автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и исследование высокопрочных мартенситностареющих сталей применительно к деталям АЭУ

№

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ТЕИШОЕИИ ЦАШЮСТРОЕНИЯ

цниитыаш

На правах рукописи

СТОНАЛОВА Ирина Анатольевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ МАР1ЕНСИТНОСТАРШЩ СТАЛЕЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К Д2ГАЛЯМ АЭУ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка

металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Научно-производственном объединении со технологии машиностроения (НПО ЦНЖП.1Ю.

Научный руководитель : Лауреат Государственной премии СССР

профессор, доктор технических наук А.А.Астафьев

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

П.А.Антикайн

кандидат технических наук

Д //>¿¿>¿43

Ведущее предприятие - ПО "Ижорский завод" г.Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится "/7" сЛлДя/^Л? 1993 г. час. на заседании специализированного совета при

НПО ЦНИИТЫАШ по.адресу: 109088, г.Москва, уд.Шарикоподшипниковская, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Телефон для справок 275-85-33.

Автореферат разослан " 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Г.И.Васильева

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Современное энергомашиностроение выдвигает ряд новых задач по созданию специальных материалов и сталей, удовлетворяющих существенно более высоким требованиям по прочности, износостойкости и коррозионной стойкости.

Одной из проблем в области атомного машиностроения является изыскание высокопрочной нержавещей стали с широким легко регулируемым диапазоном физико-механических свойств для изготовления рада тяяелонагруженных деталей и зубчатых колес.

По условиям работы эти детали должны обладать высокой твердостью, срочностью, достаточной пластичностью, быть технологичными и коррозионностойкими.

В настоящее время нет одной нернавеюцей стали, обладающей всеми этими свойствами и способной даЕагь различную твердость в интервале 25-1-42 НРсэ, поэтому в отечественной промышленности на заводах энергетического машиностроения для этих целей применяются три стали марок: 14Х17Н2, ШЗНЗ и 2Х17Н2БШ. Эти стали могут быть использованы только в одном узком диапазоне твердости, так как получить на кавдой из них конкретные значения твердости в широком диапазоне величин твердости и механических свойств методами термической обработки не представляется возможным. Все это указывает на необходимость разработки новой унифицированной стали, способной превосходить существующие стали по комплексу физико-механических а технологических свойств. Это является важной и актуальной задачей.

В работе с использованием методов дилатометрического, металлографического, фазового и рентгеноструктурного анализов в сочетании с испытаниями механических свойств исследованы малоуглеродистые ( £ 0,045? углерода) хромо-никель-моллбденовые :~ар~

- 4 -

тенситностарегацие стали. При этом изучены:

1. Структурно-фазовый механизм упрочнения сталей в зависимости от содержания легирующих элементов и режимов термической обработки.

2. Раздельное влияние молибдена, марганца, титана и алюминия на механические свойства, микроструктуру и склонность к ЬНК.

3. Влияние длительных тепловых воздейств^ (термическое старение при температуре 350°С длительностью до 5000 ч) на изменение макроструктуры и вязкости, механические свойства.

4. Кинетика старения при отпуске сталей в зависимости от температуры и выдержки.

На основании полученных данных рекомендуется для деталей АЭУ сталь 04П4Н5ЫГТЮ, обладающая после закалки и отпуска повышенными прочностными свойствами и стойкостью к ЖК.

Цель работы. Целью диссертационной работы являлось изыска-, ние мартенситностареющей коррозионностойкой стали, обеспечиваю-: щей предел текучести до 1000 МПа, твердость в пределах 25*42 Н8сэ, стойкость против межкристаллитной коррозии и достаточную технологичность при термической и механической обработке.

Решение этой задачи осуществлялось в направлении изучения влияния легирования и термической обработки на физико-механические свойства стали и ее склонности к МКК.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

1. Провести анализ литературных данных по применяемым в настоящее время мартенситностареющим сталям.

2. Исследовать влияние различной концентрации легирующих элементов - молибдена, марганца, титана, алюминия на изменение микроструктуры и комплекса физшсо-механических свойств нержавеющей мартенситностареыцей стали типа 04Д4Н5М2. '

3. Определить оптимальный состав выоокопхючной нержавеющей

мартенситностареадей стали.

4. Провести выбор и оптимизацию режимов термической обработки. ;

5. Исследовать физико-иеханические и технологические свойства стали оптимального состава.

6. Провести исследование механизма упрочнения стали при отпуске.

Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана мартенситностарещая сталь 04Х14Н5МГТЮ, обладавшая существенно более высоким комплексом механических свойств и коррозионной стойкостью по сравнению с. применяемыми в энергомашиностроении сталями для изготовления деталей с разными категориями прочности.

Проведен анализ влияния и установлены пределы легирования титаном, алюминием, молибденом и марганцем для получения необходимого комплекса механических свойств и служебных характеристик стали типа 0П4Н5МЯ.

Научно обоснован выбор режима термической обработки стали на основании комплекса исследований механических, коррозионных, свойств и металлографических исследований структуры.

