автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение износостойкости высокоуглеродистых и высокоазотистых сталей со структурой метастабильного аустенита

На правах рукописи

Ч'

Белозерова Татьяна Анатолье»п«

ПОВЫШЕЦИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ И ВЫСОКОАЗОТИСТЫХ СТАЛЕЙ СО СТРУКТУРОЙ МЕТАСТАБИЛЬНОГО АУСТЕНИТА

Специальность 05.16. 01 -Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2004

Работа выполнена на кафедре металловедения Уральского государственного технического университета - УПИ.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Филиппов Михаил Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Потехин Борис Алексеевич.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Макаров Алексей Викторович

Ведущая организация ОАО «Турбомоторный завод»

Защита состоится 20 февраля 2004 г. в 15 ч ООмин., в ауд. Мт-324 на заседании Диссертационного совета Д 212.285.04 по присуждению степени доктора, технических наук в> Уральском государственном техническом университете - УПИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ. Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, УГТУ, ученому секретарю университета, тел. (3432) 75-45-74, факс 343-2-74-38-84.

Автореферат разослан . января 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного 212.^2.04

профессор, доктор технических наук

Шилов В.А.

2004-4

3

27863

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях механического изнашивания (абразивного, ударно-абразивного, эрозионного) применяют стали с высоким содержанием углерода и в случаях отсутствия сильных ударных нагрузок - белые износостойкие чугуны.

Для изготовления литых деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания (сменные детали размольного оборудования, бронефутеровочные плиты доменных скипов и др.), используется высокоуглеродистая высокомарганцевая сталь НОГ 13Л. Недостатком стабильной аустенитной стали 110Г13Л является невысокая эксплуатационная стойкость в условиях абразивного изнашивания. Это может быть связано с низкой исходной твердостью, а также неспособностью высокомарганцевого аустенита претерпевать в процессе абразивного изнашивания деформационное мартенситное превращение, свойственное для метастабильных аустенитных сталей. Весь технологический цикл, начиная с выплавки высокомарганцевых, сталей и заканчивая окончательными сборочными работами, связан с весьма вредными с экологической точки зрения процессами выделения в атмосферу окислов марганца. Один из перспективных путей замены стали 110Г13Л состоит в разработке экономнолегированных углеродистых сталей с метастабильным аустенитом, обладающих повышенной способностью к упрочнению при воздействии частиц абразива на рабочую поверхность деталей.

В последнее время интенсивно развивается перспективное направление, связанное с получением сталей со сверхравновесным содержанием другого элемента внедрения-азота. Легирование безуглеродистых хромистых- сталей, азотом — как сильным аустенитообразующим элементом — в количестве > 1% позволяет получить однофазную структуру пересыщенного у - твердого раствора без использования других аустенитообразующих элементов. Это открывает широкие возможности для разработки высокопрочных экоиомнолегированных, коррозионно - стойких сталей с ценными эксплуатационными свойствами, в том числе с повышенным сопротивлением изнашиванию. Поэтому представляет большой интерес изучить возможность применения азотсодержащих сталей с аустенитной структурой в качестве материала для условий ударно - абразивного изнашивания. Для получения нужного комплекса свойств исследовано влияние химического состава метастабильных сталей систем " и

различных термообработок на стабильность их аустенита и, соответственно, на механические свойства. Исследовано влияние основных структурных факторов на износостойкость материалов этих систем легирования в условиях абразивного изнашивания.

Целью работы является изыскание составов износостойких сталей систем Ре-Мп-С, Ре-Сг-К со структурой метастабильного аустенита на основе изучения влияния фазовых превращений, протекающих в процессе термической обработки и в процессе абразивного изнашивания в этих сталях, в сравнении со сталью системы Ре-Сг-С, на способность к упрочнению рабочей поверхности и износостойкость при абразивном изнашивании.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследования:

1. Изучить влияние легирующих элементов (К, Мп, Сг) на стабильность аустенита в зависимости от температуры закалки в сталях типа 145Г5ХЛ, 160Г4ХЛ, 120Г18, 0Х18А0.4-0Х18Аи и 100X18.'

2. Изучить влияние температуры отпуска после закалки на фазовый состав, структуру, развитие мартенситных превращений в процессе испытаний на изнашивание по закрепленному абразиву, способность к деформационному упрочнению и износостойкость сталей с 1-1,2% углерода или азота на основе марганце-углеродистого, хромисто-углеродистого и хромисто-азотистого аустенита.

3. Изучить фазовые превращения при неполной закалке высокоазотистых хромистых сталей типа 0Х21А1,3.

4. Разработать оптимальный состав стали на основе марганце - углеродистого аустенита и режимы его термической обработки для изготовления горно -металлургического оборудования.

Научная новизна.

1. Впервые изучена стабильность высокоазотистого аустенита в сталях системы Ре-18%Сг-(0,4-1,2%)К на рабочей поверхности в процессе абразивного изнашивания.

2. Показаны особенности влияния изменений фазового состава, протекающих на рабочей поверхности при абразивном изнашивании, на износостойкость марганце - углеродистого, хромоазотистого и хромоуглеродистого аустенита с содержанием углерода (азота) 1-1,2 % и 18% хрома (марганца).

3. Раскрыто влияние температуры закалки и последующего отпуска на фазовые превращения, механические свойства и износостойкость при абразивном изнашивании высокоазотистых аустенитных сталей.

4.' Показана способность. метастабильного аустенита - к деформационному мартенситному превращению высокоуглеродистых метастабильных марганцевых аустенитных сталей типа 145Г5ХЛ в процессе объемной холодной пластической деформации и на рабочей поверхности при воздействии абразивных частиц. Показаны возможности использования этих сталей в качестве заменителя углеродистой и высокомарганцевой аустенитноЙ стали.

Практическая ценность.

1. Полученные сравнительные результаты расширяют существующие представления о закономерностях влияния стабильности аустенита с содержанием углерода (азота) 1-1,2 % и 18 % хрома (марганца) (стали: 0Х18А1,2, 120Г18 и 100X18) на механические свойства и износостойкость. Это позволяет более обоснованно подходить к выбору износостойких материалов и режимов их термической обработки.

2. Предложен состав экономнолегированной метастабильной аустенитной стали 145Г5ХЛ, предназначенной для отливок,, эксплуатируемых в- условиях преимущественно абразивного изнашивания (бронефутеровочные плиты шаровых мельниц и мельниц самоизмельчения) - и режим ее термической обработки. Износостойкость при абразивном изнашивании стали 145Г5ХЛ превышает таковую для стали 110ПЗЛ в 1,4 раза и 2,0 раза для стали перлитного класса 100ГСЛ.

3. Показана перспективность использования высокоазотистых сталей типа 0Х18А 1,2 в качестве материала для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, и предложен режим ее - термической обработки с неполной закалкой, обеспечивающий повышение абразивной износостойкости этой стали в 1,5 раза по сравнению со сталью 110Г13Л.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Результаты сравнительного изучения влияния стабильности аустенита и способности к деформационному упрочнению сталей, содержащих 1-1,2% углерода или азота на основе марганце-углеродистого, хромисто-углеродистого и

хромисто-азотистого < аустенита, на их износостойкость при* абразивном

ПЧИЯШИИнии,

2. Особенности фазовых превращений сталей с переменным содержанием азота (0,4 -1,2 %) и 18 % Сг в процессе отпуска после высокотемпературной закалки и их. влияние - на механические - свойства. и износостойкость. при абразивном • изнашивании.'

3. Режим термической обработки высокоазотистой стали (1,3% N и 21 % Сг) с закалкой из межкритического интервала. температур, обеспечивающий формирование микрогетерогенной: структуры, износостойкой при абразивном

ичняптиияиии.

4. Влияние повышенной концентрации углерода (1,4 - 1,6 %) в метастабильных марганцевых сталях: на: способность к фрикционному упрочнению и износостойкость при абразивном изнашивании.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: XIV Уральской: школе металловедов - - термистов > «Фундаментальные проблемы -физического металловедения перспективных материалов, Ижевск, 1998 г.; XV Уральской школе металловедов - термистов «Актуальные проблемы физического -металловедения сталей, и сплавов»,. Екатеринбург, 2000 г.; Конференции» «Литейное производство сегодня > и завтра», Санкт-Петербург, 2001'г.; VI Всероссийской конференции «Структура • и свойства аустенитных сталей и сплавов»'Екатеринбург, 2001 г.; VI съезде литейщиков России, Екатеринбург, 2003..

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы, в 16 печатных работах.

списка литературы. Объем работы-159 страниц, рисунки -38, таблицы - 6, список литературы содержит 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении формулируются актуальность темы диссертационной работы, ее цель, научная новизна и практическая ценность результатов исследований, основные положения, выносимые на защиту.

состоит из введения, 4 глав и выводов,

В первой главе представлен аналитический обзор имеющихся в литературе основных теорий трения, изложена - общая классификация. различных видов изнашивания. Определены перспективные материалы - для работы в условиях ударно-абразивного изнашивания. Рассмотрены особенности мартенситных превращений в сталях системы Ре-Мп-С, Ре-Сг-К и Ре-Сг-С. На основании проведенного анализа литературы сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе представлен химический состав сталей, исследуемых в работе(габл.1Л.

