется высоким до температуры отпуска 450 °С. В сталях, ле гированных молибденом, отмечена высокая отпускоустойчивость - твердость сохраняется на высоком уровне до температур отпуска 500 °С. Твердость сталей, отпущенных на 650 °С, снижается в 1,5 – 2 раза и не зависит от ско рости охлаждения после аустенитизации. В связи с тем, что твердость не яв ляется универсальной характеристикой, и по полученным данным нельзя на значить режим упрочняющей обработки, проведены исследования влияния температуры отпуска на механические свойства при растяжении и ударную вязкость рассматриваемых сталей. Полученные данные свидетельствуют о высоком комплексе характеристик механических свойств исследуемых ста лей. В частности, сравнительный анализ сталей 17Х2Г2Н1 и 18Х2Г2Н2,5 по казывает, что обе стали сохраняют высокую прочность и вязкость до темпе ратуры отпуска 250 °С (в =1320 МПа, KCV = 70 Дж/см2 для стали 17Х2Г2Н и в = 1450 МПа, KCV = 75 Дж/см2 для стали 18Х2Г2Н2,5). Сталь с повы шенным содержанием никеля имеет более высокие характеристики механи ческих свойств. Установлено, что в исследуемой системе легирования уро вень конструкционной прочности не зависит от скорости охлаждения.
Сталь 17Х2Г2Н1,5М0,3 после закалки и отпуска при 250 °С имеет прочность 1380 МПа при высоких характеристиках пластичности и вязкости ( % = 55, KCV = 80 Дж/см2 ).
Прочность стали 18Х2Г2Н1,5М0,6, после закалки и отпуска при 250 °С увеличивается по сравнению со сталью 17Х2Г2Н1,5М0,3 и достигает 1470 МПа. Ее характеристики вязкости и пластичности : KCV = 95 Дж/см2, % = 16, % = 62.
С увеличением содержании углерода с 0,17 до 0,22% и молибдена с 0,3 до 1,0% (сталь 22Х2Г2Н1,5М1) после закалки с 980 °С на воздухе и от пуска при 250 °С повышается прочность и незначительно снижается пла стичность и вязкость (в=1580 МПа, % = 15, % = 50 KCV = 65 Дж/см2).
С дальнейшим повышением углерода в сталях эта тенденция сохраня ется. Так, например, в стали 29Х2Г2Н1,5М0,5 достигается прочность после закалки и отпуска при 250 °С 1660 МПа ( % = 15, % = 50, KCV = 60 Дж/см2). Однако в этой стали в больших сечениях может частично проте кать бейнитное превращение. Поэтому в дальнейшем более подробно иссле дована сталь 24Х2Г2Н1,5М0,5 с меньшим содержанием углерода. Результаты такого исследования представлены в табл. 3.
Из табл. 3 следует, что при закалке в масло достигли предела прочно сти 1600 МПа в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью. Несмотря на то, что предел прочности стали, закаленной на воздухе, несколько ниже, чем после закалки в масло, прочность отпущенной на 250 °С не зависит от скорости охлаждения после аустенитизации, что может быть следствием ре лаксации термических напряжений при отпуске.
Таблица 3 – Влияние скорости охлаждения и температуры отпуска на меха нические свойства термообработанной стали 24Х2Г2Н1,5М0, Термическая обработка в 0, Температура KCV % % отпуска Дж/см МПа Зак. на воздухе с темпера - 1580 1240 14 50 туры горячей деформации Закалка 980 оС - 1590 1180 15 41 о (1ч, воздух) 250 С (1ч,в-х) 1550 1220 12 40 о 450 С (1ч,в-х) 1410 1110 15 42 о 550 С (1ч,в-х) 1270 1080 15 47 о Закалка 980 С - 1600 1280 14 50 о (1ч, масло) 250 С (1ч,в-х) 1530 1240 13 49 о 450 С (1ч,в-х) 1360 1130 15 48 о 550 С (1ч,в-х) 1210 1040 15 52 Повышение температур отпуска до 450 – 500 °С привело к снижению величин относительного сужения и ударной вязкости. Поверхность разрушения образцов после одноосного растяжения или ударных испытаний свидетелствует о появлении доли хрупкой составляющей. Снижение характеристик вязкости и пластичности происходило в результате проявления отпускной хрупкости I рода.
