автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка новых износостойких сталей на основе углеродистого метастабильного марганцевого аустенита

' * ' -А

¿ТАЛЬСКИЯ СРД5ЙА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПСШЕХНИЧЕСЮЙ ИНЗГШЭТ им.С. М.КИРОВА

На правах рукописи

СТ7ДЕЯ0К Елена Сергеевна

РАЗРАБОШ НОВЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДИСТОГО МЕГАСТАБИЯЪНСГО МАРГАНЦЕВОГО АУСТЕНИТА

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка

Автореферат диссертации ка соискание ученой степени кандидата технических наук

Свердловск 1991

Работа выполнена в проблемной лаборагоржа металловедения Уральск ого ордена Трудового Красного Замени политехнического- ■ • института им. С.М.Кирова, г.Свердловск

Научные руководители: доктор хекничесжгас наук, профессор

ЕЕКСЖР Ю. Г. ;

кандвдат технических нау:с, старший наутаый сотрудник ФИЛИППОВ M .А.

Офациальнне оппоненты; доктор технических наук, профессор

ПСОЕХИН Б.А. ;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник EOÎWHOB Л. Г.

Ведущее предприятие - УралШМЧерМэт

Защита диссертации состоится " Я " 1991 т. в

14 ч 45 мин на заседании специализированного Ьовета К 063.14.(л по дрисувденЕЕ ученой степени кандидата технических наук металлургического факультета Уральского политехнического института ш. С.М.Кирова, третий учебный корпус,, ауд. Мт-421.

Ваш отзыв в одном §кземшкре, заверенный печатью, лросш направлять но адресу: 620002, г.Свердловск„ К-2, УПЙ ш. С.М.Кирова, учено;^ секретарю института f телефон 44-85-74,

Автореферат разослан > 7,. " Г.

.Ученый секретарь ояехйалшзированного совата J Доценг, к.т.н.

К 063.14.02 шЫббСбС Шетрй^Ий О.И.

7 ;

тсття'

. зг;,! СБЭД ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

j | |1(J Актуальность темы. Одной из важнейших задач металлургии гдвЛ 1ЛЧ шностроения является повышение срока службы литых дета-'pf^jHjt, работающих э условиях контактно-динамического нагружения, сочетающего интенсивные ударные нагрузки на рабочую поверхность детали с воздействием абразива, например, сменных деталей дро-бильно-размольного оборудования, траков гусеничных машин и т.д.

Для изготовления подобных отливок в настоящее время широко используется сталь ПОИЗЛ (ГОСТ 977-£8). Недостатком ее является невысокая абразивная стойкость вследствие низкой исходной твердости и недостаточной способности к упрочнению, обуслов-леному, в основном, наклепом аустснита, так как мартенситные превращения в этой стали практически отсутствуют. В связи с этим является актуальной проблема разработки и внедрения мета-стабильных аустеиитных сталей (MAC), обладающих более высокой интенсивностью упрочнения и абразивной стойкостью в условиях эксплуатации.

Перспективным направлением в решении этой проблемы является поиск общих закономерностей влияния основных тегирующих элементов, углерода и марганца, на износостойкость я хладостой-кссть MAC, а это, в своп очередь, определяется особенностями структурных и фаэорых превращений в {ЛАС при охлаждении, нагреве, деформации и абразивном истирании. Очевидно, что необходим системный подход к ¡исследованию структуры и свойств КАС. Однако, данные, опубликованные в литературе до настоящего времени, имеют фрагментарный характер и очень противоречивы.

Цель работы. Разработка новых марганцевых и хромомарган-нэвых износостойких MAC с заданный комплексом эксплуатационных • свойств на основе изучения структурных и <£азоБЫХ превращений, протекающих в них при охлаждении, нагреве, деформации и абразивном изнашивании.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

I. Исследовать фазовые и структурные превращения при охлаждении, нагреве и деформации MAC систем Fe-Мл-С и Fe-Мп-Сч-С в зависимости от кх химического состава.

Z. Изучить возможности измельчения зерна аустенита марганцевых MAC путем фазовой перекристаллизации с цельп повышения уровня их ударной вягкости.

3. Провести исследование влияния углерода и марганца е широком диапазоне концентраций на хледостойкость и абразивную' . стойкость MAC, Построить концентрационные ко.гограм.щ износостойкости и хладостоГшости MAC систем Ре-Ул-С и Fe-Мп-Сч-С.

4. Установить закономерности формирования диссипативных структур к частиц износа при абразивном истирании КАС в зависимости от их химического состава.

5. Разработать принципы изыскания новых износостойких MAC с заданны».; комплексом эксплуатационных свойств.

Научная новизна. В настоящей работе установлено, что мар-тенсптнос аре вращение при охлаждении в углеродистых каргакцегах к хромоиаргакцевых liAC развивается изотермически, причем легирование хромом в количестве Z-4% существенно замедляет кинетику этого процесса.

