автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Механизм влияния бора и технологических параметров термической обработки на прокаливаемость низколегированных конструкционных сталей



тульский ордена трудового красного знамени цодятешиеский ЩСТШУТ

На Ш)авах рукописи

Нирошяик Евгений Семенович

МЕХАНИЗМ ВЛИЯНИЯ БОРА И ТЕШЛОШЧЕСКИХ ДАРАЯЕТРОВ "ГЕЕЛИЧЕСКОй ОБРАБОТКИ НА ПР0Ш1ША2.10СТЬ ШЗКОЛШ-РОВАНШХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

05.16.01 - металловедение и термическая осЗрайотка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технически* наук

Тула - 1990

)

' )

Работа выполнена в Тульском ордена Трудового Красного Знамени политехническом института

Научные руководители -

доктор технических наук, профессор Головин С.А.

кандидат технических наук, доцент •Гринберг Е.М.

Официальные оппонента

доктор технических наук Фонштейн Н.М.

кандидат технических наук, доцент Белобрагин Ю.А.

Ведущее предприятие

Научно-исследовательский институт автотракторных материалов

Защита состоится "4 " декабря 1990 г. в 14 часов в девятом корпусе ТулЛЛ, ауд. 101 на заседании специализированного совета К.063.47.01 ВАК СССР в Тульском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте до адресу : 300600, г.Тула, 26, пр.Ленина,

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Гоячаренко Я.А.

игСПшН

^ 3

».' "»я! I. ОБЩАЯ ХАРАКГУРИОША РЛОТИ «тлел !

кеуг»ДКтуальидсть тещ. Необходимость повышения качества выпускаемой продукции бэз дополнительных затрат на ее производство выдвигает в число первостепенных задач, стоящих' перед металлургической и машиностроительными отраслями промышленности, расширение выпуска и применения ономнолэгисованшк й, в том числа, микролегированних сталэй. Микролегироваяие бором не только позволяет снизить экономические затраты на производство высококачественных сталей, по одновременно способствует повышению прокаливаемооти, вязкости, свари, ваемости. Мировая промышленная практика свидетельствует о перспективности применения борсодержащих сталей 'для изготовления деталей методом холодной штамповки.

Несмотря на технологические преимущества борсодержащих сталей, их внедрение в массовое производство солряяено с определенными трудностями, к числу которых относятся сложности металлургического характера (необходимость получения- строго нормированных малых концентраций бора в процессе выплавки стали, поддержание на заданном уроате содержания азота, титана к алшиния) и отсутствие научно обоснованных рекомендаций по выбору режима термической обработки бореодержащих сталей в зависимости о? технологических особенностей изготовления и содержания бора ж углерода.

, ¡1 настоящее время благодаря исследованиям советских и зарубежных ученых Архарова, Вияарова, Гсльдшгейна, Праданцева, Николсона, ¡Лак Брайда, Майтреяьерра, Ито, Ераунригга и др. накоплен большой экспериментальный и теоретический материал о поведении бора в сталях и особенностях их применения. Тем не менее такие важные аспекты, как механизм влияния бора на ирокаливаемость, природа твердого раствора бора в альфа-хелезе, термодошамиче-.тае условия образования сегрегации бора, влияние технологии металлургического производства я параметров термической обработки дореодержащях 'сталей на их про-калиааемость до сегодняшнего дня не нашли однозначного толкования. Поскольку от знания этих вопросов зависит эффективность применения-бора как микролегирующего элемента в низколегированных сталях, указанные проблемы представляют научный интерес и имеют практическое значение.

диссертационная работа выполнена в Тульском политехническом институте в рамках тематического плана Ш? ТумЫ, координируемого ¡Минвузом РСФСР (тема 28-81, номер гос.регистрации 80065^20), и Программы■ГКГО .0,16,05 "Создание и освоение прогрессивных стачай для. холодной штамповки".

ДЭТРР з.ачищаег

положение о воздействия опережающей сегрегации бора на распределение углерода и шкромеханические характеристики сплавов системы Ре - С - В ;

- установленные закономерности влияния тег.шературно-вре.\:ен-ных параметров термической обработки на распределение бора, структуру и свойства низколегированных борсодержащих сталей;

- механизм влияния микродобавок бора на прокаливаемость углеродистых и низколегирэванних конструкционных сталей и данные о прокалнваемости шрганцевобористых сталей конверторной выплавки;

- методики определения полумартенситной прокаливаемости и лрокаливае.чэстн на 90 % мартенсита;

- рекомендации по выбору режимов закалки конструкционных борсодержаидах сталей.

Цель работы. 'Установление закономерностей и механизма воздействия ьшкродобавок бора на прокаливаемость углеродистых и низко- ' легированных конструкционных сталей и разработка режимов термической обработки, обесдечиваздах повышение их эксплуатационных характеристик.

