автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние легирования никелем и молибденом на устойчивость аустенита и формирование структуры и свойств низкоуглеродистых мартенситных сталей с повышенным содержанием углерода

На правах рукописи

Закпрова Мария Германовна

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НИКЕЛЕМ И МОЛИБДЕНОМ НА УСТОЙЧИВОСТЬ АУСТЕНИТА И ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

-2ДЕН2010

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2010

004615506

Работа выполнена на кафедре «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ГОУ ВПО Пермского государственного технического

университета

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук Спивак Лев Волькович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Глинер Роман Ефимович

Ведущая организация:

НИУ ГОУ ВПО Южно-уральский государственный университет, г. Челябинск

Защита диссертации состоится « 24 » декабря 2010 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, НГТУ, корп. 1, ссуд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева

Автореферат разослан 6 » /ft, _ 2010 г.

кандидат технических наук Пряничников Владислав Александрович

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Традиционные конструкционные стали с содержанием углерода 0,20-0,40% обладают недостаточной конструкционной прочностью и пониженной технологичностью при изготовлении термоуп-рочненных деталей. Комплексные исследования кинетики у->а превращения, структуры и характеристик механических свойств низкоуглеродистых мар-тенситных сталей (НМС) показали, что НМС имеют высокие прочность, пластичность и ударную вязкостью. Для НМС характерна высокая устойчивость переохлажденного аустенита в области температур нормального и промежуточного превращения, в отличие от сталей бейнитного класса, для которых комплекс характеристик механических свойств в существенной мере определяет механизм у->а превращения.

Требования, предъявляемые современным машиностроением к сталям - это высокая конструкционная прочность, низкая стоимость и технологичность в изготовлении деталей машин. Прочность широко применяемых в настоящее время, НМС составляет 1000 - 1200 МПа. Поэтому расширение химического состава низколегированных сталей мартенситного класса, повышение комплекса механических и технологических характеристик, в том числе и надежности деталей, изготовленных из НМС, является важным элементом в переходе от традиционных представлений в этой области знаний, к новым, инновационным, основанным на научных подходах к созданию сталей для изготовления деталей ответственного машиностроения. Одно из направлений дальнейшего прогресса в сталях мартенситного класса связано с повышением конструкционной прочности рациональным легированием, обеспечивающим мартенситное превращение при медленном охлаждении. Легирование мартенситных сталей позволяет обеспечить прокаливаемость в крупногабаритных изделиях при замедленном охлаждении на спокойном воздухе и, в результате, отказаться от использования экологически вредных закалочных сред.

Увеличение в стали содержания углерода дает возможность повысить характеристики прочности. Однако возникает при этом риск понижения устойчивости переохлажденного аустенита и развития крайне нежелательного, с точки зрения обеспечения вязкости, бейнитного превращения. Поэтому поиск составов сталей, позволяющих повысить характеристики прочности, и в тоже время сохранить преимущества сталей со структурой пакетного мартенсита, является актуальным как с научной, так и с практической точек зрения.

Тематика диссертации соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ и Перечню критических технологий РФ. Работа выполнена при поддержке «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере», государственный контракт № 4293р/6718, гранта РФФИ 07-08-96007-р_урал_а, гранта РФФИ 09-08-99001-р_офи, аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (раздел «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук», № 2.1.2/1225).

Иель и задачи исследования. Целью данной работы является исследование влияния легирования никелем и молибденом на устойчивость аусте-нита, закономерности структурообразования и формирование свойств при термической обработке НМС повышенной конструкционной прочности и технологичности с увеличенным содержанием углерода без введения сильных карбидообразующих элементов.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Обосновать составы и исследовать фазовые превращения в изотермических условиях, при непрерывном нагреве и охлаждении в низкоуглеродистых мартенситных сталях типа Х2Г2Н1 с повышенным содержанием углерода от 0,17 до 0,29%, никеля до 2,5%, молибдена 0,3-1,0%.

2. Изучить структуру и механические свойства сталей в зависимости от их состава и вида термической обработки с целью получения высокого комплекса характеристик механических свойств и технологических преимуществ.

3. Предложить составы сталей, обеспечивающие достижение высокой прочности, пластичности и вязкости.

4. Разработать технологические параметры термического упрочнения предложенных сталей.

5. Подтвердить работоспособность разработанных сталей в реальных условиях эксплуатации изделий буровой техники.

Положения, выносимые на защиту.

1. Закономерности превращений при нагреве и охлаждении низколегированных сталей мартенситного класса с повышенным содержанием углерода.

2. Получение структуры пакетного мартенсита в НМС с повышенным содержанием углерода, при охлаждении на воздухе с температур горячей деформации, а также при последующих циклах термической обработки новых НМС.

3. Пределы легирования углеродом, никелем и молибденом разработанных экономнолегированных НМС, обеспечивающие высокий комплекс характеристик механических свойств.

4. Состав новых низколегированных повышенной прочности сталей мартенситного класса не содержащих сильные карбидообразующие элементы и режимы термообработки, обеспечивающих высокие эксплуатационные и технологические характеристики сталей.

5. Параметры технологических процессов термической обработки НМС, со структурой пакетного мартенсита, с пределом прочности не менее 1500 МПа и высокими характеристиками вязкости и пластичности.

Научная новизна.

1. На основании исследования фазовых превращений в изотермических условиях и при непрерывном нагреве и охлаждении установлены пределы легирования никелем и молибденом высокопрочных сталей с повышен-

ньм содержанием углерода, имеющих структуру пакетного мартенсита. Разработаны составы НМС обеспечивающие высокую устойчивость переохлажденного аустенита без дополнительного введения сильных карбидообразую-щих элементов, таких как ванадий, ниобий, титан.

2. Доказано, что разработанная система легирования, при содержании углерода до 0,24%, гарантирует формирование структуры пакетного мартенсита обеспечивающей высокий уровень конструкционной прочности.

3. Показано, что в НМС, с повышенным содержанием углерода, процесс аустенитизации при нагреве в межкритическом интервале температур носит сложный характер, включающий бездиффузионную и диффузионную компоненты фазовых превращений.

4. Обоснованные пределы легирования НМС углеродом, хромом, марганцем, никелем, молибденом, обеспечивающие высокие характеристики прочности, пластичности и вязкости.

Практическая значимость.

1. На основании установленных в работе закономерностей фазовых превращений, формирования структуры и комплекса механических характеристик предложены составы и режимы термической обработки, существенно повышающие конструкционную прочность известных НМС при сохранении присущей этому классу сталей технологичности.

2. Реализовано на практике применение разработанной стали 19-24Х2Г2НМ и технологии термической обработки для детали "карданный вал" диаметром 125 мм винтового забойного двигателя ООО "Фирма Радиус Сервис", что позволило снизить деформацию и коробление при термообработке, исключить правку и использование экологически вредных жидких охлаждающих сред (минеральные масла, щелочи), обеспечить ресурс до 800 часов.