Показано, что легирование марганцевьк MAC, содержащих I,C-I ,Zfo С и 3-13% Ыл, хромом з количестве 2-4% ослабляет концентрационную зависимость от содержания марганца параметров тонкой структуры деформированного аустенита, способствует повышенно плотности дислокаций и более равнокерноку их распределения, обеспечивает высокий уровень мкронапрягкений, что в итоге увеличивает способность хроыомарганцевего аустенита к упрочнения при деформации.

Обнаружено, что повышенная абразивная стойкость Еысокоуг-леродиегьк ь'егастабилыьк аустекигкых сталей связана t образованием большого количества мартенсита деформации (около 60«) в слое толшккой 3-5 мкм. При изнаоивакки этот мартенсит подвергается деформациэнноьу дкнаьмчсског-'у отпуску«

Установлено, что легирование марганцевых MAC хромом ь ко-личестве< 3$ замедляет деформационный динамический отйуск мартенсита и способствует локализации этого процесса 8 более тонком по-верхносгаом слое, глубина которого коррелируем с размером частиц износа, что обусловливает повышение абразивной стойкости.

На основе изучения кинетики кгргенситшх превращений, протекающих при охлаждении и пластической деформации, бпер&ые построены нокогра.тащ абразивной износостойкости и- хладостойкое?« ¡¿АС систем Fe-ib-C и i-'e-Iin-Сч-С, сошастное кспельзоваШе Которых составляет сугцнссть прёДЯбйёнкбго принципа гаучно^обосновадаой разработки составов износостойких Ь'АС.

Практическая значимость. На основа предложенного принципа изыскания новых марок износостойких сталей разработан'ряд марганцевых и хромошрганцешх MAC, превосходящих по служебным характеристикам сталь 110Г13 в 1,3-1,6 раза.

Показано, что благоприятное.влияние легирования 2-4$ Сч на хладосгойкость и износостойкость марганцевых НАС, позно.м-ет не только расширять пределы легирования по углероду и марганцу, что важно с практической точки зрения при шплаЕке этих сталей, но и получить составы сталей с более высоким комплексом служебных свойств.

Разработан режим термообработки, обеспечивающий фазовуп перекристаллизации марганцевых MAC, приводящий к измельчения аустенитного зерна и позволяющий повысить ударнуп иязкость сталей в 1,3-1,7 раза.

Даш рекомендации по оптимизации составов MAC, предназначенных для обработки холодом о целью повышения твердости рабочего слоя деталей«

Состает разработанных сталей защищены авторскими свидетельствами и внедрены на КЗРГО и Ачинском глинозем:том комбинате с экономическим эффектом 40-50 рублей на I т литья за счэт экономии ферросплавов.

Основные положения, внносимые на защиту:

1. Влияние химического состава на фазовые и структурные превращения при охлаждении и деформации Fe-йп-С к ?е~Кп-Сч-С MAC.

2. Базовая перекристаллизация MAC, приводящая к повышению уровня ударной вязкости.

3. Закономерности влияния углерода и марганца на абразивную стойкость и хладостойкость MAC систем Fe-Mn-C и Ре-Мп-Сч-С.

4. Особенности формирования диссипативньгх структур и частиц износа при абразивном истирании.

5. Влияние легирования хромой на фазоше превращения^ упрочнение и особенности формирования рабочего слоя при объемной и поверхностной деформациях. •

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научных семинарах "Новое в металловедении и термической обработке металлов и сплавов", 1983, Челябинск; "Литые износостойкие материалы, их разработка и применение", IS85, Киев; "Достижения в области металловедения и термической

5

обработки", 3585, Свердловск-Пермь; "Износ в машинах и методы защити от него"3,,, 2965, Москва; "Повышение служебных свойств высоколегированных сталей к чугунов", 1987, Москва; "Прочность металлов» работающих в условиях низких температур", 1989, Ленинград»

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы, получено 6 авторских свидетельств и 2 положительных решения по заявкам на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения» основных выводов^ списка литературы, содержащего 170 наименований, и приложений. Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и б таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДОРИАНИЕ РАБОТЫ.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДОМ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на сталях двух систем легирования, Ре-Мл-С и Ре-Мп-Сч-С, с плавно меняющейся стабильностью аусте-нита по отношению к •у-г превращению при охлаадении и деформации и содержащих 0,3-1,3^ С, 3-1Ып, 0-4% Сч, а также 0,30,7?? $ , го 0,2% V 8 ДО 0,03^ Р и до 0,02$ 5 .

Стали выплавляли в открытой 50-килограммовой индукционной печи к разливали в слитки массой 10 кг методом фракционной разливки. После гомогенизации при температуре 1150°С в течение 10 часов часть слитков проковывали в прутки квадратного сечения 13x13 мм к круглого сечения диаметром XI ш. Тейпература начала и конца ковки сталей составляла П50-П00°С и Ю00-950°С соот-ветстгенно.. Из останаейся части слитков вырезали заготовки квадратного сечения 14x14 мм и длиной не кенее 110 мм. Поковки и заготовки закаливали от температуры аустенизации (П50°С) в воду. После закалки вое исследуемые стали г.а исключенном ЗОПЗ и 100ГЗ имоли чисто аустенитную структуру с размером зерна 1-3 балла (по Б-балльноЙ шкале) и исходной твердостью 20-25 Ш3„ В сталях ЗОПЗ и 10СГЗ после закалки было соответственно 50 и 65% мартенситных фаз.

