автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Размерная стабильность коррозионно-стойких хромоникелевых сталей мартенситного класса

• £

________ ______________ _________

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УИИШ'СИКи

^Х? На правах рукописи

ФОМИНА Ирина Валерьевна

УДК 669:11.0:621.705

РАЗМЕРНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ МАРТЕИСИТНОГО КЛАССА

ОНОГ.ЬМЫ'ОСГЬ ¡6.01 - МО'УЛЛЛОиСДС'.ЧИв И Г'-'ргЛИЧёСШлН

иораоо-1 ,ча :!• ¡та.';;к;ь

А « ? о ¡) е } е 5 а т диссертации на соискание ученой степени

Работа выполнена d Тульском государственном университете

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Гринберг Е.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Сильиан Г. И. •

- кандидат технических наук Илюшин В. В.

Ведущее предприятие - Конструкторскре бюро

приборостроения, г. Тула

Защита состоится Z декабря 1997 г. в 14 часов в 9 учебном корпусе ТулГУ. ауд. 101 »а заседании диссертационного совета К 038.47.02 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, проспект Ленина. 92)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан "31" октября 1997 года.

Ученый секретарь 'диссертационного советах^-

кандидат технических наук, доцент ufc^^j ц д Гончаренко

; и./; .-. и'.'1;">

актуальность г&км Надежность высы-.'.шчпи* ммш и гц.ийорь» пожег быть гарантирована, если в течение- всего пггрмод-л ъксп/г/ь-тации или хранения удовлетворяются одновременно по крайней мере дьа условия: сохранение требуемого уремия прочности и стабильности размеров и формы деталей (узлов) системы. Дополнительны!» требованием может быть, например, высокая коррозионная стойкость материала.

Принято считать, что основными источниками нестабильности

р£2!Л0рСВ иСЪОДШЧССКМХ Мс1?ВрИс1ЛОБ ИВЛЯял'Си ¡./еЛлНСа! |ИЯ иСТаТИЧимХ

напряжений и нестабильность фазового состава и структуры. Непрерывное совершенствование измерительной техники способствовало-интенсивному развитию исследований размерной стабильности, связанной с релаксационными эффектами. В то же время проблеме размерной нестабильности, вызванной фазовыми и структурными превращениями в сплавах, как в процессе их обработки, так и во время длительного хранения и эксплуатации, уделяется явно недостаточно внимания. Систематического изучения этого явления для большинства металлических сплавов не проводилось. Исключение состав;;,!.! подшипниковые стали, для, которых выполнены фундаментальные исследования влияния фазового состава и температуры на стабильность размеров при эксплуатации К настоящему времени создалась ситуация, когда явно ощущается недостаток научно-технической информации по .размерной стабильности ряда высокопрочных сплавов, используемых для изготовления высокоточных изделий.

В последнее время широкое применение в различных отраслях прсккилсинссти для изготовления прецизионных приборов, ' предназначенных для работы в агрессивных средах, а также в условиях знакопеременных нагрузок, находят коррозионно-стойкие хромонике-левые стали мартенситного класса. Разработанные режимы термической . обработки для данной группы сталей направлены в основном на обеспечение требований по прочности и коррозионной стойкости, данные ш'о о размерной стабильности деталей и узлов прецизионных приборов, изготовляемы;; из коррсзион!Ю-стойких высокопрочных сталей ( КВС ), отсутствуй'.''.

Стремление к обеспечению высоких показателей ' прочности и коррозионной стойкости приводит к тому, что из поля зрения исследователей, как правило, выпадает тот факт, что процессы упроч-

нения, сопровождающиеся изменением межатомных расстояний в кристаллической решетке матрицы, распределения частиц фаз, входящих в состав сплава, их размеров и формы, должны вызывать изменение линейных размеров, т. е. размерную нестабильность сплавов. Неучет этих явлений обусловливает возникновение ряда технических проблем при эксплуатации высокоточных приборов и устройств (гироскопов, лазерных прицелов и пр.).

В связи с этим представляется актуальным установление закономерностей изменения фазового и структурного состояния КВС при варьировании химического состава, способа получения изделий и режимов термической обработки, а также разработка методологии выбора параметров термической обработки, обеспечивающей максимальную размерную стабильность изделий при сохранении высокопрочного состояния материала.