Обяая цэтолика исследований. Для изучения влияния температур-но-временных параметров тар:л:ческой обработки на распределение бора и углерода з структуре ста лей использовали мэтода трековой и активационной авторадиографии. Измерения внутреннего трения проводили яа установках РКМ-ТулШ-3 и ВУВШУ-ТулПИ. Микроструктуру исследовали на оптическом микроскопе " Меор1\о1 - 21" и электронном микроскопе ЭлВ-1001. РентгеноструктурныЙ анализ выполняли с помощью дифрактометра "ДР0Н-2.0". Измерения макро- и шкротвердооти осуществляли э соответствии с ГОСТ 9450-76 и 9013-59 на приборах ТК-2М и ШТ-3. Механические испытания проводили на универсальной машине Р-5 в соответствии о ГОСТ 1497-84 и на копре МК-30 по ГОСТ 9454-78.

Обработку экспериментальных результатов и оценку их достоверности выполняли на „основе ГОСТ 8.207-76.

Нздя.ая, .новизна^ - '

- с использованием двухэлементной активационной авторадаогра-фии выявлена опережающая по сравнению с углеродом неравновесная сегрегация бора на структурных несовершенствах в аустеняте при закалочном охлаждении, обуславливающая повышение равномерности распределения и содержания углерода в объеме твердого раствора;

- установлена основные закономерности, и механизм влияния

микродобавок бора на прокаливаемость углеродистых и низколегированных сталей, учитывающий опережающую сегрегацию бора на структурных дефектах при ускоренном охлаждении, повышение плотности дислокаций в аустениге и уменьшение его механической стабильности в интервале ,','н-;.1к;

- разработаны и ооосноваяы метод определения полумартенсит-ной ярокалнваемости, базирующийся на экстремальном характере изменения дисперсии твердости в зависимости от соотношения структурных составляющих, и экспрессный метод определения прокаливаемости на 90 % мартенсита, основанный на изменении отраяательной способности механически обработанной поверхности торцового образца в зависимости от твердости;

- предложены математические модели определения продолжительности изотермической выдержки при аустенитизации низкоуглеродистых борсодерхащих сталей.

Практическая ценность и ..редлизацщ резул^тдтоз работы. Результаты исследований позволили разработать рекомендации по выбору режимов нагрева под закалку конструкционных низколегированных сталей в зависимости от содержания бора, углерода и размера аустениг-ного зерна, обеспечивающие максимальные значения бор-фактора, мар-тенситной прокаливаемости и вязкости стали в низкоотпущенном состоянии. Совместно с НлШМ и ЩШШ разработан руководящий документ РД 37.012,027-50 "Борсодеряащиэ стали для холодной объемной штамповки", рзгламентирущий использование данных сталей на предприятиях йинавтосельхозмаша. В результате совместной работы с МЛЯЫ по замена сталей 38аА, 40Х на сталь 20Г2Р при изготовлении высокопрочного крепека на завод&к "Красная Этна", "Автонормаль", ПО "ЗИЛ" получен годовой экономический эффект 505 тыс.руб.(доля ТулЯИ - 100 тыс.руб.). Разработаны и аттестованы Госстандартом СССР таблицы стандартных справочных данных ГСССД 144-89 "Борсодер-жавде стали для холодной штамповки 051ГР, 12Г1Р, 20Г2Р, 30Г1Р. Упругие свойства. Модуль нормальной упругости при температурах -80...300 °С",

Апробация обботн. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на XI Всесоюзном совещании по жаропрочным покрытиям (Тула, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Интенсификация металлургических процессов и повышение качества металлов и сплавоа" (Тула, 1590), представлены на Совещании по механизмам внутреннего трения в твердых телах (Тбилиси, 1989), а также на XXIII, ХХУ, ХХУ1 научно-технических

конференциях профессорско-преподавательского состава ТулИЛ.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 4 публикациях .

дтруктурд щ объем диссертации. Диссертационная работа выполнена на 165 страницах и включает введение, обзор литературы, методическую главу, ¿ исследовательские главы, заключение, список литературы и пршкжания; содериит140 страниц печатного текста, 35 рисунков, 15 таблиц, библиографический список из 225 наименований.

2. ОСЯОШОЕ СОДЕКШШ РАБОТЫ

Критический анализ литературы показал, что данные о влиянии бора на структурообразоеание и свойства сталей, приводимые различными авторами, весьма противоречивы. Это обусловлено как многообразием методических подходов, так и сложностью и различием химического состава исследуемых сталей и сплавов. Подавляющее большинство исследований проьедено либо на отдельных марках сталей, либо при использовании нескольких марок сталей, но при фиксированных режимах термической обработки, что затрудняет установление общих закономерностей воздействия бора на струкгусообразование и свойства сталей, а такке оценку эффективности этого влияния в сталях с различным содержанием углерода и бора.

Отсутствует единая точка зрения о природа растворыостп бора в Л -железе и механизме влияния бэра на прокаливав!,юсть; недостаточно изучена конкурентная сегрегация бора и углерода на дефектах

• структуры е аустеките. Существенно различаются экспериментальные данные о влиянии температуры нагрева и условий охлаждения при закалке на распределение бора, характер формирующейся'Структуры, про-каливаеиость и свойства сталей. В то же всемя эти сведения крайне необходимы для разработки рациональных режимов закалка борсодержа-

• ¡них сталей. Практически отсутствуют сведения о влиянии технологии выплавки и прокатки на прокаливаемое« борсодержащих сталей. Существует потребность в разработке надежных методов определения дро-каливаемости и установок для их осуществления.

