автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Упрочнение мартенситностареющих сталей путем легирования азотом

Министерство общего и профессионального образования РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

У Л У Н Ц Е В. Дмитрий Юрьевич

УПРОЧНЕНИЕ МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ ПУТЕМ ЛЕГИРОВАНИЯ АЗОТОМ

Специальность 05.16.01. - "Металловедение и термическая

обработка металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1 997

Работа выполнена в Московском Государственном институте стали и сплавов (технологическом университете)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Капуткина Л.М.

Официальные опоненты: доктор -МА Т, наук, профессор Андреев Ю.Г. кандидат технических наук Матевосьян А.П.

Ведущее предприятие: завод "Серп и молот"

_часов на заседании диссертационного совета К 053.08.03 в

Московском Государственном институте стали и сплавов (Технологическом Университете), 117936, г.Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4, ауд. 436.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института стали и сплавов.

О С

Автореферат разослан _>:> 1997 года.

Защита диссертации состоится

Ученый секретарь совета, доцент, к.т.н.

Самарин Б.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одна из основных проблем металлургии -повышение конструктивной прочности металла. Решение этой проблемы позволяет повысит^ надежность и долговечность деталей и конструкций, а также снизить расход металла, что приведет к снижению их стоимости. Из большого числа способов повышения прочности конструкционных сталей наиболее важным является легирование. Один из самых распространенных легирующих элементов - углерод, вместе с повышением прочности, увеличивает склонность стали к хрупкому разрушению, ухудшает пластичность- и коррозионную стойкость, а выделяющиеся при отпуске карбиды часто затрудняют последующую термическую обработку. 1 Повышения комплекса механических свойств можно достигнуть использованием безугаеродистых материалов. Исследования в этом направлении привели к созданию принципиально нового класса высокопрочных материалов - мартенситностареющих сталей (МСС). МСС получили широкое распространение благодаря уникальному сочетанию механических свойств и технологичности. Отличительной особенностью МСС является то, что основной вклад в упрочнение вносят дисперсные интерметаллидные частицы, выделяющиеся в результате старения мартенситной фазы. В настоящее время ведется совершенствование МСС по двум основным направлениям:

1) оптимизация легирования;

2) перспективные схемы термической (ТО) и термомеханической (ТМО) обработок.

По обоим направлениям существует достаточно много работ. Однако, повышенный в последние годы интерес к проблеме использования азота в сталях как легирующего элемента,' наметил новые перспективы для МСС, что вызвано следующими причинами:

- азот в значительных количествах удается ввести только . в высоколегированные стали; „

- азот сильно стабилизирует аустенит, что можно использовать для создания регламентированной двухфазной аустенитно-мартенситной структуры с требуемым комплексом свойств;

- азот обеспечивает упрочнение по двум механизмам: как элемент внедрения в твердо*; растворе и за счет выделения мелкодисперсных нитридов;

- стали с азотом имеют более мелкозернистую структуру;

- азот не является дефицитным элементом и его введение в сталь в небольших количествах (до 0.4 %) не представляет больших технологических трудностей.

Проведенные в последние годы исследования показывают, что коррозионностойкие стали с азотом - надежный и экономичный конструкционный материал.

Цель работы. Исследование влияния азота на упрочнение коррозионностойкой мартенситиостареющей стали (КМСС) на основе разработанной системы легирования (15-1б)Сг-(5-10)М-2Си-Мо-У(КЬ)-(0.1-0.2)Ы путем применения различных схем термической и • термомеханической обработок. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучить влияние азота на структуру и фазовый состав КМСС;

- исследовать возможности получения азотистого мартенсита и влияние деформации на формирование фазового состава и структурного состояния сталей;

- изучить процессы старения аустенитной и мартенситной фаз азотсодержащих сталей;

- разработать схемы термической и термомеханической обработок для повышения прочностных и служебных свойств КМСС с азотом;

Научная новизна. Исследованы коррозионностойкие азотсодержащие стали, полученные на базе мартенситностареющей стали 07Х15Н5Д2МБТ. Установлено, что оптимальное количество азота,

вводимое в сталь, находится в пределах 0.1-0.15 %. Это позволяет проводить выплавку сталей с азотом в открытой печи. Небольшое количество азота позволяет избежать выделения крупных нитридов, но в И то же время регулировать содержание а^та в твердом растворе и формировать нужный фазовый состав с требуемыми свойствами..

Предложенная система легирования дает возможность при различных размерах слитков получать равномерное распределение азота по сечению и регулируемый фазовый состав при использовании различных обработок (закалка, ВТМО).

В азотсодержащих сталях аустенитного и аустенитно-маргенситного классов за счет мартенситного превращения, идущего прц нагружении, и оптимизации схем термомеханической обработки возможно достижение уровня прочности мартенситно-аустенитных сталей (1100-1200 МПа) в сочетании с высокой пластичностью и ударной вязкостью, характерной для чисто аустенитных структур. При этом сохраняется высокая коррозионная стойкость таких сталей в слабоагрессивных средах, а износостойкость возрастает вдзое.