Из'заготовок делали образцы для испытаний на ударную вязкость (ГОСТ 9454-78), абразивное изнашивание (ГОСТ 23.212-82, эталон - сталь П0Г13) и сжатие (ГОСТ 23.775-79).

Промышленные плавки проводили в 5-тоншх электродуговых

печах.

Структуру исследуемых сталей изучали электронно-микроско-пически на микроскопе УЭМВ-1С0Л, металлографическим методом на микроскопах " Meophot "ШИ-7" и "ПМТ-3", а такте рент-

генографически на дифрактокетре "ДРОН-I" в РеК^ -излучении. 5рактографическое исследование .изломов и поверхностей износа образцов проводили методом угольных реплик и с'использованием установки РЭММА-202М. базовые превращения при охлаждении и нагреве исследуемых MAC научали резистокетрически, на магнитометре Итейнберга-Зюзина и дилатометре Шевенара.

■ЗАЗОВЬЕ ПРЕВРАТИМ ПРИ ОШЛдаНШ, НАГРЕВЕ И ДЕФОРМАЦИИ И ИЗМ2!ШК;1£ ТОНКО?: СТРУКТУРЫ АУСТЕНОТА МАРГАНЦЕВЫХ И ХРОМОМАРГАНЦЕШХ СТАЛЕЯ Г£РИ ДЕФОРМАЦИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ Ж ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

На основе зависимости кинетики ыартеиситного превращения от скорости охлаждения и образования дополнительного количества мартенсита при отогреве до комнатной температуры показано, что превращение при охлаждении марганцевых и хромомар-

ганцевых MAC имеет изотермический характер. Кинетические диаграммы превращения при различных температурах свидетельствуют, что во всех исслсдуешх сталях на первых ступенях охлаждения (вблизи М^) процесс быстро затухает, в первые минуты выдержки превращается основное количество аустенита, способное превратиться при данной температуре. При понижении температуры затухание превращения происходит все более медленно. Для каждой стали существует некоторая оптимальная температура, при которой образуется наибольшее количество мартенсита.

Легирование марганцевых MAC хромом а количестве 2-41 приводит к небольшому, по сравнению с действием марганца, понижения Ь'н, но при этом существенно замедляется процесс образования d -мартенсита охлаждения. Показано также, что более интенсивно образование с< -мартенсита при охлаждении протекает в MAC с более высоким содержанием углерода и более низким - марганца, то есть в сталях с повышенной ЭДУ.

Полученные данные могут быть использованы при оптимизации составов MAC, предназначенных для обработки холодом с целью повышения твердости рабочего слоя деталей, а также при определении Мн MAC, которая является одной из основных расчетных характеристик при разработке износостойких MAC.

7

Недостаточная хлацостойкость MAC является одной из причин, препятствующих широкому внедрению их в производство. Для повышения хладосгойкости нами выяснена возможность измельчения зерна аустенита этих сталей путем фазовой перекристаллизации, базовая перекристаллизация аустенитных сталей становится возможной при повторной закалке предварительно состаренного аустенита, распад твердого раствора в котором произошел максимально полно с образованием ферритокарбидной смеси.

Резистометрические исследования показывают, что с увеличением количества марганца в сталях от 5 до 13!? температура начала распада аустенита при стандартном времени выдержки повышается с 440 до 500°С, а температурный интервал, в котором происходит прямое и обратное превращение, сужается; уменьшается также степень распада аустенита. В определенном для каждой стали интервала температур (для ЮОПЗ - 570. ..6Ю°С, ЮОГЪ -560...620°С, 100Г5 - 550.,.650°С) ход резистсметрических кривых определяется двумя конкурирующими процессами: наряду с продолжающимся распадом аустенита начинается процесс растворения менее стабильных в данных условиях карбидных частиц. На основе этих результатов выбраны две температуры старения исследуемых МА.С - 550° и 600°, позволяющие получить максимальную степень распада аустенита. Однако повторная закалка от Ю00-1100°С образцов, состаренных при этих температурах, хотя и сопровождается изкельчением зерна аустенита, не приводит к возрастанию ударной вязкости. Это» вероятно, связано с восстановлением ориентировки аустенита при фазовом превращении. Дин устранения структурной наследственности предложено провести дополнительную вцдер-кку исследуемых сталей в течение 9 часов при 650°С, которая обеспечивает развитие сфероидизпции карбидной фазы. В этом случае повторная закалка образцов сопровождается не только измельчением аустенитного зерна с 1-2 до 5-7 балла, но и повышением ударной вязкости сталей в 1,3...1,7 раза.

