СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВКИ ИЗ МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩЕЙ СТАЛИ
METHOD OF THERMOMECHANICAL PROCESSING OF MARAGING STEEL BLANK

Изобретение относится к области металлургии железа, более конкретно к способам изменения физической структуры ферромагнитных сплавов путем деформации в сочетании с последующей термообработкой. Изобретение может быть использовано для получения полутвердых постоянных магнитов, используемых, в частности, при производстве изделий типа дисков роторов гистерезисных двигателей (ГД), применяемых в качестве электроприводов спецоборудования. Современные ГД имеют очень высокие скорости вращения, соответственно материал для изготовления дисков ротора должен обладать высоким комплексом механических свойств при оптимальном сочетании прочности, пластичности с магнитными гистерезисными характеристиками. В качестве такого материала могут быть использованы мартенситно-стареющие стали.
Существующий уровень науки и техники
Известен способ термомеханической обработки заготовки из мартенситно-стареющей стали, заключающийся в ее упрочнении путем холодной пластической деформации со степенью 50% и последующего старения в интервале температур 350-480°С [1].
2
3
Мартенситно-стареющие стали после закалки состоят в основном из высоколегированного безуглеродистого мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита и имеют сравнительно невысокую прочность. В процессе старения происходит распад твердых растворов мартенсита и аустенита с выделением в мартенситной матрице упрочняющих частиц интерметаллидных немагнитных фаз [2]. В частности, при старении закаленной заготовки из мартенситно-стареющей стали Н18К9М5Т (содержание С<0,03%; Ni 17,7-19%; Co 8,5-9,5%; Mo 4,6-5,5%; Ti 0,5-0,8%; Fe - остальное) [2] при температуре, выбираемой из интервала 480-550°С, происходит выделение упрочняющих частиц фаз FeMo и Ni (Mo, Ti). Выделения немагнитных частиц способствуют также увеличению толщины доменных стенок, повышая тем самым коэрцитивную силу материала [3]. Причем немагнитные выделения наиболее эффективно влияют на величину коэрцитивной силы, будучи когерентными или частично когерентными мартенситной матрице.
Указанная температура старения способствует уменьшению размера выделяющихся частиц, что несмотря на их коагуляцию в течение времени старения ведет к заметному увеличению прочности заготовки. В частности, для стали Н18К9М5Т при старении в указанном интервале температур возможно достижение максимума, ~ 2000 МПа, прочностных характеристик. Но магнитные характеристики стали при этом оказываются недостаточно высокими.
Из того же источника известен способ термомеханической обработки заготовки из мартенситно-стареющей стали, заключающийся в холодной пластической деформации со степенью 40-60% и последующем двухступенчатом старении, в интервале температур соответственно 545-555°С и 565-575°С. Такая термообработка приводит к заметному повышению магнитных характеристик, однако прочность при этом заметно снижается. Это возможно объясняется тем, что на первой ступени термообработки в материале заготовки происходит выделение упрочняющих частиц, но на второй ступени термообработки происходит увеличение количества аустенита, а также укрупнение выделившихся частиц.
2
3
Наличие определенного количества частиц аустенита в совокупности с упрочняющими частицами фаз FeMo и Ni (Mo, Ti) приводит к увеличению толщины доменных стенок и повышению коэрцитивной силы в 3 раза по сравнению с заготовками, изготовленными по первому способу. По сравнению с заготовками, изготовленными по первому способу, увеличиваются также значение остаточной намагниченности Br в 3,4 раза, прямоугольность кривой размагничивания Br/Вм в 1,6 раза (см. сравнительную таблицу). Однако значение индукции насыщения при этом несколько уменьшается, поскольку увеличивается количество немагнитной фазы - аустенита. Увеличение размера частиц приводит к увеличению пластичности заготовки до 12%.
Одним из путей решения проблемы повышения прочности заготовки из мартенситно-стареющей стали, помимо использования специально подобранных для этого режимов термомеханической обработки, является использование более прочной по природе стали, например Н17К10В10МТ (содержание С - <0,03%; Ni 16-17%; Co 9,5-11%; W 9,5-10,5%; Mo 0,8-1,2%; Ti 0,6-1%; Fe - остальное), т.е в большем количестве легированной элементами с малой диффузионной подвижностью.
Необходимо отметить, что сталь Н17К10В10МТ, подвергнутая стандартной обработке, заключающейся только в старении в течение 3-х часов при температуре 500°С [4], несколько даже уступает по механическим свойствам стали Н18К9М5Т, обработанной по способу [1]. По магнитным свойствам она уступает стали Н18К9М5Т значительно.
