автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Выбор микролегирования и использования эффекта ВТМО высокопрочной стали при изготовлении шатуна двигателя автомобиля КамАЗ

' % ■ - ^

УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ.С.М.КИРОВА

На правах рукописи

СОКОЛОВА Гадина Игоревна

ВЫБОР МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭМЕКТА ВТМО ВЫСОКОПРОЧНО?! СТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ШАТУНА ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ КАМАЗ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученсЛ степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1991

Работа выполнена в Уральском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте черных металлов.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор'технических наук, профессор

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Ведущее предприятие

доктор технических наук,профессор Гольдштейн М.И.

Левит В.И. *

Звигинцев Н.В.

ПО "Турбомоторный завод" им.К.Е.Воровклов

Завита состоится " ~ТЗ ".>^¿^¿¿1992 г. в // часоп на заседании специализированного совета К 063.1^.02 при Уральском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте.

Адрес:62С002 г.Екатеринбург.ул.Мира,19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " " 1991 г.

Ученый секретарь

специализированного совета

Е.Н .Логинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Перспективным направлением в развитии ономики страны является создание автомобилей нового поколения, дичащихся повышенными требованиями по безопасности, грузо-дъемности, долговечности, стабильности технических характерис-к вплоть до пробега в несколько сот тысяч километров. Эта за-ча решается путем поиска новых материалов и технологий их об-¡боткк, обеспечивавших уменьшение металлоемкости узлов машин с довременным увеличением эксплуатационной стойкости.

Применявшаяся а настодаез время для шатуна большегрузного ¡томобиля КамЛЗ сталь 40ХН2!.'А обладает рядом недостатков: уро-;нь свойств не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к дета-гтл двигателя перспективных машин, для упрочнения детали ислоль-гется закалка в иисло, которая приводит к короблении и образо-шив закалочных трааип, а таюге является пожароопасной и эколо-гчески вредно» операцией.

В связи с этим представляется целесообразным разработка эвнх высокопрочных сталей, обоспечивзздих внсокие прочностные зрглтористЕки и оптимизируете т о хя о л о птч о скпЛ процесс пропз-эдства деталей.

Цалъ га бот:;. Выбор мякролсгировання гасоколрочной стали, гпользуемой ддя изготовления патуна осл-ьгззгрузпнх автомобилей замен серийной стали <ЮХН2НА с тдсльп получения высокого кодекса механических свойств за счот использования э^октя В'. .'О ри горячей итампошэ. Разработка рз-тамз теряческс:" оорг=бот-и, обеспечивгших яовыиенпз прочносгп на 2Сг£ при сохранении ровня пластичности и позволяющих исключить закалку из техноло-ического процесса.

Научная новизна. Проведен выбор легирующих элементов, позво-ляхших максимально использовать процесс горячего деформирования для получения мелкозернистой, перекристаллизованной структуры ауствнита, т.е. добиться проявления эффекта ЕШО без изменения параметров горячей деформации. Установлено, что вариант присутствия в составе стали.одновременно ниобия, ванадия и азота для достижения вше отмеченного является необходимым.'

На основе исследований основных закономерностей формирования структуры горячедефорьшроваиной стали показано, что при невозможности получения мартенситно?. структуры, структуры нижнего бейнита может рассматриваться.как благоприятное состояние стали, позволявшее проводить дальнейшую термическую обработку без перекристаллизации.

Установлено, что формирование бейнитвой структуры, а также присутствие ниобия в матрице горггчедефоршрованной стали приводит к смещению процессов, протекавших при отпуске, в область более высоких температур. Проведение отпуска горячедефорьшровад-ной стали при 680°С способствует достижению удовлетворительной пластичности при сохранении высоких прочностных характеристик.

Практическая ценность работы. Разработанная высокопрочная сталь АЦЗОХЗНМАйБ, защищенная решением Госкомазобретений (£ 4708402 от 05.10.89),обеспечивает высокий комплекс механических свойств, отвечающий требованиям, предъявляемым к деталям перспективных двигателей большегрузных автомобилей. Использование новой стали дает возможность поеысить ресурс работы автомобиля до 350 тыс.км, а его грузоподъемность - до 13 т .

Предложенная технология обработки заготовок шатунов из стали АЦЗОХЗНМА® по режиму термической обработка или ВШ) (контролируемой ковки) исключает операцию закалки в масло, тго приводит к сниженир коробления деталей, уменьшению энергоемкоати, повышению экологической культуры производства. Разработанные в работе положения могут быть применены для широкого класса машиностроительных деталей.