Разработка износостойких MAC должна базироваться на систематической информации о взаимосвязи кинетики ДМП с деформационным упрочнением и типом возникающей дефектной структуры. Нами исследованы три группы сталей, содержащих: I. 0,6-0,8^ С» 1-Ш Мл, CMS? Сч; 2. 1% С, 5-135? Мл; 3. 1-1,2? С, 3-7$ Мл, 3? Сч. Благодаря интенсивному развитию ДМП с образованием 15-20$ -

фазы при сжатии стали первой группы достигают более высокой твердости, чем стали 2-й и 3-й групп, количество мартенсита деформации в которых не превышает 10%. Показано также, что легирование хромом повышает способность MAC к упрочнению. Наблюдается корреляция между твердостью сталей и количеством и прочностью -мартенсита, которая возрастает с увеличением содержания углерода в стали.

Рентгеноструктурным методом исследованы особенности формирования тонкой структуры аустенита сталей 100Г(7-13), (100120) ПЗ~7)ХЗ в процессе деформации. С увеличением содержания марганца в деформированных марганцевых сталях возрастает величина физической ширины ß> линии (222) аустенита, плотность дислокаций р и уровень минронапряяений б , уменьшается размер блоков Д. Структурное состояние хромсмарганцевого аустенита отличается повышенной величиной J3 и <5 и несколько , большим Д, концентрационная зависимость параметров тонкой структуры не прослеживается. Однако больное значение имеет не только плотность дислокаций, но и их распределение по объему, о чем можно судить по значению отношения fi ^Z?]ß III* для деформированных сталей 2-й группы, содержащих 6-0% Мл, характерна слабо выраженная ячеистая.структура, причем с повышением концентрации марганца размер ячесн уменьшается и возрастает плотность дислокаций внутри них; наблюдается переход от ячеистой дислокационной структуры к неупорядоченному расположению дислокаций с их локализацией в плоскостях скольжения. Лри-5лижение этого соотношения для деформированного хромомарганце-аого аустенита к. отношению тангенсов углов 0 свидетельствует з равномерном распределении дислокаций и неразвитости ячеистой :труктуры; какая-либо зависимость от концентрации марганца в -е-Ул-Сч-С сталях отсутствует. Показано, что для марганцевых 5АС вероятность образования деформационных дефектов упаковки юзрастает с увеличением содержания марганца в стали. Покиже-ше ЭДУ неизбежно вызывает уменьшение подвижности диблЬкаций в устенкте и способствует деформации- марганцевого аустенита лу-ем двойникования. Известно, что при легировании железомарган-¡евого сплава хромом ЭДУ аустенита увеличивается, следотатсль-:о, в Fe-Мп-Сч-С еуетенйте механизм деформации и упрочнения лу-ем двойникования разгит в меньшей степени. Таким образом, с овышенг.ем содержания марганца от б до 13$ при содержании угле-

9

рода ~ If. способность марганцевого аустенита к упрочнению при деформации увеличивается как за счэг измельчения блоков, так и за счет механического двойникования. Более высокая твердость метастабильного аустенита, содержащего 6% Мп, в отличие от более стабильного с Б-13? Мп обусловлена протеканиеы Д"St при сжатии. Впервые показано, что легирование марганцевых «¿АС хромом в количестве Ж ослабляет зависимость параметров тонкой структуры деформированного аустенита от содержания марганца, способствует повышению плотности дислокаций н более равномерному их распределения, обеспечивает высокий уровень внутрон-. них ымкрокапряжений, что в итоге увеличивает способность хро-кгамаргакцевого аустенита к упрочнении при деформации.

ШДНОЛОШОСТЬ ИСОШДУЕШХ MAC

Для успешной разработки износостойких 1ЛАС необходима систематическая информация о концентрационном изменении хладо-стойкости сталей этого типа. Анализ большого количества сериальных кривых MAC, содержащих 0,3-1,3% С, 3-137- bin и 0-4% Сч, показывает, что все исследованные стали характеризуются ярко вы-ражеинда порогом хладноломкости, причем хладноломкость углеродистого марганцевого к хромомарганцевого аустенита резко усиливается наличием шртенсита охлалсдения, а также протеканием ДШ в процессе динамического изгиба. Полокителыы?. вклад превращения, обусловленный релаксацией напряжений в устье трещины, перекрывается охрупчивавщим действием кристаллов ь' -мартенсита деформации, которые в значительной степени способствуй? локализации напряженного состояния вследствие образования микротрещин как в самой с< -фазе, так и на границе f /е< . Фрактографическое исследование изломов свидетельствует, что, чек более хрупкой является мартенситная фаза, тем больше вероятность достижения критического напряжения скола. Резкое падение работы зарождения трещины происходит в UAC, содержащих 0,6$ С, уже в результате образования 2% мартенсита, процесс же распространения трещины становится менее энергоемким, когда количество о( -фазы достигает 8%.