Сталь Н17К10В10МТ, подвергнутая специальной обработке [4], уже имеет механические свойства, на 40-50% превосходящие свойства стали, подвергнутой стандартной обработке. Специальная обработка включает нагрев, охлаждение, холодную пластическую деформацию со степенью порядка 30% и старение при температуре 500°С. Перед нагревом производят предварительную холодную пластическую деформацию заготовки в исходном после закалки на мартенсит состоянии со степенью порядка 60%, а нагрев ведут до 550-700°С [4]. Предварительная холодная пластическая деформация в сочетании с последующим нагревом до 550-700°С приводит к образованию мелкодисперсной структуры, в которой участки мартенсита с выделившимися в мартенситной матрице упрочняющими частицами разделены тонкими прослойками аустенита. В результате деформационному упрочнению при холодной деформации подвергается заготовка с мелкодисперсной и пластичной структурой, После такой комплексной обработки достигается значительный эффект в повышении прочности заготовки, до 2500 МПа, пластичность же остается без изменений, на уровне ~ 10%.
При всех преимуществах в отношении механических характеристик магнитные свойства заготовки из мартенситно-стареющей стали Н17К10В10МТ, обработанной по способу [4], практически отсутствуют.
Объясняется это, во-первых, наличием достаточного количества аустенита, который в отличие от [1] присутствует здесь не в виде отдельных частиц, а в виде сплошных прослоек, разделяющих участки мартенсита, во-вторых, наличием большего количества немагнитных легирующих элементов.
Известен также способ термомеханической обработки заготовки из мартенситно-стареющей стали [5], включающий холодную пластическую деформацию заготовки со степенью 30-40% и последующее двухступенчатое старение сначала при 530-550°C с выдержкой 1-1,5 часа, а затем при 450±10°C с выдержкой 4-4,5 часа. Температурный интервал старения граничит с интервалом обратного мартенситного превращения, начало которого (температура Ан) по данным рентгеновских исследований для стали ЭП 836 имеет место при температуре 550±10°С. Пластическая деформация смещает Ан в сторону более низких температур. Например, при степени деформации 40% температура Ан=530±10°С. Таким образом, температурный интервал старения граничит с интервалом обратного мартенситного превращения, несколько превосходя его. Старение деформированной стали ЭП 836 при температуре, большей Ан (первая ступень известного режима старения), приводит к образованию особой псевдоячеистой структуры, границы ячеек которой оторочены выделением тонких прослоек стабильного остаточного аустенита, и выделению в деформированном мартенсите дисперсных интерметаллидных частиц. На второй ступени старения происходит довыделение интерметаллидных частиц и частичная релаксация напряжений. В результате в заготовке обеспечивается сочетание повышенной прочности с достаточным запасом пластичности.
Магнитные свойства заготовки из мартенситно-стареющей стали, обработанной по данному способу, очень низки, что объясняется также наличием прослоек аустенита и влиянием большего, чем в стали Н18К9М5Т [3], количества немагнитных легирующих элементов.
Высокая прочность стали Н17К10В10МТ, обработанной по способам [4, 5], послужила стимулом для проведения исследований свойств заготовок после различных, последующих за закалкой, режимов термомеханической обработки для выявления возможности повышения ее магнитных свойств и создания нового технического решения. Кроме того, у заготовки из стали Н17К10В10МТ, обработанного по способу [5], все же были выявлены, хотя и очень низкие, магнитные свойства по сравнению с заготовкой из этой же стали, обработанной по способу [4], в котором магнитные свойства практически отсутствовали. С учетом последнего обстоятельства за прототип предлагаемого решения выбран способ обработки заготовки из мартенситно-стареющей стали [5].
Сущность изобретения
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей способа термомеханической обработки заготовки из мартенситно-стареющей стали для придания заготовке магнитных свойств в сочетании с высокими механическими свойствами.
Поставленная задача решается в случае, когда способ термомеханической обработки заготовки из мартенситно-стареющей стали, легированной элементами с малой диффузионной подвижностью в суммарном количестве, соизмеримом с их количеством в стали Н17К10 В10МТ, включающий холодную пластическую деформацию заготовки и ее последующее старение, отличается от прототипа тем, что старение осуществляют при температуре, меньшей Ан, где Ан - температура начала обратного мартенситного превращения стали.