Таблица 1

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ИССЛЕДОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Марка стали < Содержание элементов , %

С Si N Мп Cr S р

0X18 АО,4 0,03 0,40 0,424 0,21 18,12 0,01 0,015

0Х18А0.7 0,03 0,40 0,677 0,20 18,21 0,01 0,010

0Х18А1.2 0,035 0,40 1,221 0,42 18,42 0,01 0,015

0X21 AI,3 0,02 0,40 1,28 0,22 21,40 0,01 0,015

100X18 0,98 0,35 - 0,55 18,36 0,03 0,027

120Г18 1,22 0,68 - 17,85 0,35 0,06 0,070

145Г5ХЛ 1,50 0,55 - 5,33 1,34 0,016 0,067

160Г4ХЛ 1,57 1,08 - 4,93 1,33 0,016 0,067

Все стали выплавлены в индукционной печи с основной футеровкой. Высокоазотистые железохромистые стали выплавлены в индукционной печи под высоким давлением газообразного азота в Институте металловедения Болгарской академии наук и предоставлены ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова. Из закаленных от разных температур в воде заготовок изготовлены образцы размером 10x10x25 мм.

В работе применялись следующие методы исследования:

- микроструктуру сталей изучали на оптическом микроскопе «Reichert» и просвечивающем микроскопе ЭВМ100Л;

- для изучения фазового состава, изменений тонкой структуры фаз использовали рент гено-структурный метод анализа;

- измерения твердости проводили по Роквеллу по шкале С (ГОСТ 9013-59), по Бринеллю при нагрузке 3000кг (ГОСТ 9012-59), микротвердость определяли на

приборе ПМТ-3 при нагрузке 50 г, 100 г (ГОСТ 9450-76). Значения твердости определяли как среднее арифметическое 10 замеров.

В работе применялись следующие методы испытания:

- механические испытания на растяжение (ГОСТ 10006-80). Ударную вязкость определяли на образцах типа №1 (и-образный надрез) в соответствии с ГОСТ 9454-78;

- на абразивное изнашивание по закрепленному абразиву на основе

метода М.М. Хрущева проводили на лабораторной установке.

Образцы размером 10x10x25 совершали возвратно - поступательное движение торцевой частью по шлифовальной бумаге марки 13А16ПМ328 на корундовой основе после приработки в аналогичных условиях. Длина одного рабочего хода образцов составляла 0,13 м., путь трения образца за одно испытание при скорости движения 0,158 м/с составлял 78 м. Поперечное смещение шлифовальной бумаги на один-ход образца составляло 0,0012 м, нормальная нагрузка на образец - 98 Н (удельная нагрузка 1МПа). Принятые условия испытаний обеспечивали несущественный нагрев рабочей поверхности образцов. Взвешивание образцов до и после испытания проводили, на аналитических весах с ценой деления 0,1 мг. Относительная износостойкость при абразивном изнашивании определялась как среднее арифметическое результатов двух параллельных испытаний:

е = Мэ/Мо ,

где Мэ - абсолютный износ эталонного образца по массе, г;

Мо - абсолютный износ испытуемого образца по массе, г.

В качестве эталона испытывались на износ образцы из широко используемой в условиях ударно-абразивного изнашивания аустенитной стали 110Г13Л после закалки от 1100°С;

- на локальный удар. Установка, на которой проводились испытания на локальный удар, представляет собой вертикально закрепленную трубу, высотой 1,5 м. Внутри трубы свободно перемещается ударник массой 4,7 кг. Вблизи нижнего края трубы устанавливается специальная оправка в которой располагается опытный образец. В оправку вставляется зубило с углом заточки 60°, которое в нерабочем состоянии соприкасается с поверхностью образна, причем, поверхность образца перпендикулярна оси симметрии зубила, оси

симметрии трубы. С высоты 1,5 м ударником производилось нагруженис образца сосредоточенным ударом;

- метод ферритометрии использован для определения количества магнитной фазы в исследуемых образцах.

В третьей главе «Износостойкость высокоазотистых железохромистых сталей в условиях абразивного изнашивания» исследовано влияние термичес кой обработки на структуру сталей систем: Ре-Сг-К, Ре-Сг-С, Ре-Мп-С с 18%Сг или 18%Мп и близким содержанием азота или углерода (1-1,2%). Рассмотрено влияние метастабильности аустенита в сталях разных систем на твердость, фрикционное упрочнение рабочей поверхности и износостойкость в условиях, абразивного изнашивания.

При абразивном изнашивании стойкость изделия определяется сопротивлением металла хрупкому разрушению и его исходной твердостью. Стойкость против абразивного износа возрастает с увеличением твердости изнашиваемого материала, но для различных материалов в разной степени. Важную роль в формировании физико - механических свойств играет оптимальный фазовый состав металла, т.к. механические свойства являются, структурно — чувствительными и изменяются в зависимости от обработки (структуры) в весьма широких пределах. Поэтому в работе исследовано поведение основных факторов, влияющих на абразивную износостойкость материалов.

Исследовано влияние температуры закалки на фазовый состав, твердость, способность к упрочнению и износостойкость высокоазотистой стали 0Х18А1.2 в сравнении с высокоуглеродистыми сталями' 100X18. 120П8.

Выбор температуры закалки в диапазоне 900-1200°С проводился с учетом-диаграмм состояния сталей систем Ре-Сг-К Ре-Сг-С, Ре-Мп-С.

Сталь 0Х18А1.2. В высокоазотистой стали 0Х18А1Д наблюдается плавный рост твердости от 45 ЫЯС при 900°С до 50 ЫЯС при температуре 1000°С. При дальнейшем повышении температуры нагрева до 1200°С происходит понижение твердости до 37 ЫЯС (рис.1). Из рис. 2. видно, что нагрев под закалку до температуры 900°С вызывает частичное образование аустенита, который превращается почти полностью в мартенсит при охлаждении с сохранением некоторого количества феррито - нитридной смеси. Температуры нагрева 1000-1100°С достаточны для значительно более полного перехода феррита в аустенит,

однако часть нитридов сохраняется в процессе нагрева в аустените, высокое содержание хрома и азота в котором обусловливает резкое снижение М„ и соответствующее увеличение количества остаточного аустенита при охлаждении. Нагрев до температуры 1200°С обеспечивает полное растворение нитридов в аустените, который становится стабильным по отношению к образованию мартенсита охлаждения. Взаимодействие противоположных тенденций при нагреве-рост микротвердости мартенсита по мере увеличения в нем концентрации азота, с одной стороны, и повышения количества микронеоднородного высокоазотистого остаточного аустенита, с другой, -приводят к тому, что твердость стали вначале растет в интервале температур от 900 до 1000°С, а с увеличением температуры закалки до 1200°С-снижается (рис. 1)

Максимальная износостойкость стали 0Х18А1Д (е=1,5) достигается закалкой от температуры 1000°С. Выдержка при температуре 1000°С приводит к образованию в стали трехфазной структуры. Можно предположить, что совместное действие различных структурных составляющих - частичное превращение азотисто-хромистого аустенита в мартенсит деформации (до 30%), упрочнение мартенсита охлаждения и наличие нитридной фазы в итоге обеспечивают наибольшую абразивную износостойкость стали 0Х18А1,2. Значения относительной износостойкости, зависящие от температуры закалки, хорошо коррелируют со значениями микротвердости, измеренными на рабочей поверхности образцов после испытаний на абразивное изнашивание (рис. 4 и 5). Однако при сравнении значений микротвердости сталей 0Х18А1.2 и 100X18, следует, что способность к фрикционному упрочнению рабочей поверхности при абразивном изнашивании у стали 0Х18А1,2 значительно ниже, чем у стали 100X18.

Стать 100X18. Повышение температуры нагрева под закалку стали 100X18 вызывает растворение вторичных карбидов МгзО, что приводит к увеличению количества остаточного аустенита от 50 % при температуре нагрева 900°С до 100% при температуре нагрева 1200°С (рис. 3). Прогрессирующее по мере повышения температуры закалки растворение вторичных карбидов и насыщение твердого раствора углеродом и хромом приводит к снижению мартенситной точки в область отрицательных температур. Увеличение количества аустенита вызывает снижение твердости с 51 НЯС при температуре нагрева 900°С до 38 ИКС при температуре нагрева 1200°С (рис. 1).

900 1000 1100 1200 Температура,°С

Рис. 1. Зависимость твёрдости исследуемых сталей от температуры закалки: —♦—0Х18А1.2; -»- 100X18; -*- 120Г18.