Объект исследования. НМС с повышенным содержанием углерода, не содержащие сильных карбидообразующих элементов, обладающие высокой технологичностью при изготовлении термоупрочненных деталей

Предмет исследования. Устойчивость аустенита НМС с содержанием углерода 0,17-0,30%, хрома и марганца по 2% в зависимости от легирования никелем и молибденом. Структура и механические свойства.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: II Международной школе «Физическое металловедение» и XVIII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Тольятти,

2006 г; VII Международной научно-технической конференции «Уральская школа-семинар металловедов - молодых ученых», Екатеринбург, 2006 г; «XVII Петербургские чтения по проблемам прочности», Санкт-Петербург,

2007 г; XIX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященной 100-летию со дня рождения академика В.Д. Садовского, Екатеринбург, 2008 г; Восьмой ежегодной международной Промышленной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современ-

ных условиях», п. Славское, Карпаты, 11-15 февраля 2008 г; «X Международная научно-техническая уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых», Екатеринбург, 7-11 декабря 2009 г; «V-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур», ПРОСТ 2010, Москва, 2010 г; XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященная 100-летию со дня рождения H.H. Липчина. Пермь, 2010, 1-5 февраля 2010 г.

Личное участие. Все экспериментальные исследования по теме диссертации, как в лабораторных, так и в производственных условиях, а так же обработка и анализ полученных результатов выполнены лично автором.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, приложений. Работа изложена на 130 страницах, включает 60 рисунков, 28 таблиц и 2 приложения. Список использованных источников содержит 68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, изложены цели и задачи, сформулированы научная новизна, практическая значимость работы, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Формирование структуры при мартенситном превращении, конструкционная прочность и технологичность низколегированных сталей мартенситного класса» рассмотрены особенности формирования структуры и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей. Глава завершается постановкой задачи для исследования.

Во второй главе изложены материалы и методики исследования.

Основные исследования проведены на НМС базового состава 17Х2Г2Н1, с различным количеством углерода и легирующих элементов. Стали экспериментальных плавок выплавляли в индукционной печи, разливали в слитки размерами 100 х 100 мм массой 100 кг, прокатывали на диаметр 19 мм. Химический состав исследуемых сталей приведен в табл. 1. Содержание вредных примесей в сталях: 0,02 - 0,05% AI, не более 0,025% S и Р.

Для получения сопоставимых результатов кованые прутки подвергались термической обработке по режимам: а) закалка с 980 °С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе (что при данной системе легирования позволяет получить структуру пакетного мартенсита, номер зерна 7-10, твердость 40-44 HRC); б) закалка с 980 °С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе. Отпуск 650 °С, выдержка 2 часа, охлаждение на воздухе (в структуре получен отпущенный мартенсит). Проведенная фазовая перекристаллизация обеспечила величину зерна структуру и твердость такую же, как после горячей прокатки.

Таблица 1 - Химический состав исследуемых сталей

Марка стали Содержание элементов, %

С Si Мп Cr Ni V Mo

17Х2Г2Н1 0,17 0,30 1,84 2,46 1,08 0,02 0,04

18Х2Г2Н2,5 0,18 0,45 1,99 2,60 2,39 0,01 0,05

17Х2Г2НМ0,3 0,17 0,28 1,90 2,28 1,52 0,02 0,32

18Х2Г2НМ0,6 0,18 0,46 2,05 2,41 1,49 0,02 0,55

24Х2Г2НМ0,5 0,24 0,28 1,82 2,27 1,50 0,02 0,46

22Х2Г2НМ1 0,22 0,37 1,68 2,31 1,45 0,01 0,84

29Х2Г2НМ0,5 0,29 0,17 1,97 1,98 1,40 0,01 0,53

Структура сталей - пакетный мартенсит (рис. 1).

Структура исследуемых сталей после ковки характеризуется большим размером зерна, чем после прокатки.

Рисунок 1 - Электронная микроструктура пакетного мартенсита стали 17Х2Г2Н1, хЗОООО

Основные исследовательские методы включали металлографический (Neophot-32) и электронно-микроскопический анализ (ЭМ-125) структуры. Фазовые превращения изучали дилатометрическим (дифференциальный дилатометр Шевенара), магнитометрическим (модернизированный анизометр Акулова с автоматизированной системой регистрации результатов измерений) и калориметрическим (дифференциальный сканирующий калориметр STA 449 С Jupiter) методами. Рентгеновский анализ проводили на приборе ДРОН-ЗМ. Испытания на одноосное растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 на машине INSTRON 300 LX. Ударную вязкость (KCV) определяли согласно ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре ИО 5003-0.3. Дюро-метрические исследования - на твердомере Роквелла ТК - 2М.

В третьей главе "Влияние легирования на фазовые превращения, устойчивость аустенита и структуру низколегированных мартенситных сталей с повышенным содержанием углерода" приведены результаты изучения фазовых превращений.

Фазовые превращения наиболее подробно изучены методом дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC).

DSC кривые при нагреве сталей до 1000°С, 1150 °С в качественном плане похожи. Для примера, на рис. 2 представлена DSC кривая стали 24Х2Г2Н1,5М0,5. В стали состава 24Х2Г2Н1,5М0,5, как и во всех других сталях, нагрев после ковки или прокатки фиксирует появление в районе 750 -

830 °С хорошо выраженного эндотермического пика, обусловленного переходом в аустенитное состояние.

Выше температуры завершения аустенитизации, точки Ас3, в процессе первого нагрева происходят некоторые явления, сопровождающиеся калориметрическими эффектами. И только при нагреве выше 980 - 1000 °С поведение сплава в этом отношении стабилизируется.

Характер изменения в районе температур появления эндотермического пика второй производной сигнала DSC свидетельствует о том, что при нагреве реализуются несколько последовательно следующих друг за другом механизмов аустенитизации (несколько четко выраженных максимумов на второй производной) (рис. 2),

Температуры точек Ась Асз, определенных по данным DSC, представлены в соответствующих таблицах диссертационной работы.

Из данных DSC следует, что оптимальной температурой аустенитизации исследуемых сталей после прокатки или ковки следует считать температуру 980 - 1000 °С. Нагрев до этих температур гарантирует получение в сталях гомогенного аустенита.

Результаты определения критических точек исследуемых сталей представлены в табл. 2.

Температуры критических точек, полученные с помощью DSC, сопоставляли с данными, полученными дилатометрическими методами. Различие между значениями критических точек, полученные из данных дилатометрического и DSC анализов, не превышает ± 3% от определяемой температуры, что вполне отвечает точности проведения таких сравнительных сопоставлений. С увеличением в сталях содержания углерода наблюдается снижение температуры начала мартенситного превращения. Влияние молибдена на точку Ас, в исследованных интервалах легирования не отмечено.