Поставленная задача решается также в случаях, когда:
- старение осуществляют в интервале температур 400-480°С;
- осуществляют двухступенчатое старение, при этом температуру на первой ступени старения выбирают меньшей, чем на второй;
- на первой ступени старение осуществляют в интервале температур 350-400°С, на второй ступени старение осуществляют в интервале температур 480…520°С;
- холодную пластическую деформацию осуществляют со степенью 40-60%.
Объяснение сущности изобретения
В мартенситно-стареющих сталях в исходном закаленном состоянии коэрцитивная сила очень мала. Как уже отмечалось, сталь после закалки состоит в основном из высоколегированного безуглеродистого мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита. В процессе старения внутри ферромагнитной мартенситной матрицы происходит выделение дисперсных упрочняющих частиц интерметаллидных немагнитных фаз, которые способствуют увеличению толщины доменных стенок, повышая тем самым коэрцитивную силу материала. Эффективно в процессе увеличения толщины доменных стенок указанные частицы участвуют, будучи полностью или частично когерентными мартенситной матрице. Однако таковыми они являются в начальный период старения, далее в процессе старения происходит коагуляция частиц и их полный или частичный переход в некогерентное состояние, даже при температурах ниже температуры начала обратного мартенситного превращения [1].
Однако при одних и тех же временных и температурных условиях старения в заготовке из мартенситно-стареющей стали, в большей степени легированной элементами с низкой диффузионной подвижностью, такими как, например Мо и W такой переход происходит с меньшей интенсивностью или вообще не происходит. Однако в процессе создания изобретения, сопровождавшимся анализом режимов известных способов, выявилась ситуация, противоречащая отмеченному положению. В заготовке из стали Н18К9М5Т, содержащей 5% Мо, при температуре старения 570°С [1] были получены достаточно высокие магнитные свойства, а в заготовке из стали Н17К10В10МТ, содержащей 10% W и 2% Мо при температуре старения 530°С они практически отсутствовали. Тем более, что при указанных температурах в стали Н18К9М5Т выделилось в результате обратного мартенситного превращения большее количество аустенита, являющегося немагнитной фазой, чем в стали Н17К10В10МТ.
Дальнейшие исследования показали, что отрицательно на магнитные свойства заготовки действует не количество образующегося в результате обратного мартенситного превращения аустенита, а форма аустенитных зерен. Наличие элементов с низкой диффузионной подвижностью, таких как Мо и W в составе интерметаллидных частиц позволяет сохранить когерентность между ними и мартенситной матрицей, а также между ними и аустенитом, что создает препятствие для коагуляции как мартенситных зерен, так и зерен остаточного аустенита, а также зерен аустенита, выделяющегося в результате обратного мартенситного превращения. Стремясь к минимуму упругих искажений решетки при наличии когерентных границ с упрочняющими частицами, зерна аустенита выделяются в виде тонких пластинок. Именно последнее обстоятельство создает условия для образования отмеченной при описании способов [4, 5] структуры, характеризующейся наличием ячеек мартенсита, отороченных по границам тонкими прослойками стабильного аустенита, приводящей к потере магнитных свойств мартенситно-стареющей стали, содержащей повышенное количество, в частности более 10%, легирующих элементов с малой диффузионной подвижностью, в частности, Мо, W. Такие стали относят к классу особо высокопрочных сталей. В перспективе они могут быть легированы Re и другими металлами.
Таким образом, для сохранения магнитных свойств такой стали становится необходимым проведение старения при температуре, меньшей Ан.
Рекомендуется старение осуществлять в интервале температур 400-480°С, то есть, при температуре гарантированно меньшей Ан, поскольку температурную грань между частичной аустенизацией заготовки и образованием в ней сплошных прослоек из аустенита между участками мартенсита в стали рассматриваемого класса в условиях производства уловить практически невозможно, тем более, что температура начала обратного мартенситного превращения зависит еще и от степени предварительной пластической деформации [5], колеблясь в пределах ошибки термопары.
Кроме того, чем ниже температура старения, тем вследствие большего количество зарождающихся центров рекристаллизации меньше размер всех структурных составляющих стали. При этом после старения в заготовке сохраняется мелкозернистая структура, поскольку в процессе старения рост зерен сдерживается частицами с малой диффузионной подвижностью. При этом нижняя граница температурного интервала старения стандартно ограничена диффузионной подвижностью частиц.
Кроме того, при выборе температуры старения, близкой к нижней границе, приходится увеличивать время старения, что технологически нецелесообразно.