Рэализапид работы в промнтогенности. Сталь АЦЗОХЗНМА© и технология ее обработки в заготовках деталей опробована в условиях Кузнечного завода АО "КамАЗ". Выпушена установочная партия шатунов в объеме 60 т на 1200 автомобилей. При.расширении производства до 7500 т экономический эффект от внедрения стали АЦЗОХЗНМА® составит 920 тысяч рублей в.год при сохранении термической обработки детали и 1020 тысяч рублей в год при обработке детали по режиму контролируемой ковки.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных трудов. Подана заявка на изобретение, защищенная решением Госкомизобретений.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованной литературы из 91 наименования, 5 приложений. Работа'изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 45 рисунков.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на научно-техническом семинаре "Повышение свойств конструкционных.сталей легированием и термообработкой" (г.Киев, 1389), ХП Уральской школе металловедов-термистов (г.Кунгур, 1991), семинаре "Струк-турообразование при горячей деформации" (г.Москва, 1991).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса Метод горячей деформации с последувдей термической обраб кой является одним из наиболее распространенных способов изгс товления деталей, в частности, ответственных деталей двигателя Проведение термической обработки, например, улучшения, позвал достичь делаемого уровня механических свойств. Значительную г при этом играет состав стали, в зависимости от которого опред ляются параметры технологического процесса обработки детали.

В настоящее время в нашей стране шатун для большегрузных автомобилей изготавливается из стали 4QXH2MA методом горячей штамповки с последующей термообработкой - улучшением. Механик кие свойства шатуна после такой обработки составляет: = 620 Ша, = 810 МПа, S = 1552, f = 5С$, KCU = 0,98 ВДеЛ За рубежом для этих целей используатся сталь типа 39Cr5V. Уровень механических свойств, близкий к свойствам стали 40ХН2МА, достигается также посла закалки с отпуском. Однако для деталей двигателя перспективных мадан требуется сталь с временным сопротивлением, не менее 970 МПа.

Высокий комплекс механических и эксплуатационных характе ристик может быть достигнут за счет легирования стали карбиде и нитрйдообразушими элементами, такими как титан, ниобий, вг надий в присутствии азота. Выделение дисперсных частиц карбщ и -нитридов данных элементов, а такге хрома обеспечивает диспс сионное упрочнение стали, повышение прочности на ~20/5.

В качестве дополнительного резерва повышения свойств .сре неуглеродистых сталей с карбонитридным упрочнением моает бытз использована ВТМО. Проявление эффекта ВТМО на данном классе

талей изучено недостаточно. Однако и в случае деформирования талей с карбоннтрндшм упрочнегаем желательно получение динамн-ески полигонпзоЕанноЛ структуры аустекита.

Сорглровакие структуры нилшего бейнита в процессе охлазде-;ия после деформации на воздухе позволяет изучить еозмо.июсть :склзчення закалки из технологического процесса. Структура ния-[его бейнита является достаточно благоприятной для проведения 1альнвй~еД термической обработки. Известно, что формированию та-сой структуры способствует легирование стал:-: хромом, никелем и •юлпбденсм, т.е. элементна,понизившая! температуру начала глр-гспситпого превращения.

Окончательной операцией термической обработки является гы-зскотемпвратур;шй отпуск, позволений регулировать уровень пластических характеристик стали. Процесса пслигонизации, протекаю-аиэ з матрице, выделение дисперсных карбидов и нлтрпдоз при отпуске определяет получение оптимального комплекса механических свойств.

Таким образом, для достижения русского уровня свойстз необходим определить оптимальный состав стали, обеспечишЕхй формирование мелкозернистой нерекристаялизспанной структура аус-тэнита при деформировании, образование боГнптной, либо бзйнито-мартенситной структуры при охлагдекни па гоздухз горячекатаного металла, исследовать влияние на уровень свойств гксскотемиератур-ного отпуска.

'»'.атериал л методы исслсдогапп-Л

При проведении лабораторных исследований использовали стали на основе 30X3, легированные ра злачны: д карбидо- л питрз-дообразушиыи элементами: ванадием, ниобием, титаном; 30X3,

ЗОХЗФ, ЗОХЗАФ, 30X3®, ЗОХЗАФГ, ЗОХЗАСБТ, .ЗОХЗНШБ, а также сталь 40ХН2М в соответствии о ТУ 14-1-2598-79.