20 -10 -0 -

900 1000 1100 1200 Температура, °С

Рис. 3. Количество аустенита в стуктуре сталей 100X18 и 120Г18 в зависимости от температуры закалки:

• 100X18 после изнашивания; —100X18 до изнашивания;

* 120Г18 после изнашивания А 120Г18 до изнашивания

В противоположность твердости, износостойкость возрастает с повышением температуры нагрева под закалку свыше 1000°С. Рост износостойкости обусловлен более интенсивной способностью остаточного аустенита к фрикционному упрочнению, и как следствие, увеличением количества углеродистого а - мартенсита на поверхности износа по мере повышения температуры закалки. (рис. 4). Наибольшая абразивная стойкость стали 100X18 достигается после закалки от 1200°С (рис. 4).

По данным рис. 4 и 5 можно говорить о корреляции между максимальными значениями относительной износостойкости и микротвердости на рабочей поверхности исследованных сталей после испытаний на изнашивание.

Сталь 120Г18, После закалки от температуры 900°С основная структура стали 120Г18 - аустенит, но на значительной части границ аустенитных зерен имеются относительно крупные выделения карбидов в окружении мелких карбидов (твердость 26 ЫКС). С повышением температуры нагрева под закалку мелкие карбиды исчезают, крупные уменьшаются в размерах и остаются лишь в небольшом количестве в тех участках границ зерен, где были расположены наиболее крупные карбиды. В структуре стали, закаленной от 1100°С, карбидов нет (рис. 3). При дальнейшем повышении температуры нагрева под закалку до 1200°С в структуре не происходит изменений, в отдельных участках шлифа наблюдается тенденция к росту зерна. Твердость с повышением температуры закалки монотонно понижается и при 1200°С составляет 22 ЫКС (рис.1).

Марганцевый аустенит, имеющий низкую энергию дефектов упаковки, в процессе холодной пластической деформации обладает высокой способностью к наклепу. В результате больших степеней деформации твердость стали, например, 110Г13Л возрастает до 550 НВ. Но при чисто абразивном износе, когда преобладает механизм среза поверхностных слоев абразивными частицами, сталь 110Г13Л со структурой аустенита не обладает существенными преимуществами перед другими сталями с одинаковой твердостью. В условиях абразивного изнашивания сталь 120Г18 имеет сравнительно высокие значения относительной износостойкости в сравнении со сталью Гадфильда. Что, очевидно, связано с большим содержанием марганца в аустенитной матрице. Фазовый состав рабочих слоев образца: у-фаза и < 5% а -фазы, а изменение микротвердости-коррелирует с кривой твердости (рис.1 и 5).

Таким образом, варьированием температуры закалки установлено, что высокий уровень упрочнения рабочей поверхности сталей: 0Х18А1.2, особенно -100Х18 в условиях абразивного изнашивания обусловливается метастабильностью азотисто-хромистого и углеродисто-хромистого аустенита. Это коррелирует со значениями относительной абразивной износостойкости исследованных сталей и твердости.

Все исследованные стали, закаленные от температур 900-1200*С, показали относительную абразивную износостойкость' выше износостойкости стали 110Г13Л.

В работе исследовано влияние температуры отпуска после закалки от 1200*С на базовый состав, твердость, способность к упрочнению и износостойкость сталей системы Ре-Сг-К в сравнении со сталями системы Ре-Мп-С и Ре-Сг-С. Фазовый состав сталей после закалки от 1200°С, определенный с помощью рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии зависит от концентрации углерода, азота, хрома и марганца в твердом растворе и изменяется от преимущественно мартенситного (0Х18А0Д 0Х18А0.7) до полностью-аустенитного (табл.2).

Установлено, что износостойкость при абразивном изнашивании высокоазотистых хромистых сталей с преимущественно мартенситной (0Х18А0.4 и 0Х18А0,7) и аустенитной (0Х18А1,2) структурами после закалки от 1200°С превышает износостойкость стали, на основе углеродистого марганцевого аустенита — 110Г13Л - на 15 - 70% в зависимости от содержания азота в твердом растворе. Максимальной износостойкостью (1,6...1,7) обладает преимущественно мартенситная сталь 0Х18А0,7, минимальной - аустенитная сталь 0Х18А1.2 (рихб).

После закалки от 1200°С максимальную износостойкость имеет" сталь 100X18, что объясняется наибольшей способностью структуры данной стали к фрикционному упрочнению, а минимальную - сталь 120П8 (стали имеют после закалки аустенитную структуру).

Износостойкость изученных сталей после отпуска в течение двух часов в интервале температур 300...700сС определяется полнотой процессов распада пересыщенных твердых растворов и находится в хорошей корреляции как с уровнем эффективной микротвердости рабочей поверхности, так и исходной твердостью сталей (во втором случае за исключением аустенитных сталей после закалки).

900 1000 1100 1200 Температура закалки, °С

Рис. 5. Зависимость микротвердости рабочей поверхности сталей после испытаний на изнашивание от температуры закалки

Температура отпуска, °С

Рис. 6. Зависимость относительной абразивной износостойкости от температуры отпуска сталей:

—♦—ОХ18АО,4; -*- 0Х18АО,7; -*-0Х18А1Д; -«-100X18; -•-120П8. -»-110ПЗЛ.

Температура отпуска, С

Рис.7. Зависимость микротвердости от температуры отпуска сталей:

XI8АО,4; Х18А0.7;

—Х18А1Д; 100X18;

—•- 120П8.

Рис.9. Сталь 0Х21А1.3 >< 33500

Таблица 2.

ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ЗАКАЛКИ ОТ 1200°С ДО И ПОСЛЕ ИСПЫТАНИЙ НА АБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ

Марха Количество у / а-фаз Количество у / а-фаз

Стали до изнашивания, % после изнашивания, %

0X18 АО,4 4/96 0/ 100

0Х18А0.7 22/78 8/92

0Х18А1.2 100/0 85 / 15

0Х21А1.3 100/0 90/10

100X18 95/0 42/58

120Г18 100 / 0 95/5

145Г5ХЛ 100/0 80/20

160Г4ХЛ 78/ 22 55/45

Высокоазотистые хромистые стали с преимущественно мартенситной структурой обладают максимальной износостойкостью- после низкотемпературного отпуска (до 400°С) в течение двух часов. Дальнейшее повышение температуры отпуска сталей мартеяситвого класса приводит к прогрессирующему снижению износостойкости. Наименьшая износостойкость сталей соответствует температуре отпуска 700°С в состоянии феррито -нитридной смеси, обладающей низкой исходной твердостью и слабой способностью к деформационному упрочнению в процессе изнашивания.

Высокая износостойкость азотистого хромистого аустенита обусловлена как повышенной исходной твердостью твердого раствора по сравнению с углеродистым марганцевым аустенитом (33...37 ЫКС против 18...22 ЫКС), так и высокой способностью рабочей поверхности к деформационному упрочнению под действием абразивных частиц (высокой эффективной микротвердостью). В обеспечение высокой эффективной прочности поверхности вносит вклад образование некоторого количества азотистого а мартенсита деформации (до 10... 15%). Повышенное сопротивление абразивному изнашиванию сталей с мартенситной структурой обусловлено в основном высокой исходной твердостью мартенсита (48...52ЫКС) и превращением остаточного аустенита в мартенсит деформации.

Для обеспечения максимальной износостойкости высокоазотистых хромистых сталей аустенитыого класса (% N %) при абразивном изнашивании их необходимо использовать в закаленном от 1200°С состоянии. Износостойкость аустенитной стали 0Х18А1,2 изменяется по кривой с минимумом при 500°С и максимумом при температуре дисперсионного твердения 600°С (рис. 6).

Износостойкость аустенитной стали 100X18 с увеличением температуры отпуска монотонно возрастает и при температуре 500°С (когда активизируются процессы распада аустенита и происходит упрочнение в результате выделения дисперсных частиц специальных карбидов) достигает своего максимального значения. При дальнейшем росте температуры отпуска происходит резкое снижение значения относительной абразивной износостойкости.

Все исследуемые стали при отпуске 700°С имеют наименьшие значения твердости, микротвердости, относительной износостойкости, что объясняется окончательным распадом аустенита, образованием феррито - нитридной или феррито - карбидной смеси и ее коагуляцией.

Проведено исследование процессов фазовых превращений ПРИ неполной закалке высокоазотистых железохромистых сталей. Полученные результаты свидетельствуют о том, что образцы стали 0Х21А13 (21,4 % Сг, 1,28 % имевшие после закалки от 1200°С полностью аустенитную структуру, при повторной закалке от 1000°С из двухфазной аустенито - нитридной области могут иметь существенно различные типы структуры: первый - структура с равномерно распределенными по объему аустенитного зерна ~ равноосными нитридами Сг^ на «фоне» дисперсного а-мартенсита (рис. 8). Второй -кристаллографически упорядоченная относительно грубая структура с протяженными нитридами Сг^ и кристаллами а-мартенсита между ними (рис. 9). Очевидно, что этим двум типам структуры соответствуют два существенно различных варианта развития процессов распада (превращения) аустенита при повторной низкотемпературной закалке стали. Распад аустенита для каждого из этих вариантов включает две раздельные стадии, первая из которых происходит в основном при предзакалочной выдержке в аустенито - нитридной области (в данном случае - 30 мин при температуре 1000°С), а вторая - при охлаждении стали.