Подобранные схемы ТМО с использованием эффекта двойного старения позволяют получать на азотсодержащих сталях набор двухфазных структур (с содержанием мартенсита 50-г80 %) с широким спектром механических свойств (ав-1200-И 500 МПа, 8=34+11 %, КСи=1 Лч-0.6 МДж/м2) в сочетании с высокой коррозионной стойкостью.

Практическая ценность работы. Получены, и исследованы аустенитные и аустенитно-мартенситные стали на основе системы 15Сг-(54-10)№2Си-Мо-У(ЫЬ)-Т1-Ьт, совмещающие преимущества аустенитных и мартенснтных сталей и позволяющие варьировать фазовый состав в широких ' пределах. Предложенные ■режимы термической и термомехапической обработок ' азотсодержащих сталей с исходной аустеннтной структурой, включающие зекалку и ВТМО со степенью обжатия е=80-120 % -за 2-3 прохода с получением полигонизоканной

структуры и последующее высокотемпературное сгарение аустенита, приводят к достижению прочности 1200 МПа. Дополнительная обработка аустенитных сталей холодом (-70 °С, 24 часа) вызывают появление мартенсита в структуре и повышение прочности до 1440 МПа. Установлены температурные интервалы старения азотистого мартенсита дня получения высокой твердости за счет, выделения интерметаллидных фаз и карбонитридов.

Исследовано влияние холодной деформации на структуру и свойства азотсодержащих сталей. Показано, что холодная деформация таких сталей позволяет добиться более высокого уровня свойств (а„ до 1500 МПа) по сравнению с аналогичными безазотистыми сталями.

Исследованные аустснитные азотсодержащие стали с повышенным пределом прочности (1000-1200 МПа), текучести (700-900 МПа) и стойкостью к коррозии в слабоагрессивных средах рекомендованы к использованию в качестве замены традиционных аустенитных нержавеющих сталей типа Х18Н10Т, а двухфазные стали с азотом с пределом прочности 1300-1500 МПа - как экономнолегированные МСС для работы в условиях отсутствия жесткого трения.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации были сделаны доклады на научно-техническом семинаре "Термомеханическая обработка металлических материалов", 1994 г, научно-технической конференции "Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов", Москва, 1996 г, и конференциях молодых ученых, Москва, МИСиС, 1995,1996 гг. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы /наименований/, приложения, изложена на страницах машинописного текста, содержит ^^ иллюстраций и 34 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. Состав, структура и свойства коррозионпостойких мартенситностарекщих сталей.

Описаны основные легирующие элементы мартенситностареющих сталей и их влияние на упрочнение. Показано, что азот является эффективным упрочняющим элементом, совмещающим низкую стоимость, а при небольшой его концентрации - простоту введения в сталь и сохранение коррозионной стойкости. Легирование азотом создает возможность реализации в сталях различных способов упрочнения: дисперсионного, твердорастворного, структурного.

Подробно рассмотрены механизмы упрочнения легированных сталей, регрессионные зависимости, связывающие элементы структуры с величиной прочности, и условия их применения. Описаны и проанализированы эмпирические зависимости, используемые для оценки фазового состава и прочностных свойств коррозионностойких сталей по химическому составу и обработке. Отмечена нецелесообразность введения повышенных (более 0.4 %) концентраций азота из-за склонности сталей к хрупкому разрушению, неравномерности распределения азота по сечению слитков, активному нцтридообразованшо при охлаждении или сильной стабилизации аустенита, а также повышения вероятности образования трещин при закалке.

Особая эффективность азота при легировании КМСС связана с традиционно низким содержанием углерода в МСС и высоким хрома, что в сочетании с выплавкой под небольшим давлением позволяет фиксировать .до 0.4 % азота в твердом состоянии. Несмотря на аустенитостабилизирующее влияние азота и возможность получения повышенного количества остаточного аустенита в структуре, азотсодержащие стали являются перспективным материалом, так как позволяют за счет комбинации разных схем ТМО сочетать высокую прочность с пластичностью и стойкостью к коррозии. Основное упрочнение

азотсодержащих КМСС обеспечивается за счет высокой прочности азотистого мартенсита и выделения нитрвдов (карбонитридов) хрома при низкотемпературном старении (150-250 °С). Термомеханическая обработка дает возможность управлять структурой и субструктурой стали, изменять концешрац;ио и распределение азота в фазах, формировать требуемый фазовый состав с определенным комплексом свойств.

Предложены рекомендации для выбора химического состава азотсодержащих КМСС; указаны ограничения по содержанью легирующих элементов для получения мартенситной или аустенитно- , мартенситной структуры. Б качестве рационального базового состава предложена система хромоникелевых сталей с концентрацией легирующих элементов: Сг=15-16 %, N¡=4-10 %, С=0.03-0.08 %, N=0.1-0.2 %, Си~2 %. Данный химический состав должен обеспечить простоту выплавки, высокую прочность, пластичность и коррозионную стойкость.