____3 | f ехо {

24Х2Г2Н1.5М0.5

400 600 800 1000 Т,'С

Рисунок 2 - DSC зависимость (1) и вид ее первой DDSC (2) и второй DDD производных (3) при нагреве стали 24Х2Г2Н1,5М0,5 со скоростью 40 °С/мин

Для исследуемых марок сталей были построены диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита. Одна из них для стали 24Х2Г2Н1,5МО,5 представлена на рис. 3.

На кинетических кривых при охлаждении сталей, как обычно, наблюдаются три стадии: медленное начало процесса, ускорение в средней части и медленное завершение, характерные для изотермического превращения. Таблица 2 - Температуры критических точек исследуемых сталей.

Марка стали АС1 Асз Мн Мк

Дилатометр DSC Дилатометр DSC Дилатометр DSC Дилатометр DSC

17Х2Г2Н1 700 715 780 840 360 400 210 325

18Х2Г2Н2,5 710 715 830 815 340 370 260 245

17Х2Г2Н1,5М0,3 720 721 830 830 370 395 220 315

18Х2Г2Н1,5М0,6 700 710 830 845 360 395 190 280

24Х2Г2Н1,5М0,5 740 720 870 825 360 370 200 270

22Х2Г2Н1,5М1 740 720 870 840 360 400 200 260

29Х2Г2Н1;5Мо,5 730 725 830 820 300 330 160 180

Примечание: температура аустенитизации 950 °С для дилатометрических исследований и 1 ООО - 1150 °С для исследований DSC.

800 700 600

о

¿500 Й

с. 400 с

300

н

200 100

1 10 100 1000 10000 100000 Время, сек

—»—5%—а— 10%—*— 20% я: 30%—с— 60% ■ 75% р 80% * конец эксперимента

Рисунок 3 - Изотермическая диаграмма устойчивости переохлажденного аустенита стата 24Х2Г2Н1,5М0,5

В исследованных сталях, за исключением стали 17Х2Г2Н1, инкубационный период в области нормального превращения составляет не менее 6 часов. Устойчивость переохлажденного аустенита к нормальному преврагце-

0,12 0,08 0,04

9

| 0.00 -0,04 -0,OS

?!

/ а«52Дж/г

/ 24Х2Г2Н1,БЫ0,5

0,010 0.005 0,000 -0,005 | -0,010 1 -0,015 ■0,020 -0,025

200 «00 600 800 Т.-С

Рисунок 4 - DSC зависимость (1) и вид ее второй производной DDD (2) при охлаждении стали 24Х2Г2Н1,5М0,5 со скоростью 10 °С/мин

нию в стали 17Х2Г2Н1 - 1 час, что вполне достаточно для закалки на воздухе деталей сечением до 110 мм.

С увеличением содержания никеля до 2,5% повышается устойчивость аустенита. Нормальное превращение в стали 18Х2Г2Н2,5 не фиксируется в течение 8 часов выдержки.

При выбранной системе легирования ни в одной из сталей, содержащих менее 0,24% углерода, бейнитное превращение не обнаружено. Однако увеличение содержания углерода до 0,29% (29Х2Г2Н1,5М0,5) приводит к появлению признаков бейнитного превращения при изотермических выдержках в интервале температур 360 - 400 °С.

На рис. 4 показано, в качестве примера, изменение DSC сигнала и его второй производной при охлаждении стали 24Х2Г2Н1, 5М0,5 со скоростью 10 °С/мин. В районе температур мартен-ситного превращения наблюдается экзотермический пик, который, судя по характеру изменения в этом температурном интервале второй производной, представляет собой результат наложения тепловых эффектов от близких по температурам протекания этапов мар-тенситного превращения

Об отсутствии бейнитного превращения свидетельствуют данные по микроструктуре и микротвердости образцов. Результаты рентгеносгруктур-ного анализа не выявили присутствия в сталях после закалки остаточного аустенита.

В зависимости от требуемой прокаливаемости оптимальное количество Ni в этих сталях должно находиться в пределах 1 - 2,5%.

Не обнаружено влияния молибдена (0,3-0,6%) на положение температурного интервала мартенситного превращения.

Рассмотрено влияние содержания углерода (0,17-0,24%) при одинаковом содержании молибдена на превращение переохлажденного аустенита. Оказалось, что примененная система легирования позволяет сохранить высокую устойчивость переохлажденного аустенита в области нормального превращения даже при содержании углерода 0,29%. Увеличение содержания углерода в стали с 0,18 до 0,29 % при одинаковой системе легирования (Х2Г2Н1,5М0,5-0,6) незначительно снижает температуру начала мартенситного превращения (табл. 2).

Магнитометрические измерения не фиксируют выделение из аустенита парамагнитных карбидных фаз. Однако их образование, меняя состав аустенита, может привести к изменению температур начала и конца мартенситного превращения. Изотермические выдержки в интервале температур нормального и предполагаемого бейнитного превращения не привели к изменению Мн. Следовательно, можно полагать, что при выдержке сталей в области

температур 660-450 °С не происходит перераспределение углерода в твердом растворе, карбиды не выделяются.

Для определения рациональной температуры аустенитизации, образцы из исследуемых сталей выдерживали один час при температурах: 850 °С, 900 °С, 950 °С, 1000 °С, 1050 °С, 1100 °С, 1150 °С с последующим охлаждением на воздухе или в масле. Заметный рост зерна аустенита начинается в интервале температур нагрева 950-1000 °С. Введение молибдена, как карби-дообразующего элемента, оказывает сдерживающее влияние на рост зерна аустенита.

Один из главных факторов, влияющих на твердость и прочность стали, является химический состав (при сравнении сталей с одинаковой термической обработкой). Увеличение содержания Ni от 1% до 2,5% не приводит к заметному повышению твердости после различных температур аустенитизации.

При введении молибдена в количестве 0,3% твердость меняется незначительно после закалки с температур 950-1050 °С. Существенное снижение твердости (на 4 HRC) наблюдается только при закалке с 1100 °С. Это связано с высокой устойчивостью карбидов молибдена, которые растворяются полностью лишь при температурах выше 1050 °С. Сталь 18Х2Г2Н2,5 не имеет устойчивых карбидов, поэтому твердость этой стали снижается при меньших температурах аустенитизации.

На основании полученных результатов, оптимальная температура аустенитизации для данной группы сталей принята равной 980 ±10 °С. Это согласуется и с данными DSC. Установлено, что после закалки с температуры 980 °С у всех исследуемых сталей наблюдается структура пакетного (реечного) мартенсита. Рекомендуемое содержание никеля и молибдена должно находиться в пределах 1 -1,5% и 0,3 - 0,6% соответственно.