В результате математической обработки экспериментальных и литературных дангак построены концентрационные номограммы порога хладноломкости ИАС систем Fe-Мл-С и Fe-Мп-Сч-С (рис.1). Очевидно, что понижение теьтературы хрупкости MAC с увеличением

содержания углерода и марганца связана со стабилизацией аустенита по отношению к ДМП; повышение при дальнейшем увеличена» содержания углерода в МАС обусловлено упрочнением как аустенита, так и образующегося при динамическом изгибе мартенсита. Показано, что легирование марганцевых МАС 2-4$ хрома приводит к понижению Гхл и позволяет расширить область составов, допустимых к эксплуатации МАС с пониженным содержанием марганца. В качестве причины повышенной хладостойкое™ исследованных хромомарганцевых МАС по сравнению с марганцевыми рассматривается стабилизация аустенита по-отношения к ДШ при легировании хромом и установленная тенденция к равномерному распределению дислокаций в деформированном аустените.

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАРГАНЦЕВЫХ И ХРСШЛАРГАНЦЕВЫХ 'Ж В УСЛОВИЯХ АБРАЗИВНОГО ИСТИРАНИЯ

Для представления общеЯ картины влияния легирования построены концентрационные номограммы износостойкости исследованных МАС (рис.1). Стали, стабильные по отношении к ДО1 и нестабильные, но с содержанием углерода ладе 0,5-0,6!?, практически не превышают по износостойкости сталь Гадфильда. Это обгяслк- --ется отсутствием у стабильных сталей дополнительных механизмов упрочнения слоя приработки, кроме деформационного упрочнения аустенита, и низкой способностью у малоуглеродистых МАС к упрочнению вследствие недостаточного содержания углерода в ауете-, ните и в образующемся при изнашивании мартенсите. Наложение номограмм этих двух групп МАС наглядно показывает, что легиропа-, ние марганцевого аустенита хромом (2-4%) способствует повышению износостойкости на 10-20? к позволяет расширить пределы легирования по углероду и марганцу в сталях с одинаковым уровнем износостойкости.

На примере сталей с повышенной износостойкостью исследован процесс формирования диссипативных структур при абразивном истирании. Толщина слоя приработки, определенная измерением мик-рствердосги, для стали ЮОГЗ составляет 20 мкм, 100Г5 - 25 мкм, 1С0Г6 - 30 мкм, 100Г7 - 35 мкм. Легирование хромом приводит к уменьшению толщины этого слоя с 40 до 20 мкм в сталях типа 80Г7 и с 35 до 20 мкм - типа, 100Г7. С использованием послойного рент-геноструктурного анализа сталей 80Г7, 100Г7 и 10017X3 рассчитаны кривые распределения «(-фазы по глубине от поверхности

II

40

О

i Га ПРT-S Rccro/irfafl от коьйрлкссгй взноса, кхл

Вю. 2. Изменение количества, ot-цартенсита з сталях 1С0Г? (а).

ЮОГТаЗ (б), 80Г7 (в) и количество углерода в стали Б0Г7 от поверхности износа по глублнэ

износа (рис.2). По результатам расчета для всех исследованных сталей о< -фаза в количестве ~ 60^ образуется а тонком поверхностном слое, толщина которого не прешлмет 3-5 мкм, что создает тверди прослойку, препятствующую внедрению абразивных частиц. Количество оС -мартенсита на поверхности износа этих сталей с точностью до +5% совпадает с содержанием его в частицах износа. Определено также количество углерода в мартенсите на поверхности изнашивания исследуемых МАО. Полученные данные свидетельствуют о протекании в мартенсите деформационного динамического отпуска, п результате чего в твердом растворе остается 0,3% С. Графическое выделение дублета линий мартенсита на поверхности износа с содержанием 0,6^ С в стали 80Г7 показало, что его объемная доля з 8 раз меньше, чем низ-коуглерсдистого мартенсита. Для этой стали рассчитано также количество углерода в мартенсите при послойном анализе (рис. 2/5,кривая 3) . Очевидно, что наиболее интенсивно процесс отпуска мартенсита осуществляется в слое, тплшина которого для стали 80Г7 не превышает 5 мш. Таким обррэом, набор мартенситов с различным содержанием углерода при анализе поверхностного слоя обусловлен толщиной анализируемого слоя, которая захватывает различные стадии отпуска мартенсита. При графическом разделении мартенсит-ного синглетп сталей В0Г7Х4 и Ю0Г7 также была выделена линия, межплоскостнсе расстояние которой соответствовало мартенситу с содержанием углерода (0,3^0,05^), причем отшкениэ илодади этой линии к площади мяртенситного дублета (с количеством углерода 0,6$) составило для стали УСГ7Х4 - 0,13; а для стали 100Г7 -0,3. Аналогичный результат получен для стали 100Г7ХЗ, на поверхности износа которой также присутствует мартенсит с содержанием 0,3? С ;; допя ого по отношению к мартенситу с 0,93 С составляет С, 15. Нязкоуглеродистый мартенсит (0,3$ С) обнаружен и на поверхности износа стали 100ГЗ. Полученные результаты хорошо согласуются с данными определения количества углерода в с<-мар-тенситных частицах износа, объем элементарной ячейки которых соответствует содержанию углерода 0,3$. Образование мартенсита деформации на глубине 3-5 мкм от поверхности истирания, почти полное отсутствие мартенсита в частицах износа стали Гадфильда и, наконец, значение средней температуры поверхностного слоя исследованных сталей при изнашивании - 61,..69°С - свидетельствуют, • что ниэкоуглеродисгый мартенсит, обнаруженный в частицах износа,