Для повышения стойкости к износу и коррозии легирование стали азотом является гораздо менее эффективным, чем поверхностное . насыщение азотом. Рассмотрено влияние поверхностного азотирования на повышение механических и служебных свойств сталей,' а также оптимальные режимы азотирования КМСС.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Описаны исследованные стали и методы исследования, использованные в работе. Микрослитки (весом 1+2 г) азотсодержащих сталей 06Х15Н7АД и 07X15Н7ДАМБ получали на установке ПВС кафедры металлургии стали МИСиС методом плавки во взвешенном состоянии исходно безазогистых сталей того же базового состава в атмосфере азота при давлениях среды 0.1, 1.6, 2.5 МПа и температуре 1600 °С с последующей закалкой в воде. Слитки сталей 02Х15Н5ДАФ и 05Х15Н5ДАМ диаметром -100 мм и весом -20 кг получены переплавом в плазменной печи (Политехнический Институт, г.Чеистохов, Польша; под давлением молекулярного азота 0.4 МПа. Слитки 05Х15Н5Д2АМФТ,

05Х16Н5Д2АМФТ, 05Х15Н7Д2АМФТ, 05Х14Н9Д2АМФТ выплавляли в индукционной печи JIJI3-67 емкостью 50 кг на экспериментальной базе ИЧМ (г. Днепропетровск). Шихта состояла из отходов стали 10, никеля Н1 и молибдена. Медь марки М1 и феррованадий ФВд35 присаживали в печь после полного расплавления шихты. Раскисление металла осуществляли путем присадки мет-ллического марганца МР2 и ферросилиция ФС65. После раскисления металла и-скачивания шлака в расплав присаживали азотированный феррохром ФХН600 на 0.2 % N по расчету. Температура разливки слитков круглого сечения весом 10-12 кг составляла 1540+1570 °С. Выплавленные слитки разрезали на части, гом'огенизиро-валн при 1100 °С и затем ковали на заготовки сечением 10x50 мм. Химические составы исследованных сталей приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав исследованных сталей.

Обозначение стали Массовая доля элементов *, %

С Сг Ni Си Mo Nb Мл Si Ti N

06Х15Н7АД** 0.06 14.5 7.7 0.5 - - 0.30 0.52 - 0.167+ 0.710

07Х15Н7ДАМБ** 0.07 15.0 7.5 0.45 1.5 0.2 0.36 0.55 - • 0.167+ 0.710

V Al

02Х15Н5ДАФ 0.024 15.4 4.9 0.78 0.1 0.4 0.30 0.6 0.23 0.13+ 0.15

05Х15Н5ДАМ 0.052 15.3 5.0 0.6 1.5 - 0.1 <0.3 - 0.19+ 0.21

Ti

05Х15Н5Д2АМФТ 0.045 15.50 5.29 1.86 1.52 0.24 0.71 0.14 0.060 0.126

05Х16Н5Д2АМФТ 0.046 15.75 5.38 1.87 1.52 0.22 0.58 0.14 0.035 0.131

05X15Н7Д2АМФТ 0.047 14.80 7.75 2.0 1.55 0.28 0.76 0.38 0.052 0.136

05Х14Н9Д2АМФТ 0.042 14.35 9.50 2.0 1.48 0.235 0.45 0.12 0.042 0.119

07Х15Н5Д2МБТ 0.07 14.0 5.7 2.1 1.5 0.28 0.65 0.48 0.07 -

* - остальное - Fe; • ** - микрослитки.

Высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО) сталей проводили прокаткой на двухвалковом стане ДУР-300 с предварительным нагревом и выдержкой 30 мин в печи CHOJI-1,6.2,5.I/II-MI. Температуру контролировали хромель-алюмелевой термопарой. Скорость вращения валков составляла 40 об/мин. Степень деформации (е) при ВТМО составляла 80 (два прохода).и 120 % (три прохода), при холодной деформации - 50 % (один проход). Последеформационная пауза не превышала 2-3 секунды. Температура окончания прокатки была не ниже 950 °С. После окончания прокатки образцы закаливали в воде до потемнения с .последующим охлаждением на воздухе. Микроструктуру образцов изучали с помощью светового микроскопа "UNION". Размер зерна (среднюю хорду) определяли по ГОСТ 21073.0-75 и ГОСТ 21073.1-75 на установке "ЭПИКВАНТ". Для образцов после ВТМО определяли средний размер зерна в плоскости,- перпендикулярной плоскости прокатки в. трех направлениях: параллельно, перпендикулярно и под углом 40° к направлению прокатки. Исследование тонкой структуры образцов после закалки и ВТМО проводили на фольгах в просвечивающем электронном , микроскопе "Tesla BS 540". Рентгеноструктурный анализ с определением периодов решетки, количественного соотношения а- и ,у-фаз и качественный анализ на наличие нитридов проводили на дифрактометре ДРОН-4. Твердость образцов до и после старения замеряли по Виккерсу при нагрузке 5 кг. Измерение микротвердости азотированных образцов проводили на приборе ПМТ-3 при нагрузке 100 г. Механические свойства сталей поше разных обработок определяли при 20 °С: е., ат (оол), 8,'ч» -при испытаниях на растяжение круглых пятикратных образцов диаметром 3 мм по ГОСТ 1497-73 на универсальной испытательной машине 1958У-10-1; и KCU - при динамическом изгибе образцов 2x8x55 мм с U-образным надрезом на копре МК-30. Для определения электрохимических параметров точечной коррозии (потенциалов питтингообразования) применяли консгрукцию McRhides'a; образцы для испытаний имели форму