Диссертационная работа выполнена в Тульском- государственном университете в рамках задания программы Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации ( тема 67. 09.311 )

Автор защищает:

- установленные закономерности изменения фазового и структурного состояния КВС в зависимости от химического состава, способа получения изделий и режимов термической обработки;

- выявленные закономерности объемных изменений в КВС на различных этапах упрочняющей термической обработки, вероятностную модель, описывающую изменение удельного объема в функции фазового состава и позволяющую прогнозировать изменение размеров изделий в зависимости от параметров термической обработки:

- установленную природу . структурной микронеоднородности изделий из коррозионно-стойких сталей, получаемых литьем по выплавляемым моделям, заключающуюся о неравномерном распределении хрома и связанной'с этим различной устойчивостью мартенсита против отпуска:

- разработанный режим энергосберегающей предварительной термической обработки литых изделий из стали 09X36ШБЛ, обеспечивающий сникснио химической неоднородности при заданном комплексе механических свойств;

- методологий выбора материала и рсякмзв упрочнения, га-.'»антирумщих оптимальное сочеталчо размерной стабильности и моха-'

нических свойств прецизионных изделий. _ _____ _______ ■

Цель работы. Выявление механизмов фазовой и структурной ме-тастабильности хромоникелевых коррозионно-стойких сталей в высокопрочном состоянии и разработка на этой основе режимов термической обработки, обеспечивающих максимальную размерную стабильность при заданном уровне механических свойств.

Научная новизна:

- выявлена /природа структурной .микронеоднородности изделий из коррозионно-стойких сталей, получаемых литьем по выплавляемом мшвлям, заключающаяся г неравномерном распределении хрома и связанной с этим различной устойчивостью мартенсита с разным содержанием хрома против распада;

- установлены закономерности превращения остаточного аусте-нита при отпуске хромоникелевых сталей мартенситного класса. В сталях с содержанием углерода до 0,11 % основная часть остаточного аустенита испытывает мартенситное превращение при нагреве в процессе отпуска. В сталях, содержащих более 0,11% С ,-прн температурах нагрева пол закажу ниже температуры полного растворения карбидов хрома дачный процесс протекает так же, как в малоуглеродистых сталях. При температурах аустенитизации выше указанной возрастает устойчивость остаточного аустенита,и он распадается .только при охлаждении после высокотемпературного отпуска;

- предложены и обоснованы принципы выбора режимов термической обработки высокопрочных коррозионно-стойких сталей мартенситного класса, обеспечивающих оптимальное сочетание механи-.ческих свойств и размерной стабильности прецизионных Изделий;.

- конкретизированы механизмы размерной нестабильности в зависимости от способа изготовления и режимов термической обработки коррозионно-стойких хромоникелевых сталей мартенситного класса. Разработаны математические модели изменения удельного объема в зависимости от соотношения фаз, позволяющие прогнозировать ди-латацию изделий в цикле термической обработки.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Установлены закономерности влияния режимов термической обработки на твердость, структуру и фазовый состав КВС ; разработана . энергосберегающая -технология предварительной термической обработки изделий- из стали 09Х16Н4ЕЛ, обеспечивающей снижение химической -неоднородности в структуре лигой стали; разработаны

рекомендации по выбору режимов термической обработки КВС'мартон-ситного класса, гарантирующих максимальную размерную стабильность при заданном уровне механических свойств.

Результаты работы приняты к использованию в Конструкторском бюро приборостроения г.Тулы с цель» оптимизации параметров термической обработки, обеспечивающих надежность и долговечность деталей и изделий специального машиностроения (Акт от 16.10.97 об использовании результатов работы "Размерная стабильность коррозионно-стойких высокопрочных сталей мартенситного класса").

В работе использовали дилатометрический, микроскопический, микрорентгеноспектральный , фазовый магнитный, дюрометрический, рентгеноструктурный анализы, метод внутреннего трения, механические испытания, математическое моделирование на ЭВМ.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на ХХХ-ХХХП научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (Тула, 1994-1996 г.), молодежных научных, конференциях " XXI и XXIII Гагаринские чтения" ( Москва, 1995, 1997 г.), Вторых Демидовских чтениях ( Тула, 3996 г.), V Международной конференции " Актуальные проблемы материаловедения в металлургии" (Новокузнецк, 1997,г.), IX Международной .конференции " Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах" (Тула, 1997 г.)

Публикации. Основные результаты, диссертации изложены в 5 публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений и списка цитируемой литературы, включающего 127 наименований. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста и содержит 44 рисунка и 16 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ литературы по теме работы свидетельствует о том, что до настоящего времени отсутствуют систематические исследования размерной нестабильности изделий из коррозионно-стойких высокопрочных сталей мартенситного класса, используемых для изготовления прецизионных изделий. Влияние различных Факторов на изменение размеров изделий, упрочняемых термической обработкой, осэе-

• ¡, _______ * --

¿ели склад остаточных напряжений в формирование размерной нестабильности изделий из сплавов, на основе аелеза достаточно . хорошо изучен, то вопрос о роли структурной и фазовой метаста-бильности исследован только для отдельных классов сталей, длл многофазных метастабильных хромонмкелевых сталей этот вопрос остается открытым. Отсутствуют данные о закономерностях объемных изменении при отпуске закаленных хромоникелевых сталей . мартен-ситного класса. Публикации об особенностях кристаллизации т-ала -Нрс дсст-тсшо ¡¡ри^иаорйчивы и не позволяют без проведения дополнительных исследований установить природу наблюдаемой структурной неоднородности литой стали.