Цель работы и анализ состояния вопроса определили задачи исследования!

- выявление закономерностей формирования зернограничной сегрегации бора в аустените и еа влияния на распределение углерода!

- установление влияния легирования бором на шшромвхайичео-кяе характеристики низкоуглвродистого келеза;

- усовершенствование оборудования и методов определения про-

каливаемости;

- исследование взаимосвязи перераспределения бора при термической обработка и проиаляваемоста и уточнение механизма влияния микродобавок бора на лрокаливаемость низколегированных конструкционных сталей;

- разработка рекомендаций по выбору режимов термической обработки углеродистых и низколегированных борсодержащих сталей о целью обеспечения высокого комплекса эксплуатационных свойств.

2.1 Материалы я методики исследований

Исследование влияния бора на характер распределения углерода, микропластичность и струкгурообразование сплавов на основе железа проводили на модельных сплавах системы Га - С - В о различным содержанием бора и углерода, выплавленных в одинаковых условиях, Для изучения влияния бора на лрокаливаемость использовали борсодержащие (0,002., .0,007 мас.^В) и базовые углеродистые и низколегированные стали с 0,1...О,5 мас.# С , что позволило выделить непосредственный вклад бора э структурообразование и оценить эффективность его влияния при различных концентрациях углерода. -

Исследование характера распределения бора в сталях проводили о поморю трековой аеторадиографии (ТА). Для совместного изучения распределения бора, и углерода в низкоуглеродистых сталях в сотрудничестве с ШйЛ применена двухэлементная активационная ав-торадиографюг, ' '

С целью предотвращения окисления, обезуглероживания и под-стузшвания образцов разработана и заявлена в качестве изобретения установка для проведения испытаний на лрокаливаемость, отличающаяся от аналогов наличием вертикальной вращающейся печи, позволяющей транспортировать образец из позиции нагрева в ¿Ьзицию охлаждения под действием собственного веса.

Для повышения точности определения полумартенситной лрока-ливаедюсти разработан ж обоснован метод,не требующий априорного знания твердости полумартенсятнсИ зоны и позволяющий учитывать эффекты самоегдуска. Метод основан на экстремальном характере изменения .дисперсии твердости а зависимости от ооотяошь'.ля структурных составляющих стали на различных расстояниях от закаленного торца образца Дшдаи (рио. I). Глубине полумартенситной зоны соответствует положение максимума кривой 5*(£) . На заявку по предложенному методу получено положительное решение.

тс,

50 30

к

г ^нкс,

/ з; ■

й

40

20

<5

30 Ь

60

Рис.1. Кривые прокадиваешсти и дисперсии твердости ста.та 40 .

а)

г • ^90

1

50

30

га

5) Л*

/ о *

•О* У -

85 О

950 Тзак.'С ЮМ

2.6 2.5 2,0

Рис .2. Влияние температуры нагрева под закалку на прокаливае-мость борсодержащей стали (а), размер аустенитного • зерна и бор-фактор (б)

ТтМ

<000

560

920

■ ✓ У / / ■^уС,

/ / /А / У У

/ ' Л 1/ / { / У V / у / У

У" " С.< Сг< Са<С^ 1

0 0,002 0,004 Ов.миУ, 0,003 Рис.3. Зависимость Тпи от содержания бора в сталях, С1...С4- конц. углер.,^

км

60

50

•— »-— »— » -дта

0

1 .... ■

10

£0 30 ЧГ.сек.

Рис .4. Влияние продолжительности предзакалочной паузы на прокаливае-•мость стали 20Г2Р

С целью сокращения продолжительности и упрощения испытаний предложен экспрессный метод определения прокаливав,«ости на 90 % мартенсита, базирующийся на различной отражательной способности механически обработанной поверхности образца Джомини по его длине в зависимости от твердости. Шероховатость поверхности зоны, содер-нащей не более 10 % продуктов немартенситного происхождения, на 2 класса отличается от шероховатости остальной поверхности торцового образца, вследствие чего эта зояа выглядит "блестящей" и может быть легко измерена.

Достоверность научных положений и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечена большим объемом эксперимента, выполненных с использованием комплекса современных методов мегаллофизического анализа, статистической обработкой полученных данных с применением дисперсионного, корреляционного и регрессионного анализов, а 'также хорошей сопоставимостью результатов лабораторных исследований и одытно-дромщаленкой апробации.