диска диаметром </=8 мм и толщиной й=4.3 мм с площадью рабочей поверхности 4.5 см7-. Испытания на износ проводили на испытательной машине "ШКОДА-САВИНА" с нагрузкой 15 кг и скоростью вращения твердосплавного диска 600 об/мин на образцах размером не менее 10x20 мм. Критерием износа являлся объем углубления, образовавшегося после 3000 оборотов диска.

ВЛИЯНИЕ АЗОТА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ХРОМО-НИКЕЛЕВЫХ АУСТЕНИТНО- И МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

1. Аустенитные стали с азотом

Представлены результаты исследования влияния азота на структуру и свойства хромоникелевых МСС . Исследование структуры микрослитаов сталей 06X15117 АД и 07Х15Н7ДАМБ сечением 2-4 мм показали: при концентрации азота 0.15 % и более даже после весьма быстрого ускоренного охлаждения (УОХл~102-г104 К/с) наблюдается неоднородность в распределении азота по сечению и выделение нитридов железа и хрома. Содержание азота возрастает от края микрослитков к центру, достигая максимума на середине радиуса. Концентрация азота в твердом растворе почти линейно растет при повышении давления до 0.9 МПа; при более высоких давлениях содержание азота в твердом растворе растет слабо, что связано с увеличением доли мелкодисперсных нитридов. В слитках 02Х15Н5ДАФ и 02Х15Н5ДАМ сечением -100 мм за счет увеличения времени охлаждения неоднородность в распределении .лота по сечению слитков усиливается^ активно идут процессы нитридообразования. Наибольший разброс в содержании азота в твердом растворе (0.07-Ю.21 %) наблюдается в слитке 05Х15Н5ДЛМ с большим содержанием азота (N-0.2 %). В слитке 02Х15Н5ДАФ (N-0.15 %) разброс концентрацнни азота меньше - 0.08+0.15 %. Перераспределение азота в твердом растворе при охлаждении слитков приводит к значительным вариациям фазового состава: слитки после выплавки имели аустенитно-мартеиснтную

структуру с переменным содержанием мартенсита по сечению: от 10 до 40 % для 05Х15Н5ДАМ и от 40 до 70 % доя 02Х15Н5ДАФ. Наибольшее количество мартенсита наблюдалось в верхних и центральных областях слитков, где азот из-за медленного остывания выделялся наиболее интенсивно. Невозможность регулировать фазовый состав и избежать выделений крупных нитридов в литой структуре при медленном охлаждении вызывает необходимость проводить последующую термомеханическую обработку при повышенных температурах для растворения образовавшихся грубых нитридов и карбонтрндов и выравнивания концентрации азота по сечению.

Проведенная после выплавки слитков 02Х15Н5ДАФ и 05Х15Н5ДАМ гомог -шзац!!я при 1100 °С, последующая горячая прокатка со степенью деформации 80 % с охлаждением в воде обеспечили выравнивание содержания азота в фазах фазового состава по. сечению ' слитка с получением двухфазной структуры со стабильным соотношением аустенита и мартенсита без выделений крупных, нитридов и карбонтрндов.

С учетом вышеприведенных результатов было предложено уменьшить содержание азота до 0.1-г0.15 %, что позволяет выплавлять сталь в открытой печи. После обычной выплавки в индукционной печи > были получены четыре плавки сталей (05Х15Н5Д2АМФТ, 05Х16Н5Д2АМФТ, 05Х15Н7Д2АМФТ 05Х14Н9Д2АМФТ) с содержанием азота 0.12-0.14 %, имеющие после ковки при 1050-1100 °С однородную по сечению слитков структуру без видимых в световой микроскоп выделений нитридов. Гомогенизация сталей при 1050 °С с последующей закалкой в воде привела к получению на всех плавках аустенитной структуры. Средний размер аустенитного зерна закаленных сталей почти в 1.5 раза меньше значений, аналогичной безазотистой стали 07Х15Н5Д2МБТ после закалки с той же температуры. Полученный азотистый аустенит из-за малого содержания никеля (~5 %) в стали и частичного выделения азо а из твердого раствора в виде нитридов оказался нестоек к мартенситному

превращению под нагрузкой. Механические испытания таких азотсодержащих сталей с 5 % № и аустенитной структурой показали, что за счет мартенситного превращения удается получить сочетание высокой прочности, пластичности и вязкости: величины ов азотсодержащих сталей находятся в пределах 1000+1200 МПа при 5=38-^42 % (табл.2). ..