Отсутствие данных по размерной стабильности КВС мартенситно-го класса и математических моделей, позволяющих прогнозировать механические свойства сплавов в зависимости от параметров терми- • ческой обработки, не позволяет без предварительных исследований назначить реаим упрочняющей обработки, удовлетворяющий одновременно требованиям по обеспечении необходимого уровня прочности и раам'-'рнен стабильности изделий из данных материалов. Наконец, до сих пар ¡».о определен о/(нныи и обоснованный подход к иыбору критерия, который бы позволял количественно оценивать рнзиернут. стабильность материалов в высокопрочном состоянии.

Цель работы и анализ состояния вопроса определили задан;; исследования:

- установить физическую природу нестабильности фазового и структурного состояния коррозионно-стойких сталей мартенситного

кпягга-

- исследовать влияние рилкчньсх операций термической сбра-- бетки на размерные изменения в данной группе сталей;

- установить влияние химического состава и способа производства стаг,5й { прокатка, литье ) на фазовую нестабильность и

пооднороднее глгшн'

- .природу СГруктурН.'.^ НСОДНОрО^НОСТИ ¿ШТОЙ ХрсДОНИ' крлрйой с?? ли 09X5 Р! Л С" к рй'гр.Л.мичь резни лподваритпльной твр-цичйскои обработки, :Сг опочивающей лорыгенпе гомогенности по

-оосг&ьу п уагмерной стабильности литых изделий из данной стали;

- на базе литературных данных и результатов собственных измерений создать модели ТКЛР 'л иехгныческих свойств многофазных

' » ь

коррозионно-стойких хроыоникелевых сталей и разработать на их основе методологический подход к оптимизации режимов окончательной термической обработки, обеспечивающих высокопрочное состояние и размерную стабильность сталей.

2.1 Материалы и методики исследований

Объектом исследования явилась группа коррозионно-стойких сталей мартенситного класса с содержанием углерода от 0.09 до 0,25 % и разным уровнем легирования: 09Х16Н4БЛ, 1Ш7Н2 и 25Х17Н2Б-Ш. Исследования проводили на образцах, вырезанных из заготовок или горячекатанных прутков промышленных сталей.

Для регистрации изменения линейных размеров в ходе нагрева и охлаждения, изучения объемных эффектов при отпуске, а также при имитации процесса' длительного хранения использовали дилатометрический анализ. С целью повышения достоверности результатов исследований проведена метрологическая 'экспертиза установки для дилатометрического анализа.

Результаты измерения расиирения образцов при нагреве представляли в форме полинома:

Д1/10 ? а^АЬ + а2Мг + а3Д13 + а4Д1,4, (1) •

где 10 - исходная (перед измерениями) длина образца при нормальной (20 °С) температуре, мм;

Д1 - изменение размеров образца в дилатометрической ячейке, мм;

■ ДЬ - приращение температуры относительно исходной, непосредственно фиксируемое с прмощью термопары, °С.

а;, а2, а3, а.4 - коэффициенты в уравнении регрессии, рассчитываемые методом наименьших квадратов.

Истинное (и) и средненнтегралыюе (оср ') значения термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) рассчитывали по Формула.*/,:

и = а. + 2йг1 t - 20 ) +За3 ( 4 - 20 )2 + 4г. ( I - 20 )2, (2) .Сдр'*= й! + аг( Ь - ;;0 ) + а3( Ь -'20 )2 + а4( Л - 20)3.' (3)

Достоверность научных положений и практических рекомендаций, сфер!,¡улирсва:¡них в диссертация, обеспечена большим объемом . • параллельных измерений, выполненных с 'испольэотшои кохатлзкса

современных- методов физического металловедения (дилатометрического, микроскопического, микрорентгоноспектрального , Фазового магнитного, дюроыстричоского, рентгеноструктурного анализов, метода внутреннего трения, механических испытаний, математического моделирования на ЭВМ), статистическим анализом результатов измерений , а такая; высокой воспроизводимостью результатов исследований .

а. Р. Исследование хямячвской к структурной ппсдоародкогта литсЯ ста."! 33X101!'СЛ

Размерная стабильно~ть и свойства литых сталей определяются фазовым составом и структурой материала, которые, в свою очередь, формируются в процессе кристаллизации и последующих предварительной и окончательной термических обработок. В отличие от горячедеформированных КВС, для которых в качестве предварительной термической обработки используется смягчакций отжиг, для литых сталей, предварительная термическая обработка представляет собой сложный цикл термических операций, направленный прежде всего на устранение неоднородности химического состава и структуры стали вследствие дендритной ликвации.