13

является продуктом отпуска высокоуглеродистого мартенсита деформации. Температура для распада у -твердого раствора в зоне контакта с абразивом недостаточна. При анализе влияния легирования на долю малоуглеродистого мартенсита в слое приработки впервые было установлено, что добавка 3-4% к рот к марганцевым WAC замедляет деформационный отпуск мартенсита и способствует локализации этого процесса в более тонком поверхностном слое, глубина которого, как выяснено, коррелирует с размером частиц износа, что способствует повышению абразивной стойкости хромомарганцевых MAC.

1РИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ С ТРЕБУЕМЫМИ ЭКСПЛУАТАЦЩШМИ СВОЙСТВАМИ '

Два основных параметра характеризуют эксплуатационные свойства MAC, используемых в горнорудной промышленности, на железнодорожном транспорте и в тракторостроении: стойкость в условиях абразивного изнашивания и ударная вязкость при температуре эксплуатации. Принципы разработки основы состава MAC для конкретны?; условий работы заключаются н определении области содержания углерода и марганца, которая бы удовлетворяла этим условиям, то есть обеспечивала бы уровень ударной вязкости не ниже допустимого при температуре эксплуатации и обладала бьг повышенной износостойкостью по сравнению со сталью Гадфильда. Возможность определить пределы этог'о легирования дает наложение соответствующих номограмм, которые построены в настоящей работе в результате комплексного исследования свойств MAC. Область составов, 'ограниченная этими номограммами, и будет искомой областью, эксплуатационные характеристики составов сталей внутри которой будут не'ниже требуемых. Графическое представление области составов позволяет выразить соотношение основных легирующих элементов математической формулой через уравнения прямой линии» либо аппроксимирующей окружности и констант, которые геометрически ограничивают пределы легирования в плоскости Простая математическая запись удобна для пользователя, так как позволяет легко восстановить графическое изображение нужной области составов и правильно корректировать состав по ходу плавки.

Для группы материалов, работающих в условиях преимуществен но абразивного изнашивания с приложением ударных нагрузок пониженной интенсивности, предложены следующие составы: в система Уе-Мп-С 0,£>...1,2% С, 6,7...8,4% Мп, причем соотношение основных

14

егируших элементов должно удовлетворять формуле: 1,5хй!л +■ Ох$С = 19,5...22,6 (рис.1>, обл.1); в системе Ре-Мп-Сч-С ,7...1,ЗЙ С, 6...8Й Мл, 2...4£ Сч, Корректирующая формула: ;hto-II)2+(I0x£C-9,5)2 4 52 Срис.1/5, сбл*. I с двойной штриховой).

Для материалов, которые испытывают при эксплуатации ин-енсивные ударные и изгибные циклические нагрузки с активным бразивным изналиванием, важным фактором является температура ксплуатации» Так, например, для зубьев ковшей экскаваторов, редназначенкых для работы в условиях Севера, в системе е-Мп-С номограмма Тхл = -40°С ограничивает область составов, очти не отличающуюся от состава стали Г'адфильда (ГОСТ 977-88). ри легировании марганцевых MAC 2-4iS Сч износостойкость увели-ивается на 23% при одновременной экономии марганца, так как

оличество его в стали может быть снижено до 9%: 0,8...1,3;? С,

р

...12$ Мл, 2...4% Сч, корректирующая формула: (^Ул-12) + 10х^С-10,5)2 ^ З2 (рис.10, обл.2). Для материала бил молотко-ых дробилок, минимальная температура эксплуатации которых 20°С, пределы легирования по углероду и марганцу пире, чем для убьев, так как лимитированы кривой Тхл = -20°С. Математическая ормула может быть задана аналогичным образок.

Для материалов, которые работают в условиях интенсивных дклических нагрузок и практически без воздействия абразивных астиц (крестовины железнодорожных рельсов), ранее в лаборатории еталловедения УПИ1 был разработан состав: 0,5...0,7^ С, 7...10$ 1п, 3...5% Сч (рис.1,6, обл.З). С помощью настоящих номограмм редлагается скорректировать соотношение основных легирующих лементов для обеспечения уровня ударной вязкости этого мате-иала не ниже 0,5 ЫДи/м4" при-20°С. .3 этом случае его можно за-;ать следующим образсм: 10хЯС+£Мп=14...17 (рис. 1/5, обл.З с двой-юй штриховкой).