В четвертой главе «Исследование метастабильных марганцевых сталей для работы в условиях преимущественно абразивного изнашивания» проведено

исследование закономерностей влияния, химического состава и температуры закалки на формирование структуры и механических свойств метастабильных сталей 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ. Химический состав опытных плавок сталей для работы в условиях преимущественно абразивного изнашивания выбирался исходя из необходимости получить после закалки метастабильный аустснит. Стабильность аустенита по отношению к образованию мартенсита в процессе, охлаждения' и пластической, деформации регулировалась уменьшением-содержания марганца от 5 до 4% и увеличением содержания углерода от 1,45 до 1,6% при неизменной концентрации хрома. Легирование марганцевых MAC 1,5 -3% хрома дает увеличение износостойкости отливок в среднем на 25%. С учетом необходимости растворения при нагреве под закалку хромсодержащих карбидов в температурной области существования у — фазы . были выбраны. значения температуры закалки в интервале:1100 -1200 °С.

На основании! проведенных исследований' предложены составы маломарганцевых высокоуглеродистых- износостойких сталей со структурой метастабильного аустенита для работы в условиях абразивного изнашивания при -относительно небольших ударных нагрузках и положительных. температурах (типа 145Г5ХЛ). Фазовый состав сталей, твердость, относительная абразивная износостойкость после закалки от разных температур представлены в табл. 3.

Таблица 3

ЗАВИСИМОСТЬ ТВЕРДОСТИ, ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ, ФАЗОВОГО СОСТАВА СТАЛЕЙ ДО И ПОСЛЕ ИСПЫТАНИЙ НА ИЗНАШИВАНИЕ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАКАЛКИ

Сталь Температура закалки,°С HRC е Фазовый состав

до износа после износа

а. У а У

145Г5ХЛ 1120 23 1,33 46 54 68 32

1160 22 1,40 - 100 20 80

1200 22 1,47 - 100 20 80

160Г4ХЛ 1160 36 1,38 80 20 85 15

1200 24 1,61 22 78 45 55

Определен режим термообработки (закалка от температуры 1160°С в холодную воду), обеспечивающий получение аустенитной структуры стали.

Установлено, что износостойкость при абразивном изнашивании' высокоуглеродистых метастабильных марганцевых сталей: 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ превосходит износостойкость стали 110Г13Л в 1,3 — 1,6 раза, что можно. объяснить повышенной' способностью метастабильного аустенита к деформационному мартенситному упрочнению и более высокой эффективной микротвердостью рабочей поверхности.

Присутствие в структуре углеродистых марганцевых сталей после закалки мартенситной фазы в количестве 22 - 80 % не приводит к существенному увеличению износостойкости • при абразивном изнашивании, несмотря на значительное повышение исходной твердости.

Известно, что пластическая деформация метастабильных аустенитных сталей в интервале температур Мд - М„ сопровождается протеканием деформационных мартенситных превращений и эффект упрочнения определяется тремя. основными факторами: деформационным упрочнением аустенита, количеством, прочностью и распределением мартенситных фаз и их способностью к наклепу. Однако особенности мартенситных превращений, их роль в упрочнении при объемном- и поверхностном деформировании и сопротивлению абразивному изнашиванию высокоуглеродистых метастабильных аустенитных сталей изучены недостаточно. С учетом этого проводился эксперимент.- опытные стали испытывали на квазистатическое сжатие и на локальный удар.

На квазистатическое сжатие были испытаны образцы сталей 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ после закалки от 1160°С, 110Г13Д, обработанной по стандартному режиму и 100ГСЛ после нормализации от 880°С. Сталь 100ГСЛ после нормализации применяется для бронефутеровочных плит некоторых типов мельниц.

Анализ хода кривых изменения твердости в процессе деформации сжатием показывает рис. 10, что темп упрочнения образцов исследуемых сталей, примерно одинаков, несмотря на разный уровень исходной твердости (близкую деформационную стабильность аустенита сталей 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ). По результатам рентгеноструктурного фазового анализа заметное количество о -фазы (7%) после деформации со степенью 28% появилось в стали 160Г4ХЛ.

Образцы стали 145Г5ХЛ после деформации оставались ферромагнитными, однако количество а - фазы в них находилось в пределах чувствительности, рентгеноструктурного анализа (-5%). Образцы, стали 110Г13Л были неферромагнитными.

В процессе абразивного изнашивания, когда степень пластической деформации в микрообъемах при микрорезании поверхности значительно выше изученной в процессе сжатия, интенсивность образования мартенсита деформации будет выше и соответственно возрастет уровень упрочнения сталей < 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ по сравнению со сталью 110Г13Л.

Из рис. 10 видно, что при сравнительно высокой начальной твердости (исходная структура сорбито - перлитная с сеткой вторичного цементита по границам зерен) образцы стали 100ГСЛ при незначительной склонности к упрочнению выдерживают небольшую относительную деформацию (~ 4%) до разрушения, в то время как образцы сталей 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ не разрушались в пределах изученных степеней деформации (28%). Это позволяет надеяться, что несмотря на безусловно более низкие значения ударной вязкости метастабильных

сталей 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ по сравнению со сталью 110Г13Л запас их вязкости будет достаточным для предотвращения хрупкого разрушения брояефутеровочных плит мельниц, изготовляемых в настоящее время из стали 80ГСЛ, 100ГСЛ, при повышенном значении их износостойкости.

На локальный удар были испытаны образцы сталей 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ после закалки от 1160°С. Детали дробильно-размольного оборудования в условиях эксплуатации могут испытывать при абразивном изнашивании и динамические нагрузки. Была предпринята попытка смоделировать этот вид нагружепия в наиболее критической форме. С помощью зубила с углом заточки 60° производилось нагружение сосредоточенным ударом с регламентированной работой 69 Дж.

Удар зубила вызывает сильную деформацию в виде конического кратера по всей ширине образца. Указанный вид нагружения не способствует обильному выделению мартенсита деформации в силу кратковременного воздействия на опытный образец и локального повышения температуры. Несмотря на это с помощью метода магнитной металлографии были обнаружены магнитные фазы в зоне распространения деформации после сосредоточенного удара.

График рис. 11 наглядно демонстрирует, что упрочнение рабочей поверхности MAC 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ превышает таковое для стали 110Г13Л, причем оно закономерно понижается по мере снижения способности метастабильного аустенита к деформационному мартенситному превращению. Изменение микротвердости по сечению образцов после локального удара, представленное на рис. 11, показывает, что уровень упрочнения, измеряемый приростом микротвердости в зоне надруба повышается с увеличением содержания углерода в сталях. Если взять за основу, что эффект упрочнения, как правило, прямо пропорционален твердости рабочей поверхности изнашиваемого материала, то с помощью такого вида испытаний, как локальный удар можно косвенно судить об износе опытной стали, прогнозировать ее поведение в условиях ударно-абразивного нагружения.

Выводы

1. В результате сравнительного изучения износостойкости при абразивном изнашивании высокоуглеродистых и высокоазотистых сталей систем: Fe-Cr-C, Fe-Сг-N, Fe-Mn-C, с содержанием 1-1,2% азота или углерода и 18%Сг или 18%Мп, установлено, что износостойкость сталей 100X18, 0Х18А1,2, 120Г18 превышает

таковую для стали 110ПЗЛ. Максимальную износостойкость (е=3,0) имеет сталь 100X18 с благоприятным сочетанием типа, количества и морфологии карбидных фаз и наиболее высокой способностью метастабильного хромисто-углеродистого аустенита к упрочнению под действием абразивных частиц. Износостойкость стали 0Х18А1.2 составляет 1,5 по отношению к стали 110Г13Л вследствие более высокой способности к деформационному упрочнению, стали 120П8 - 1,3 вследствие большего содержания марганца в аустенитной матрице.

2. С помощью термической обработки • изученных высокоуглеродистых. и высокоазотистых сталей можно регулировать химический состав, количество и-стабильность остаточного аустенита и его способность к фрикционному упрочнению. Высокотемпературная закалка от 1200°С обеспечивает структуру метастабильного аустенита и высокую износостойкость сталей 100X18 и 0Х18А1Д вследствие образования углеродистого и азотистого мартенсита на рабочей поверхности и вызванной' этим способности к упрочнению. Максимальная износостойкость высокоазотистой стали 0Х18А1Д обеспечивается > неполной закалкой от 1000°С в трехфазном состоянии (метастабильный аустенит, дисперсные нитриды, мартенсит охлаждения)..

3. Высокоазотистые стали для обеспечения сочетания высокой износостойкости с удовлетворительными механическими свойствами целесообразно использовать в аустенитном состоянии» после закалки от 1200°С в воду. Для сталей мартенситного класса оптимальным режимом термообработки является закалка от 1200°С с отпуском при температурах до 400°С в течение двух часов.