В работе показана сеязь параметров термической обработки (температура, время, среда) с комплексом физико-механических свойств. Установлено, что в интервале температур старения от 400 до 650°С изменения механических свойств и твердости стали 04Х14Н5МШЗ описываются моделью заровдения, выделения и роста интерметадлидных фаз.

Практическая ценность. Разработанная сталь 04П4Н5МГШ внедрена при изготовлении деталей машины-перегрузки ВВЭР-1000 на ПО "Атоммаш".

Разработаны и утверждены технические условия на прутки из

стали марки 04Х14Н5МГТЮ.

Высокая коррозионная стойкость наряду с высокими прочностными характеристиками, при хорошей пластичности позволяет рекомендовать разработанную сталь на других заводах отрасли.

Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 21 тысячу рублей в год.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуадались на 5-ти научно-технических конференциях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе одно авторское свидетельство на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников, включающего 84 наименования, и приложений. Изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 19 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ МАТЕРИАЛЫ И '.ЕТОДЖА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводилось на металле лабораторных плавок весом 12, 50, 150 и 500 кг. Химический состав сталей лабораторных 12 кг плавок приведен в табл. I.

Слитки протягивались, осаливались и проковывались на молоте в интервале температур П50-850°С на заготовки размером 15x15x180 т для изготовления образцов на механические испытания. В работе при определении критических точек был применен дилатометрический метод анализа.

В работе определяли механические свойства при испытаниях на растяжение и ударный изгиб, склонность к межкристаллитной коррозии (МКК), проводили электронномикроскопическое, металлографическое и рентгеноструктурное изучение исследованных сталей

Химический состав исследуемых сталей

«Таблица I

Химический состав, вес %

Марка стали ......

углерод хром никель молибден марга- кремний титан алшиний сера фосфор

нец

Х14Н5М2 0,026 14,9 5,2 2,8 0,12 0,39 - - 0,006 0,006

П4Н5М2ТЮ 0,032 14,0 5,25 2,7 0,53 '0,17 0,40 0,19 0,018 0,006

П4Н55Л2Г С',.022 15,2 5,6 2,8 1,6 0,44 - - 0,006 0,005

Х14Н5М2ГТЮ 0,036 14,1 5,04 2,58 1,14 0,23 0,39 0,41 0,016 0,006

Х14Н5М2Г2 0,028 15,1 5,4 2,8 2,2 0,54 - - 0,006 0,005

Х14Н5М2Г2ТЮ 0,023 14,0 5,4 2,6 2,2 0,37 0,42 0,58 0,018 0,006

Л4Н5М 0,023 15,1 5,2 1,1 0,11 0,41 - - 0,006 0,007

Х14Н5МТЮ 0,026 14,3 5,0 1,1 0,52 0,18 0,42 0,47 0,018 0,008

Х14Н5МГ 0,025 16,6 5,8 1,0? 1,54 0,7 - - 0,006 0,011

П4Н5МГТЮ 0,024 13,8 5,0 0,93 1,24 0,37 0,4 0,48 0,017 0,008

Х14Н5МГ2 0,025 16,5 5,9 0,9 2,55 0,5 - 0,006 0,013

Х14Н5МГ2ТЮ 0,023 14,0 5,5 0,91 2,22 0,25 0,38 0,5 0,014 0,010

и определение износостойкости. Все результаты проведенных измерений обрабатывались статистически с сценкой средних значений и ширины распределения о 95^-иой доверительной вероятностью.

Эл ект р о ннскикро с ко ппч с с ко е исследование структуры проводили на тонких -{.ольгах на микроскопе 31'-' -200. При изучении тонкого строения получали количественные оценка соотношения участков с разным типом субструктуры, азимутальную разоркентирозку субзерен, плотность свободных дислокаций.

Оценка коррозионной стойкости стали к ЖК производилась по результатам испытаний стандартных образцов после закалки и различных температур отпуска по ГОСТ 6032-84 по методу АМ.

Исследования износостойкости проводились на роликовой ыаки-не в идентичных условиях на сталях 14Х17Н2, 2Х17К2БШ, 0Х14Н5".Т2ТЮ.

Кроме металла лабораторных плавок в работе исследованы механические свойства, микроструктура, склонность к ЫКК металла полупромышленной пятитонной плавки стала оптимального состава, выплавленной на заводе "Электросталь" им. Тевосяна.

С цельа получения на одной заготовке разного плавно изменяющегося содержания марганца из двух 50 кг слитков, выплавленных в электродуговой печи, были прокованы два глина для изготовления двух электродов для Э1Ш. Затем полученный слиток ЭШ был прокован на пластины размером 400x250x20 мм для изучения механических, коррозионных свойств и микроструктуры.

ИССЛЗДОЗАНКЕ ФЖКО-ЖХ^ЧЗСХИХ СВОЙСТВ 13ТАЛЛА ОПЫТНЫХ ПЛАВОК ИССЛЗДУЗ.ДХ СТАЛЗЯ

Дилатометрический анализ показал, что при температурах 880--900°С заверяются фазовые превращения для всех исследуемых составов сталей и растворение вторичных фаз в случае присутствия

упрочняющих элементов - титана и алшиния, а при охлаждении со скоростью 200°С/ч образуется мартенситная структура.