При проведении деформации в лабораторных условиях варьировались такие параметра деформации, как температура нагрева под деформацию, температурный интервал деформации, степень обжатия

Опытно-промышленное опробовагае режима ВТМО проводилось ш стали марки АЦЗОХЗНЖФБ, выплавленной и прокатаной на 6 70 мм на ПО "Ижсталь".

Структурные исследования .осуществлялись с помошьв оптической (" /^еорЬиТ -21") с электронной растровой ("¿Д-с^") микроскопии. Изучение зеренноЯ структуры аустонита проводилось на микроскопе « в соответствии с ГОСТ 5639-82.

Для изучения карбонитридной фазы использовались методы: рентгеноструктурный, электронная микроскопия реплик и фольг, хз мический анализ.

. Контроль механических характеристик осуществляли в соотве-ствии с ГОСТ 9454-78, ГОСТ 1497-84, ГОСТ 25.5С2-79 на испытате. ных машинах ЗД2-40 и машинах типа УБМ.

Исследование зеренной структуры аустенита сталей на основа 30X3, обработанных по режимам ВТ1.10

Одним из факторов, определяющих зеренную структуру горяче-деформарованного аустенита, является исходный размер зерна до деформации, особенно в случае подавления рекрпсталлизацконных процессов. Изучена устойчивость к росту аустенптного зерна сталей с различным сочетанием ванадия, ниобия и титана.

Отмечено, что наиболее действенными в сдерживании роста аустенитного зерна являются такие сильные карбидообразуюпше элементы, как 7Г и /V/ . Особенно ярко их действие выражено при наличие азота в стали, что; обусловлено образованием труднорастворимых нитридных фаз. Средний размер зерна данных сталей при температуре П50°С составляет 60-65 мкм.

При повышении температуры нагрева до 1200°С сохраняется мелкое зерно (до 80 Мкм) только в стали ЗОХЗНМА®.

Различная устойчивость аустенитного зерна к росту определяется природой и поведением карбонитридных фаз при нагреве.

Как было изучено для сталей, легированных ванадием, ниобием, титаном, азотом, температура нагрева 1200°С обеспечивает полное растворение фазы на основе ванадия У (С//). Карбонитриды титана я ниобия растворяются частично.

В сталях, содержащих титан (ЗОХЗАФГ, ЗОХЗАЖГ), перастворен-ной фазой является нитрид титана Т,Н, однако низкая степень эго дисперсности и небольшая объемная доля приводит к интенсив-юму росту аустенитного зерна при нагреве выше температуры [Ю0-И50°С; .

В стали 30X3® в интервале возможных температур нагрева юд деформацию (Пи0-1200°С) основной фазой, определяющей исходил размер зерна, является карбонитрад ниобия, объемная доля :оторого в этом температурном интервале относительно невелика, гго и определяет рост аустенитного серпа.

Исходя из полученных результатов, наименее склонно 1 к рсс-у аустенитного зерна является предложенная сталь '¿{¿¿Е'А'ИБ. 33л-ичие азота в стали обусловило образование карбонитрищшх ^лз, ллзких к нитридным. В области повышенных температур нагрева для

9

стали характерно наличие высокодисперсного комплексного нитрида ( УЛ/ОА/ , который народу о в значительной степени определяет устойчивость аустенитного зерна стал: ЗОХЗН.'<!А£Б к росту.

Изучение структуры аустенита горячекатаных сталей проводилось в зависимости от таких параметров режима деформации как температура нагрева под деформация, температура конца деформации, число проходов и степень деформации в одном проходе.

Исследуемые стали были разделе™ на две группы: стали, имеющие после деформации частично рекристаллизованнув структуру (стали 30X3, 30X3 Ф, ЗОХЗАФ, 30X3-'. Л', 40ХН2М), и стали с неракрис-таллизованным зерном (30Х32Б, ЗОХЗА<ЕБТ, ЗОХЗК.!А©).

Изучение структуры сустгнита сталей с рекристаллизованкым зерном выявило характерные признаки рекристаллизации: наличие обширных участкоз мелких рекрпсталлизованных зерен, отдельных крупных нерекрпсталлизовашшх зерен, а также крупных зорен, образовавшихся путем слияния нескольких мелких рокристаллизован-ных зерен.