4. Повторная закалка из двухфазной аустенито-нитридной области, закаленной на аустенит высокоазотистой стали, с использованием быстрого нагрева под закалку приводит к формированию двух основных типов участков превращенного аустенита, существенно различающихся по морфологии образующих структуру фаз- нитридов и а-мартенсита, что необходимо учитывать при решении вопросов назначения режимов горячей деформации и использовании методов термической или деформационно-термической обработки сталей, связанных с частичным или полным нагревом материала в двухфазную аустенито-нитридную область температур.

5. На основе комплексного изучения взаимосвязи особенностей фазовых превращений с механическими- свойствами углеродистых метастабильных аустенитных сталей системы Ре-Мп-С и их износостойкостью при абразивном

изнашивании предложено использовать для бронефутеровок тихоходных шаровых мельниц метастабильную аустенитную сталь, содержащую 1,2-1,5 % углерода, 5-7 % марганца, 0,8-2 % хрома, например, 145Г5ХЛ, которая имеет в 2,0 - 1,4 раза более высокую износостойкость по сравнению с применяемыми сталями 100ГСЛ, 110Г13Л.

Материалы диссертации изложены в работах:

1. Банных ОА, Блинов В.М., Костина МВ., Филиппов МА., Хадыев М.С., Немировский Ю.Р., Белозерова ТА О взаимосвязи износостойкости с фазовым составом и механическими свойствами новых износостойких высокоазотистых железохромистых сплавов // Металлы, 2000, №2, С. 57-64.

2. Филиппов МА, Белозерова ТА., Плотников Г.Н. Мартенситные превращения и износостойкость при абразивном изнашивании высоко-углеродистых аустенитных сталей // В кн. Тезисы XIV - Уральской школы металловедов -термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов» // Ижевск, 1998, С.77.

3. Банных ОА, Блинов В.М., Костина М.В., Филиппов МА., Белозерова ТА., Немировский Ю.Р., Хадыев М.С. Износостойкость сплавов системы Ре-Сг-К // В кн. Тезисы XV - Уральской школы металловедов - термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов" // Екатеринбург, 2000, С.65.

4. Немировский Ю.Р., Хадыев М.С., Филиппов М.А. Белозерова ТА., и др. Структура стали Х21А13 и процессы фазовых превращений при неполной закалке высокоазотистых Ре-Сг-сталей // В кн. Тезисы XV-Уральской школы металловедов - термистов "Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов" // Екатеринбург, 2000, С. 197.

5. Филиппов М.А. Лхагвадорж П., Белозерова ТА. Влияние стабильности аустенита на контактную прочность сплавов систем Ре - Сг - С и Ре - Сг - К. // Сборник трудов ХХХУсеминара "Актуальные проблемы прочности" // Псков, 1999, С.5.

6. Белозерова ТА, Лхагвадорж П. Контактная прочность сплавов систем Ре-Сг-С и Ре-Сг-К // В кн. Вестник УГТУ - УПИ (Первая Уральская школа - семинар металловедов - молодых ученых). // Екатеринбург, 1999, С.29-30.

7. Белозерова Т.А Изотермический распад стали Х18А1Д. В кн. Вестник УГТУ -У1Ш (Вторая Уральская школа - семинар металловедов-молодых ученых) // Екатеринбург, 2000, №5 (13), С.39.

8. Filippov MA, Belozerova ТА. THE INFLUENCE OF MARTENSITIC TRANSFORMATIONS DURING COOLING AND DEFORMATION ON CARBON METASTABLE AUSTENITIC STEELS STRENGTHENING. AND WEAR-RESISTANCE In book Kurdymov memorial international conference on martensite // Moscow, 1999, P. 107-108.

9. Плотников ГЛ., Белозерова ТА. и др. Технологические основы повышения износостойкости литых деталей для импортного горного оборудования В кн. тезисы докладов «Литейное производство сегодня и завтра» // Санкт - Петербург,

2001,С.89-90.

10. Банных ОА., Филиппов М.А, Белозерова ТА., Блинов В.М., Костина MB. Фазовые превращения и износостойкость метастабильных аустенитных сталей систем Fe-Cr-C, Fe-Cr-N // В кн.: Тезисы XVI Уральской школы металловедов -термистов "Проблемы физического металловедения перспективных материалов" Уфа, 2002, С.26.

11. Белозерова ТА., Филиппов МА Плотников Г.Н. Фазовые превращения и износостойкость высокоуглеродистых метастабильных марганцевых аустенитных сталей // В кн.: Тезисы XVI Уральской школы металловедов - термистов "Проблемы физического металловедения перспективных материалов" // Уфа,

2002, С.20.

12. Белозерова ТА., Филиппов МА Плотников Г.Н. Влияние температуры закалки на фазовых состав и механические характеристики метастабильных сталей 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ // Межрегиональный сборник научных трудов под редакцией Баландина ЮЛ. "Материаловедение и современные технологии" // Магнитогорск, МГТУ им. Г.Н. Носова, 2002, С. 41-44.

13. Немировский Ю.Р., Хадыев М.С., Филиппов МА, Белозерова ТА., и др. Структура стали Х21А13 и процессы фазовых превращений при неполной закалке высокоазотистых Fe-Сг-сталей // ФММ, 2002, т.93, №5, С.95-Ю0.

14. Белозерова ТА, Плотников Г.Н., Филиппов МА Исследование возможности замены стали Гадфильда метастабильными сталями // Литейное производство, 2002, №6, С.11-12.

24

»-234*

15. Бслозсрова ТА., Филиппов МА, Крутикова ИА., Приемщиков А А. Влияние деформационной и термической стабильности аустенита на абразивную износостойкость сталей систем Бе-Сг-С и Бе-Сг^ Сборник научных трудов под редакцией Баландина ЮА "Современные технологии и материаловедение'1 Магнитогорск, МГТУ им. Г.Н. Носова, 2003, С.61-65.

16. Филиппов МА, Плотников ГЛ., Белозерова ТА. Литейные износостойкие марганцевые стали со структурой метастабильного аустенита Труды VI съезда литейщиков России, Т.1, Екатеринбург, 2003, С.173-177.

РНБ Русский фонд

27863

Екатеринбург Тираж 100

Ризография Заказ № 1

Подписано к печати 08.01.2004

Ризография НИЧ УГТУ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19

Введение

1. Литературный обзор.

1.1. Износ и износостойкость материалов.

1.2. Выбор износостойких материалов для ударно - абразивного изнашивания.

1.3. Особенности мартенситных превращений в сталях Fe- Мп-С, Fe-Cr-C, Fe-Cr-N, протекающие в процессе охлаждения в зависимости от их состава.

1.3.1. Особенности мартенситных превращений в сталях Fe-Mn-C

1.3.2. Особенности мартенситных превращений в сталях Fe-Cr-C

1.3.3. Особенности мартенситных превращений в сталях Fe-Cr-N.

1.4. Метастабильные аустенитные стали как износостойкий материал с высокой способностью к деформационному упрочнению и релаксации напряжений.

1.5. Постановка цели и задач исследования.

2. Материалы и методики исследования.

2.1. Выбор материалов и режимов термической обработки.

2.2. Методы исследования.

2.2.1. Металлографический метод исследования.

2.2.2. Рентгеновский метод исследования.

2.2.3. Электронно-микроскопический метод исследования.

2.2.4. Дюрометрические исследования.

2.2.5. Испытания механических свойств.

2.2.6. Испытание на абразивное изнашивание.

2.2.7. Испытание на квазистатическое сжатие.

2.2.8. Испытание на локальный удар.

2.2.9. Метод ферритометрии.

3. Износостойкость высокоазотистых железохромистых сталей в условиях абразивного изнашивания.

3.1. Влияние температуры закалки на фазовый состав, твердость, способность к упрочнению и износостойкость для сталей 0Х18А1,2, 100X18, 120Г18Л

3.2. Влияние отпуска после закалки от 1200°С на фазовый состав, твердость, способность к упрочнению и износостойкость сталей систем: Fe-Cr-N, Fe-Cr-C, Fe-Mn-C.

3.2.1 Твердость исследованных сталей.

3.2.2 Структурные изменения исследованных сталей.

3.2.3 Износостойкость исследованных сталей при абразивном изнашивании.

3.3. Структурные изменения при неполной закалке высокоазотистых железохромистых сталей.

4. Исследование метастабильных марганцевых сталей для работы в условиях преимущественно абразивного изнашивания.

4.1. Влияние температуры закалки на фазовый состав и механические свойства метастабильных сталей

145Г5ХЛи 160Г4ХЛ.

4.2. Испытание сталей 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ на квазистатическое сжатие.

4.3. Испытание сталей 145Г5ХЛ и 160Г4ХЛ на локальный удар.

В условиях механического изнашивания (абразивного, ударно-абразивного, эрозионного) применяют стали с высоким содержанием углерода и в случаях отсутствия сильных ударных нагрузок - белые износостойкие чу гуны.