Методами микроскопического, микрорентгеноспектрапьиого и дюрометрического анализов исследована природа химической и структурной неоднородности литой стали 09Х16Н4БЛ, проявляющейся в структуре изделий из данного материала как после предварительной ( диффузионный отжиг + нормализация + высокий отпуск ), так и после окончательной ( закалка + отпуск) термических обработок в виде нетравящейся " белой " структурной составляющей.

В силу особенностей фазового состава стали 09Х16Н4БЛ (большое количество остаточного аустенита,- достигающее 15 % и более) многие исследователи идентифицировали " белую " структурную составляющую как остаточный аустенит и на базе этого назначали режимы предварительной и окончательной термических обработок. С использованием дюрометрпчсского, металлографического и микро-рснтгеноспектрального анализов показано, что эта составляющая представляет собой участки, имеющие как и окружающая матрица мартенситную структуру и аналогичную твердость, но отличающиеся повышенным содержанием хрома. •

Формирование химической и структурной неоднородности в отливках из стали 09X16Н4БЛ обусловлено особенностями кристаллизации и свойственно природе исследуемой стали. Повышение однородности структуры стали путем увеличения скорости кристаллизации, как правило, оказывается недопустимым вследствие сложной формы отливаемых изделий.

Для устранения исходной неоднородности в настоящее время литые заготовки деталей подвергают энергоемкой и длительной термической обработке, включающей последовательно проводимые диффузионный отжиг ( 1150 °С, 5.5 ч, охлаждение с речью ), нормализацию ( 3050 °С. 2ч ) и высокий отпуск ( 620 °С, Зч ).

На основе микроскопических и микрорентгеноспектральных исследований было показано, что неравномерность распределения легирующих элементов, обусловленная дендритной ликвацией, гомогенизирующим отжигом не устраняете... Это происходит по следующим причинам: во-первых, дендритная неоднородность литого состояния обладает высокой устойчивостью и наследуется даже после горячей деформации литых полуфабрикатов, во-вторых, анализ разреза диаграммы состояния системы Ре-Сг-Щ-С указывает на то, что при указанной выше температуре диффузионного отжига - исследуемая сталь находится в двухфазном состоянии (б-феррит и аустенит). Так как растворимость легирующих элементов в этих фазах при температуре отжига различная, то в процессе отжига происходит перераспределение элементов (прежде всего, хрома) между фазами, а не выравнивание ик концентрации по объему. 'Другой недостаток высокотем-. пературного отжига связан, с получением. крупнокристаллической структуры с явно выраженной разнозернистостыо. Кроме того; используемая технология предварительной термической обработки стали 0ЭХ16Н4БЛ является, весьма энергоемкой, что определило целесообразность разработки новой энергосберегающей технологии',- способствующей снижению неоднородности литого металла.

Анализ литературных данных позволил остановиться на термоциклической обработке (ТЦО), проводимой вблизи критической тем- . пературы Ас1. Сравнительно невысокие температуры нагрева {не бы-- • ше 600°С) и непродолжительные'выдержки (до 5 мин) --обусловливают • экономическую эффективность данной технологии. . Возможность при-;.,, меиения ТЦО для снижения химической неоднородности литой стали , основывается на неоднократно наблюдаемом разными_авторами факте _

п

.^существенного ускорения диффузионной подвижности элементов-вблизи температур фазоиых превращений.

Для уточнения температурного интервала ТЦО определили крн: тическую точку Ас1 для стали 09Х16Н4БЛ в условиях ускоренного нагрева в солянсй ванне (Ас;= 775 °С). Поиск оптимального режима ТЦО осуществляли; реглизуя полный фшсгсршй эксперкшгг , варьируя температуру нагрева, время выдержки в ванне и число циклов.

Для обеспечения требуемой вязкости стали перед ТЦО проводи-" ли номлализацию. оптимальный рричм которой- внбнраля "ипнмпзац" «и иломерин нустенитного э?рнг.

Показано, что замена диффузионного отжига термоциклической обработкой приводит к снижению химической неоднородности, что, в свою очередь, обеспечивает, повышение структурной, а , следовательно, и размерной стабильности стали, и позволяет значительно уменьшить энергетические затраты на термическую обработку изделий.

Таким образом,.. предложенная энергосберегающая технология продааригел&ной термической обработки лптчх изделий из коррози-онсс-стоГшои стали 09X16НШ1, включает нормализации (»00 ':С, 1 ч) и последующую термоциклическую обработку ( ускоренный нагрев до 000-620 'С, 2 мин. охлаждение яо 150 - 200 °С, 0 цикла).

Анализ микроструктуры, распределения легирующих слепит» и результатов механических испытаний литых образцов после полного цикла термической обработки, включающей предложенный вариант предварительной термической обработки, подтвердил соответствие ' контролируемых" характеристик механических свойств требованиям технических условий на готовые изделия.