2.2 Влияние бора на распределение углерода и шкромеханлчес-кие характеристики железа

Методом внутреннего трения в широкой диапазоне частот (I... IÜ0Q Гц) и температур {20...400 °С) изучено влияние бора на релаксацию Сноека в низкоуглеродисгом железе, отояхенном при 900 °С и закаленном от температур в интервале 725...IIÜ0 °С. Для шшролегп-рованиого бором сплава на кривых температурной зависимости внутреннего трения (ГЗБТ) в исследованном интервала температур формируется только один максимум сноековской природы, тлеющий независимо от температуры закалки коэффициент устарения 0 и смещенный в сторону более низких температур по сравнению с не содержащим бор сплавом. Величина этого смещения для герцевого диапазона измерений составляет 3...6 для килогерцевого - 19...23 °С. Отсутствие на кривых ТЗЗТ борсодержащего сплава других максимумов не позволяет трактовать данный максимум как "борный", аналогичный углеродному пику Сноека, и наряду а полученными в последнее время результатами ШР-аналяза указывает на вакансионный механизм растворения атомов бора в решетке оС - железа. Наличие указанного максимума связано с присутствием углерода а сплаве, а его смещение в сторону низких температур свидетельствует об ускорении миграции углерода в присутствии бора.

Энергия активации релаксационного процесса, обуславливающего формирование максимума ВТ, определенная по частотному сдвигу сос-

тавила ~ 0,7 и -0,8 аВ для низкоуглеродистого железа и его сплава с бором соответственно. В то же время значения предзкспоненциаль-яого множителя T« примерно на 2 порядка выше в сплаве, содержащем бор, что приводит к увеличению подвижности углерода в присутствии бора, которое может бить связано с повышением термодияагдической активности углерода либо с дополнительной деформацией кристаллической решзтки при растворении бора.

Высота максимума Сноека для сплава, содержащего бор, после всех обработок оказывается большей, чем для низкоуглеродистого железа, что макет быть связано с опережающей сегрегацией бора на структурных дефектах в аустените. Яршое подтверждение этого предположения получено с помощью двухэлементной авторадиографии, позволившей одновременно исследовать распределение бора и углерода в структуре закаленных сплавов. Обнаружено заметное обогащение границ зерен углеродом в не содержащем бор материале. В борсодержащем сплаве наблюдается повышенная концентрация бора в пограничных областях, в то время как углерод, распределен довольно равномерно. Указанный факт свидетельствует об опережающей неравновесной сегрегации бора на структурных несовершенствах в процессе ускоренного охлаждения от температуры аусгенитизащш.

Исследование швдодеформационных характеристик сплавав' позволило заключить, что микродобавки бора способствуют заметному (на~ ~ 25 iffla) уменьшении микроскопического предала текучести низкоуглеродистого келеза, в то вревд как напряжение сопротивления движению дислокаций ( Tf = 40 Ша) практически яэ изменяется. Анализ амплитудных зависимостей ВТ показал, что уровень затухания в шкроле-гированном бором сплаве выше, а значения второй критической амплитуды деформации if" , соответствующей возникновению локальной деформации в мякрообъемах, меньше, чем в низкоуглеродистом железе, что связано с уменьшением закрепления дислокаций примесными атмосферами и увеличением количества подвижных дислокаций, Установленный аффект обусловлен как опережающей по сравнению с углеродом, фосфором и азотом сегрегацией бора на дефектах структуры и преимущественным расположением бора а позициях замещения в «/. - железе, так и сильной деазотвдувдей и раскисляющей способностью бора.

2.3 Исследование распределения бора по высоте слитков и его влияния на прокаливаемоеть сталей 12Г1Р и 20Г2Р

Прдманешш высокопроизводительного процесса конверторной вшшавки качественных борсодаркащих сталей требует разработки технологии, обеспечивающей равномерное распределение бора по объему

крупнотоннажных слитков, методом ГА исследовано распределение бора по высоте II-тонных (условно разделенных на 17 горизонтов) слитков опытно-промышленных плавок низкоуглеродистых марганцевобористых сталей 12Г1Р и 20Г2Р конверторного производства Западно-Сибирского металлургического комбината. Установлено, что бор в слитках распределен достаточно равномерно, его содержание по горлзонтам отличается в пределах - Q.00C3 нас.!?.

Лрокиливаемосгь исследованных сталей определяли при стандартных температурах закалки. Результаты одно^акторного дисперсионного анализа, при котором варьирование фактора осуществляли на восьми уровнях в соответствии с количеством исследованных горизонтов, свидетельствуют о равенстве значений прокаливаоиости по высоте слитков. Средние по слитку значения прокаливае.мости составляют: сталь 12Г1Р-7,3/5,5; сталь ¿0Г2? - В,6/6,9 (в числителе полумартенситная про-каливаемость, в знаменателе- пеохамшаеиость на 90 % мартенсита, мм). Уровень прокаливаемом« стали 20Г2Р после прокатки на различный размер поперечного сечения различается лишь в пределах погрешности эксперимента, что делает возможным его определение до операции прокатки на мелкий сорт и заблаговременную корректировку изготавливаемой номенклатуры проката.