Для изготовления литых деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания (сменные детали размольного оборудования, бронефутеровочные плиты доменных скипов и др.), используется высокоуглеродистая высокомарганцевая сталь 110Г13Л. Недостатком стабильной аустенитной стали 110Г13Л является невысокая эксплуатационная стойкость в условиях абразивного изнашивания. Это может быть связано с низкой исходной твердостью, а также неспособностью высокомарганцевого аустенита претерпевать в процессе абразивного изнашивания деформационное мартенситное превращение, свойственное для метастабильных аустенитных сталей. Весь технологический цикл, начиная с выплавки высокомарганцевых сталей и заканчивая окончательными сборочными работами, связан с весьма вредными с экологической точки зрения процессами выделения в атмосферу окислов марганца. Один из перспективных путей замены стали 110Г13Л состоит в разработке экономнолегированных углеродистых сталей с метастабильным аустенитом, обладающих повышенной способностью к упрочнению при воздействии частиц абразива на рабочую поверхность деталей.

В последнее время интенсивно развивается перспективное направление, связанное с получением сталей со сверхравновесным содержанием другого элемента внедрения-азота. Легирование безуглеродистых хромистых сталей азотом - как сильным аустенито-образующим элементом - в количестве >1% позволяет получить однофазную структуру пересыщенного у - твердого раствора без использования других аустенитообразующих элементов. Это открывает широкие возможности для разработки высокопрочных экономнолегированных, коррозионно — стойких сталей с ценными эксплуатационными свойствами, в том числе с повышенным сопротивлением изнашиванию. Поэтому представляет большой интерес изучить возможность применения азотсодержащих сталей с аустенитной структурой в качестве материала для условий ударно -абразивного изнашивания. Для получения нужного комплекса свойств исследовано влияние химического состава метастабильных сталей систем Fe-Cr-N, Fe-Mn-C, Fe-Cr-C и различных термообработок на стабильность их аустенита и, соответственно, на механические свойства. Исследовано влияние основных структурных факторов на износостойкость материалов этих систем легирования в условиях абразивного изнашивания.

В связи с этим в работе решались следующие задачи: 1. изучено влияние легирующих элементов (N, Мп, Сг) на мартенситные превращения при охлаждении и абразивном изнашивании в зависимости от температуры закалки в двух группах сталей на основе марганцевого углеродистого аустенита (145Г4ХЛ, 160Г4ХЛ, 120Г18) и хромистого азотистого аустенита (0Х18А0,4 - 0X18А 1,2) в сравнении с хромистым углеродистым аустенитом (100X18);

2. установлены основные закономерности поведения исследуемых сталей в сравнении со стабильной аустенитной сталью (120Г18) в условиях ударно-абразивного нагружения;

3. изучено влияние отпуска после закалки на фазовый состав, структуру и механические свойства исследуемых сталей;

4. изучено развитие мартенситных превращений в процессе испытаний на изнашивание по закрепленному абразиву, изучена способность к деформационному упрочнению и износостойкость сталей с 1 - 1,2 % углерода и азота на основе марганце - углеродистого, хромисто -углеродистого и хромисто - азотистого аустенита;

5. на основе изучения взаимосвязи мартенситных превращений со способностью к упрочнению и износостойкостью при абразивном изнашивании разработана метастабильная аустенитная сталь 145Г5ХЛ для футеровок шаровых и стержневых мельниц, работающих в условиях преимущественно абразивного изнашивания в отсутствие сильных ударных нагрузок.

Научная новизна.

1. Впервые изучена стабильность высокоазотистого аустенита в сталях системы Fe-18%Cr-(0,4-l,2%)N на рабочей поверхности в процессе абразивного изнашивания.

2. Показаны особенности влияния изменений фазового состава, протекающих на рабочей поверхности при абразивном изнашивании, на износостойкость марганце - углеродистого, хромоазотистого и хромоуглеродистого аустенита с содержанием углерода (азота) 1-1,2 % и 18 % хрома (марганца).

3. Раскрыто влияние температуры закалки и последующего отпуска на фазовые превращения, механические свойства и износостойкость при абразивном изнашивании высокоазотистых аустенитных сталей.

4. Показана способность метастабильного аустенита к деформационному мартенситному превращению высокоуглеродистых метастабильных марганцевых аустенитных сталей типа 145Г5ХЛ в процессе объемной холодной пластической деформации и на рабочей поверхности при воздействии абразивных частиц. Показаны возможности использования этих сталей в качестве заменителя углеродистой и высокомарганцевой аустенитной стали.

Практическая ценность.

1. Полученные сравнительные результаты расширяют существующие представления о закономерностях влияния стабильности аустенита с содержанием углерода (азота) 1-1,2 % и 18 % хрома (марганца) (стали: 0X18А 1,2, 120Г18 и 100X18) на механические свойства и износостойкость. Это позволяет более обоснованно подходить к выбору износостойких материалов и режимов их термической обработки.

2. Предложен состав экономнолегированной метастабильной аустенитной стали 145Г5ХЛ, предназначенной для отливок, эксплуатируемых в условиях преимущественно абразивного изнашивания (бронефутеровочные плиты шаровых мельниц и мельниц самоизмельчения) и режим ее термической обработки. Износостойкость при абразивном изнашивании стали 145Г5ХЛ превышает таковую для стали 110Г13Л в 1,4 раза и 2,0 раза для стали перлитного класса 100ГСЛ.

3. Показана перспективность использования высокоазотистых сталей типа 0Х18А1,2 в качестве материала для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, и предложен режим ее термической обработки с неполной закалкой, обеспечивающий повышение абразивной износостойкости этой стали в 1,5 раза по сравнению со сталью 110Г13Л.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты сравнительного изучения влияния стабильности аустенита и способности к деформационному упрочнению сталей, содержащих 1-1,2% углерода или азота на основе марганце-углеродистого, хромисто-углеродистого и хромисто-азотистого аустенита, на их износостойкость при абразивном изнашивании.

2. Особенности фазовых превращений сталей с переменным содержанием азота (0,4 -1,2 %) и 18 % Сг в процессе отпуска после высокотемпературной закалки и их влияние на механические свойства и износостойкость при абразивном изнашивании.

3. Режим термической обработки высокоазотистой стали (1,3% N и 21 % Сг) с закалкой из межкритического интервала температур, обеспечивающий формирование микрогетерогенной структуры, износостойкой при абразивном изнашивании.

4. Влияние повышенной концентрации углерода (1,4 - 1,6 %) в метастабильных марганцевых сталях на способность к фрикционному упрочнению и износостойкость при абразивном изнашивании.

Автор выражает глубокую признательность своим коллегам по бюро формовочных материалов и литья Управления металлургии «ОМЗ-Спецсталь» и лично Г.Н. Плотникову, начальнику УМет «ОМЗ-Спецсталь» B.C. Палееву, а также благодарность сотрудникам кафедры металловедения Уральского государственного политехнического университета и лично В.Р. Баразу, Л.Д. Чумаковой, Ю.Р. Немировских и М.С. Хадыеву за помощь в проведении работы.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР и

5. Общие выводы.

1. В результате сравнительного изучения износостойкости при абразивном изнашивании высокоуглеродистых и высокоазотистых сталей систем: Fe-Cr-C, Fe-Cr-N, Fe-Mn-C, с содержанием 1-1,2% азота или углерода и 18%Сг или 18%Мп, установлено, что износостойкость сталей 100X18,0Х18А1Д, 120Г18 превышает таковую для стали 110Г13Л. Максимальную износостойкость (е=3,0) имеет сталь 100X18 с благоприятным сочетанием типа, количества и морфологии карбидных фаз и наиболее высокой способностью метастабильного хромисто-углеродистого аустенита к упрочнению под действием абразивных частиц. Износостойкость стали 0Х18А1Д составляет 1,5 по отношению к стали 110Г13Л вследствие более высокой способности к деформационному упрочнению, стали 120Г18-13 вследствие большего содержания марганца в аустенитной матрице.

2. С помощью термической обработки изученных высокоуглеродистых и высокоазотистых сталей можно регулировать химический состав, количество и стабильность остаточного аустенита и его способность к фрикционному упрочнению. Высокотемпературная закалка от 1200°С обеспечивает структуру метастабильного аустенита и высокую износостойкость сталей 100X18 и 0X18А 1,2 вследствие образования углеродистого и азотистого мартенсита на рабочей поверхности и вызванной этим способности к упрочнению. Максимальная износостойкость высокоазотистой стали 0Х18А1,2 обеспечивается неполной закалкой от 1000°С в трехфазном состоянии (метастабильный аустенит, дисперсные нитриды, мартенсит охлаждения).

3. Высокоазотистые стали для обеспечения сочетания высокой износостойкости с удовлетворительными механическими свойствами целесообразно использовать в аустенитном состоянии после закалки от 1200°С в воду. Для сталей мартенситного класса оптимальным режимом термообработки является закалка от 1200°С с отпуском при температурах до 400°С в течение двух часов.

4. Повторная закалка из двухфазной аустенито-нитридной области, закаленной на аустенит высокоазотистой стали, с использованием быстрого нагрева под закалку приводит к формированию двух основных типов участков превращенного аустенита, существенно различающихся по морфологии образующих структуру фаз- нитридов и а-мартенсита, что необходимо учитывать при решении вопросов назначения режимов горячей деформации и использовании методов термической или деформационно-термической обработки сталей, связанных с частичным или полным нагревом материала в двухфазную аустенито-нитридную область температур.