Т.чкьм образом, выявлена природа структурной неоднородности ""изделии из КВС," получаемых литьем по выплавляемым моделям, заключающаяся в неравномерном распределении хрома и. связанной с этим различной устойчивостью мартенсита против распада. Разработана энергосберегающая технология предварительной термической обработки литых изделий из.коррозионно-стойкой стали 09Х16Н4БЛ, сбоспечивакщая' сииаемш химической неоднородности и требуемый комплекс механических свойств.

2.3 Исследование фазовой и структурной метастабилыюсти хромоникелевых высокопрочных сталей мартенситного класса

Методами микроструктурного, фазового магнитного и дилатометрического анализов проведено исследование влияния режимов-термической обработки на структурную и фазовую стабильность КВС мартенситного класса с целью установления основных причин раз-, мерной нестабильности исследуемого класса материалов'.

Структура КВС поело закалки состоит из мартенсита, образующего матрицу сплава, трудно идентифицируемого даже при больших количествах остаточного аустенита и б-феррита, расположенного по границам бывших аустенитных зерен. Как показал анализ структурной диаграммы Я. М. Лотака и е. А. Сагалевич для нержавеющих сталей колебания химического состава сталей исследуемого класса в пределах марочного приводят к значительному изменению фазового состава закаленной стали. С увеличением содержания углерода этот эффект усиливается.

Проведенные исследования подтвердили исключительную чувствительность фазового состава КВС к химическому составу и температуре нагрева под закалку.

Исследование изменения фазового состава в зависимости от температуры нагрева под закалку показало, что интенсивность изменения соотношения фаз в структуре стали с ростом температуры аустенитизации возрастает с увеличением содержания углерода в стали. В стали 25X17Н2С с 0,21 %с небольшие колебания температуры нагрева под закалку в интервале 1030. ..1100 "С приводят к существенному изменению количества остаточного аустенита.

Методом дилатометрического анализа были исследованы объемные эффекты при отпуске сталей. Зависимость относительного изме:-нйния размеров ( (Д1-Д1ЗТ )/10, где Д1 - измеренное значение удлинения при. температуре. Ь, Д 131- значение удлинения образца из стали б стабильном состоянии при температуре I, 10 - начальная длина образца ) закаленных образцов из КВ0 имеет вид, представленный на рис. 1. За величину, пропорциональную количеству остаточного -аустенита, распадающегося при нагреве, принимали площадь под участком дилатометрической кривой, характеризующим второе превращение при. отпуске (рис. 2 ). Характерной особенностью структурообразования при отпуске сталей данного класса является

Рис. 1- Схема изменения размеров закаленного образца КВС при нагреве (Н) и охлаждении (0) после отпуска 550 °С, 1ч.

•5 и. с 200

т

950 то то %'й

Рис. 2 Зависимость площади (8) под пирсом на дилатограмме, пропорциональной количеству остаточного аустенита, распадающегося при нагреве, от температуры нагрева под закалку. ■ 1 - 09Х16Н4Б, 2 - 14Х17Н2, 3 - 25Х1?НгВ.

* /

2- / \ У /

! ¡Х^ /

\

/ ч \

поведение остаточного аустенита.

В работе показано, что устойчивость остаточного аустенита против отпуска так же, как фазовый состав термоупрочненной стали, яолявтся функцией химического состава и температуры нагрева под закалку. Анализ зависимости количества остаточного аустенита, распадающегося при нагреве, от.содержания углерода в стали показал, что при некотором граничном содержании углерода (0,11%) изменяется закономерность поведения указанной фазы при отпуске. Так в сталях с содержанием углерода до О, И.%. (09Х16Н4Б) основная часть остаточного аустенита распадается при нагреве в процессе отпуска. , В сталях с более высоким. содержанием углерода (14X17112, 25X17Н2Б) при низкой температуре яагрева под закалку (Тзак« 1030°С ) данное превращение протекает так же как в малоуглеродистой стали (09X16Н4Б). При температуре аустенитизации выше температуры полного растворения карбидов хрома, происходит обогащение аустенита углеродом и хромом, что приводит к повышению его устойчивости к последующему распаду при отпуске.. Превращение остаточного аустенита в этом случае протекает лишь при охлаждении после нагрева закаленной стали до температур' , Б00-5Б0с'С и изотермической выдержки при этих температурах. При выдержке в указанном интервале температур происходит выделение карбидов хрома/ остаточный' аустенит обедняется легирующими элементами, вследствие чего понижается его.устойчивость к превращению, протекающему при охлаждении ниже точки начала распада остаточного аустенита М„'. Причем для того, чтобы обеспечить распад значительного количества остаточного аустенита, необходимо проводить 3-4 отпуска.