В структура сталей с нерекристаллизованным зерном наблюдались двойники, зубчатые границы зерен. Отмечена анизотропия форш зерна - его вытянутость в направлении прокатки.

Понижение температуры деформации ускорило процессы рекристаллизации в сталях, калегнрованных , поскольку возрастает плотность дефектов при деформации с пониженно* температурой. В сталях с ниобием процессы рекристаллизации заторможены.

Исследован процесс формирования структуры горячедеформиро-ванного аустенита для всех сталей на разных стадиях дефор.гации. Наиболее перспективные результаты получены на сталях с № .

Ю

32 высокотемпературных проходах наблюдается протекание первич-зй рекристаллизации, что определяет образование зерен малого 13меря, а следовательно, приводит к общему измельчению зеренной груктуры. После низкотемпературных проходов не происходит обра-звания новых мелких равноосных зерен, отмечается только формо-¡менение зерна с характерными признаками деформации (двойники), этой области температур первичная рекристаллизация подавлена, :о обусловлено наличием в структуре стали частиц второй фазы а основе л/£ ( л/£л/, ( л/б'Г) N ), не растворившихся при нагре-> под деформацию, а также выделившихся в процессе деформации. :г,:ечено, что эти частицы блокируют границы зерен.

Изменение температуры нагрева под деформацию не оказывает шчитального влияния на конечный размер зерна рекристаллизую-1хся сталей. Для сталей с Ыв (30X323, ЗОХЗНМА'ЕБ) понижение тем-;ратуры нагрева под деформацию но приводит к дополнительному н/.ельчению зерна аустенита, что обусловлено полным подавлением ¡кристаллизационных процессов поело первых проходов. Отмечено, го перегрев до 1250°С также нежелателен. Оптимальная температу-» нагрева для сталей с М" составляет 1200°С.

Понижение температурного интервала деформации для стали ]ХЗЕ'.1А'Ж (Тн = 1250°С) привело к некоторому уменьшению размера эрна аустенита (до 32 г/км).

В результате исследований установлено, что для получения результате горячей деформации благоприятной структура ВТТО /.елкое нерекристаллизованное зерно) необходимо легированно ради сильныт,■и карбонитрздообразуотими элементами - ниобием и анадием - в присутствии азота. При скончании деформации з обла-

сти температур 900-950°С эффект наблвдается только для V/ -содержащих сталей.

Исследование структуры горячекатаных сталей

Изучение структуры горячекатаных сталей после различных режимов деформации проводилось с целью выявления наиболее благоприятной структуры для проведения дальнейшей термической обрабо: ки без операции перекристаллизации. Деформация в интервале температур 1050...1000°С = 45%) при охлаждении на воздухе приводит к образованию смешанной структуры, которая определяется как бейнит, при этом выделяются участки верхнего и нижнего бей-нита.

Повышенное содержание углерода в нераспавэемся аустените определяет повышенное количество остаточного аустенита ( 12*18%', в стали со структурой верхнего бейнита. Данные рентгоноструктур-ного анализа показывает, чтр стали ЗОХЗАФ, 30X523 имеют структуру верхнего бейнита после 3 - проходной деформации (£г = 45%), Млн стали ЗОХЗНМАФБ количество остаточного аустенита несколько меньше Ю£), структура также отличается: доля ниянего бейнитг возрастает, появляются отдельные участки мартенсита, содержание углерода в котором соответствует содержаний углерода в стали. Получение подобной структуры для стали ЗОХЗНМА® определяется как уровнем горячего наклепа, так и присутствием в составе стал] никеля и молибдена,, оовкшашшх обшую прокаливаегость стали.

Понижение тевдерагурв конца деформации до 950°С одновремэн' но с повышением суммарной степени деформации до 15% но влия' ет на характер структуры ракристаллизуюшихся сталей, для сталей

же с нерекристаллизованным аустенитннм зерном (30X3®, ЗОХЗЕМА.®) подобное изменение режима приводит к образованию структуры с преимущественной долей нижнего бейнита.

Изучена зависимость продуктов преврашения горячедеформиро-ванного аустенита от степени деформации, учитывая, что с увеличением степени деформации температура конца деформации понилает-ся. Отмечено, что охлаждение на воздухе от' температур нагрева (Тн = 125С°С) стали ЗОХЗШ.'АЖ приводит к формированию структуры верхнего бейнита. Деформация смещает превращение в область

более низких температур, что определяет образование структуры нижнего бейнита с участками мартенсита. Изменение степени деформации в пределах 25—100^ не вызывает значительного изменения структуры.