Высокая температура начала мартенситного превращения исследуемых сталей в ходе охлаждения может способствовать самоотпуску. Закалка с различной скоростью охлаждения на воздухе (3-5 °С/с) и в масле (40-50 °С/с) оказала незначительное влияние на значения твердости. Следовательно, можно полагать, что изменение состава твердого раствора и структуры в температурном интервале мартенситного превращения не происходит. Возможно только частичное снятие при этом закалочных напряжений.

В четвертой главе на основании результатов исследований разработаны технологические параметры упрочнения НМС с повышенным содержанием углерода.

Результаты исследования свидетельствуют о высокой устойчивости аустенита, а, следовательно, о возможности закалки медленным охлаждением на воздухе деталей с сечением до 350 мм.

Решающим при выборе марки стали и режима ее термической обработки является комплекс механических характеристик и технологичность.

Температура аустенитизации для упрочняющей термической обработки равная 980 °С, была раннее обоснованна по результатам влияния температуры аустенитизации на размер зерна и твердость, а также по данным ББС.

Анализ полученных в работе данных свидетельствует о том, что уровень твердости образцов из НМС без молибдена, закаленных в масле и на воздухе, сохраняется высоким до температуры отпуска 450 °С. В сталях, легированных молибденом, отмечена высокая отпускоустойчивость - твердость сохраняется на высоком уровне до температур отпуска 500 °С. Твердость сталей, отпущенных на 650 °С, снижается в 1,5-2 раза и не зависит от скорости охлаждения после аустенитизации. В связи с тем, что твердость не является универсальной характеристикой, и по полученным данным нельзя назначить режим упрочняющей обработки, проведены исследования влияния температуры отпуска на механические свойства при растяжении и ударную вязкость рассматриваемых сталей. Полученные данные свидетельствуют о высоком комплексе характеристик механических свойств исследуемых сталей. В частности, сравнительный анализ сталей 17Х2Г2Н1 и 18Х2Г2Н2,5 показывает, что обе стали сохраняют высокую прочность и вязкость до температуры отпуска 250 °С (ов =1320 МПа, КСУ = 70 Дж/см2 для стали 17Х2Г2Н1 и с, = 1450 МПа, КСУ = 75 Дж/см2 для стали 18Х2Г2Н2,5). Сталь с повышенным содержанием никеля имеет более высокие характеристики механических свойств. Установлено, что в исследуемой системе легирования уровень конструкционной прочности не зависит от скорости охлаждения.

Сталь 17Х2Г2Н1,5М0,3 после закалки и отпуска при 250 °С имеет прочность 1380 МПа при высоких характеристиках пластичности и вязкости (I)/ % = 55, КСУ = 80 Дж/см2).

Прочность стали 18Х2Г2Н1,5М0,6, после закалки и отпуска при 250 °С увеличивается по сравнению со сталью 17Х2Г2Н1,5М0,3 и достигает 1470 МПа. Ее характеристики вязкости и пластичности : КСУ = 95 Дж/см2, 6% = 16, \|/% = 62.

С увеличением содержании углерода с 0,17 до 0,22% и молибдена с 0,3 до 1,0% (сталь 22Х2Г2Н1,5М1) после закалки с 980 "С на воздухе и отпуска при 250 °С повышается прочность и незначительно снижается пластичность и вязкость (а„=1580 МПа, 5%= 15, у % = 50 КСУ = 65 Дж/см2).

С дальнейшим повышением углерода в сталях эта тенденция сохраняется. Так, например, в стали 29Х2Г2Н1,5М0,5 достигается прочность после закалки и отпуска при 250 °С 1660 МПа (5 % = 15, у % = 50, КСУ = 60 Дж/см2). Однако в этой стали в больших сечениях может частично протекать бейнитное превращение. Поэтому в дальнейшем более подробно исследована сталь 24Х2Г2Н1,5М0,5 с меньшим содержанием углерода. Результаты такого исследования представлены в табл. 3.

Из табл. 3 следует, что при закалке в масло достигли предела прочности 1600 МПа в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью. Несмотря на то, что предел прочности стали, закаленной на воздухе, несколько ниже, чем после закалки в масло, прочность отпущенной на 250 °С не зависит от

скорости охлаждения после аустенитизации, что может быть следствием релаксации термических напряжений при отпуске.

Таблица 3 - Влияние скорости охлаждения и температуры отпуска на меха-

Термическая обработка Температура отпуска <*0,2 5% KCV

МПа Дж/см2

Зак. на воздухе с температуры горячей деформации - 1580 1240 14 50 76

Закалка 980 °С (1ч, воздух) - 1590 1180 15 41 56

250 °С (1ч,в-х) 1550 1220 12 40 74

450 °С (1ч,в-х) 1410 1110 15 42 25

550 °С (1ч,в-х) 1270 1080 15 47 -

Закалка 980 °С (1ч, масло) - 1600 1280 14 50 -

250 °С (1ч,в-х) 1530 1240 13 49 66

450 °С (1ч,в-х) 1360 1130 15 48 -

550 °С (1ч,в-х) 1210 1040 15 52 -

Повышение температур отпуска до 450 - 500 °С привело к снижению величин относительного сужения и ударной вязкости. Поверхность разрушения образцов после одноосного растяжения или ударных испытаний свидетелствует о появлении доли хрупкой составляющей. Снижение характеристик вязкости и пластичности происходило в результате проявления отпускной хрупкости I рода.

Самые высокие характеристики ударной вязкости были получены на стали 17Х2Г2Н1 в горячекатаном состоянии. Последующая закалка стали приводит к снижению величины ударной вязкости практически вдвое (КСУот 131 до 66 Дж/см2). Введение молибдена приводит к менее существенному снижению ударной вязкости при повторной закалке. Максимальной конструкционной прочностью из всех исследованных сталей обладала закаленная и низкоотпущенная НМС 24Х2Г2Н1,5М0,5 (ств=1550 МПа, КСУ=70 Дж/см2).

Следует отметить, что введение молибдена не устраняет проявление отпускной хрупкости, что подтверждает снижение величины относительного сужения и характер поверхности разрушения образцов.

В пятой главе «Практическая реализация исследований и проведение натурных испытаний деталей винтовых забойных двигателей из низкоуглеродистой мартенситной стали с повышенным содержанием углерода» рассмотрена возможность применения экономнолегированных НМС с повышенной прочностью и увеличенным содержанием углерода взамен традиционных улучшаемых сталей.