Таблица 2.

Механические свойства аустенитных сталей с азотом после закалки и ВТМО.

Обозначение Обработка Оя , От, ' 6, V» кси, НУ 5

стали МПа МПа % % МДж/м2

закалка 1050 410 40 51 1.6 188

05X15Н5Д2 АМФТ ВТМО 80% 1080 710 39 50 1.1 301

ВТМО 120% 1120 830 38 46 1.0 354

закалка 1020 370 42 58 1.9 183

05Х16Н5Д2АМФТ ВТМО 80% ИЗО 740 38 54 1.1 328

ВТМО 120% 1200 850 38 46 0.8 342

закалка 640 330 55 70 1.9 149

05X15Н7Д2АМФТ ВТМО 80% 840 740 29 64 0.9 317

ВТМО 120% 940 860 24 63 0.8 333

закалка 680 330 45 67 1.5 166

05Х14Н9Д2АМФТ ВТМО 80% 920 820 22 4. 0.7 320

ВТМО 120% 970 920 16 39 0.6 368

ВТМО приводит к формированию полигонизованной структуры с повышенными (на 100-200 МПа) значениями прочности по сравнению с закаленным состоянием при сохранении пластичности (рис.1).

1200 1000 800 еоо

400

200-X

6;, МПа

05 X !5Н5Л2ЛНСРТ 05'Х(6Н5Д2АНФГ

втмо

У18Я10Т

05X15 Н?Д2аИ<РТ 05Х1ЧН9Д2АМ9Г

10

20

30

¿«0

50 £0

сЯ %

Рис. 1. Диаграмма конструкционной прочности аустенитных азотсодержащих сталей и стали Х18Н10Т* после закалки и ВТМО**.

Рентгенографическим анализом стали 05Х15Н5Д2АМФТ установлено, что количество образовавшегося мартенсита в ишисе образцов при . испытаниях на растяжение составляло около 40 % и не зависело' от предварительной обработки. При этом, значения ударной вязкости близки к уровню аустенитных сталей - К.Си=1|0+1.6 МДж/м2. Мартенситное превращение при ударе развивается слабо: количество образовавшеюся мартенсита в области разрушения составляет около 10 % для всех обработок.

Увеличение содержания никеля в азотсодержащих сталях до 7-9 % (стали 05Х15Н7Д2АМФТ, 05Х14Н9Д2АМФТ) обеспечивает стабильность аустенитной структуры против мартенситного превращения, но вызывает снижение прочности. ВТМО повышает предел прочности до 840+970 МПа, однако пластичность при этом падает. . *

* - Марочник сталей и сплаиов/Под общ.ред. В.Г.Сорокина. М.: М ши-носгроеаие, 1989 ; - Диаграммы горячей деформации. Структура и свойства

сталей: Справочник. Под ред. МЛ. Бернютейна. М.: Металлургия. 1989.

?

\

Анализ упрочнения азотсодержащих сталей с исходной аустенитной структурой показал, что основной вклад в прочностные свойства вносит упрочнение при образовании мартенсита и дисперсионное упрочнение за счет образования нитридов Согласно рентгеновскому анализу, максимальное количество нитридов наблюдается в структуре закаленных образцои. ВТМО способствует повышению содержания азота в твердом растворе, однако, эффект твердорастворного упрочнения аустенита азотом при небольшом его содержании мал. Тем не менее, значения о» и от термомеханически обработанных образцов заметно выше, чем закаленных, что объясняется увеличением плотности дислокаций и усилением эффективности старения, а также повышенной прочностью азотистого мартенсита, образующегося при испытании.

Дополнительное повышение прочности возможно путем высокотемпературного старения азотистого аустенита (650 °С, I час) за счет дисперсионного упрочнения нитридами и усиления интенсивности мартенситного превращения под нагрузкой. Старение термомеханически упрочненных аустенитных образцов стали 05Х15К "Д2АМФТ на максимальную твердость (650 °С, 1 час) позволило повысить предел прочности на 100-150 МПа, а предел текучести - на 300-400 МПа при сохранении пластичности. Свойства закаленных образцов после вьк котемпературного отпуска практически не меняются. Это связано со • слабым влиянием отпуска на выделение азота, так как большинство нитридов успели выделиться при предварительной термообработке.