Исследования доказали, что возможности разработки'износс-:тойких MAC в системе легирования Ре-Мл-Сч-С выше, чем в систе-ie Ре-Мп-С, и позволяют не только расширить пределы легирования га углероду и марганцу, что важно с практической точки зрения [ри выплавке этих сталей, но и предлагать составы с более высо-:им уровнем износостойкости.

Применений этих номограмм универсально. Они позволяют вы-¡ирать составы MAC для любых условий работы, где важны износо-¡тойкость, либо хладостойкость, либо определенное сочетание того

15

и другого вместе. Построенные на основе научного исследования,-они учитывают характер легирования аустенито. и создавт возможности целенаправленного поиска дополнительного легирования, повышающего служебные свойства MAC.

ВЫВОДЫ

1. Показано, что мартенситное превращение при охлаждении в марганцевых и хромомарганцевых MAC развивается изотермически. Выяснено Еликкие легирования углеродом, марганцем и хромом на кинетику этого процесса и установлено, что в MAC с содержанием углерода ниже 0,8$ и марганца - вше 8% или легированных хромом в количестве 2-4$ превращение протекает менее интенсивно, что делает не рацио кальки использование .VAC такого типа в условиях, где твердость рабочего слоя детали достигается в результате мартекситного превращения при обработке хслсдсм.

2. Исследовано влияние марганца на температурные интервала распада % -твердого раствора MAC систеш Fe-Mn-C при нагреве. На основе этого разработан режим фазовой перекристаллизации НАС. Показано, что выдержка при 650°С сталей, содержащих 1% углерода и 7-13% марганца, после старения при 550-бС0°С обеспечивает развитие сферсидизации карбидной фазы и, как следствие, устраняет структурную наследственность при последующем нагреве этих сталей под закалку, приводит к измельчению аусте-нитнэго зерна и обусловливает повышение ударной вязкости сталей в i ,3.. Л ,7 раза.

3. Исследовано влияние легирования хромом в количестве

2-4';? на особенности формирования тонкой структуры аустенита при деформации. Выяснено, что в MAC, содержащих 1-1,2$ углерода и

3-7:1 v.-.рганца, подобное легирование ослабляет концентрационную заг-псимссть параметров тонкой структуры деформированного аусте-н;:та ст содержания марганца, способствует повышению плотности дислс,"чций и более равном грному их распределению, обеспечивает высокий уровень микронагтряяений, что в итоге увеличивает способность хромо!иргандеэого аустенита к упрочнению.

4. В результате систематического изучения хладноломкости Pi-?»!n-C и Fe-Уп-Сч-С MAC, содержащих 0,3-1,3$ С, 3-13$ Мп и О—''"! Сч, построены концентрационные номограммы порога хладнояом-

Установлено, что обусловленная структурными факторами хлппноломкость сталей этого типа резко усиливается протеканием

16

еформзционнкх мартенситных превращений в процессе динамическо-о изгиба; легирование марганцевых НАС хромом в количестве 2% благодаря стабилизации аустенита по отнопенига к ¡Щ и тен-енции к равномерному распределению дислокаций в деформирован-ом аустените приводит к понижению порога хладноломкости и озволяет расширить область допустимых к эксплуатации MAC с поименным содержанием марганца.

5. Построены концентрационные номограммы абразивной стой-ости MAC систем Ре-Мп-С и Fe-Мл-Сч-С. Показано, что легировано хромом в количестве 2-4Í позволяет расширить пределы леги-ования MAC по углероду и марганцу для достижения одинакового ровня износостойкости, обеспечивает повышение абразишой стой-ости на 10-20^.

6. Способность КАС сопротивляться износу возрастает с уве-ичением концентрации углерода до 0,8^. Повышенная абразивная тонкость высокоуглеродистых MAC, содерлащих ТУ% марганца и 0~4% рема, связана с образованием ~ 60Z сА -мартенсита деформа-ии з тонком поверхностном слое, толщина которого не превышает -5 мкк, в результате чего возникает твердая прослойка, препят-гзуюаая внедрению абразивных частиц. При изнашивании шеокоуг-зродистьгй мартенсит подвержен деформационному динамическому отмену. Показано, что температура для распада -твердого аствора в зоне контакта недостаточна.

7. Причиной более высокой износостойкости хромомарганцо-■£< MAC является замедленное протекание процесса деформационно-э динамического отпуска мартенсита и локализация его в более энном поверхностном слое, глубина которого, как установлено, зррелирует с размером частиц износа.