Следует обратить внимание на то,- что точка начала распада остаточного аустенита Ма' в общем случае не совпадает с температурой М„ для сталей данного класса. Установлено, что для стали 25X17К25 зависимость температурного положения точки начала распада остаточного аустенита не подчиняется общепринятым представлениям о поведении -М„ для переохлажденного аустенита не происходит снижения М„' с повышением температуры нагрева под закалку. Определяющим фактором в данном случае является не степень легированное™. а напряженное состояние мартенсита (рис.3).

Величина и характер изменения размера образца (увеличение или уменьшение размеров ) определяются особенностями фазовых

превращений при отпуске, _ а, следовательно, также зависят от двух факторов: химического состава стали и температуры нагрева под закалку. При температуре нагрева под закалку ниже температуры полного растворения карбидов хрома наибольший вклад в общее изменение размеров при отпуске вносит распад мартенсита, в результате чего происходит уменьшение размера образца; при более высокой температуре аустенитизации - превращение остаточного аусиенита, приводящее к-увеличению размеров ( рис.4).

Поскольку для обеспечения требуемых характеристик прочности стали данного класса нагревают под зякалку до температур, достаточных для полного растворения карбидов хрома, а также, учитывая тот факт, что распад мартенсита закалки протекает гораздо легче, чем превращение остаточного аустенита, в целом величина размерных изменений в исследуемой группе сталей определяется количеством остаточного аустенита и его устойчивостью. Наибольшей размерной нестабильностью будут обладать изделия из стали с повышенным содержанием углерода......*

2.4 Оптимизация режимов окончательной тпрмнчпекой обработки, е-бсспа'.ивсюжих размариуи стабильность коррозионно-стойких >фо:ш!!И!селепых сталсн в высокопрочном состоянии

В качестве критерия размерной нестабильности в случае, когда последняя обусловлена метастабильность» фазового и структурного-состояний, ' было предложено использовать ЮТР материала. Значение ТКЛР 'гетерофазкего материала в зависимости от соотношения объемных долей фаз будет различным и колебания температур при' эксплуатации и'хранении, могут приводить к'непрогнозируемому • изменению' .размеров деталей:

Как было показано ранее, наибольшей метастабильностья обладает сталь с повышенным содержанием углерода (25X17Н26). Оптимизацию окончательной термической обработки проводили лля данной стали. "■

Методами дилатометрического, микроструктурного, дюроиотря ческого и реитгсноструктурного анализов изучено"влияние параметров ; .штатной термической обработки, применяемой для упрочнения ряда- прецизионных деталей из стали 25X171 (.-'-С ( Т.,

•V. °с

5ÜQ

tío

Л

у-Л

ръ

950

16

то

usa %;с

Рис.3 Зависимость температуры начала распада остаточного аустенита после отпуска при 550 °С, 1 ч от темде'рату-■ ры нагрева под закалку:

1 - 09Х16Н4Б, 2 - 14Х17Н2, 3 - 25Х17Н2Б. ■

AL.40k

to

' ¿a

о

•9бо то uso Ti, "с

Рис.4 Зависимость относительного . изменения длины образца после отпуска 550 °С, 1ч от температуры нагрева по; закалку:

1 - Ü9X16H46, 2 - 14Х17Н2, 3 - 25Х17Н2Б.

1080.. .mO°C, - Т0!Г- «.-70..... -196-С, Т0Т!, = 250... -350°С ) на фа- -

зооый состав, структуру, твердость и ТКЛР.

Показано, что изменение пара),¡строи термический обработки а указанных пределах обеспечивает требуемый уровень твердости ста-пи 25Х17Н2Б (41,5 - 51,i l!RC3y Однако при этом имеет место существенное изменение фазового состава стали, что отражается на значениях ТКЛР. Максимальная величина среднеинтегрального термического коэффициента линейного расширения в интервале температур 20-120 °0 ict.jj') может достигать значения 11, OR ■ 10"61 /К, что значительно пропыж?ет гг1;|1' в ралюссснзм (стсшхснион) ссс70л:::;п (7,05 -10"61/К ). Сталь, термообработанная по штатному режиму, обладает низкой размерной стабильностью, что обусловлено .наличием в ее'структуре до 20% остаточного аустснита.