В результате комплексного исследования показано, что сталь 24Х2Г2Н1,5М0,5 обладает рядом преимуществ перед применяемыми в настоящее время сталями со структурой сорбита отпуска. Освоено производство детали винтового забойного двигателя «вал карданный» из стали

24Х2Г2Н1,5М0,5. Опытные детали успешно выдержали ресурсные испытания в составе винтовых забойных двигателей. В связи с положительными результатами испытаний принято решение о серийном изготовлении деталей «вал карданный» из стали 24Х2Г2Н1,5М0,5 на пермском предприятии ООО «Фирма «Радиус-Сервис».

Расчет экономической эффективности внедрения НМС для детали «вал карданный», проведенный ООО «Фирма «Радиус-Сервис», показал возможность сокращения производственных и эксплуатационных расходов на сумму, превышающую 3,2 млн. руб. в год,

ВЫВОДЫ

1. Изучено влияние легирования никелем и молибденом при повышенном содержании углерода на устойчивость переохлажденного аустенита экономно легированных сталей мартенситного класса. Установлено, что легирование в пределах С - 0, 17 - 0,24%, Сг и Мп - 2%, № - 1,5 - 2,5%, Мо - 0,3 -1%, обеспечивает устойчивость аустенита в нормальной области превращения от 3 до 8 часов, отсутствие бейнитного превращения, повышение температуры начала мартенситного превращения до 380 °С.

2. Показано, что состав стали с повышенным содержанием углерода и размером зерна 10 мкм обеспечивает получение структуры пакетного мартенсита, при охлаждении на спокойном воздухе в деталях размером до 350 мм.

3. Впервые разработаны НМС с повышенным содержанием углерода, в которых, рациональным легированием достигнута высокая устойчивость переохлажденного аустенита в области нормального превращения, исключено бейнитное превращение и обеспечено формирование структуры реечного мартенсита при охлаждении на воздухе в больших сечениях. В результате получены высокие значения прочности, при сохранении высокой вязкости и технологичности, присущей НМС с содержанием углерода до 0,12%. Наилучшие результаты достигнуты на стали 24Х2Г2Н1,5М0,5 получены следующие значения прочности ств = 1550 МПа, ст0,г ~ 1240 МПа, пластичности 5 = 15 %, \|/ = 50 % и вязкости КСУ = 75 Дж/см2, прокаливаемость не менее 350 мм. У менее легированной стали 17Х2Г2Н1 прочность составляет св = 1320 МПа, сто,2 = ЮбО МПа, пластичность б = 15 %, у = 55 %, вязкость КСУ = 66,3 Дж/см2 и обеспечена прокаливаемость в деталях размером не менее 110 мм.

4. Методом ДСК установлено, что при нагреве НМС с повышенным содержанием углерода до 0,24%, без применения сильных карбидообразующих элементов, превращение аустенита в межкритическом интервале температур начинается по сдвиговому механизму и завершается по диффузионному,

5. Разработаны параметры термического упрочнения НМС, заключающегося в закалке на воздухе с температуры 980 °С или с деформационного нагрева и последующем отпуске при 250 °С.

6. Показано, что в зависимости от требований по прокаливаемости, для конкретных деталей возможно применение НМС со следующим сочетанием

легирующих элементов С - 0,17%, Сг - Мл - № обеспечивающим устойчивость аустенита в нормальной области от 1 часа при содержание № 1% и 8 часов при содержание № 2,5%. Установлено, что применение системы легирования Сг - Мп - № - Мо, приводит к увеличению устойчивости аустенита до 8 часов в нормальной области и отсутствию бейнитного превращения при повышении содержании углерода (до 0,24%). Доказана возможность достижения высокой устойчивость аустенита без введения в сталь сильных карби-дообразующих элементов V, И

7. На основании комплексного исследования рекомендована для использования сталь 24Х2Г2НМ0,5, в которой после аустенитизации и охлаждения на воздухе достигается предел прочности 1550 МПа, в сочетании с высокими характеристиками вязкости и пластичности. Применение этой стали позволяет унифицировать процесс термоупрочнения и заменить несколько марок сталей одной. Охлаждение на спокойном воздухе обеспечивает экологическую чистоту технологического процесса, поскольку исключены вредные закалочные среды, такие как минеральные масла, техническая вода, синтетические жидкости.

8. Применение НМС 24Х2Г2НМ взамен сред неуглеродистых сталей 40ХН2МА, 38ХНЭМФА, легированных дефицитным никелем, для детали винтового забойного двигателя «вал карданный» позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики (ресурс), повысить технологичность, повысить конкурентоспособность продукции. В результате проведенных испытаний двигателей с деталями из НМС 24Х2Г2НМ полностью выдержали ресурсные испытания, отказа по причине использования экспериментальных «валов карданных» не произошло. Расчет экономической эффективности внедрения НМС и разработанных технологий термического упрочнения в условиях производства ООО «Фирма «Радиус-Сервис», показал возможность сокращения производственных и эксплуатационных расходов на сумму, превышающую 3,2 млн. руб. в год.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Клейнер Л.М. Симонов Ю.Н. Ермолаев А.С. Закирова М.Г. Структура и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаленных из межкритического интервала температур // Конструкции из композиционных материалов. - 2006. - Выпуск 4. - С. 172-177. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ)

2. Панов Д. О,, Заяц Л.Ц., Закирова М.Г. Структурная наследственность и перекристаллизация при «быстрой» аустенитизации системно-легированных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов.

- 2008. —№10. — С. 18—23. (рецензируемое издание, рекомендованное ВАК РФ)

3. Корниенко Т.Г., Бердар Ю.Ю., Закирова М.Г., Заяц Л.Ц. Исследование влияния положения температурного интервала сдвигового превращения на структуру и свойства низкоуглеродистых сталей // Механика и технология материалов и конструкций: Вестник ПГТУ. - Пермь: Изд-во ПермГТУ, 2004.

- № 8. - С. 134-140.

4. Закирова М.Г., Быкова П.0 Влияние термической обработки на размер зерна низкоуглеродистой мартенситной стали // Сборник научных трудов Молодежная наука Прикамья. - Пермь: Изд-во ПермГТУ, 2005. - Выпуск 6. -С. 11-15.

5. Заяц Л.Ц., Закирова М.Г., Быкова П.О. Повышение прочности низкоуглеродистых мартенситных сталей путем измельчения зерна при аустенити-зации // Перспективные процессы и технологии в машиностроительном производстве: Сборник научных трудов Юбилейной международной конференции. - Пермь: Изд-во ПермГТУ, 2005. - С. 23-24.

6. Закирова М.Г., Югай С.С. Особенности а«-+у превращения в низкоуглеродистых мартенситных сталях // Перспективные процессы и технологии в машиностроительном производстве: Сборник научных трудов Юбилейной международной конференции. - Пермь: Изд-во ПермГТУ, 2005. - С. 20-21.

7. Заяц Л.Ц., Ермолаев A.C., Закирова М.Г., Игнатова Н.И. Структура и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаленных из межкритического интервала // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: Сборник тезисов II Международной школы «Физическое металловедение», XVII Уральской школы металловедов-термистов. - Тольятти: Изд-во ТГУ, 2006. - С. 94.