.Введение азота в сталь привело к росту стойкости к износу аустенитных сталей: износостойкость азотсодержащих сталей после закалки и ВТМО в 1.5-2 раза выше, чем у закаленной стали Х18Н10Т. Повышение стойкости к износу связано как с повышенной твердостью азотистого аустенита, так и наличием в матрице твердых мелкодисперсных карбонитридов. Жесткий тип испытания приводит к сильной зависимости износостойкости от пластичности и вязкости матрицы: термомеханически обработанные образцы, несмотря на высокую прочность, имеют меньшую

по сравнению с закалкой стойкость к износу из-за пониженных значений 8 иКСи.

Сопротивление точечной коррозии аустенитных азотсодержащих сталей после ВТМО близко к значениям закаленной безазотистой Х18Н10Т.

2. Аустенитнд-мартеисигпные и мартенситные стали с азотом

Максимальное упрочнение сталей с азотом реализуется при образовании азотистого мартенсита. Обработка на мартенсит стали 05Х15Н5Д2АМФТ проводилась двумя способами: получением мартенсита охлаждения и мартенсита деформации. Мартенсит охлаждения ;в количестве 50+80 %,получали на аустенитных образцах после закалки и ВТМО с с=80 и 120 % в результате отпуска (старения) при 650 °С,Ч час для выделения азота из твердого раствора, дестабилизации аустенита и последующего охлаждения в интервале Мн-Мх . Мартенсит деформации получали на неотпущенных образцах предварительно термомеханически _ обработанных с е=80 % в результате прокатки при комнатной т'емпературе со степенью обжатия 50 %. Наиболее интенсивно мартенситное превращение вдет в образцах, предварительно подвергнутых ВТМО; с увеличением степени обжатия при горячей прокатке содержание мартенсита растет, достигая 80 % для режима с е=120 % . Полученные таким образом двухфазные стали имеют прочность до 1300 МПа при 8>20 % (табл.3).

Повысить прочность можно за счет старения азотистого мартенсита.

На азотсодержащих сталях с двухфазной структурой рекомендован режим

двойного старения: 200 °С, 1 час - вьщеяение в азотистом мартенсите

нитридов и карбонитридов железа и хрома, и 450 °С, 1 час - выделение

меди из твердого а-раствора. Прирост прочности после старения

I

составляет -100 МПа, при этом пластичность и вязкость снижаются незначительно (см. табл.3).

Таблица 3.'

Механические свойства стали 05Х15Н5Д2АМФТ после обработки на мартенсит.

Предварительная обработка Содержание мартенсита, % Ош, МПа от, МПа 8,% НУ 5

закалка 50 1050* 1120** 680 1060 37 34 49 59 295 315

ВТМО 80% 65 1230 1300 800 1150 30 24 48 54 325 385

ВТМО 120% 80 1310 1420 920 1370 22 21 53 48 345 455

* - до старения; ** - после старения.

Небольшой прирост прочности при старении, очевидно, связан с ранее прошедшими процессами выделения и более высоким исходным уровнем прочности стали в несостаренном состоянии. Сравнение конструктивной прочности двухфазных сталей с азотом (05Х15Н5Д2АМФТ) и без азота (07Х15Н5Д2МБТ) после аналогичных обработок показывают (рис.2), что сталь 05Х15Н5Д2АМФТ имеет более низкие значения ов. Это объясняется различиями в фазовом составе сталей: присутствие азота увеличивает долю аустенита в структуре, снижая прочность (рис.3).

Предварительная термомеханическая обработка азотсодержащих сталей увеличивает содержание мартенсита, сближая прочности сталей 05X15Н5Д2АМФТ и 07Х15Н5Д2МБТ. После ВТМО с в=120 % стали 05Х15Н5Д2АМФТ и 07Х15Н5Д2МБТ имеют близкий фазовый состав, а разница в значениях прочности сокращается до -100 МПа (см. рис.2). Практически гашенная зависимость ств от' содержания мартенсита в области 50+80 % говорит о слабом влиянии собственной деформационной структуры исходного аустенита на упрочнение и об ее косвенном влиянии путем усиления (ослабления) мартенситного превращения и сопутс вутощим изменениям строения мартенсита.

1500 11)00 1500 1200 1100

о;, мп«,

*А

©а

Ч

V

то но-/.

чБТНОВО'/. 07ШН5Д2М£[

бтмо 1ао У.

втмо

807.

¿АКАЛКД

05Х15Н5-Д2ДМФТ

10

~го

зо

40

50 6"/.

Рис.2. Диаграмма конструкционной прочности двухфазных сталей после обработки на мартенсит и старения на максимальную твердость. '

1500 ■• 1^00 •■ 1500 1200 1100 •

6"в.МПа

о 20 <Ш 60 80

содержание мартенсита, %

Рис.3. Зависимость прочности исследованных сталей после старения от содержания мартенсита, о - 05Х15Н$Д2АМФТ; • - 07Х15Н5Д2МБТ.

100

Заметную роль изменение строения начинает играть в холоднодеформированной стали с азотом: мелкодисперсная структура мартенсита деформации с повышенной плотностью дислокаций, унаследованной от структуры горячедеформированного аустеинта, последующего фазового превращения и самой холодной деформации приводит к возрастанию прочности до 1500 МПа, что выше значений <тв для структур с мартенситом охлаждения при том же фазовом составе.