2.4 Влияние параметров термической обработки на структурообра-зсвание и прокаливаемость борсодержащих сталей и сплавов

Методами ТА, цзтал-вдграфического и дарометрического анализов исследовано влияние длительности выдержки при нагреве под закалку на равномерность распределения бора, структуру к тЕердооть низкоуглеродистых сплавов. Для расчета времени аустенитизации низксуг-леродистых сплавов яелеиа, когда лимитирующим звеном процесса является дийузиошшй массолеренос бора, с учетом наиболее типичных случаев распределения борсодержащих частиц в исходном состоянии предложены математические модели точечных равномерно распределенных источников (I) и сферических источников (II). В качестве критерия однородности распределения бора принимали отношение Сад/Са, где Со - предел растворимости бора в железе при температуре нагрева, C(ft,t) - концентрация бора в момент времени t в наиболее удаленных от источника точках (на половине расстояния между точечными источниками или в центре сферы радиусом R ).

Конечные формулы для расчета степени однородности в зависимости. от длительности нагрева имеют вши для модели I !

Jt'Ot 9Jt*Jt .¿5Wt

для модели II • 9JI>J)t

К— + t (n)

где В - коэффицеяг диффузии бора а матрице яри температура аусге-нитизации.

Экспериментальная проверка моделей на низкоуглеродистых; жале-зобористых сплавах, в которых распределение борсодержащей фазы соответствовало принятым схемам, показала хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных.

Изменение характера распределения бора в зависимости от продолжительности аустештизации оказывает определяющее влияние на формирование структуры и твердости закаленных образцов. При использовании оптимального времени выдержки (20 мин) при температуре нагрева под закалку (S60 °С) низкоуглеродистого^сплава с 0,017 нас.# В распределение бора а аустеннте-равномерное, структура сплава-подобна пакетному мартенситу, а твердость-максимальна. При временах нагрева меньше оптимального концентрация бора в непосредственной близости от выделений борсодертащей фазы повышена и снижается по мере удаления от источников бора. Структура сплава в этом случае фрагментированкый феррит с невысокой твердостью.

С ростом содержания углерода термическая стабильность избыточной карбоборидной фазы возрастает, и лимитирующим звеном становится более медленный процесс растворения борсодеркащих выдзленл-й, что вызывает необходимость увеличения температуры или длительности аустенитизации.

С целью изучения влияния условий охлаждения на распределение бора и сгрукгурообразование низкоуглародистого сплава с 0,017 мас.% Ь использовали три варианта обработки! закалка в"10 %-ж ледяном водном растворе NoCi , закалка в масла (25 °С) и охлаждение на спокойном воздуха. Образцы аустенитизировали при температура Ю00°С и выдерживали в течение 20 мин, что обеспечивало получение аусте-нитной структуры с незначительным количеством нерастворившихся выделений борсодержащей фазы в объеме 'верен.

Установлено, что характер формирующейся структуры сплава определяется величиной концентрации бора, фиксируемой охлаждением в пересыщенном твердом растворе. Обработка по первому режиму обеспечивает максимальную величину этой концентрации и равномерное распределение бора между структурными составляющими, что приводит к

образованию малоуглеродистого мартенсита. Уменьшение скорости охлаждения при закалке в масле способствует развитию сегрегации бора на структурных границах, а его концентрация в объеме пересыщенного твердого раствора оказывается недостаточной для подавления диффузионного У - Л. - превращения. В этом случае формируется структура фрагментированнсго феррита. Наличие сегрегации бора, сникавших удельную зернограничную энергию, и сравнительно короткие пути дийузии, обусловленные 'малой продолжительностью охлаждения, приводят к образованию высокоразвитой межзеренной поверхности, при этом рост ферритных сародылей контролируется диффузией бора в объеме исчезающей аустенитной матрицы. Дальнейшее уменьшение скорости охлаждения (нормализация) приводит к практически полному выделению бора из твердого раствора, распад которого сопровондается образованием крупнозернистого феррита с развитой субструктурой. Сопоставление размеров ячеек сегрегационной сетки с параметрами металлографической структуры- размером зерна ^сегментированного феррита или размером субзерна б крупнозернистом феррите - показало, что предпочтительным местом неравновесной сегрегации бора в случае закалки в масле являются высокоугловые граница фрагментированных ферритных зерен,, а при охлаздении на воздухе- малоугловые субзеренные и ви-сокоугловые мехзерснные границы.

Изучено влияние температуры нагрева под закалку (Тд) на характер формирующейся структуры и прокаливаемость углеродистых и низколегированных борсодеркащих сталей 1<!Г1Р, 20Г2Р, ЗОХРА, 50Р. аля выявления непосредственного вклада бора параллельно исследовали не содержащие бор стали с аналогичной концентрацией углерода и базой легирования. Эффективность микролегирования бором оценивали с помодью бор-фактора ^ 1 др— , гДе - идеальный критический диаметр, определяемый в ходе эксперимента; Б; - идеальный критический диаметр базовой стали, рассчитываемый по содерадьмэ углерода и размеру зерна аустенита. Температуры аустенитизащш варьировали в интервале 830...1100 °С.