Сравнение структуры предложенной стали ЗОХЗНМА® и серийной стали 40ХН2М, образушейся при охлаждении на воздухе после деформации, показало, что сталь ЗОХЗНМАФБ имеет более "благоприятную" структуру преимущественно нижнего бейнита, тогда как для стали 40ХН2М - это преимущественно верхний бейнит, кроме того, дисперсность структуры стали ЗОХЗНШСБ значительно вши о, поскольку формирование бейнитных роек происходит в пределах хорошо развитой субструктуры.

Немаловажную роль в формировании структуры при охл&чденпи ка воздухе играет состояние аустенита, а именно - норекристал-лизованное для стали ЗОХЗШАСБ и рскристаллизованное столп 40ХН2М. '

Такта образом, для стали ЗОХЗИ.1А£Б палучена достаточно яг.с-персная структура нижнего бейнита, которая является'благслрндт-

ной для дальнейшей термической обработки - отпуска - без дополнительной перекристаллизации.

Влияние химического состава и вида термообработки на механические свойства сталей

В настоящее время традиционной термической обработкой заготовок шатунов является операция закалки с последующим отпуском. В работе изучена возможность получения высокого комплекса механических свойств при.исключении закалки из технологического процесса.

Проведено исследование механических свойств новой стали ЗОХЗНМА4Б после различных обработок, закалка с отпуском, нормализация с отпуском, контролируемая ковка (деформация с пониженной температурой конца - Т„ _ = 950°С) с отпуском. Результаты испы-

Л.Д.

таний представлены ва рисунке.Механические характеристики стали после закалки й отпуска при 650°С превышают уровень технических требований и по прочности значительно выше свойств серийной стали 40ХН2М ( = 620 Ша, <5^*= 810 Ша).

Результаты усталостных испытаний стали ЗОХЗНМА4Б также показывав! ее преимущество перед сталью 40ХН2М.

Сталь ЗОХЗНЖ4Б обладает хорошим сочетанием прочности и вязкости после закалки с отпуском. Для получения требуемого уровня свойств Сталь может отпускаться в широком интервале температур: 625-675°С.

Запас прочности стали ЗОХЗНМА® позволяет рассматривать возможность исключения закалки из технологического процесса и замены ее нормализацией, либо только отпуском горячекатаного металла (Т.. _ = 950°С).

л

к № с

I

$ /и?

I

71'•.да^лу.?

1

х

\ Ч г

/ / 1

л ^—г""

SS¿> ¿-¿-а лу яя?

саэисимость характеристик прочности и вязкости от температуры'отпуска

для стали ЗОХЗНМАФБ :

о - закаленное состояниз;

..> - состояние после нормализации;

Д - горячекатаное состояние

Прочностные характеристики стали после нормализации и отпуска при 650°С близки по значениям к свойствам стали после закалки и отпуска. Однако выявлено, что пошхение температуры отпуска выше 660°С приводит к значительному разупрочнению.

.Поэтому нормализацию с отпуском как вид термической обработки шатунов из стали ЗОХЗК.'А<5Б можно. рекомендовать при ограничении температуры отпуска 660°С.

Изучалась возможность проведения отпуска непосредственно после горячей деформации для всех исследуемых сталей. Наиболее благоприятной для данного вида обработки является сталь ЗОХЗНМА4Б. Режим охлаждения стали ЗОХЗНШ.® после горячей деформации не оказывает значительного влияния на уровень прочностных характеристик ( 6^* = 1200 Ша, , = 10Б0 Ша). При формировании

в результате охлаждения в воде ыартенситной структуры пластичес-

■ ■ .

кие свойства стали несколько выше, чем в случае охлаждения на воздухе. Однако в целом, структура нижнего бвйнлта является достаточно благоприятной для проведения отпуска горячекатаного металла.

Новая разработанная сталь ЗОХЗНМА5Б обеспечивает стабильность механических свойств в широком диапазоне параметров горячей деформации - температуры нагрева, температурного интервала деформации, температуры конца деформации. Значения предела теку*» чести находятся на уровне 1100 Ша, значения относительного удлинения - 15%, значения ударной вязкости - 0,70 ВДж/м2 (приведенные данные соответствуют отпуску 650°С). Запас прочности стали по отношению к уровню технических требований очень высок, поэтому для повышения характеристик пластичности и вязкости возможно проведение отпуска при температурах выше 650°С.