Различия в фазовом составе исследованных сталей привели к заметному разбросу стойкости к изнашиванию при испытаниях в жестких условиях: износостойкость азотсодержащей стали 05Х15Н5Д2АМФТ в несколько раз ниже стойкости безазотистой 07Х15Н5Д2МБТ после всех обработок. Причина заключается в пониженной пластичности азотсодержащей стали. Однако, наличие азота в структуре позволило получить высокие значения стойкости к питтинговой коррозии. Потенциалы питтингообразования аустенитно-мартенситной стали 05Х15Н5Д2АМФТ после старения на максимальную твердость в 1.5-2 раза выше значений безазотистой стали 07Х15Н5Д2МБТ после аналогичных обработок.

Исследования теплостойкости аустенитно-мартенситных сталей показали: двухфазные стали 05X15Н5Д2АМФТ и 07Х15Н5Д2МБТ, состаренные на максимальную твердость, при повторном нагреве сохраняют твердость до Т=450 ®С, что соответствует температуре исходного старения. При дальнейшем повышении температуры наблюдается разупрочнение, связанное с началом а—>у превращения (для стали 07Х15Н5Д2МБТ А„~500 °С). Азот не оказал влияния на теплостойкость исследованных сталей, так как его концентрация в стали невелика (-0.12 %) и большая часть выделилась при предыдущих обработках.

Сравнительный анализ свойств двухфазных сталей с азотом и без азота показал: КМСС 07Х15Н5Д2МБТ можно заменить азотсодержащей сталью 05X15Н5Д2АМФТ с близкими значениями прочности и

повышенной стойкостью к питтингообразованию при условии увеличения доли мартенсита в структуре. Уменьшение содержания никеля с 5-5.5 % до 3-3.5 % позволит снизить стоимость стали. Наибольший упрочняющий эффект может дать увеличение степени обжатий при ВТМО до 160-200 %.

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНО АЗОТИРОВАННЫХ МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТОК.

Исследопап эффективность поверхностного азотирования в сочетании с ВТМО для повышения износостойкости и твердости поверхностных слоев стали 07Х15Н5Д2МБТ. Выбран режим газового азотирования, позволяющий получить толщину азотированного слоя до 500 мкм: 600 °С, 36 часов в атмосфере (40 % NHj + воздух). Основная часть слоя состоит го твердого раствора азота в a-Fe и нитридов типа Fe^jN. Азотирование обеспечило повышение твердости поверхностного слоя в 2.5 раза по сравнению с матрицей. Образовавшийся на поверхности образцов плотный слой e-фазы в сочетании с диффузионным слоем азотированного мартенсита приводит к десятикратному возрастанию стойкости к износу образцов после азотирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Й ВЫВОДЫ

1) Изучены процессы выплавки и кристаллизации, структура и фазовый состав микрослнтков азотсодержащих сталей, полученных переплавом мартенситностареющей стали 07Х15Н5Д2МБТ при различных давлениях азота - от 0.1 до 2.5 МПа. Показано, что при содержании азота в стали более 0.2 % даже при высоких скоростях охлаждения (104104 К/с) не удается зафиксировать весь азот в твердом растворе; часть азота выделяется в виде нитридов и карбонитрвдов хрома и железа. Однако, содержания азота 0.15-0.2 % достаточно. для снижения интервала

мартенситного превращения в область отрицательных температур и' получения дисперсионно упрочняющихся сталей с разной стабильностью аустенита. При содержании азота з стали более 0.15-0.2 %, разливка в слитки небольших сечений (д1 метром —100 мм) приводит к заметным различиям концентрации азота по высоте и сечению слитка.

2) Для реализации высокопрочного состояния и более полного использования преимуществ легирования азотом можно рекомендовать ограничивать содержание азота в мартенситностарею£^их сталях типа 05Х15Н5Д2МФТ до 0.15 % , что позволяет проводить выплавку азотсодержащих сталей в открытой печи.

3) На базе системы 15Сг-(5-10Ы1)-2Си-Мо-У получены высокопрочные коррозионностойкие аустенитные стали с содержанием азота 0.12-0.14 % с пределом текучести в 2 раза и пределом прочности в 1.5 раза большими по сравнению с традиционными нержавеющими сталями. Наилучший комплекс свойств получен в стали с пониженным содержанием никеля (~5%): ст„=1050 МПа; ат=400 МПа; 8=40 %; КСи=1.6 МДж/м2.

Показана эффективность применения ВТМО для -зотсодержащих сталей: предварительный нагрев до 1050 °С обеспечивает растворение нитридов и карбонитридов, выделившихся при выплавке, а горячая прокатка в 2-3 прохода с е=80-120 % создает структуру полигонизованного аустенита с высокой плотностью субграниц. Полученная субструктура обеспечивает наибольшее упрочнение аустенита при высоких значениях пластичности и вязкости: о„=840+1200 МПа; от=710+920 МПа; 5=16+39 %; КСи=0.6+1.1 МДж/м2.