8. Закирова М.Г., Заяц Л.Ц., Ермолаев A.C., Быкова П.О. Измельчение зерна при циклической фазовой перекристаллизации стали 12Х2Г2НМФТ // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: Сборник тезисов II Международной школы «Физическое металловедение», XVII Уральской школы металловедов. - Тольятти: Изд-во ТГУ, 2006. - С. 97.

9. Ермолаев A.C., Клейнер Л.М. Закирова М.Г. Конструкционная прочность низкоуглеродистых мартенситных сталей, закаленных из межкритического интервала // Уральская школа-семинар металловедов - молодых ученых: Материалы VII Международной научно-технической конференции. -Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2006. - С.

10. Клейнер Л.М. Закирова М.Г. Дислокационный механизм упрочнения - основа конструкционной прочности сталей // Сборник материалов XVII Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 90-летию со дня рождения профессора А.Н. Орлова. - Санкт-Петербург: Изд-во СПбПУ, 2007.-Часть 2-С. 137-138.

11. Клейнер Л.М., Закирова М.Г., Ларинин Д.М. Конструкционные мартенситные стали для высокопрочных сварных конструкций // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях: Материалы Восьмой ежегодной международной Промышленной конференции. - Славское, Карпаты: Изд-во ДНТУ, 2008. - С. 368-370.

12. Заяц Л.Ц., Панов Д.О. Закирова М.Г. Структурная наследственность и перекристаллизация при «быстрой» аустенитизации системно-легированных сталей // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: Сборник материалов XIX Уральской школы металловедов-

термистов, посвященной 100-летию со дня рождения В.Д.Садовского. - Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2008. - С. 34.

13. Клейнер JIM., Шацов A.A., Ермолаев A.C., Закирова М.Г., Лари-нин Д.М., Ряпосов И.В. Закономерности структурообразования, фазовых переходов и диффузии в низкоуглеродистом мартенсите с блочной и блочно-реечной структурой // Результаты научных исследований, полученные за 2007 г: Сборник статей Региональный конкурс РФФИ-Урал. - Пермь, Екатеринбург, 2008. Часть 1. - С.195-199.

14. Клейнер Л.М., Ларинин Д.М., Спивак Л.В., Закирова М.Г., Шацов A.A. Фазовые превращения в сплаве 07ХЗГНМ // Вестник пермского государственного университета. Физика. - Пермь: Изд-во ПГУ, 2009. - Выпуск 1 (27).-С. 100-103.

15. Закирова М.Г., Гребеньков С.К. Фазовые превращения в низкоутле-родистых мартенситных сталях с содержанием углерода до 0,29% // Сборник трудов X Международной научно-технической уральской школы-семинара металловедов-молодых ученых. - Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2009. -С. 35-36.

16. Клейнер Л.М., Спивак Л.В., Шацов A.A., Закирова М.Г. Мульти-плетный характер процессов аустенитизации и распада аустенита низкоуглеродистых мартенситных сталей // Вестник пермского государственного университета. Физика. - Пермь: Изд-во ПГУ, 2010. - Выпуск 1 (37). - С. 111114.

17. Закирова М.Г., Ряпосов И.В., Гребеньков С.К. Влияние содержания никеля и молибдена на структуру и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей с содержанием углерода до 0,22%. // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: Сборник материалов XX Уральской школы металловедов-термистов, посвященной 100-летию со дня рождения H.H. Липчина. - Пермь: Изд-во УГТУ-УПИ, 2010.- С. 111.

18. Ряпосов И.В., Закирова М.Г., Шацов A.A. Наноструктурирование сплавов на основе a-железа термическим воздействием. // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: Сборник материалов XX Уральской школы металловедов-термистов, посвященной 100-летию со дня рождения H.H. Липчина. - Пермь: Изд-во УГТУ-УПИ, 2010 - С. 87.

19. Клейнер Л.М., Закирова М.Г. Конструкционная прочность низкоуглеродистого реечного мартенсита // Прочность неоднородных структур: Сборник трудов V-ой Евразийской научно-практической конференции. -Москва: Изд-во НИТУ «МИСиС», 2010. - С. 13.

Подписано в печать 09,10.2010. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ № 1968/2010.

Издательство

Пермского государственного технического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к.113 тел. (342) 219-80-33

61 11-5/1468

Пермский государственный технический университет

На правах рукописи

Закирова Мария Германовна

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НИКЕЛЕМ И МОЛИБДЕНОМ НА УСТОЙЧИВОСТЬ АУСТЕНИТА И ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и

сплавов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук

Спивак Лев Волькович

Пермь - 2010

Содержание

Введение 6

1 Формирование структуры при мартенситном превращении, 9 конструкционная прочность и технологичность низколегированных сталей мартенситного

1.1 Низкоуглеродистые мартенситные и традиционные 9 конструкционные стали

1.1.1 Анализ свойств современных среднеуглеродистых 9 конструкционных сталей

1.1.2 Преимущества низкоуглеродистых мартенситных сталей 11

1.2 Конструкционная прочность 13

1.2.1 Пути повышения конструкционной прочности 14

1.2.2 Структура низкоуглеродистой мартенситной стали с 17 высокой конструкционной прочностью

1.3 Мартенситное и бейнитное превращение в 18 среднеуглеродистых конструкционных сталях

1.3.1 Мартенситное превращение (сдвиговое превращение) в 18 сталях с содержанием углерода 0,2-0,6 %

1.3.2 Способы получения низкоуглеродистого пакетного 23 мартенсита.

1.3.3. Бейнитное превращение (промежуточное превращение) 29

1.4 Влияние легирующих элементов на фазовые превращения, 33 структуру и свойства НМС

1.4.1 Влияние содержания углерода на устойчивость 33

аустенита структуру и свойства

1.4.2. Влияние никеля, хрома и молибдена на устойчивость 36 переохлажденного структуру и свойства сталей

1.5. Процессы отпуска в сталях с мартенситной структурой 45

1.6 Постановка задачи 48

2 Материалы и методики проведения исследований 51

2.1 Материалы исследования 51

2.2 Методики исследований 54

2.2.1 Металлографический анализ 54

2.2.2 Электронно-микроскопические исследования 54

2.2.3 Дилатометрические исследования 55

2.2.4 Магнитометрические исследования 55

2.2.5 Дифференциальная сканирующая калориметрия 58

2.2.6 Рентгеноструктурный анализ 60

2.2.7 Испытания на растяжение 60

2.2.8 Испытания на ударную вязкость 61

2.2.9 Дюрометрические исследования 61 Выводы по главе 61

3. Исследование возможности повышения прочности НМС без 62

применения сильных карбидообразующих элементов.