Таким образом, первоначально для всех составов температура нагрева под закалку была взята 900-920°С, выдержка 2 ч, охлаждение б воду.

Изучение зависимости изменения твердости от температуры отпуска позволило установить температуру, время и аффект максимального старения сталей. Для всех сталей с титаном и алюминием максимальная твердость достигается отпуском при 450°С в течение '5 ч и меняется в интервале от 20 до 42 КЕсэ.

Наибольший эффект старения получен на стали типа 0Х14К5М, легированной марганцем, титаном и алюминием. Это подтверждается дороыетрическими кривыми. Для стали 0П4Н5М после отпуска 450°С подучена максимальная твердость 33 НР.сэ, для стали 0Х14К5МГ2ТЮ - 42,5 НРсэ, а для стали 0Х14Н512Г2ТЮ - твердость 44 НРсэ.

¡Микроструктура стали типа 0Х14Н5'.!2, легированной алюминием и титаном, состоит из мартенсита, аустенита и <■' -феррита. Уменьшение содержания молибдена до Б5 и дополнительное легирование марганцем в пределах от 1,0 до 2£, практически исключает феррит дую составлякхцую в стали, упрочненной титаном и алюминием.

Изучение механических свойств всех исследуемых сталей после закалки и закалки с максимальным старением показало, что прочностные характеристики по сравнешао с закаленным состоянием значительно возрастают после отпуска. Пластические свойства остаются на достаточном уровне. Ударная вязкость после старения на максимальную твердость снижается, однако в сталях, легированных титаном и алюминием, то есть при упрочнении за счет выделения интерметалладов после старения ударная вязкость сохраняется на

о

достаточном уровне, превышающем заданный - 0,4 "Дк/м .

На основании исследования механических свойств, структуры,

фазового состава для дальнейшего исследования применительно к деталям машин - перегрузки выбрана марка стали 0Х14."15МГ2ТЮ, которая после закалки имеет ыартенситно-аустенатную структуру. Эта сталь в зависимости от температуры отпуска может иметь широкий диапазон твердости (20-40 НКсэ) и механических свойств.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЛИ 0Х14Н5КГ2ТВ ПРОыЫШШШХ И ШШЕШШЗДШ ПЛАВОК

Отработка режимов термической обработки выбранного состава стали 0Х14Н5Г.Т2ТЮ проводилась на металле пятитонной плавки. Основным критерием выбора термической обработки является прирост твердости, прочностных свойств, величина ударной вязкости при комнатной температуре, а также микроструктура и склонность к МКК. Исследовались различные варианты термической обработка: температура нагрева под закалку - 860, 910, 990 и Ю50°С; скорость охлаждения в воде, в масле и на воздухе; время выдержки пра закалке 30 мин, I и 2 часа; температура отпуска 400, 450 и 500°С; время отпуска от I до 8 часов.

Сопоставление различных температур закалки, времени аусте-низации и скорости охлаждения показало, что наиболее стабильные результаты наблюдаются при нагреве под закалку в интервале 900--1000°С.

На рис. I представлены кривые изменения твердости при старении в широком диапазоне температур и выдержек после нормализации с температуры 900-920°С. Эти кривые показывает, что наибольший эффект упрочнения наблвдается в первый час выдержки. Особенно это проявляется при температурах отпуска 475, 500°с. После 5-ти часов выдержки при температурах 450-500°С прироста твердости практически не отмечается.

Микроструктура оценивалась на образцах, охлажденных з воде

Изменение твердости стали 04Х14Н51Т2ТЮ в зависимости от времени ввдеркки при различных температурах отпуска

I, 2, 3, 4, 5, 6 - температура отпуска 400, 425, 450, 475, 500, 525, 550°С соответственно

Рис. I

и на воздухе с температуры 860, 900, 1000 и Ю50°С. Структура после всех режимов закалки состоит из мартенсита и небольшого количества феррита. После нагрева под закалку на 860°С в структуре наблюдается нерастворенная вторичная фаза. Более ярко она выражена после охлаждения на воздухе.

При нагреве под закалку на Ю50°С появляется остаточный аустенит в небольшом количестве. Зерно растет незначительно. Таким образом, исходя из результатов исследования твердости и микроструктуры, наиболее рациональным режимом закалки является: аустенизация 900-920°С, выдержка 2 ч, охлаждение в воде и отпуск 500°С, 5 ч. Этот режим обеспечивает требуемую твердость в пределах от 42 до 45 НКсэ, отсутствие склонности к МКК и наилучший комплекс механических свойств.

Затем на металле полупромышленных и промышленных плавок были исследованы служебные характеристики в сравнении с другими сталями, применяемыми для этих целей в настоящее время.