Изучена температурная зависимость прочностных и пластических характеристик стали 3ÜX31LVA'¡E и стали 4QXH2M в качестве сравнительной. Прочностные свойства' стали ЗОХЗНМА® при данной обработке (отпуск горячекатаного металла) выше соответствующих характеристик стали 4GXH2M на 40% при всех температурах отпуска. При температуре отпуска 680°С значения ударной вязкости достигают требуемого уровня (KCU = 1,00 ЭДЕдАг), значения прочностных •л пластических характеристик превыдают значения технических требований и составляют: - 980 МПа, ^ = 1060 <МПа, ¿ = 16%, У = 54,í. '

Повышений температуры отпуска позволяет варьировать комплекс свойств, но снижая уровня прочности ниже 950 1Я1а.

Сталь 3GX3IL7AÍB по своим механическим свойствам после различных видов обработки превышает уровень свойств стали 40Д&М, из которой в настояпее время изготавливается шатун, и уровень технических требований, предъявляемых к шатуну перспективных двигателей.

Влияние еидэ термической обработки на структурные характеристики стали ЗОХЗНМАЖ

Изучение процессов, происходящих при отпуске стали и обуславливающих высокий уровень механических свойств, позволит гарантировать достижение требуемого уровня свойств детали при промышленном производстве.

Исследование характера структуры стали после отпуска показывает, что с повышением темшратуры отпуска доля полигонизованных участков матрицы возрастает, плотность дислокаций понижается, однако уровень микроискажений кристаллической решетки даже при

проведении высокотемпературного отпуска (690°С) но понижается ниже 1,0. ..1,3-КГ3, что соответствует довольно высокой плотности дислокаций в матрице.

Термическая стабильность дислокационной структуры сС -ТБер-догс- раствора обеспечивается легированием за счет изменения со -става о£- -твердого раствора и выдоления тонкодисперсных частиц второй фазы.

Такие легирующие элементы, как никель и молибден, понижая температуру начала мартенситного прсврашешш, способствуют повышению плотности дислокаций в исходном (перед отпуском) состоянии. Введение в состав стали никеля и, в особенности, молибдена приводит к смешению температурного интервала разупрочнения в область более высоких температур отпуска.

Процесс Ецделення и растворения карбонитрэдных фаз в стали изучался для различных температур отпуска.

В структуре стали ЗОХЗНУАЗБ, закаленной в масло от температуры 930°С, 'наблюдается нитрид ниобия, который в данном случае содержит небольшое количество ванадия, а также нитрид ванадия. Средний размер частиц (У/Т )Л/ - 60-70 нм, -частиц Т/И -20-30 нм.

В процесса отпуска при 550°С наблюдается образование карбида цементитного типа Ме^С", степень дисперсности его частиц высока (20...40 нм). После отпуска при 65С°С в структуре стали обнаружены выделения карбида , объемна,-: доля нитрида вана-

дия возрастает. Повышение температуры отпуска до 690°С приводит к такому увеличению количества МегСг, что оно становится преобладающим относительно М^С . Средний размер частиц составляет 50 им.

Наиболее интенсивное увеличение объемной доли нитрида ванадия происходит в интервале температур отпуска 550...650°С.

Выделения нитрида Л// в процессе отпуска но наблюдалось.

Изучена температурная зависимость количества Po, Cr ,У, Мо в карбидном осадке закаленной стали, что дает возможность качественно оценить объемную долю карбидов (нитридов) в стата при данной тешературе отпуска.

Установлено, что в процессе отпуска при 650°С карбидную фракцию в основном представляют Ме,С и МвтС3, в которые связано *2,3% Fe, ~I,Q% Cr и ~Q,03% Mo. Объемная доля нитридной фазы определяется *-0,07$ ванадия и "-0,04!? ниобия. Количество ниобия в карбидном осадке не зависит от температуры отпуска.

Распределение частиц в матрице после закалки и отпуска при 650°С достаточно равномерно, тогда как после нормализации и отпуска наблюдаются скопления цементитных частиц, что связано с распадом высокоуглеродистого мартенсита при отпуске.