3.1 Исследование влияния исходного состояния на фазовые 62 превращения при нагреве и охлаждении

3.1.1. Влияние исходного состояния стали на размер зерна и 62 твердость

3.1.2 Исследование исходной структуры 64

3.1.3 Влияние исходного состояния на температуры фазовых 66 переходов

3.2 Влияние химического состава сталей на устойчивость 69 переохлажденного аустенита, положение критических температур фазовых переходов

3.2.1 Влияние легирования на устойчивость переохлажденного 69 аустенита

3.2.2 Влияние никеля на устойчивость переохлажденного 81 аустенита

3.2.3 Влияние молибдена на устойчивость переохлажденного 83 аустенита при одинаковом содержании углерода

3.2.4 Влияние углерода (0,17-0,24%) при одинаковом содержании 84 молибдена на превращение переохлажденного аустенита

3.2.5 Исследование возможности выделения карбидов при 85 изотермических выдержках

3.3 Исследование влияния температуры аустенитизации на размер 87 зерна и твердость

3.4 Влияние скорости охлаждения после аустенизации на 95 твердость сталей

Выводы по главе 96

4. Разработка технологических параметров упрочнения 99

5. Практическая реализация исследований и проведение натурных 115 испытаний деталей винтовых забойных двигателей из низкоуглеродистой мартенситной стали с повышенным содержанием углерода

5.1 Условия работы и характеристики материалов винтовых 115 забойных двигателей

5.2 Результаты натурных испытаний деталей винтовых забойных 116

двигателей из НМС 24Х2Г2НМ

Выводы 119

Список использованных источников 122

Приложения 129

Приложение 1 129

Приложение 2 130

Введение

Современные конструкционные материалы должны обладать широким спектром свойств и стабильно их проявлять при экстремальных значениях параметров нагружения. Такая стабильность механических свойств возможна только в случае гарантированного получения необходимой структуры материала. Для высокопрочных сталей оптимальной базовой является структура низкоуглеродистого пакетного мартенсита.

Применяемые в настоящее время стали с прочностью ств = 800-1200 МПа имеют ряд технологических недостатков. Низкая устойчивость аустенита при охлаждении обусловливает необходимость закалки в жидких средах. В результате возникают высокие остаточные напряжения, коробление и деформация, необходимость правки. Стали с прочностью ав > 800 МПа плохо свариваются. При сварке необходим предварительный подогрев или ограничение времени между сваркой и последующим отпуском. В закаленном состоянии эти стали имеют низкие характеристики вязкости и пластичности.

В последние десятилетия 20 века разработан новый класс материалов -низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС), обладающих исключительными технологическими свойствами. Они легированы таким сочетанием элементов, которое при содержании углерода менее 0,12% обеспечивает высокую устойчивость аустенита при охлаждении, гарантирующую прокаливаемость до сечений 200-250 мм при охлаждении на воздухе. Типичными представителями НМС, широко применяемые в промышленности в настоящее время, являются стали 12Х2Г2НМФТ, 07ХЗГНМ, 08Х2Г2Ф, 20ХЗГЗНМФБ. Для НМС с низким содержанием углерода характерна высокая прокаливаемость при медленном охлаждении на воздухе. Особое строение низкоуглеродистого мартенсита (С < 0,11%, Мн « 400 °С) - пакетный мартенсит с высокой плотностью слабо закрепленных дислокаций (101СИ2см"2), и, как следствие, малыми остаточными напряжениями,

обеспечивает прочность ств = 1000-1200 МПа в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью в свежезакаленном состоянии.

Особенность формирования структуры НМС позволяет осуществлять совмещенный процесс горячего формообразования (прокатки, ковки, штамповки и т.п.) с закалкой на воздухе при температуре цеха, т.е. без специальных охлаждающих сред, зачастую экологически вредных (масло, щелочи и др.). Применение термоупрочненных заготовок исключает самостоятельную операцию закалки и использование соответствующего оборудования для нагрева и охлаждения.

При наличии оборудования для горячей деформации, обеспечивающего требуемую точность заготовок, для НМС исключается необходимость правки, применяемой после закалки в жидких средах заготовок из традиционных сталей, подверженных короблению. Низкая склонность к деформации, высокая прокаливаемость и достаточно высокая отпускоустойчивость и вязкость в закаленном состоянии обусловливают хорошую свариваемость НМС в закаленном состоянии с прочностью ав > 1000 МПа.

Высокая технологичность НМС при изготовлении термоупрочненного проката на металлургических заводах и заготовок деталей и сварных конструкций на машиностроительных заводах, позволяет сократить производственный цикл, исключить применение вредных закалочных жидкостей, самостоятельную операцию закалки при осуществлении совмещенного процесса горячей деформации с закалкой на воздухе, обеспечить прочность ств>1000 МПа.

При сварке термоупрочненных конструкций не требуется подогрева и ограничения времени между сваркой и отпуском.

Одно из направлений дальнейшего прогресса в сталях мартенситного класса связано с повышением конструкционной прочности - рациональным легированием, обеспечивающим мартенситное превращение при медленном охлаждении. Легирование мартенситных сталей позволяет обеспечить

прокаливаемость в крупногабаритных изделиях при замедленном охлаждении на спокойном воздухе и, в результате, отказаться от использования экологически вредных закалочных сред.

Увеличение в стали содержания углерода дает возможность повысить характеристики прочности. Однако при этом возникает риск снижения устойчивости переохлажденного аустенита и развития крайне нежелательного, с точки зрения обеспечения вязкости, бейнитного превращения. Поэтому поиск составов сталей, позволяющих повысить характеристики прочности, и одновременно сохранить преимущества сталей со структурой пакетного мартенсита, является актуальным как с научной, так и с практической точек зрения.

В работе изложены принципы создания НМС с повышенной прочностью, особенности структурообразования, обеспечивающие указанные преимущества. Выбор химического состава стали по параметрам цена - качество предполагал рациональное легирование, то есть обеспечение максимального повышения комплекса эксплуатационных и технологических свойств при минимальном количестве дорогих легирующих элементов.

1. Формирование структуры при мартенситном превращении, конструкционная прочность и технологичность низколегированных

сталей мартенситного класса 1.1 Низкоуглеродистые мартенситные и традиционные

конструкционные стали

1.1.1 Анализ свойств современных среднеуглеродистых конструкционных сталей

К традиционно применяемым улучшаемым маркам относят стали с содержанием углерода от 0,18 до 0,4%, с марганцем, хромом, титаном, молибденом, вольфрамом, ванадием, кремнием и др., в различных сочетаниях элементов при их суммарном количестве не более 7%. Использование широкого сортамента сталей необходимо вследствие того, что традиционно применяемые стали обеспечивают конструкционную прочность только в узком интервале значений комплекса свойств, ограничения также связаны с использованием конкретного технологического процесса, применяемого для отдельных групп сталей. Например, в настоящее время, в производстве для изготовления термоупрочняемых заготовок крупных и малых сечений наиболее широко применяются среднеуглеродистые конструкционные легированные стали с пределом прочности от 800 до 1200 МПа типа 38ХНМ, 38Х2Н2МА, 38ХНЗМ, 35Х, 30ХГСА, 40ХН, 40ХН2М и др. Эти стали относят к перлитному и бейнитному классам и обладают рядом недостатков, связанных с особенностями у—>а превращения.