На металле 150 кг плавки стали 04Х14Н5ЫГ2ТЮ проведено исследование на коррозионную стойкость по инструкции <ЩК J6 01-77, специально разработанной в ЦНИИТМАШе для стали 00Х12НЗДЯ, по весовым потерям. Во всех исследуемых случаях скорость коррозии значительно меньше браковочной (браковочная скорость коррозии

5 г/м2, а на стали 04Н4Н5МГ2ТЮ - 0,097-0,58 г/м2). Проводились испытания во влажной камере, в условиях пересыщенного водяного пара (влажность х 1005?) в сравнении со сталями 2Х17Н2Ш и I4XI7H2, применяемыми в настоящее время для шестерен и деталей машины-перегрузки.

После года пребывания в этой камере на образцах из стали 04Х14Н5МГ2ТЮ никаких следов коррозии не обнаружено, в то время как на стали 2Х17Н2БШ и I4XI7H2 коррозия была обнаружена после 680 ч. Это связано в основном с оптимальным вариантом легирова-

ния, т.к. при относительно небольшом содержании хрома важно наличие молибдена, который, являясь поверхностно активным элементом, уменьшает подвижность атомов вдоль границ и тем самым снижает объем выделений по границам зерен. Кроме того, весьма существенное влияние оказывает титан в сочетании с низким содержанием углерода в стали. В этом случае образуются карбонитриды титана, а хром остается в твердом растворе, обеспечивая необходимую коррозионную стойкость, и все ввделения вторичных фаз происходят не по границе, а по телу зерна.

Для испытания на износ сталь 04Х14Н5МГ2ТЮ подвергалась закалке с температуры 920°С и отпуску при 450°С - 5 ч на твердость 40 НЕсэ и при 500°С - 5 ч на твердость 36-38 НВсэ. Испытания на износ проводились в сопоставлении со сталями 2Ы7Н2БШ и 14И7Н2, работающими в одной паре. Сталь 04ХЕ4Н5ШГ2ТЮ испытывалась в паре со сталью 2Х17К2БШ, и кроме того испытывалась пара из стали 04П4Н5ЫГ2ТЮ с разной твердостью. Сталь 04Л4Н5МГ2ТЮ при работе в паре с одноименной сталью обладает более высокой износостойкостью по сравнению со сталью 14П7Н2, работающей в паре со сталью 2Ц7Н2НН (в неприработанном состоянии). В приработанном состоянии износ стали 04ХЕ4Н5КГ2ТЮ в 4 раза меньше износа стали 14Ц7Б2. Более длительные испытания показали, что по мере прира-батываемости различие в износостойкости стали 04ХГ4Н5КГ2ТЮ и стали 14Х17Н2 уменьшается, однако следует отметить, что и в этом случае износ стали 04Х14Н5МГ2П) в 2 раза меньше, чем у стали 14X17112.

Джя оценки возникающих деформаций при отпуске были изготовлены аз закаленных заготовок две экспериментальные зубчатые пары: вал-шестерня и коническое колесо. После изготовления они подвергались отпуску. Определение размеров вала-шестерни и конического колеса проводилось до и после отпуска. Измерения показа-

ли, что стрела прогиба вала-шестерни после отпуска на 500°С и 550°С увеличилась не более, чем на 0,01 мм, а торцевое биение конических колес осталось без изменения. Это позволяет механическую обработку деталей проводить в закаленном состоянии с твердостью 20-30 ед. НЕсэ, а затем после низкого отпуска при 450-500°С получить на готовом изделии твердость 40-42 ед. НРсэ.

Проведенные исследования показали, что сталь 04Х14Н5КГ2ТЮ превосходит стали 14Х17Н2 и 2Х17К2БШ по износостойкости, склонности к МКК и по технологичности.

С целью оптимизации выбранного состава было проведено исследование влияния суммарного количества титана и алшиния. Вес слитка, термическая обработка и свойства стали 04Х14Н5МГ2ТВ представлены в табл. 2. Склонность к МКК (после старения при различных температурах) не обнаружена ни на одной из пяти плавок. После старения при температуре 450°С, структура исследуемых сталей состоит из мартенсита (65-85$) и остаточного аустени-та. В плавке с суммарным количеством титана и алшиния равным 0,35$, ¿Г -феррит отсутствует. В плавке с титаном и алюминием в суше 0,4755 <Г -феррит появляется в небольшом количестве. Увеличение суммарного содержания титана и алшиния до 0,62$ для слитка малого веса - 12 кг немного повышает количество сГ -феррита, но его включения сохраняются мелкими, а суммарное содераа-ние титана и алюминия равное 1,0$ в слитке весом 50 кг приводит к большому количеству <Г -феррита в виде крупных выделений. Увеличение суммарного содержания титана и алшиния наиболее существенно влияет на снижение ударной вязкости после старения.