5. На основе комплексного изучения взаимосвязи особенностей фазовых превращений с механическими свойствами углеродистых метастабильных аустенитных сталей системы Fe-Mn-C и их износостойкостью при абразивном изнашивании предложено использовать для бронефутеровок тихоходных шаровых мельниц метастабильную аустенитную сталь, содержащую 1,2-1,5 % углерода, 5-7 % марганца, 0,8-2 % хрома, например, 145Г5ХЛ, которая имеет в 2,0 - 1,4 раза более высокую износостойкость по сравнению с применяемыми сталями 100ГСЛ, 110Г13Л.

1. Hornbogen Е. Microstructure and wear I I Metall. Aspects of wear Pap. Met. Bad Pyrmont. Oct., 1979, P.23-49.

2. Любарский И.М., Белый В.А. Роль структурных поверхностных слоев в процессе трения твердых тел Минск: Наука и техника, 1969, 68 С.

3. Коршунов Л.Г. Износостойкость и структурные превращения нестабильных аустенитных сталей при трении Контактная прочность метастабильных металлических сплавов: Межвуз. сб. Свердловск УПИ, 1972, №210, С.72-86.

4. Погодаев Л.И., Цветков Ю.Н., Чулкин С.Г., Голубев Н.Ф. Структурно-энергетический критерий износостойкости металлов и сплавов с учетом жесткости напряженного состояния поверхности // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1997, №6, С.40-51.

5. Рыбакова A.M., Куксенова Л.И. Трение и износ Металловедение и термическая обработка: Итоги науки и техники ВИНИТИАН СССР // 1985, т. 19, С. 150-243.

6. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения М.: Металлургия, 1976, 176 С.

7. Костецкий Б.И. Структура и поверхностная прочность материалов при трении // Проблемы прочности, 1981, №3, С.88-90.

8. Крагельский И.В. Трение и износ М.: Машиностроение, 1968, 480С.

9. Dastur Y.N., Leslie W.C. Mechanism of work hardening in Hadfield manganese stiel. Het. Trans. A. 12. 1981, №5, P.749-759.

10. Запорожец B.B., Варюхно B.B. Взаимосвязь силы трения и свойств вторичных структур // Трение и износ, 1983, т.4, №1, С.58-67.

11. Гудремон Э., Специальные стали М.: Металлургиздат, 1959, Т.1,952С.

12. Алексеев Н.М., Кузмин Н.Н. О природе трения деформируемых тел Физика дефектных поверхностных слоев материалов // JI. ФТИ 1989, С.8-68.

13. Костецкий Б.И. Износостойкость материалов М.: Машиностроение, 1980, 52 С.

14. Филиппов М.А., Литвинов B.C., Немировский Ю.Р. Стали с метастабильным аустенитом М.: Металлургия, 1988, 255С.

15. Потехин Б.А. Вклад мартенситного превращения при деформации в пластичность метастабильных аустенитных сталей // ФММ, 1979, т. 48, № 5, С.1065-1075.

16. Коршунов Л.Г., Черненко Н.Л. Влияние марганца на износостойкость марганцовистых метастабильных аустенитных сталей // Трение и износ, 1984, т. 5, № 1, С. 106-112.

17. Попов С.М. Исследование износостойкости стали в абразивной среде // МиТОМ, 1982, № 10, С. 44-45.

18. Попов B.C., Брыков Н.Н., Андрущенко М.И., Гапон А.А., Осипов М.Ю. Сопротивляемость абразивному изнашиванию сплавов со структуройметастабильного аустенита в зависимости от их химического состава // Трение и износ, т.12, № 1, С. 163-170.

19. Коршунов Л.Г. Структурные превращения в зоне фрикционного контакта и их влияние на износостойкость метастабильных сплавов железа // Автореф. дис. докт. техн. наук, Свердловск, 1991, 40С.

20. Schumann Н., Anwendung von Phasenumwandlung in Eisenlegierungen Universitet Rostok, 1970, S.59-80.

21. Schumann H., Chemische Triebkraft // Das Industrieblat, 1964, 7, S.250254.

22. Schumann H., Mathematisch-Naturwissenschafllich Reihe // Wissenschaftliche Zeitschrift der Universitet Rostok, 1965, S.56-61.

23. Гольдштейн М.И., Гринь A.B., Блюм Э.Э., Панфилова Л.М. Упрочнение конструкционных сталей нитридами М.: Металлургия, 1970, 224С.

24. Банных О.А., Блинов В.М. Дисперсионнотвердеющие немагнитные ванадийсодержащие стали М.: Наука 1980, 190С.

25. Филиппов М.А. Разработка новых износостойких и немагнитных сталей на основе исследования кинетики фазовых превращений в марганцевом аустените // Диссертация, Екатеринбург, 1993, 667С.

26. Богачев И.Н., Еголаев В.Ф. Структура и свойства железомарганцевых сплавов М.: Металлургия, 1973, 296 С.

27. Филиппов М.А., Студенок Е.С., и др. Разработка новых износостойких сталей на основе марганцевого аустенита // МиТОМ, 1991, №6, С.41 -45.

28. Филиппов М.А. Метастабильный марганцевый аустенит как структурная основа сталей с высокой стойкостью в условиях динамического контактного нагружения //МиТОМ, 1995, №10, С. 12-15.

29. Бабичев М.А., Великанова А.А., Крапошина Л.Б. Влияние марганца на абразивное изнашивание стали с 1 %С и сплавов с железом // М. Институт машиноведения, 1970, С.11-30.

30. Гольдштейн М.И., Гринь А.В., Блюм Э.Э., Панфилова Л.М. Упрочнение конструкционных сталей нитридами М.: Металлургия, 1970,224 С.

31. Алексеев В.И. Перспективы применения конструкционных сталей со сверхравновесным содержанием азота в условиях повышенных температур и давлений водорода // Металлы, 2000, №4, С.47-52.

32. Гаврилюк В.Г. Физические основы конструирования азотистых сталей. В кн.: Тезисы XVI Уральской Школы металловедов термистов "Проблемы физического металловедения перспективных материалов" // Уфа, 2002, С. 19.

33. Блинов В.М., Банных О.А., Костина М.В., Немировский Ю.Р., Хадыев М.Р. Структура и механические свойства нержавеющей азотосодержащей мартенситной стали типа 0Х16Н4АБ // Металлы, 2000, № 3, С.64-71.

34. Костина М.В., Банных О.А., Блинов В.М. Особенности сталей, легированных азотом. // МиТОМ, 2000, № 12, С.3-6.

35. Сивка Е. Особенности выплавки высокоазотистой стали с использованием плазмы // МиТОМ, 2000, № 12, С.7-10.

36. Свяжин А.Г., Сивка Е., Скуза 3. Образование пузырей при кристаллизации// МиТОМ, 2000, № 12, С. 10-12.

37. Алексеев В.И. Перспективы применения конструкционных сталей со сверхравновесным содержанием азота в условиях повышенных температур и давлений водорода // Металлы, 2000, № 4, С.47-52.

38. Шипицын С.Я., Бабаскин Ю.З., Лория Д.Б., Волощенко Н.И. Кристаллизация и литейные свойства высокохромистых сталей, модифицированных азотом // Литейное производство, 1987, № 12, С.4 — 7.

39. Банных О.А., Блинов В.М., Костина М.В. Высокопрочные немагнитные стальные трубы для буровых скважин. В кн.: Тезисы XVI Уральской Школы металловедов термистов "Проблемы физического металловедения перспективных материалов" // Уфа, 2002, С. 197.

40. Установщиков Ю.И., Рац А.В., Банных О.А., Блинов В.М., Структура и свойства сплава 05X18А7 // Металлы, 1994, № 2, С.51-57.

41. Банных О.А., Блинов В.М. Дисперсионнотвердеющие немагнитные ванадийсодержащие стали М.:Наука 1980, 190С.

42. Капуткина Л.М., Прокошкина В.Г. Мартенситные превращения и структура мартенсита в высокоазотистых сталях // В кн.: Тезисы XVI Уральской Школы металловедов термистов "Проблемы физического металловедения перспективных материалов" Уфа, 2002, С.5.

43. Капуткина Л.М., Прокошкина В.Г., Крысина Н.Н. Структура и мартенситные превращения при деформации углерод — и азотсодержащих сплавов железа // Металлы, 2001, №6, С.80 84.

44. Костина М.В., Дымов А.Е., Блинов В.М., Банных О.А. Влияние пластической деформации на структуру и свойства высокоазотистых сплавов системы Fe Сг // МиТОМ, 2002, №1, С.8-13.

45. Рыбин В.В., Малышевский В.А., Калинин Г.Ю. Новая высокопрочная азотсодержащая коррозионно стойкая сталь // Металлы, 2001, №6, С.75-79.