Характерный вид температурной зависимости прокаливаемооти да 50 (Д^ц) и 90 (П9С) % мартенсита,& и среднего условного диаметра зерна аустенита 5* исследованных борсодержащих сталей на примере стали 20Г2Р представлены на рис. 2. Данные регрессионного-анализа позволяют заключить, что для борсодаржащих сталей зависимости (Т 6 1050 °С) являются монотонно возрастающими и описываются уравнениями линейной регрессии с коэффициентами корреляции Г 7/ 0,95. Повышение температуры до 1080...1100 °С приводит к

умеаыаешт'Пзд в некоторых сталях, однако она все равно остается существенно выше, чем после "стандартной" закалки. Зависимости ПдО = f(Т3) в соответствии с результатами корреляционного анализа о использованием дисперсий адекватности и воспроизводямости-нелинейны и юлеют экстремальный характер. В не содержащих бор сталях зависимости П-0, Пэд = { (Г3) хорошо описываются линейными ура» нешиши. Уменьшения П^д не обнаружено во всем исследованном интервале температур нагрева под закалку.

Размер зерна аустенита во всех борсодзряащих сталях до определенных температур остается практически неизменным, после чего наблюдается его существенное укрупнение. Стартовые тешературы ускоренного роста зерна примерно совпадают с температурами Тлю»,при которых значения ^ и Пэд максимальны. Изменение Л» в базовых сталях подчиняется экспоненциальному закону, что свидетельствует о наследственной крупнозернистости,

Иикроструктура зоны, содержалей 90 ^ мартенсита, для всех исследованных борсодеряадих сталей одинакова- мартенскто-бейяиная. Полумартенситная зона наряду с мартенситом к верхним бе ¡'литом содержит доэвтекгоадный феррит, количество которого в стали 12Г1Р достигает 15 %. Структура указанных зон в базовых сталях мартенси-то-трооститная с содержанием троостига 10 в 50 % соответственно.

С повышением содержания углерода значения и Т«а уменьшаются до зависимости, близкой к линейной, при этом Три» во всем исследованном интервале концентраций углерода превышает температуры Ас, на "ПО,. .130 °С. Увеличение содержания бора вызывает нелинейный рост Ттах. Схематическая диаграмма зависимости Тем от содержания углерода и бора в стали (рис. 3) позволяет определять оптимальные с точки зрения дрокаливаемости температуры нагрева низколегированных борсодерхащях сталей иод закалку.

Усганоаленний характер изменения Д^ и Лдд для борсодержащих сталей обусловлен следующим. Повышение температуры нагрева под закалку до Ттм.практически не изменяя размера аустенктного зерна, способствует повышению гомогенности распределения углерода и растворению избыточных борсодеркащих фаз, обуславливавшему увеличение концентрации и равномерности распределения бора в твердом растворе. Увеличение пересыщения аустенита при-последующей закалочном охлаждении вызывает возрастание уровня решеточных напряяений, что способствует повышении плотности дислокаций и идащшрованию сдвигового превращения. Подъем температуры выше Т»» сопровождается растворением барьерных частиц нитридов и ускоренным ростом зерна. Высокая диффузионная подвижность и сокращение суммарной

протяженности границ зерен вызывают в процессе охлаждения формирование "мощных" сегрегации и дисперсных борсодержащих выделений, являющихся "стоками" для бора и углерода из приграничных областей, что приводит к образованию ферритных прослоен у границ, и падению Дэд. Повышение Ugj с ростом Тд связано с увеличением количества бейнитной составляющей и снижением доли доэвтектоидного феррита в структуре. Существенное снижение твердости и IlgQ при Т ^1030... 1100 °С обусловлено уменьшением количества мартенсита в структуре за счет увеличения доли бойиита.

С целью изучения воздействия сегрегационных эффектов на протекание маргенситлого превращения в борсодержащих сталях исследовали влияние продолжительности предзакалочной паузы на прокаливаемость. . Экспериментальные данные и расчетные значения, определенные по регрессионным зависимостям D^q, Пдд = f(Т3> на основе теплофизического расчета охлаждены образца дкомини, представлены на рис. 4. Существенное отличие между экспериментальными и расчетными параметрами обусловлено характером перераспределения бора в структуре в процесса подстуживания. Увеличение продолжительности предзакалочной паузы сапровоздаегся возрастанием неравновесной зацнограначной сегрегации бора, что обуславливает уменьшение пересыщения аустенита и ухудшение прокалпваемости.

2.5 Механизм влияния бора на прокаливаемость

На основа проведенных исследований предложен механизм эффективного влияния бора на прокаливаемость низко- и среднеуглвродистых низколегированных сталей. Стабилизации аустенита на начальных этапах превращения способствует конкурентная сегрегация бора на структурных несовершенствах в аустените, вызывающая повышение энергия активации самодиффузии железа по меизерендым границам, торможение образования зародышей доэвтектоидного феррита и повышение концентрации углерода в объеме зерен. Ускоренное охлаждение приводит к пересыщению бором аустенитной матрицы и последующей релаксации упругих решеточных напряжений, обуславливающей повышение плотности дислокаций и их скоплений и инициирование зарождения мартенситных кристаллов. Яротеканшо мартеноитного превращения в интервале Мн-Мк способствует уменьшение механической стабилизации аустенита, вызванное ослаблением закрепления дислокационной отруктуры.