В. На основе комплексного исследования взаимосвязи фазо-аГХ превращений с абра зивной стойкостью и хладоетойкостья раз— гботаны научные принципы выбора состава износостойких марган-звых и хромомарганцевых MAC с заданным комплексом эксплуатационных свойств. Показаны преимущества разработки MAC1 ira Pe-?¿n-í-C основе. Предложен ряд новых марганцевых и хром омар гаревых 1С (12017Х2Л и П017Л), превосходящих по служебным характорис-жам сталь Гадфильда в 1,3...1,6 раза. Составы разработанных галей зааззцони авторскими свидетельствами и внедрены на НЗРГ'О Ачинском глинозсслоя комбинате с фактическим экономическим эф-5KTOM 40-50 руб. за I т литья за счет экономии ферросплавов,

что при переходе на выпуск бронефутеровочных плит стершевых

мельниц из стали 120Г7Х2Л на КЗРГО с годовым объемом 4250 т

обеспечивает ожидаемый экономический эффект 170 тыс.руб.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах :

1. Особенности кинетики мартенситных превращений сталей переходного класса на основе углеродистого марганцевого аусте-нита при охлаждении и деформации . / Филиппов Ы.А., Луговых В.Е Студецок E.G. и др. // Ш!.' 1963. Т.66. Еып.З. С.578-583.

2. Фазовый состав, структура и контактная прочность метастабиль-ьшх аустенитных сталей, деформированных в условиях высоких гидростатических-давлений / Филиппо'в М.А., Студенок Е.С., Весзлов И.Н. н др. // 5изика и техника высоких давлений. Киев: Наукова цукка, 1990 . Вып.34. С.55-65.

3. Филиппов М.А., Студенок Е.С., Хадыев М.С. Хладноломкость Сч-Мл- SI -сталей со структурой нестабильного аустенита // MuïC:.:. 1986. У 5. С.31-35^

4. Влияние ванадия и титана на хладостойкость стали ПОПЗЛ / ¿илиппенков A.A., Рыжков А.Г., Филиппов М. А., Студенок Е.С.// Прочность и разрушение сталсй при низких температурах. М.: Металлургия, 1990. С.41-46.

5. Применение железа прямого госстановления при выплавке стали II0ri3iTA / Братчиков С.Г., ¿Селтяков C.B., ;7.итнов C.B., Студенок Е.С. // Литейное производство. 1967. S 5. С.4.

6. Филиппов М.А., Студенок Е.С., ЛугоЕых В.Е. Абразивная стойкость высокоуглеродистых метзетабильньгх аустенитных сталей /У Повышение служебных свойств высоколегированных литых сталей

и чугунов. M., 1987. С.92-96.

7. Зилиппенков A.A., Студенок Е.С., дитнов C.B. Использование металлиз о ванных окатышей при выплавке стали ПОГТЗЗТЛ // Повышение служебных свойств высоколегированных литых сталей и чугунсв. М., I9ö7. С.33-36.

8. Адриановская Н.Б., Студенок Е.С., Филиппов Ы.А. Особенности формирования тонкой структуры при деформации в сталях на основе Fc-Мд-С и Fe-îin-Сч-С аустенита // Термическая обработка и физика металлов. Свердловск, 1989. С.40-47.

9. Студенок Е.С., Филиппов М.А., Веселоз И.Н. Износостойкость нестабильных марганцево-крэмшетых аустенитных сталей при трении скольжения // Трение и износ. 1983. Т.4. If 4. C.7Q4-7I

ЕО. A.c. 1257458 СССР, 1ГЛ1 С 22 С 33/60. Сталь / Морохин Б.А., йтлшшов :,1.Л., Студенок E.G. z др. Опубл. 07.12.37; Гол. Уа 45.

11.-А. с. 121551Б СССР, !.ЕИ С 22 С 38/33. Сталь / Студенок Е.С., Сллшпов '.LA., Пспцов М.Е. к др. Опубл. 07.06.87; Бол. 21.

12. A.c. II803S8 СССР, 'Ш С 22 С 38/38. Сталь / Филиппов H.A., Луговых В.Е., Студенок Е.С. и др. Опубл. 23.СЭ.35; Евл. й 35.

13. A.c. I32G22I СССР, /дКИ С 22 С 38/38. Сталь / Филиппов М.А., Студенок Е.С., Луговых В.З. и др. Опубл.. 15.07.87; Ем. % 26.

14. A.c. 1527310 СССР, Ж! С 22 С 38/38. Сталь / Студенок Е.С., йхлпппов '.'.А., Нпбальядк З.Д. к др. Опубл. 07.12.89; Бюл. И 45.

15. A.c. 15273Г4 СССР, МКП С 22 С 28/58. Сталь / Студенок S.C., Филиппов М.А., Пспцов M.S. л др. Опу&ь 07.12.89; Вол. J5 45.

Подписано э печать 01.07.91 Формат 60x84 I/I6

Бумага СРШнаЦ Плоская печать Усл.п.л. 1,16

Уча-изд.л„ 1,06 Тираж 100 . Заказ 701 Бесплатйо

РедапшонЕо-издЕтельский отдел УШ ем.С.М.Кирова 620002 ¡, Свердловск, УПИ, 8-й учебный корпус Ротапринт ЛМ. 620002, Свердловск, УШ, 8-й учебный корпус