Самые высокие характеристики ударной вязкости были получены на стали 17Х2Г2Н1 в горячекатаном состоянии. Последующая закалка стали приводит к снижению величины ударной вязкости практически вдвое (KCV от 131 до 66 Дж/см2). Введение молибдена приводит к менее сущест венному снижению ударной вязкости при повторной закалке. Максимальной конструкционной прочностью из всех исследованных сталей обладала зака ленная и низкоотпущенная НМС 24Х2Г2Н1,5М0,5 (в=1550 МПа, KCV= Дж/см2).
Следует отметить, что введение молибдена не устраняет проявление отпускной хрупкости, что подтверждает снижение величины относительного сужения и характер поверхности разрушения образцов.
В пятой главе «Практическая реализация исследований и проведение натурных испытаний деталей винтовых забойных двигателей из низкоугле родистой мартенситной стали с повышенным содержанием углерода» рас смотрена возможность применения экономнолегированных НМС с повы шенной прочностью и увеличенным содержанием углерода взамен традици онных улучшаемых сталей.
В результате комплексного исследования показано, что сталь 24Х2Г2Н1,5М0,5 обладает рядом преимуществ перед применяемыми в на стоящее время сталями со структурой сорбита отпуска. Освоено производст во детали винтового забойного двигателя «вал карданный» из стали 24Х2Г2Н1,5М0,5. Опытные детали успешно выдержали ресурсные испыта ния в составе винтовых забойных двигателей. В связи с положительными ре зультатами испытаний принято решение о серийном изготовлении деталей «вал карданный» из стали 24Х2Г2Н1,5М0,5 на пермском предприятии ООО «Фирма «Радиус–Сервис».
Расчет экономической эффективности внедрения НМС для детали «вал карданный», проведенный ООО «Фирма «Радиус–Сервис», показал возмож ность сокращения производственных и эксплуатационных расходов на сум му, превышающую 3,2 млн. руб. в год.
ВЫВОДЫ Изучено влияние легирования никелем и молибденом при повышенном 1.
содержании углерода на устойчивость переохлажденного аустенита эконом но легированных сталей мартенситного класса. Установлено, что легирова ние в пределах С – 0, 17 – 0,24%, Cr и Mn – 2%, Ni – 1,5 – 2,5%, Mo – 0,3 1%, обеспечивает устойчивость аустенита в нормальной области превраще ния от 3 до 8 часов, отсутствие бейнитного превращения, повышение темпе ратуры начала мартенситного превращения до 380 С.
Показано, что состав стали с повышенным содержанием углерода и 2.
размером зерна 10 мкм обеспечивает получение структуры пакетного мар тенсита, при охлаждении на спокойном воздухе в деталях размером до мм.
Впервые разработаны НМС с повышенным содержанием углерода, в 3.
которых, рациональным легированием достигнута высокая устойчивость пе реохлажденного аустенита в области нормального превращения, исключено бейнитное превращение и обеспечено формирование структуры реечного мартенсита при охлаждении на воздухе в больших сечениях. В результате получены высокие значения прочности, при сохранении высокой вязкости и технологичности, присущей НМС с содержанием углерода до 0,12%. Наи лучшие результаты достигнуты на стали 24Х2Г2Н1,5М0,5 получены сле дующие значения прочности в = 1550 МПа, 0,2 = 1240 МПа, пластичности = 15 %, = 50 % и вязкости KCV = 75 Дж/см2, прокаливаемость не менее 350 мм. У менее легированной стали 17Х2Г2Н1 прочность составляет в = 1320 МПа, 0,2 = 1060 МПа, пластичность = 15 %, = 55 %, вязкость KCV = 66,3 Дж/см и обеспечена прокаливаемость в деталях размером не ме нее 110 мм.
Методом ДСК установлено, что при нагреве НМС с повышенным со 4.
держанием углерода до 0,24%, без применения сильных карбидообразующих элементов, превращение аустенита в межкритическом интервале температур начинается по сдвиговому механизму и завершается по диффузионному.
Разработаны параметры термического упрочнения НМС, заключающе 5.
гося в закалке на воздухе с температуры 980 °С или с деформационного на грева и последующем отпуске при 250 °С.
Показано, что в зависимости от требований по прокаливаемости, для 6.