Повышение температуры нагрева аод закалку способствует увеличению концентрации бора в твердом растворе и равномерности распределение бора и углерода. Раотворениа избыточных борсодержащнх частиц предотвращает формирование .зародышей или рост частиц при после-

дующем охлаждении на готовых поверхностях раздела, как это имеет место в случае закалки от "стандартных" температур. Увеличение плотности хаотичных дислокаций при использовании высоких Т3, вызванное пересыщением аустенита бором,способствует облегчению зарождения мартенсита и уменьшению механической стабильности аустенита. Увеличение времени выдержки при температура аустенитизации действует в том не направлении, что и увеличение Т3, хотя и менее интенсивно. Повышение Т3 дозволяет расширить оптимальный интервал допустимых концентраций бора, эффективных при термической обработке.

Увеличение скорости охлаждения при закалке способствует уменьшению сегрегационных эффектов, повышению концентрации углерода и бора в пересыщенном твердом растворе, увеличению уровня упругих решеточных напряжении и сокращает время формирования углеродных атмосфер на дислокациях, уменьшая сопротивление аустенита сдвиговому превращению. Уьеличение времени подстушшания существенно сникает эффективность влияния бора на проиаливаемость.

На основе предложенного механизма влияния бора на прокалива-емооть можно сформулировать следующие рекомендации; повышение температуры аустенитизации до начала интенсивного роста аустенитного зерна, введение в сталь бора в количествах, соответствующих пределу растворимости в аустелите при температурах нагрева под закалку, снакепиэ до возможно болоз низкого уровня содержания фосфора, азота и кислорода, минимизация врекелн подстукивания и использование максимально допустимых (с точки зрения термических напряжений) скоростей охлазедеиия и времен аустенитизации, достаточных для более полного растворения карбоборидных выделений.

Проверку разработанных рекомендаций осуществляли на стали 12Г1Р, параллельные исследования выполняли на стали 10Г2 с близкими концентрациями С и 'Мп . Результаты механических испытаний сталей после различных режимов закалки в воде и низкого отпуска представлены в таблице. При использованных температурах аустенитизации показатели прочности и пластичности для обеих сталей сохраняются практически неизменными. Существенно отличается лишь характер изменения ударной вязкости. В не содержащей бор стали увеличение Т3 и овязанный о ней рост зерна ауатенйга являются причиной снижения КСи . Повышение температуры аустенитизации барсодеркащей стали, напротив, способствует росту ударной вязкости, причем максимальное ее значение достигается при Т3 - Тпад, Закалка от температуры, превышающей Тшм , приводит к некоторому уменьшению КСи , однако и в этом случае значения этого параметра превышают уровень, достигаемый при "стандартной" закалке..

Механические свойства сталей 10Г2 и 12Г1Р после закалки

■ я низкого отпуска . ,

Марка ' Механическая Температура закалки, °С

стали характеристика-

930 990 1050

бб . ¡.Па 1010 ■+ 10 1000 + 10 1040 + 10

См,*» ;,Ша 815 + 10 850 + 10 630 10

югз кси, Дз/ом^ 65 + 5 55 + 5 40 5

(У . % 12,5 £ 0,5 12,5 + 0,5 10,0 + 0,5

¥ , чг <•> 62 I 64 + I 63 + I

нв 325 £ 10 330 + 10 330 + 10

. ;/1Па 1080 + 15 1060 £ 15 1050 + 10

6а.а • .Жа 815 + 10 900 £ 15 840 + 10

12Г1Р кси, Дд/ом^ 100 + 5 135 + 5 120 + 5

<5 . % 10 + I II + I 13 + I

у . % 65 + I 64 + I 66 I

на 320 + 10 335 10 340 + 10

3. СВДЕ ВЫВОДУ

С .использование;,! современных методов шталлофизического анализа изучены физические1 процессы, связанные с введением бора в низкоуглеродистое железо, и изменение структуры и свойств борсодер;щцих сталей в зависимости от параметров термической обработки и содержания бора к углерода. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные выводы.

1. ЛодтЕер-адено преимущественное расположение атомов бора в позициях замещения в решетке <4-железа. Увеличение высоты углеродного максимума Саоека пр:: введении бора в ямзкоуглеродастое железо связано с опарегсаюцел сегрегацией бора на меюеренных границах в аустени-те, способствующей повышению содержания углерода в тверд&л растворе. Введение бора в малоуглеродистое железо способствует уменьшению микроскопического предела текучести.

2. Получено прямое подтверждение опережающей сегрегации бора на структурных несовершзнствах при ускоренном охлаждении сталей от температуры аустепитизации. Технологическая операция подстуживания перед закалочным охлаждением приводит к усилению сегрегационных эффектов бора, отрицательно влияющих па лрокаливэемость.

3. Для определения длительности ауогенитизашш низкоуглеродистых сталей, обесгечиваюэдй равномерное распределение бора в объеме твердого раствора, предложены и экспериментально апробированы математические модели,'учитывающие характер исходного распределения

избыточной борсодержащей фазы и параметры диффузии бора в аустените.