46. Frehser J.,Kubisch C.-Berg-und Huttenmann. Monatsh.,1963, Bd. 108, N 11, S.369-380.

47. Okamoto M., Naito T.J. Irona. Steel Inst. Japan, 1963, v.49, № 13, P.1915.

48. Иванов Б.С. О растворимости азота в легированных сплавах на основе железа // В кн.: Производство и свойства стали и сплавов М.: Металлургия, 1967, вып.5, С.86.

49. Приданцев М.В., Талов Н.П., Левин Ф.Л. Высокопрочные аустенитные стали М.: Металлургия, 1969, 248С.

50. Установщиков Ю.Р., Рац А.В., Банных О.А., Блинов В.М. Структура высокоазотистых сплавов Fe-18%Сг // Металлы, 1996, № 1 ,С.67-73.

51. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов М.: Металлургия, 1977, 490С.

52. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали М.: Наука, 1977, 23 8С.

53. Юшкевич П.М., Андреева Е.М., Мананкова Л.В. Тонкая кристаллическая структура аустенита и мартенсита после закалки, механической и термомеханической обработок // МиТОМ, 1968, №9, С.73-76.

54. Guimaraes J.R.C., Oliveira Sergio F.E. Scripta Met., 1974, v. 13, №7, p. 537-542.

55. Литвинов B.C., Каракишев С.Д. Физическая природа упрочнения марганцевого аустенита Межвузовский сборник «Термическая обработка и физика металлов» Свердловск, УПИ, 1979, выпуск 5, С.81-88.

56. Коршунов Л.Г., Аверин Ю.И., Луговых В.Е. и др. Термическая обработка и физика металлов // Свердловск, 1977, Вып.З, С.24 29.

57. Филиппов М.А., Плотников Г.Н. Разработка новых сталей для износостойких отливок на основе метастабильного марганцевого аустенита // Сталь, 1996, №6, С.62 64.

58. Малинов Л.С., Харланова Е.Я., Малинова Е.Л. Абразивная износостойкость высокоуглеродистых марганцевованадиевых сталей // МиТОМ, №2, 1993, С.25 27.

59. Гринберг Н.А., Лившиц Л.С., Щербакова B.C. О влиянии легирования феррита и карбидной фазы на износостойкость сталей // МиТОМ, №9, 1971, С.57 -50.

60. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов М.: Металлургия, 1971, 496С.

61. Сорокин Г.М., Бобров С.Н. Основы выбора сталей по результатам испытаний на изнашивание // МиТОМ, 1998, № 2, С.28-30.

62. Металлография железа Т1 Перевод с англ. Под ред. Тавадзе Ф.Н. М.: Металлургия, 1972, 246 С.

63. Качанов Н.Н., Миркин Л.И. Рентгеноструктурный анализ М.: Машгиз, 1960, 215 С.

64. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ М.: Металлургия, 1970, 368 С.

65. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении М.: Металлургия, 1973, 583С.

66. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание М.: Наука, 1970, 252С.

67. Schmidt J. Reinungsinduzierter Martensit in austenitischen Fe-Mn-C Stahlen // Z. fur Metallk., 1984, B.75,N 10, S.747-754.

68. Березовская B.B., Векслер Ю.Г. Коррозия и кавитационно — коррозионная стойкость стали 95X18 // МиТОМ, 1988, № 8, С. 56 61.

69. Дорохов В.В., Киселева И.В., Рыжиков А. А. Абразивная износостойкость высокоуглеродистой хромоникелевой стали // МиТОМ, № 2, 1990, С.30-32.

70. Филиппов М.А., Лхагвадорж П., Белозерова Т.А. Влияние стабильности аустенита на контактную прочность сплавов систем Fe-Cr-C и Fe Сг — N // Сборник трудов XXXV семинара "Актуальные проблемы прочности" //Псков, 1999, С.5.

71. Белозерова Т.А., Лхагвадорж П. Контактная прочность сплавов систем Fe — Сг С и Fe - Сг - N // В кн. Вестник УГТУ - УПИ (Первая Уральская школа - семинар металловедов — молодых ученых) // Екатеринбург, 1999, С.29-30.

72. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов М.: Металлургия, 1983,350С.

73. Лахтин Ю.М., Рахштадт А.Г. Термическая обработка в машиностроении Справочник М. "Машиностроение" 1980, 580С.

74. Коршунов Л.Г., Веселов И.Н., Хадыев М.С. Износостойкость и структурные превращения высокохромистых инструментальных сталей притрении Межвузовский сборник «Термическая обработка и физика металлов» Свердловск, УПИ, 1979, вып. 5, С. 101-110.

75. Косицына Н.И., Сагарадзе В.В., Макаров А.В. и др. Влияние структуры на свойства белых хромистых чугунов // МиТОМ, 1996, № 4, С.7-11.

76. Шадров Н.Ш., Коршунов Л.Г., Черемных В.П. Влияние молибдена, ванадия, ниобия на абразивную износостойкость высокохромистого чугуна // МиТОМ, 1983, № 4, С. 33-36.

77. Установщиков Ю.И., Рац А.В., Банных О.А., Блинов В.М., Костина М.В., Морозова Е.И. Структура и свойства высокоазотистых сплавов Fe 18%Сг, содержащих до 2% Ni // Металлы, 1998, № 2, С.38 - 43.

78. Капуткина Л.М., Прокошкина В.Г. Мартенситные превращения и структура мартенсита в высокоазотистых сталях // В кн.: Тезисы XVI Уральской школы металловедов термистов "Проблемы физического металловедения перспективных материалов" Уфа, 2002, С.5.

79. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали М.: Металлургия, 1985,408С.

80. Немировский Ю.Р., Хадыев М.С., Филиппов М.А., Белозерова Т.А., Блинов В.М., Костина М.В., Дымов А.В. Структура стали Х21А13 и процессы фазовых превращений при неполной закалке высокоазотистых Fe Сг-сталей // ФММ, 2002, т.93, №5, С.95 - 100.

81. Косицына И.И., Сагарадзе В.В. Аустенитные стали разных систем легирования с карбидным упрочнением // Металлы, 2001, № 6, С. 65 74.

82. Иванцов Г.И., Щулепникова А.Г К вопросу использования стали Г13Л в условиях изнашивания при повышенных температурах М.: Наука, Трение и изнашивание при высоких температурах, 1973, С.63 — 67.

83. Рашев Ц. В. Высокоазотистые стали, выплавляемые под давлением. София: БАН, 1995, 268С.

84. Дымов А.В. Исследование и разработка аустенитных высокопрочных коррозионностойких железохромистых сплавов со сверхравновесным содержанием азота для медицинского имплантатов Автореферат, Москва, 2002, С.23.

85. Белозерова Т. А. Изотермический распад стали Х18А1,2 В кн. Вестник УГТУ УПИ (Вторая Уральская школа - семинар металловедов - молодых ученых) Екатеринбург, 2000, №5 (13), С.39.

86. Гольдшмидт Х.Дж. Сплавы внедрения М.: Мир, 1971, 501С.

87. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали М.: Металлургия, 1979, 250 С.

88. Коршунов Л.Г. Испытания металлов на износостойкость при трении Металловедение и термическая обработка стали: Справ. Кн. 1, 2. М.: Металлургия, 1991, С.387 -411.

89. Банных О.А., Лякишев Н.П., Блинов В.М. и др.: Пат.20992606 РФ.

90. Сачков В.В., Покровская Н.Г., Потак Я.М. Деформация нержавеющих сталей с разной стабильностью аустенита // МиТОМ, № 12, 1977, С.55-57.

91. Установщиков Ю.И., Рац А.В., Банных О.А., Блинов В.М. Свойства структур, формирующихся после закалки Fe-18% Сг-(0,9 1,3) %N с добавками и без добавок никеля // Известия вузов Черная металлургия 1997, №7, С.48-51.

92. Гервасьев М.А., Троп JI.A. Влияние механических свойств сталей на их износостойкость при удорно — абразивном и абразивном изнашивании, Отчет ЦНИИМ, тема № 92.92.7.588 27, Екатеринбург, 1992, 84С.

93. Циммерман Р., Гютнер К. Металлургия и материаловедение М.: Металлургия, 1982, 480С.

94. Белозерова Т.А., Плотников Г.Н., Филиппов М.А. Исследование возможности замены стали Гадфильда метастабильными сталями // Литейное производство, 2002, №6, С. 11-12.

95. Филиппов М.А. Разработка оптимального состава и режимов термической обработки марганцевой аустенитной стали и белого хромистого чугуна для монолитных отливок и вставок износостойких отливок Отчет по теме 0231/2.752.412, Екатеринбург, 2001, 73С.

96. Филиппов M.A, Плотников Г.Н., Белозерова Т.А. Литейные износостойкие марганцевые стали со структурой метастабильного аустенита Труды VI съезда литейщиков России, Т.1, Екатеринбург, 2003, С. 173-177.

97. Панченко Е.В., Скаков Ю.А., Кример Б.И. Лаборатория металлографии М.: Металлургия, Метод магнитной металлографии, 1965, С. 101-102.