конкретных деталей возможно применение НМС со следующим сочетанием легирующих элементов C - 0,17%, Cr – Mn Ni обеспечивающим устойчи вость аустенита в нормальной области от 1 часа при содержание Ni 1% и часов при содержание Ni 2,5%. Установлено, что применение системы леги рования Cr – Mn – Ni – Мо, приводит к увеличению устойчивости аустенита до 8 часов в нормальной области и отсутствию бейнитного превращения при повышении содержании углерода (до 0,24%). Доказана возможность дости жения высокой устойчивость аустенита без введения в сталь сильных карби дообразующих элементов V, Nb, Ti.
На основании комплексного исследования рекомендована для исполь 7.
зования сталь 24Х2Г2НМ0,5, в которой после аустенитизации и охлаждения на воздухе достигается предел прочности 1550 МПа, в сочетании с высокими характеристиками вязкости и пластичности. Применение этой стали позволя ет унифицировать процесс термоупрочнения и заменить несколько марок сталей одной. Охлаждение на спокойном воздухе обеспечивает экологиче скую чистоту технологического процесса, поскольку исключены вредные за калочные среды, такие как минеральные масла, техническая вода, синтетиче ские жидкости.
Применение НМС 24Х2Г2НМ взамен среднеуглеродистых сталей 8.
40ХН2МА, 38ХН3МФА, легированных дефицитным никелем, для детали винтового забойного двигателя «вал карданный» позволяет значительно по высить эксплуатационные характеристики (ресурс), повысить технологич ность, повысить конкурентоспособность продукции. В результате проведен ных испытаний двигателей с деталями из НМС 24Х2Г2НМ полностью вы держали ресурсные испытания, отказа по причине использования экспери ментальных «валов карданных» не произошло. Расчет экономической эффек тивности внедрения НМС и разработанных технологий термического упроч нения в условиях производства ООО «Фирма «Радиус–Сервис», показал воз можность сокращения производственных и эксплуатационных расходов на сумму, превышающую 3,2 млн. руб. в год.
Основные публикации по теме диссертации:
1. Клейнер Л.М. Симонов Ю.Н. Ермолаев А.С. Закирова М.Г. Структу ра и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаленных из меж критического интервала температур // Конструкции из композиционных ма териалов. – 2006. Выпуск 4. С. 172-177. (рецензируемое издание, рекомендо ванное ВАК РФ) 2. Панов Д. О., Заяц Л.Ц., Закирова М.Г. Структурная наследственность и перекристаллизация при «быстрой» аустенитизации системно легированных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов.
2008. №10. С. 18 23. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ) 3. Корниенко Т.Г., Бердар Ю.Ю., Закирова М.Г., Заяц Л.Ц. Исследова ние влияния положения температурного интервала сдвигового превращения на структуру и свойства низкоуглеродистых сталей // Механика и технология материалов и конструкций: Вестник ПГТУ. Пермь: Изд-во ПермГТУ, 2004.
№ 8. С. 134-140.
4. Закирова М.Г., Быкова П.О Влияние термической обработки на раз мер зерна низкоуглеродистой мартенситной стали // Сборник научных трудов Молодежная наука Прикамья. Пермь: Изд-во ПермГТУ, 2005. – Выпуск 6. – С. 11-15.
5. Заяц Л.Ц., Закирова М.Г., Быкова П.О. Повышение прочности низко углеродистых мартенситных сталей путем измельчения зерна при аустенити зации // Перспективные процессы и технологии в машиностроительном про изводстве: Сборник научных трудов Юбилейной международной конферен ции. Пермь: Изд-во ПермГТУ, 2005. С. 23 24.
6. Закирова М.Г., Югай С.С. Особенности превращения в низко углеродистых мартенситных сталях // Перспективные процессы и технологии в машиностроительном производстве: Сборник научных трудов Юбилейной международной конференции. Пермь: Изд-во ПермГТУ, 2005. С. 20 21.
7. Заяц Л.Ц., Ермолаев А.С., Закирова М.Г., Игнатова Н.И. Структура и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаленных из межкри тического интервала // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: Сборник тезисов II Международной школы «Физическое металловедение», XVII Уральской школы металловедов-термистов. – Толь ятти: Изд-во ТГУ, 2006. – С. 94.