Такс.! образом, полученные результаты показывают, что при суммарном содержании титана и алшиния 0,5-0,6$ сталь имеет высокий комплекс механических свойств: предел прочности 1300 МПа; предел текучести ^ 1200 ЫПа, относительное удлинение г 12$, от-

Таблица 2

Механические свойства различных плавок стали 04Х14Н5МГТЮ

Номер и вес СЛИЗД& ' Предел Термическая обработка прочности. Ша Предел текучести, Ша Относи- Относи- Ударная тельное телыюе вяз-удлине- сужение, костьв ние, % % ыДж/м2 нвсэ Склонность к МКК

Д-1-39 500 кг После закалки 920°С, 2 ч, 1072+13 вода 7 Закалка+старение 450°С,5 ч 1388+11 854+8 1309+12 18,1+0,6 65,2+1,1 1,64+0,04 18,1+0,6 56,1+0,7 0,46+0,02 33 42 не обнаружено то же

203 150 кг Закалка+старение,450°С,5 ч 1586+5 Закалка+старение,500°С,5 ч 1360+3 1543+6 1351+7 12,6+0,8 45,7+0,4 0,42+0,1 12,3+1,0 49,2+0,7 0,45+0,04 42 39

309 50 кг Закалка+старение,450°С,5 ч 1350+18 ' 1280+12 1 16,0+1,6 56,0+1,0 0,40+0,18 42

Первая промышленная планка 5000 кг Закалка 920°С, 2 ч, вода 822+11 Закалка+старение,450°С,5 ч 906 755+20 15,6+0,8 69,2+1,8 0,88+0,5 разрыв по головке 0,1 23 40 —

Вторая Закалка 920°С, 2 ч, вода 877+3 промьш- п ~ ленная Закалка+старение, 450 С,5 ч 1349 плавка 5000 кг Закалка+старение,550°С,5 ч 1078+3 794+32 16,0+14 71,0+1,0 1,30+0,10 разрыв по головке ' 0,1 994+6 16,0+0,8 64,1+0,7 0,69+0,2 25 44 34 П

-16 -

носятельное сужение -»-45^, ударная вязкость •? 0,4 МДж/и2, Щсэ 40.

Увеличение суммарного количества титана и алюминия более 0,&% приводит к появлению <Г-феррита и снижает ударную вязкость. Поэтому при отливке данной стали в крупных слитках (0,5 т и выше) необходимо суммарное содержание титана и алюминия ограничить 0,5? и процесс выплавки контролировать по Г-ферриту.

Хромо-никель-марганцовистые стали типа 04П4Н5МГ являются мартенситностареицими сталями с интерметаллидным упрочнением, поэтому уровень физико-механических свойств в значительной мере зависит от содержания легирующих элементов, входящих в состав упрочняквдх фаз. Но эти элементы - марганец, молибден, титан и алюминий оказывают сильное влияние не только на объемную долю избыточных фаз, которая может быть подучена после старения, но также и определяют структуру матрицы.

Было изучено изменение структуры и механических свойств стали 04Х14Н51.Т в зависимости от содержания марганца, после различных режимов термической обработки. Сначала влияние марганца можно проследить по 12 кг плавкам. С увеличением содержания марганца отмечается существенное снижение предела текучести после закалки и наоборот значительное повышение его после отпуска,

С целью изыскания возможности повышения пластичности и ударной вязкости в стали при сохранении высокого марганца, обеспечивающего снижение количества дельта-феррита был опробован метод ЭШ стали 04Х14Н5Ж2ТЮ и при этом изучено влияние со-, держания количества марганца, меняющегося от 0,5 до 2,0$. Механические свойства стали этих плавок после закалки и старения приведены в табл. 3. Исходя из данных табл. 3 следует, что влияние марганца на механические свойства при ЗШ значительно

Таблица 3

Механические свойства поковки 20x150x400 мм, изготовленной из слитка ЭШП весом 100 кг (образцу поперечние)

Количество ыар-гаща, Режим термообработки Предел прочности, Ша Предел текучести, Ш Относительное удлинение, Относительное сужение, % Ударная вязкость мДж/м2 Твердость Шсэ

0,5 Закалка 920°С, 2 ч, вода 1152+4 767+20 14,1+0,3 65,3+3,6 1,86^0,54 34,5

Закалка+старение 450°С, 5 ч, воздух 1186+9 1067+16 19,0+2,0 64,2+3,7 1,47+0,4 39,0

1.0 Закалка 920°С, 2 ч, вода 1169+28 767+30 14,3+0,2 63,2+1,7 1,77+0,8 35,0

Закалка+старение 450°С, 5 ч, воздух П9&+5 1066+50 18,5+3,0 65,0+2,0 1,68+0,36 39,0

2,0 Закалка 920°С, 2 ч, вода 1216+40 915+91 14,1+1,7 57,5+9,7 1,83+0,09 37,0

Закалка+старение 450°С, 5 ч, воздух 1249+52 ШЗ+66 17,5+1,6 64,2+3,7 1,50+0,2 40,0

менее выражено. Сталь после ЭШП с содержанием марганца 0,5% при закалке и последующем отпуске интенсивно упрочняется, но пластические свойства и ударная вязкость сохраняются после отпуска для сталей с различным содержанием марганца от 0,5 до 2$ на достаточно высоком уровне. Микроструктура стали состоит из безуглеродистого мартенсита, остаточного аустенита и дельта-феррита, количество которого снижается с увеличением марганца.