Хотя отпуск горячекатаной стали ЗОХЗК.'А® в интервале температур 500-700°С приводит к сшшениа уровня микроискажений кристаллической решетки ( ), при 700°С - соответствует (I...I.5) х Ю-3, что свидетельствует о создании хорошо развитой субзеренной структуры матрицы. Средний размер блоков в данном температурном интервале отпуска практически не изменяется л находится на уроше 50-70 им.

Изучено влияние режима охлаждения горячекатаного металла на природу и ко реологию карбидных фаз, а также влияние различных температур отпуска. Установлено, что при охлаждении в вода с прокатного нагрева в структуре присутствуют частица Meß и нитрида Н&Ы . Доля Mefi относительно невелика и подтверждает предполо-

19

яение о протекании самоотпуска мартенсита при охлаздэнии. Охлаждение на воздухе приводит к увеличению объемной доли Ме^С, что связано с формированием бейнитной структуры.

Образование других карбидных фаз в процессе отпуска при 650°С аналогично случаю для стали, закаленной от 930°С.

Особенностью выделения частиц второй фазы в стали ЗОХЗНМА®, охлажденной на воздухе после деформации, при отпуске 650°С является замедление процессов выделения карбида М<ггС3 , а также повышенная дисперсность частиц нитрида ванадия по сравнению с закаленным состоянием.

Установлено, что высокий комплекс механических свойств новой стали ЗОХЗНМА® после высокотемпературного отпуска обусловлен формированием частично полигонизованноЕ матрицы и выделением дисперсных частиц карбида и нитрида ванадия.

Промышленное опробование разработанной марка стали ЗОХЗНМАЖ

Лдя промышленного использования разработана сталь марки АЦЗОХЗШАЗБ. В сталь вводились кальций и барий с 1целью повышения ее обрабатываемости резанием за счет глобуляризации неметалличес' ких включений. Сталь была выплавлена и прокатана на I 70 мм на ПО "'/деталь". При Еыплавке использовалась азотсодержащая комплек ная лигатура, полученная методом самораспространяющегося высоко температурного синтеза.

Штамповка и термическая обработка деталей осуществлялись ка АО "КамАЗ". Исследовались 3 ражима обработки стали:

I. Закалка с отпуском.

2. Нормализация с отпуском.

3. Контролируемая ковка с отпуском.

В случав контролируемой ковки температура конца деформации была понижена на 100°С.

Механические, свойства стали, обработанной по различным режимам, превышают уровень технического задания и уровень свойств стали 40ХН2МА после закалки с отпуском.

При охлаждении заготовок шатуна на воздухе после деформации или в процессе нормализации формируется бейнитная структура, со -стояшая как из верхнего, так и нижнего бейнита, что связано с разнотолаинностью детали.

Структура аустенита стали АЦЗОХЗК/АЖ в детали является мелкозернистой, обладает характерным признаком структуры после 'ЬТМО -- зубчатыми границами зерсп, находится в неравновесном состоянии, что говорит о торможении рекристаллизацпонных процессов.

На АО "КамАЗ" были проведены стендовые испытания готовых шатунов из стали АЦЗОХЗНМА®, обработанных по предложенным рени-мам. Результаты испытаний подтвердили высокий предел еыпослибос-ти стали и показали, что стойкость шатунов из стали АЦЗОХЗНМА5Б в раза превышает показатели деталей из серийной стали.

С целью исключения операции закалки в млело при изготовлении шатунов АО "КамАЗ" были рекомендовали два режима обработки стата АЦЗОХЗКМА®:

1. Штамповка по серийной технологии, нормализация Т.. = = 930-940°С, отпуск при 650-660°С.

2. Контролируемая ковка, отпуск при 680°С.

В настоящее время АО "КамАЗ" принят режим нормализации с отпуском, для перспективного использования ~ режим контролируемой ковки.

выводы

1. Легирование среднеуглеродистой стали комплексом элементов - , \r , N - обеспечивает получение мелкозернистой не-рекристаллизованной структуры аустенита в результате горячей деформации.

2. Получение мелкозернистой структуры аустенита обусловлено как исходным мелким зерном при нагреве под деформацию, так и протеканием рекристаллизации в процессе первых (высокотемпературных) проходов при многопроходной деформации. Деформация при температурах < Ю00°С стали ЗОХЗНЫАС приводит только к формоизменению зерна. Подавление рекристаллизации при последних проходах,

а также устойчивость зерна аустенита к росту при высоких температурах определяется присутствием в структуре нерастворившейся фазы - комплексного нитрида (У) /V и нитрида ниобия //£/•/.