8. Закирова М.Г., Заяц Л.Ц., Ермолаев А.С., Быкова П.О. Измельчение зерна при циклической фазовой перекристаллизации стали 12Х2Г2НМФТ // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: Сбор ник тезисов II Международной школы «Физическое металловедение», XVII Уральской школы металловедов. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2006. – С. 97.
9. Ермолаев А.С., Клейнер Л.М. Закирова М.Г. Конструкционная проч ность низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаленных из межкритиче ского интервала // Уральская школа-семинар металловедов – молодых уче ных: Материалы VII Международной научно-технической конференции. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2006. – С.
10. Клейнер Л.М. Закирова М.Г. Дислокационный механизм упрочне ния – основа конструкционной прочности сталей // Сборник материалов XVII Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 90-летию со дня рождения профессора А.Н. Орлова. Санкт-Петербург: Изд-во СПбПУ, 2007. Часть 2– С. 137-138.
11. Клейнер Л.М., Закирова М.Г., Ларинин Д.М. Конструкционные мартенситные стали для высокопрочных сварных конструкций // Эффектив ность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в со временных условиях: Материалы Восьмой ежегодной международной Про мышленной конференции. Славское, Карпаты: Изд-во ДНТУ, 2008. – С.
368-370.
12. Заяц Л.Ц., Панов Д.О. Закирова М.Г. Структурная наследственность и перекристаллизация при «быстрой» аустенитизации системно легированных сталей // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: Сборник материалов XIX Уральской школы металловедов термистов, посвященной 100-летию со дня рождения В.Д.Садовского. Ека теринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2008. – С. 34.
13. Клейнер Л.М., Шацов А.А., Ермолаев А.С., Закирова М.Г., Лари нин Д.М., Ряпосов И.В. Закономерности структурообразования, фазовых пе реходов и диффузии в низкоуглеродистом мартенсите с блочной и блочно реечной структурой // Результаты научных исследований, полученные за 2007 г: Сборник статей Региональный конкурс РФФИ-Урал. Пермь, Екате ринбург, 2008. Часть 1. С.195 199.
14. Клейнер Л.М., Ларинин Д.М., Спивак Л.В., Закирова М.Г., Шацов А.А. Фазовые превращения в сплаве 07Х3ГНМ // Вестник пермского госу дарственного университета. Физика. – Пермь: Изд-во ПГУ, 2009. – Выпуск (27). – С. 100-103.
15. Закирова М.Г., Гребеньков С.К. Фазовые превращения в низкоугле родистых мартенситных сталях с содержанием углерода до 0,29% // Сборник трудов Х Международной научно-технической уральской школы-семинара металловедов-молодых ученых. Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2009. – С. 35-36.
16. Клейнер Л.М., Спивак Л.В., Шацов А.А., Закирова М.Г. Мульти плетный характер процессов аустенитизации и распада аустенита низкоугле родистых мартенситных сталей // Вестник пермского государственного уни верситета. Физика. – Пермь: Изд-во ПГУ, 2010. – Выпуск 1 (37). – С. 111 114.
17. Закирова М.Г., Ряпосов И.В., Гребеньков С.К. Влияние содержания никеля и молибдена на структуру и свойства низкоуглеродистых мартенсит ных сталей с содержанием углерода до 0,22%. // Актуальные проблемы фи зического металловедения сталей и сплавов: Сборник материалов ХХ Ураль ской школы металловедов-термистов, посвященной 100-летию со дня рожде ния Н.Н. Липчина. Пермь: Изд-во УГТУ-УПИ, 2010.– С. 111.
18. Ряпосов И.В., Закирова М.Г., Шацов А.А. Наноструктурирование сплавов на основе -железа термическим воздействием. // Актуальные про блемы физического металловедения сталей и сплавов: Сборник материалов ХХ Уральской школы металловедов-термистов, посвященной 100-летию со дня рождения Н.Н. Липчина. Пермь: Изд-во УГТУ-УПИ, 2010.– С. 87.
19. Клейнер Л.М., Закирова М.Г. Конструкционная прочность низкоуг леродистого реечного мартенсита // Прочность неоднородных структур:
Сборник трудов V-ой Евразийской научно-практической конференции.
Москва: Изд-во НИТУ «МИСиС», 2010. – С. 13.