На основании исследования механических свойств и микроструктуры установлено, что наиболее благоприятным комплексом обладает сталь типа 04Ц4Н5МГ с содержанием марганца до 1,5%. Поэтому для промышленного опробования по ТУ }ё 108-1377-85 на завод "Атоммаш" были поставлены кованые прутки 6 25 мм, С = 500 мм и изготозлены детали для машшы-перегру&ки ШС-1000.

Для обеспечения работоспособности изделий из стали 04Н4Е5МГ2ТЮ при высокой температуре очень ваяна стабильность структуры и свойств металла, поэтому для прогнозирования поведения во времени и оценки уровня свойств к расчетному сроку службы необходимо изучение изменений структуры и свойств в результате термического старения. Поскольку температуру старения рекомендуется выбирать равной рабочей температуре, а также на 35-50°С выше ее, с различной выдержкой, то для термического старения была выбрана температура 350°С при выдержках 100, 500, 1000 и 5000 часов.

Стабильность структуры и свойств стали 04П4Н5Ж'2ТЮ оценивалась по изменению механических свойств (в том числе и твердости) и по данным металлографических исследований. Термическое старение проводилось после двух рекпмоз термической обработки: первый режим - закалка с 900 до 920°С, 2 ч, охлаждение в воде, отпуск 450°С, 5ч- воздух, второй режим - закалка с 900 до 920°С, 2 ч, охлаждение в воде, отпуск 650°С, 5ч- воздух, от-

пуск 450°С, 5ч- воздух. Влияние старения при 35С°С на твердость и механические свойства стала С4Х14К5ЦГ2ТЮ после различных резямов тершгееской обработки представлено в табл. 4.

Наиболее стабильна остаются свойства и нет изменений микроструктуры после П регяма термической обработки.

изучение usxah;:3,ia упрочнения при стпускз

улхлщеюя ctш 04л4н5:.:г2тв

Наибольшее упрочнение стала С4Л4л5ЫГ,2И0 отмечалось при отпуске 400-500°С. Исследование макроструктуры стали после отпуска на оптическом микроскопе позволило установить незначительное изменение в структуре стала. Путем электронко-кпкроскопаческого, рентгеноструктурного исследования делается попытка выявить особенности изменения структуры изучаемой стали, приводящие к повы-пениа прочности п снижению ударней вязкости после закалки я отпуска при различных температурах, а такке изучить поверхность разрушения образцов после испытания на ударную вязкость.

При электронно-микроскопическом исследовании на угольных репликах травление образцов и отделение реплик осуществлялось электролитически при плотности тока 0,1 а/см** в растворе соляной кислоты. Предварительно образцы подвергалась термической обработке - закалке с 900-920°С, 2 ч,. вода и отпуску при различных температурах 300 , 325 , 375 , 450, 550 , 650°С -5 ч, воздух.

Обнаружено, что после отпуска 300°С структура мало чем отличается от структуры после отпуска при 450°С и состоит из двух типов твердых растворов - <Г-феррита и мартенсита. Вторичная фаза в очень небольших количествах расположена внутри зерна, в основном мартенеэтном, а не по границам. Иная картина наблюдается после закалки и отпуска при 550 и 650°С -5 ч. Больсое количество мелкодисперсной фазц располагается внутри зерна, которая

Таблица 4

Изменение твердости и механических свойств стали 04Х14Н5МГ2ТЮ

после старения при ЗЬ0°С

Режим термической Длитель- Твер- Механические свойства обработки ность дость -

старения, ч жсэ предел предел относи-прочности текучести тельное удлинение Ша Ша % относи- ударная тельное вязкость сужение , 9 % мДж/м

Закалка 900-920°С, 2 Ч, 100 38 1100+3 1070+11 18,0+1,1 67,9+1,0 1,98+0,16

охлаздение в воду, отпуск 450°С, 5 ч, воздух 500 1000 5000 39 40 42 1186+9 1127+5 1078+3 1067+16 1038+8 994+6 19,0+2,0 15,0+0,7 16,0+0,8 64,2+3,7 1,47+0,4 65,0+2,2 0,Ь6+0,5 64,1+0,7 0,69+0,2

Закалка 900-920°С, 2 ч, 100 32 1100+11 840+3 17,0+1,1 65,0+3,0 Х.бчО.Х

охлглдениепв воду, отпуск 650"С, 5 ч, отпуск 450 С, 5 ч, воздух, воздух 500 1000 32,5 32 1072+13 854+9 18,1+0,6 '65,2+1,1 1,65+0,04 1,50+0,2

■ 5000 32 1,60+0,4

с повышением температуры отпуска коагулирует. После отпуска при 650°С структура имеет пластинчатый рельеф, образованный, видимо, в результате превращения. Это было подтверждено рентге-

ноструктурнкм анализом. Съемка проводилась со шлифа в камере РКД.

3 мартенсите после отпуска при 550°С и 550°С обнаружены границы мелких зерен, указывающие на прозедсий процесс политонизации.

Электронно-микроскопическое исследование "на просвет" стали 04Х14К5МГ2ТЮ промышленной выплавки проводилось на тонких фольгах. После отпуска при температуре 35С°С структура субзереяная, раз-ориентировка по зерну 3-5°, при повышении температуры отпуска до 450°С разориентирозка возрастает и составляет 13-15°.