Исследование зависимости ТКЛР от режимов термической обработки используемых в производственной практике для данного класса материалов, показало, что колебание его величины относительно равновесного .состояния определяется посядс всего количеством остаточного аустснита в стали ( табл .i. Так каждый последующий высокотемпературный отпуск стали приводит уменьшение ТКЛР, что обусловлено распадом новой порции аустснита. При этом увеличение видегржкь при однократном отпуске до 3-х часов не эквивалентно по воздействию на распад остаточного аустснита многократному отпуску с той zo суммарно!': продолжительностью изотермической выдержки: ТКЛР стаж! поело однократного 3-х часового отпуска пребывает ТКЛР стали, подвергнутой 3-х кратному отпуску по 1 ч. '

С целью повышения размерной стабильности изделий из' стали ?3Xi7ii5Ij были различные кор^нтн режимов тср/.и-

'Т'-'сн оо.рл'Ьгки, ¡«лорие *г.оз!-ол:1ля бы получить минимальный ТКЛР .при'заданном уровне'характеристик механических свойств. Было показано, что применение высокого отпуска а сочетании с обработкой холодом .обеспечивает повышение структурной стабильности стали -ШТгГ'.Ь.

>":■'!;? -з:-: -,;;;'>>:;./¡-'..у¿он лот-:--"-";• ;з ц'.^сло термической

cilp-iGu«~ : изнененну;

удельуолч ci:i=c з Liu.v.o;.--'^.-'.-; or ¡.rj.r.v-icrn-v-i "<ч;чпт'рс;-:'; -

вал',"" что увеличение гадеряьлия йустонита о? 5 до 20%, что соответствует кслебгнио . Фазсзого состааа пои взрьнрогании штатного режима термической обработки, приводит к укачывекк» размеряй на

Чстииный и' средний интегральный ТКЛР стали 25Х17Н2Е: после различных режимов термической обработки

Вид термообработки 1*70*10 6 1/К 8И70*10 6 1/К - а20-12р- Ю 6 1/К й20-220-Ю6 1/К

Отжиг 8.70 °С, 4ч 7,05 0,16 ■ 6,99 7,48 ■

Закалка 1200 0С 11,24 0,30 11,19 11,99

3. 1200 °С + однократный 0*. 10,00 0,1'9 9, 89 10,91

3. 1200 °С + двухкратный 0. 9. 67 0,17 8,96 . 10,07

3. 1200 °С * трехкратный 0. 9.40 0,14 8.74 9,77

3. 1200 °С + 0.. 550 °С, Зч. 9,93 0.18 ' 9,19 10,16

Примечание: * Температура отпуска 550 °С, время выдержи 1ч.

Рис.5 Зависимость термического коэффициента линейного расширения от параметров термической обработки стали 25X17Н2Б.

10"3 мм/мм. Зто недопустимо для прецизионных изделий.

Предлагаемый в работе режим термической обработки позволяет снизить количество остаточного аустенита до 3%, что должно- приводить к незначительным (на два порядка меньшим) изменениям размеров при возможном его дораспаде.

На заключительном этапе работы с помощью регрессионного анализа получена Модель, описывающая зависимость Т1СПР от параметров термической обработки стали 25X17Н2Б:

й- 10б=7, 08-Хох + 0,0086-Тзак-9, 34• 10 10 • Р2-0, C06XOJ[TaaK, 1/К (4) где Хох - параметр, учитывающий влияние обработки холодом (Хох=0 - если обработка холодом отсутствует, и ХоХ=1, . если - режим включает обработку холодом),

Гвак- температура нагрева под закалку, °С, где Р - двухпараметрический критерий Ларсона-Миллера:

Р=Т'[С + Igt], (5)

где Т- температура отпуска, К,

С - константа, принятая равной 22. т - время отпуска, мин.

На рис. 5 представлена зависимость ТКЛР, описываемая данной моделью от параметров термической обработки, включающей обработку холодом. С увеличением температуры нагрева под закалку ТКЛР возрастает, так как увеличивается количество остаточного•аустенита в структуре термообработанной стали. Зависимость ТКЛР от параметров отпуска более сложная. Низкий отпуск практически не приводит к изменению ТКЛР. При повышении критерия Р выше некоторого значения (соответствующего отпуску при 550°С, 1ч) происходит резкое уменьшение значений ТКЛР, вызванное распадом остаточного аустенита.

Кроме модели ТКЛР, была получена зависимость предела прочности от тех же параметров термической обработки:

бь = 2,45-Тзак - 0.0006-тзакг - 1.55-'р2, МПа (6).

Совместное решение этих уравнений с учетом соответствующих граничных условий позволяет определить режимы закалки и отпуска, обеспечивающие требуемое сочетание прочности й ТКЛР для конкретного материала. Для изделий, к которым предъявляются повышенные требования ло прочности ( бь = 1600-1700 МПа) предложен и апробирован режим термической обработки, включающий закалку от 1080 °С, обработку холодом -70 °С, 30 мин и отпуск 530 °С. 2 ч. - Сред-

неинтегральный" термический коэффициент линейного расширения в интервале температур 20-120 °С составил 8,5-10" 61/К. ТКЛР после такой термической обработки и последующих иммитационнкх испытаний на длительное хранение отличаются незначимо.