3. Легирование среднеуглеродистой стали 2% хрома, а также никелем и молибденом (в количестве не более 1%) обеспечивает получение структуры преимущественно нижнего бейнита в горячекатаном состоянии в сечениях до 50 мм. Такая структура является достаточно благоприятной для проведения дальнейшей термической обработки стали баз перекристаллизации. Формирование структуры нижнего бейкита определяется не только уровнем легированности, но и нерекристаллизованным аустенитом.

4. Сталь 30X3HJÜA® обеспечивает высокий комплекс механических свойств после термической обработки — улучшения, нормализации с отпуском, либо в состоянии после горячего деформирования

и отпуска. После указанных обработок достигается следующий комплекс свойств: <3£= S80 Ша, =1060 1.511а, S = 16%, f .= 54?, KCU = I Вдж/ы2.

5. Оптимальный комплекс механических свойств стали ЗОХЗНМА2Б обусловлен формированием частично полигонизованной матрицы, а такге процессами дисперсионного упрочнения при отпуске. Дисперсионное упрочнение достигается выделением дисперсных частиц нитрида ванадия, карбида распределенных достаточно равномерно в матрице.

6. В промышленных условиях проведено изготовление шатуна

из стали АДЗОХЗНМА© по различным вариантам обработки: контролируемая ковка с отпуском, нормализация с отпуском, улучшение. Показано, что взамен улучшения возможно применение термической обработки - нормализации с отпуском, либо только отпуска горячекатаного металла (после контролируемой ковки).

7. Для изготоыения заготовки шатуна на АО "КамАЗ" была принята сталь АЦЗОХЗНМАФБ и следуший ролим термической обработки: нормализация Тн = 930°С, отпуск при 650°С. В результате обработки по данному рожицу гарантируется уровень свойства:

744 Ша, ^ = 970 Ша, £ = 155?, КС и = I ГДЦж/м2. Эконо-

*

мический эффект от применения стает АЦЗОХЗНУА5Б при сохранении термической обработки горячекатаного металла составит 920 тыс. рублей в год (доля УЕЖМ - 23%, доля автор-" составит ~70 тыс. рублей в год ).

Материалы'рзбот:; излозона л с.тл;:г1гзкг пу^лккацакх:

I. Особенности прзлзнеш!? дг^орг'-аигонлс-тзгягеос.ого уярст-нения конструкционных сталсЗ /Л.М.П: .-'-¡ялова, ?!.Л.Срс~ Г.И.Соколова, Я.Б.1^рев^//"е?аллурглчсская пзрар-.::о?плсоевого жалезорудного сырья/ форд^-о:::УтШ?.', 19Е0. С.СЗ-6.К

2. Панфилова Л.М., Бронфин Б.М., Соколова Г.И. Пути повышения механических свойств вааадийсодерзаших сталей//У1 Всесоюзное совещание по. химии, технологии, и применению ванадиевых соединений: Тезисы докладов , .'Н.Тагил, 1990 . С.129.

3. Панфилова Л,М.,. Срогович Ы.И., Соколова Г.И. Исследование свойств конструкционных сталей, ыикролегированннх карбидо-образутиш элемзнташ//Структура, свойства и мзтода исследования легированных сталей: Тезисы докладов научно-технического семинара , Киев, 1991,0.32.

4. Соколова Г.И., Панфилова Л.М., Черемных В.Г. Влияние режимов ТМО на зеренную структуру средиеуглеродистых сталей// Структурообразование при горячей деформации/ Москва:МДНТП, 1991..С. 56-59.

5. Срогович М.И., Соколова Г.И. Применение деформационно-термического упрочнения конструкционных сталей/Дезисы XI Уральской школы металловедов-термистов . Свердловск, 1989 . С. 18.

Подписано в печать 09.12.91 Формат 60x84 I/I6

Бумага -писчая Плоская печать Усл.п.л. 1,39

Уч.-изд.л. 1,09 Titpas 100 Заказ 865 Бесплатно

Редакционно-издательский отдел УПИ им. С. М.Кире са 620002, Екатеринбург, УПИ, 8-й учебный корпус Ротапринт УПИ. 620002, Екатеринбург, УТШ, 8-íi учебку;: ¡ссрпус