После отпуска при температуре 550°С наблюдается очень много мелкодисперсных выделений по всему объему зерна. Оба метода электронно-микроскопической металлографии подтвердили отсутствие болыих выделений вторичной фазы при температурах отпуска 350--450°С. И тем не менее прочность после отпуска при этих температурах существенно возрастает. Это говорит о том, что сталь 04Х14Н5!.и?2ТЮ упрочняется на стадии предвыделения интерметалли-дов, либо на самой начальной стадии выделения, когда еще имеется, частичная когерентная связь с основной решеткой. При повышении температуры отпуска когерентная связь нарушается, вторичная фаза обособляется, а затем и коагулирует, при этом прочность снижается и ударная бязкость резко возрастает.

Рентгенографирование проводилось по методу порошков на Cr и Си излуче:а:и в камере РКД. Основою часть в анодном осадке составляют карбиды и нитриды титана, которые присутствует в стали уже непосредственно после закалки. Пнтерметаллиды Mj 71- , Aj/V обнаруживаются лзгль после отпуска при 550 и 650°С, то есть на стадии разупрочиеш:я стали.

- 22 -

На основании исследований установлено, что шед/чсим комплексом механических свойств обладает сталь 04Х1415ЫГШ с содержанием марганца до 1,5?. Однако это проявляется в основном после закалка со старением 450-500°С за счет начальных стадий выделения интерыеталлидов. После старения при 450°С в течение 5 ч

Сог « 1060 Ша, Сй = Ц50 ¡Да, сГ= 14-163, У = 60£, КСЬГ« 0,86 иДж/м2, НЯСЭ = 3S-40, причем эти свойства мсгут бить обеспечены на готовом изделии. Склонность стал:! к межкристалллт-ной коррозии после закалки и закалка со старением по ГОСТ 6032-84 по методу Ш не обнаружена. Затем со "Техническим условиям" Я 108-1377-85 (на опытную партию 0,5 т) на завод "Атомыаш" были поставлены кованные прутки i 25 мм, /в 500 ш для изготовления крепежных деталей малины-перегрузки ШС-ЮОО (рис. 4.17) по Техническому решению Л 830-040 от 28.03.86. На заводе "Атоммаш" в цехе 235 изготовлены 454 детали по перечню Технического решения Je 836-040 в цехе 236 выполнен отпуск а проведены испытания с определением твердости и склонности к МКК. Детали удовлетворяют требованиям конструкторов и рекомендованы ш к промышленному внедрению (акт от 02.12.87) и Техническое решение Л 331-19-88 от 16.05.88.

- 23 -

вывода

1. На основании исследования комплексного и раздельного дополнительного легирования коррозионностойкой стали 0Х14Н5М2 разработана мартеаситностареюоая сталь 04Х14Н5ШТЮ, обладающая существенно более высок™ комплексом механических свойств и коррозионной стойкости по сравнению с применяемыми в энергомашиностроении для тяжелонагружекных деталей сталей марок 14Х17К2, 1X13.43, 2Х17Н2БШ.

2. Благоприятное влияние титана, алюминия и марганца на увеличение эффекта старения стали 04Х14Н5МГТЮ обусловлено как увелотением количества образующихся в стали интерметаллкдов, так и ускорением растворения карбадов молибдена при нагреве под закалку и последующим его более полным участием в процессе старения.

3. Повышение содержания молибдена в стали С4Х14Н5ЫГТЮ с 0,5-0,7^ до 2,5-2,8$ приводит к устойчивому образованно дельта-феррлта (сохраняющегося да^е при увеличении содержания марганца до 2,2%), снижающего ударную вязкость после старения. Оптимальное содержание молибдена в стали составляет 0,8-1,1$.

4. Повышение содержания титана и алюминия в стали 04Х14Н5МГТЮ с 0,1-0,2$ до 0,3-0,5? каудого несколько увеличивает эффект старения стали, однако резко усиливается склонность к образованию дельта-феррита, особенно, в случае использования слитков повышенного веса (5000 кг) вследствие развития дендритной ликвации. Оптимальное содержание титана в стали составляет 0,1-0,3$, а алюминия - 0,1-0,2^.

5. Повышение содержания марганца в стали 04П4Н5МПЗО с

1,5 до 2,65? интенсивно развивает процесс старения и резко снижает ударную вязкость, несмотря на отсутствие в структуре стали

дельта-феррита. Оптимальное содержание марганца в стали составляет 1,0-1,5$.

6. В металле ЗШ стали 04XI4H5LHTa) процессы старения развиваются менее интенсивно вследствие повышенной химической к физической однородности этой стали. В результате твердость и прочность получаются несколько ниже, а ударная вязкость - Еыае. В этой стали при Еыплавке ЭШ допустимо повыпенае содержания марганца до 2,0$ при стабильности механических свойств и ударной вязкости.