4. Повышение температуры нагрева под закалку до 1080...1100 °С приводит к увеличению полумартенситной прокалпваемости борсодержа-щих сталей, при этом маргенсигная прокаливаемость и величина бор-фактора изменяются по зависимостям с максимумами,'температурное положение которых соответствует началу интенсивного роста аустелптного зерна. Эффективность воздействия микродобавок бора на прокаливаемость снижается с увеличением концентрации углерода в сталях.

5. ;.1икроструктура полумартенсптной зоны углеродистых и низколегированных борсодержащих сталей при закалке от стандартных температур состоит пз мартенсита, бейнита к доэвтектоядного феррита. Повышение температуры нагрева под закалку способствует уменьшению количества доэвгектопдного феррита л росту ударной вязкости в пизкоот-лущенноы состоянии.

<.. Предложен механизм эффективного влияния бора па прокаливаемость углеродистых и низколегированных конструкционных сталей. Стабилизации аустенита на начальных этапах превращения способствует конкурентная сегрегация бора на структурных несовершенствах в аустените, вызывающая повьшение энергии активации самодиффузии железа по межзерзшшм границам, торможение образования зародьшей доэвтектоид-ного феррита и увеличение концентрации углерода в объема зерен. Пересыщение аустенитной матрицы бором при ускоренном охлаждении приводит к росту упругих решеточных напряжений, последующая релаксация которых обуславливает повышение плотности дислокаций и их скоплений и инициирование зарождения мартенситных кристаллов. Протеканию мар-тенситного превращения в интервале Ми - М* способствует уменьшение, механической стабилизации легированного бором аустенита.

7, Разработаны к обоснованы метод определения полумартенсптной лрокалкваемосги, базирующейся на экстремальном характере изменена . дисперсии твердостл в зависимости 'от соогпэдения структурных состав- -ляющих стали, и экспрессный метод определения прокаливав,мости на

90 % мартенсита, основанный на изменении отражательной способности .механически обработанной поверхности торцового образца в завпсимос-ти от твердости. Разработана и внедрена установка для'проведения испытаний,на прокаливаемость-, позволяющая предотвратить окисление, обезуглероживание и подстухяванае образцов.

8. Разработаны рекомендации по выбору температур наг^ва бор--содержащих низко- и среднеуглеродастых ■ низколегированных сталей под завалку. Те-шерагури аустенитлзации, на~НО...130 превышающие Ац и соответствующие началу интенсивного-роста-зерна в модифицированных Т; к к1 сталях, обеспечивают максимальные значения цро-каливаэмости на 90 % мартенсита, бор-фактора и ударной вязкости в ■

низКоотлущенном состоянии,

9. Совместно с 1ШАТМ и ЩШЧ») разработан руководящий документ РД 37,012.027-90 "Борсодеркащие стали для холодной объемной штамповки" , регламентирующий использование данных сталей на предприятиях »¡инавгссельхозмаша, В результате совместной работы с ПИЛАТУ по замене сталей ЗВХА, 40л на сталь 20Г2Р при изготовлении высокопрочного кропека на заводах "Красная Этна", "Автоаормаль", ПО "ЗИЛ" получен значительный экономический аффект.

По материалам диссертации опуб.шотваш следующие работы:

1. Гринберг Л., Кузьмина II.îtopouariK Е.С. Расчет продолжительности аустенитнзации легированных бором сталей // Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов и сплавов / ТулШ-Ту ла,' 1985,- С.77-83.

2. I&i роиник Е.С. К вопросу об определенна малых концентраций бора // Роль дефектов кристаллической решетки в процессах структурообра-зовапия сплавов / ТулЛЛ-Гула, 19оЭ.-С.99-101.

3. l.liîpoiiûiiiK Ü.C., Ларичева Г.Г. Распределение бсра и прокаливае-ыость ло Еысоте слитка сталей 12Г1Р и 20Г2Р конверторной выплавки // Интенсификация металлургических процессов и повышение качества металлов и сплавов:Тез.докл.Лсесо;эз,науч.-техн.конф.молодых ученых и специалистов 19-21 марта 1390.-Тула, 1990.-С.26.

4. Левин Головин O.A., Маркова Г.З., Лкроыник Е.С. .Фельдман Б.Л. .оолстарева ¿.il. // ГСССД 144-69.Еорсодер-ащие стаж для холодной атамповки 0оХГР,12Г1?,20Г2Р,30Г1?.Упругие свойства.Модуль нормальной уяйтозта при температурах -ВО...300 М.:Лзд-во стандартов, I9S0.- Пс.

Подписано к печати 29.10.90, Сораат бумаги 60x8^ 1/16. Бумага типогр. К; 2. О^оет.печ. Ус л.печ.л.1,1. Уч,-изд.л.1,0. Тира* 100 экз. Заказ & 1126, Бесплатно.

Нзд£но з Тульском ордена Трудового Красного Знаыени политехнического институте. Гула,ул.Болдина,151. Отпечатано на ротапринт® 2 ТулПИ,.