Таким образом, разработанный подход позволяет выбирать режимы термической обработки, гарантирующие требуемое сочетание характеристик прочности и размерной стабильности.

3. ОЩИЕ выводы

I

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие выводы:

1. Изучено влияние режимов предварительной и окончательной термических обработок на структуру, фазовый состав, объемные изменения .ТКЛР и механические свойства коррозионно-стойких хромо-никелевых сталей мартенситного класса.

2. Выявлена-природа • структурной микронеоднородности'изделий из коррозионно-стойких сталей, получаемых литьем по выплавляемым моделям, заключающаяся в неравномерном распределении хрома и связанной с этим различной устойчивостью мартенсита против распада, что способствует увеличению структурной стабильности деталей.

3. Разработана энергосберегающая технология предварительной термической обработки литых изделий из коррозионно-стойкой стали 09Х16Н4БЛ, включающая нормализацию ( 900 0С. 1ч ) .и последующую термоциклическую обработку ( ускоренный нагрев до 600-620 °С, 2 мин, охлаждение до 150 - 200 °С, 3 цикла), обеспечивающая снижете химической ..микронеоднородности и требуемый.комплекс.механических свойств после окончательной термической обработки.

4. Основной вклад в изменение ТКЛР хромоникелепых сталей мартенситного класса вносит превращение остаточного аустекита. Разработана математическая модель изменения удельного объема в зависимости от фазового состава.КВС, позволяющая прогнозировать дилатацию изделий после различных операций термической обработки.

5. Устойчивость остаточного аустснита КВС мартенситного класса против отпуска является функцией химического состава и температуры нагрева под закалку. В стаго.х с содержанием углерода

до 0,11 % основная часть остато-ысго.аусндипа раснадаотся при нагреве в процессе отпуска закаленной стали. В сталях с более :соким содержанием углерода при низкой температуре нагрева под закалку превращение•остаточного аустенита протекает так же, как в малоуглеродистых сталях. При температуре аустенитизации выше температуры полного растворения карбидов хрома возрастает устойчивость остаточного аустенита и его распад происходит при охлаждении после высокотемпературного отпуска.

6. На базе установленных закономерностей структурных прев-" ращений и обусловленных ими .размерных изменений в хромоникелевых КВС мартенситного класса разработан алгоритм выбора марки стали и режимов упрочнения, обеспечивающих оптимальное сочетание размерной стабильности и механических свойств прецизионных изделий. Предлагаемый подход заключается в получении уравнений рргроссии, описывающих влияние режимов термической обработки на изменение механических свойств и ТКЛР, и совместном их решении при заданных условиях. Для изделий из стали 25X17Н2Б предложен режим окончательной термической обработки (закалка от 1080 °С, обработка холодом при -70 °С, 30 мин, отпуск- 530°С, 2ч), позволяющий получить максимальную структурную стабильность при уровне прочности 1600.:. 1700 МПа.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Природа размерной нестабильности коррозионно-стойкой высокопрочной стали 25X1 7Н2Б-Ш. /Е.М. Гринберг, С: И. Архангельский И. В. Тихонова , И. В. Фомина // Вторые Демидовские чтения. - Тула. -

1996.-С. 330-133.

2. Архангельский С-. И., Тихонова И. В., -Фомина И.6. Алгоритм выбора режимов упрочнения дисперсионнотвсрдсщих сплавов -для обеспечения заданных комплекса механических свойств и размерной стабильности.// Материалы IX Международной конференции "Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах". Тула. -

1997.-С. 150-151. . '

3. Фомина И.В, Влияние термической обработки на структуру, свойства и фазовый cocías стали 25Х17Н2Б-Ы.// Материалы молодежной конференции " XXI Гагар;¡некие чтения ". Москва. - 3995. -С 49.

4 Гринберг Е.М , $оми»«й !1. 3. Разработка знс-ргосЯг-рсга-с^с-й технологии термической обработки литых изделий из коррознон-ь^-стоШ'.ои стали.// Каторналк V Международной конФерютип Ак-.■уальныо г.роолош аагсриалсадсния в нсталлургии". Но'чжу.уоци. -* \:У! - К'].

о Томима И. Гермоцнклич'^С!-::-'! обработка нзлолнп т:-зионно-стойкой высокопрочной стали С9Х16Н4БЛ.// Йатерн.-уи шло-пегагмпм кпнтипмиМии л л ! I ! ■ пл «оипНСКИи ЧТСЬпЛ". • 10С7.

и. 81.

. . - . У--?. /г . у«-.. /у . т>ч. гг-к--. ;. < :•-.->

£ - /. , Тужыжкй «иудвргтедатма уяхырегяет. Туга, ероеа. Лсгаяяц 32.

Подражвслег-те ^«яултагпД этггукЬга тудгрстгегшста ухчвер-

егтатз. гг?Г-СЗ улСегг~*»т *.%.