1. В конструкционных сталях с содержанием углерода 0,2%-0,4% при закалке образуется мартенсит смешанного типа [1, 2, 3], в котором присутствует большое количество двойниковых границ, значительно снижающих способность к релаксации напряжений и, тем самым, способствующий охрупчиванию.

2. Свежезакаленный мартенсит из-за затрудненного перераспределения дислокаций обладает высокой прочностью, но низкой вязкостью и высоким порогом хладноломкости. Для повышения вязкости и снятия закалочных

напряжений конструкционные стали подвергают отпуску, но в результате этого падает прочность сталей.

3. Низкая устойчивость аустенита в некоторых конструкционных сталях, может привести при закалке к образованию гетерогенной структуры (перлита+бейнита+мартенсита), приводящая к снижению характеристик прочности и повышению критической температуры вязко-хрупкого перехода. Для получения полной закалки нужна высокая скорость охлаждения с применением экологически вредных жидкостей, которые необходимо утилизировать, регенерировать, хранить или заменять. Ускоренное охлаждение вызывает напряжения, приводящие к короблению и деформации, а также формированию остаточных напряжений, возникает опасность образования трещин, поскольку свежезакаленный мартенсит является хрупким. После закалки возникает потребность в применении правки, для чего требуется дополнительное оборудование, что увеличивает стоимость и трудоемкость изготовления деталей.

4. Почти все конструкционные стали обладают отпускной хрупкостью I и II рода

[4].

5. Применение при сварке среднеуглеродистых конструкционных сталей приводит к ряду проблем. В результате воздействия тепловых и усадочных напряжений, обусловленных увеличением объема при у—>а превращении, а также остаточных напряжений от сборки под сварку, образуются трещины при температурах ниже температуры мартенситного превращения. Для их предупреждения вынуждены применять предварительный подогрев, ограничивать интервал между сваркой и последующим отпуском. Предварительный подогрев способствует образованию верхнего бейнита, обладающего повышенной склонностью к хрупкому разрушению [5, 6].

Анализ применяемых конструкционных сталей с пределом текучести до 1200 МПа позволил выявить вышеуказанные недостатки с точки зрения использования в конструкции и с позиции технологичности и сформулировать

требования, которым должны удовлетворять стали, применяемые в изготовлении термоупрочняемых деталей и сварных конструкций.

С позиции конструирования стали должны обеспечивать [7]:

- Заданную конструкционную прочность деталей и сварных конструкций;

- Благоприятное сочетание характеристик прочности, пластичности и вязкости при условии эксплуатации в основном диапазоне температур -50.. .+50 °С;

- Возможность изготовления спроектированной конструкции с максимальной надежностью и минимальными затратами при новом и серийном производстве;

Возможность выбора и использования максимального количества технологических приемов изготовления деталей и сварных сборок;

- Возможность использования поверхностного упрочнения химико-термической и другой обработкой (азотирование, цементация, борирование, наплавка и т.д.);

- Минимальный вес изделий и расход металла;

- Хорошую обрабатываемость резанием;

- Универсальность применения, замену нескольких марок сталей одной.

Вышеуказанным требованиям наиболее полно отвечают разработанные под руководством профессора Энтина Р.И. и профессора Клейнера Л.М. в конце XX века низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС).

1.1.2 Преимущества низкоуглеродистых мартенситных сталей

Широкое применение в машиностроении нашли низкоуглеродистые мартенситные стали 07X3ГНМ, 08Х2Г2Ф, 12Х2Г2НМФТ. Их преимущества проявляются при проектировании новых конструкций, в технологическом процессе изготовления и эксплуатации изделий. Особенности НМС определяют следующие факторы:

1. Высокая устойчивость аустенита с низким содержанием углерода при непрерывном охлаждении, благодаря определенному сочетанию легирующих элементов [8].

2. Отсутствие бейнитного превращения.

3. Минимальные остаточные напряжения, благодаря медленному охлаждению, низкому содержанию углерода и высокой температуры начала мартенситного превращения.

4. Структура пакетного (реечного) мартенсита.

5. Высокая подвижность дислокаций, поскольку отсутствуют двойниковые границ в реечном мартенсите.

6. Высокая релаксационная способность в свежезакаленном и отпущенном состояниях. В результате НМС обладают высокой пластичностью и вязкостью в свежезакаленном и отпущенном состоянии при прочности ав= 1000-1200 МПа.

Технологические особенности [5]:

- Высокая прокаливаемость при охлаждении на воздухе. При этом исключается обязательное применение жидких закалочных сред, что в свою очередь приводит к исключению всех видов брака при закалке в жидких средах. Высокая устойчивость переохлажденного аустенита позволяет получать мартенситную структуру в изделиях значительного сечения при охлаждении на воздухе;

- Отсутствие склонности к деформации и короблению. Исключается правка, вызванная деформацией при термообработке;

- Совмещение горячего формообразования с закалкой на воздухе и в штампах без использования жидких сред. Обеспечивается изготовление точных термоупрочненных заготовок в металлургическом производстве с точностью, которую гарантирует оборудование для обработки давлением. Так же исключается закалка, правка, транспортировка в термический цех [9];

- Отсутствие обезуглероживания исключает дополнительные припуски и защиту от него;

- Хорошая свариваемость в термоупрочненном и нетермоупрочненном состояниях. Исключается подогрев под сварку, так же исключается ограничение времени между сваркой и отпуском. Отсутствует склонность к холодным и горячим трещинам. Повышается надежность из-за устранения

остаточных напряжений сварки. Так же ликвидируется зона термического влияния [10].

Конструкторские особенности:

- Обеспечение благоприятного сочетания характеристик прочности и вязкости, даже при температурах до -50 °С. Возможность эксплуатации конструкций при знакопеременных нагрузках и в условиях Крайнего Севера [11];

Хорошая деформируемость в холодном состоянии, в том числе термоупрочненном. Обеспечивает применение НМС для сложных сварных конструкций, получаемых с использованием холодной деформации. Экологические особенности

- Закаливаемость при охлаждении на воздухе. Закаливаемость на воздухе позволяет осуществить в действующем потоке металлургического производства закалку без применения жидких охлаждающих сред (техническая вода, масла, синтетические среды), кот