7. Электронномикроскопические исследования структуры и изломов, а также рентгеноструктурный анализ выделенных поропков показали, что изменения механических свойств и твердости стали 04И4К5МГТЮ при старении в интервале 4С0-650°С описывается моделью зарождения, выделения и роста интерметаллидных фаз. После отпуска при температуре 450°С, обеспечивающего максимальное упрочнение стали, интерметаллиды в структуре стали не обнаружены. Повышение твердости и прочности в этом случае совпадает со стадией их предвыделения. После отпуска при 550 и 650°С обнаружены интерметаллиды и /¡^i/JC .

8. Определен рациональный режим термической обработки стали 04'214Н5!Я*ГЮ, включаацнй: нагрев под закалку при 900-920°С выдергав 2 ч, охлаждение в воде (для изделий сложной конфигурации - охлаждение на воздухе). После закалки твердость HRca менее 30. Отпуск проводится при температуре 450-500°С, выдержка не менее 5-ти часов, охлаждение на воздухе.

9. Сталь 04Х14115ЫГТЮ в зависимости от температуры отпуска (400-650°С) имеет твердость от 23 до 42 НЕсэ, предел прочности от 906 до 1580 Ша, предел текучести от 703 до 1543 Ша, относительнее удлинение от 20 до 12,6$, относительное сужение от 73 до 45$, ударную вязкость от 2,1 до 0,4 ВДж/м5* и может быть исполь-

зовака для изготовления деталей с разными категориями прочности.

10. Сталь 04Х14Н5МГТЮ после различных рекжлов терхлической обработки не склонна к МКК при испытании по ГОСТ 6038-84 по методу AM. При испытании во главной камере в условиях пересыценно-го еодяного пара (влахчость 100$) на образцах из стали 04Х14Н5МГТЮ после 12-ти месяцев выдержки не было обнаружено следов коррозии, а на образцах из стали I4XI7H2 и 2Х17Н2Ш активная коррозия началась после выдержки в течение 680-ти часов.

11. Сталь 04Х14К5УГТЮ по сравнении со сталью I4XI7H2 алеет в 2 раза более высокую износостойкость.

12. Сталь 04Х14Н5МГШ превосходит стали I4XI7K2 и 2Х17Н2БШ по обрабатываемости резанием. Механическую обработку стали 04Х14Н5ИГТЮ целесообразно проводить после закалки (или нормализации) при твердости менее 30 KRca. Отпуск при 400-500°С не изменяет геометрии и качества поверхности готового изделия.

13. Изучена стабильность структуры и свойств стали 04И4Н5МПВ после длительного старения ( ~ = 5000 ч) при 350°С после различных режимов термической обработки. Каких-либо изменений в микроструктуре стали и механических свойствах после охлаждения с 900-920°С на воздухе и отпуска при 650°С - 5 ч не наблвдается.

, 14. На заводе "Атошаш" из стали 04Х1435ЫГТЮ изготовлено более 400 деталей для перегрузочной мазины МПС-В-ЮОО. Все детали прошли контроль по твердости и склонности к Г.ЯК и удовлетворяют заданным требованиям. Изготовленные детали поставлены в машину-перегрузки ВВЭР-ЮОО.

Экономический эффект составил 21 тыс.руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бурова Н.И., Стоналова И.А. Структура и своЗства неряазепцш: сталей переходного класса для оборудования АЗС. В сб. "Металловедение и термическая обработка сталей и сплавов для деталей энергетических установок"', Труды ЦНШШШ, В 155, М., 1980, с. 27-29.

2. Бурова Н.И., Лепехина Л. И., Стоналова И.А. Разработка и исследование 4- ыартенситво-аустенитннх сталей. В сб. "Прогрессивные технологические процессы в атомном машиностроении". Тезисы доклада на Всесоюзной научно-технической конференции, Волгодонск, 1981, с. 61-62.

3. Стоналова И.А. Мартенситяо-старепцая нераавевдая сталь для шестерен. В сб. "Металловедение сталей и сплавов", Труды ДНИИША1, & 178, M., 1983, с. 20-23.

4. Стоналова И.А. Механические свойства и микроструктура мартен-ситностареэдей âv -Af-Af*. стали при совместном легировании титаном и алюминием. В сб. "Металловедение и термическая обработка конструкционных сталей", Труды ЦНИИШАШ, Ш 189, Ы., 1985, с. 77-80.

5. Бурова Н.И., Стоналова И.А. Влияние марганца на механические свойства и микроструктуру стали типа 0П4Н5НГ. В сб. "Металловедение высококачественных конструкционных сталей", Труды ЦНИИШАШ, J5 200, M., 1987, с. 58-61.

6. Стоналова И.А., Бурова Н.И. Изучение стабильности механических свойств и макроструктуры стали 04П4Н51ДГ2ТЮ после термического старения. В сб. "Конструкционные материалы для оборудования ТЭС'н АЗС", Труды ШИШАШ, К 224, M., 1991, с.82-85.

7. A.c. « 790835 (СССР) "Сталь" А.А.Астафьев, Н.И.Бурова, Л.И. Лепехина, Г.Н.Алешечкина, И.А.Стоналова. <-~

ЛСп -