Полная фиксация азота в твердом растворе после ВТМО позволяет эффективно использовать высокотемпературное старение аустенита: отпуск при 650 °С увеличивает прочность термомеханически обработанных аустенитных сталей с азотом на 50-100 МПа.

При всех обработках износостойкость азотсодержащих сталей в два раза повышает стойкость к износу аустенитных нержавеющих сталей типа Х18Н10Т прн сохранении высокого сопротивления точечной коррозии.

4) Исследована возможность получети на азотсодержащих сталях двухфазной структуры с регламентированным соотношением аустенитной и мартенсигной фаз путем предварительного отпуска и обработки холодом или холодной прокатки. Сочетание твердорастворного и субструктурного упрочнения аустенита при ВТМО с упрочнением за счет фазового превращения (с образованием 50-80 % мартенсита) и наследование мартенситом дефектов аустенитной структуры позволяет достичь прочности 1300 МПа при 5>20 %.

Изучено дисперсионное твердение азотистого мартенсита. Показана возможность повышения прочности до 1500 МПа путем двойного егарения: 200 °С, I час - для выделения нитридов и карбонитридов из растоора a-Fe. и 450 °С, 1 час - упрочнение за счет выделений меди.

5) Для достижения высоких прочностных свойств азотсодержащих сталей можно рекомендовать уменьшить содержание никеля до 3-4 % при концентрации азота ~0.12 %, что позволит повысить количество мартенсита в структуре.

6) Для повышения поверхностной твердости и износостойкости целесообразно применять поверхностное газовое азотирование. Предложенный режим азотирования позволяет повысить износостойкость в 5-6 раз и в 2-3 раза поверхностную твердость. . •

7) Исследованные азотсодержащие стали и обработки, обеспечивающие получение аустенитной структуры с высокой прочностью и износостойкостью, можно рекомендовать в качестве замены традиционных аустенитных сталей типа Х18Н10Т для работы в слабоагрессивных средах, а также в качестве высокопрочных сталей аустенитно-мартенситного класса. с повышенной коррозионной стойкостью и теплостойкостью до 450 °С.

Основное содержание диссертационной работы изложено в

следующих публикациях.

1. Упрочнение стареющих сталей с азотом. Капуткина Л.М., Прокошкина В.Г., Улунцев Д.Ю. - В сб. : Тез. докл. научно-технического семинара "Термомеханическая обработка металлических материалов". -М.: МИСиС, 1994, с.25-26.

2. Термомеханическая обработка нержавеющих сталей с азотом. Капуткина Л.М., Прокошкина В.Г., Улунцев Д.Ю. Тезисы доклада научно-технической конференции с международным участием "Металлознание, ыеталолеене и термично обработване." Ловеч, Болгария, сент. 1995, с. 95„

3. Капуткина Л.М., Улунцев Д.Ю., Казакова Т.В. Термическая стабильность упрочнения мартенситиостареющих сталей после термомеханической обработки. - Изв. вузов. Черная мета.лургия. № 5, 1995, с.39-40.

4. Капуткина Л.М., Прокошкина В.Г., Улунцев Д.Ю. Механические свойства азотсодержащих нержавеющих сталей после термической и термомеханической обработок. - Изв. вузов. Черная металлургия. № 7, 1995, с.45-46.

5. L.M.Kaputkina, V.O.Prokoshkina, D.Y.Uluntsev. High-strenghs corrosion résistant aging Steels containing nitrogen. // Advanced Materials and Processes III Russian-Chinese Simposium. - Kaluga, Russia, October 9-11, 1995, p.262.

6. Влияние азота на упрочнение литых хромоншселевых сталей при термомеханической обработке. Капуткина Л.М., Свяжин А.Г., Прокошкина В.Г., Сивка Е., Улунцев Д.Ю., Тишаев А.С. - В сб.: Тез. докл. научно-технического семинара с международным участием "Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов". - М., МИСиС, 1996, с.19-20.

7. Износостойкость и коррозионная стойкость азотсодержащих хромоникелевых. сталей после термомеханической обработки. Улунцев

Д.Ю., Прокошкина В.Г., Манова М.Г. - В сб.: Тез. докл. научно-технического семинара с международным участием "Бсрнштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов". - М., МИсАс, 1996, с.20-21.

8. Капуткина Л.М., Свяжин А.Г., Прокошкина В.Г., Киндоп В.Э., Улунцев Д.Ю. Мартенситное превращение и процессы старения в Сг-Ы|

сталях с азотом. // Изв. вузов.Черная металлургия. 1997, № 1.

'1 . \ "

Объем 1 пл., Заказ 29 , тираж 100 экз. Типография МИСйС, Орджоникидзе 8/9.

\