По этой причине рекомендуется проводить двухступенчатое старение, при этом температуру на первой ступени старения выбирать меньшей, чем на второй.
В частности, рекомендуется на первой ступени старение осуществлять в интервале температур 350-400°С, на второй ступени старение осуществлять в интервале температур 480…520°С.
В данном рекомендуемом варианте заявляемого способа на первой ступени старения в заготовке формируется мелкозернистая структура, состоящая из мартенсита, остаточного аустенита и дисперсных упрочняющих частиц. На второй ступени происходит некоторый рост всех структурных составляющих, включая мартенситную матрицу, но результирующий размер зерен в заготовке получается меньшим, чем при одноступенчатом старении в интервале температур 400-480°С.
Однако одного старения без пластической деформации недостаточно как для получения высоких магнитных свойств, так и их сочетания с высокими механическими свойствами. Влияние пластической деформации на механические свойства стали отмечено выше при анализе известных способов [4]. Что касается магнитных свойств, то здесь пластическая деформация является одним из основных факторов, обеспечивающих когерентность выделяющихся частиц в мартенситной матрице за счет ее искажений, приводящую к росту коэрцитивной силы.
Рекомендуется холодную пластическую деформацию осуществлять со степенью 40-60%.
Таким образом, в течение времени старения частицы с малой диффузионной подвижностью, оставаясь когерентными мартенситной матрице и не подвергаясь коагуляции, то есть сохраняя свое количество, и вследствие этого, будучи распределенными, в объеме заготовки препятствуют росту как зерен мартенсита, так и зерен остаточного диффузионно-подвижного аустенита. Последнее обстоятельство помимо увеличения коэрцитивной силы и остаточной индукции ведет также к увеличению индукции насыщения по сравнению, например с [3] и получению петли гистерезиса более правильной прямоугольной формы.
Обработанная по предлагаемому способу заготовка из мартенситно-стареющей стали имеет наряду с ожидаемым высоким уровнем механических свойств и высокие магнитные свойства, включая индукцию насыщения, превосходящие свойства заготовки, обработанной по известным способам, что говорит о новизне и существенных отличиях предлагаемого способа.
Что касается способа обработки заготовки из стали Н18К9М5Т [1], где старение осуществляют в интервале температур 350-480°С, то несмотря на совпадение температурных интервалов старения в известном и заявляемом способах обработки заготовки, достигаемый результат имеет значительные отличия. Эти отличия касаются и магнитных и механических свойств заготовки. Причем факт, что механические свойства стали Н17К10В10МТ превосходят механические свойства стали Н18К9М5Т, является известным. Факт же значительного превосходства магнитных свойств стали Н17К10В10МТ после обработки по предлагаемому способу над свойствами стали Н18К9М5Т, обработанной по способу [1], даже при совпадении температурных режимов подтверждает наличие у заявляемого способа существенных отличий.
Способ осуществляют следующим образом:
Из горячекатаного прутка стали изготавливают заготовки, которые подвергают холодной пластической деформации. Далее обработкой резанием изготавливают заготовки заданной формы и размеров, которые подвергают старению ниже температуры Ан. После старения при необходимости проводят окончательную механическую обработку заготовок.
Примеры конкретного выполнения
Примеры конкретного выполнения относятся к способам термомеханической обработки заготовок из стали Н17К10В10МТ для изготовления изделий, применяемых в качестве полутвердых магнитов. Примеры не ограничивают возможности изготовления заготовок изделий из высокопрочных сталей, близких по составу (количеству и процентному содержанию легирующих элементов, типа W, Mo, Re) к указанной стали.
Для демонстрации преимуществ предлагаемого способа проведена термомеханическая обработка стали Н17К10В10МТ по трем различным режимам старения. Для этого из горячекатаного прутка вырезались заготовки, которые проходили одинаковую холодную продольно-поперечную прокатку на двухвалковом стане с диаметром валков 60 мм с общей степенью обжатия 40-60%. Далее обработкой резанием изготавливались заготовки заданной формы и размеров, которые подвергались старению ниже температуры начала обратного мартенситного превращения. После старения при необходимости проводилась окончательная механическая обработка заготовок.
Результаты измерений механических и магнитных свойств образцов стали Н17К10В10МТ, обработанных по различным режимам предлагаемого способа, приведены в таблице.
№
Способ обработки
Механические свойства
Магнитные свойства
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
HRC
H<sub>c</sub>, кА/м,
B<sub>r</sub>, Тл
1
Старение 510°С, 2 часа
1900
10
52
2,0
0,48
2
Старение 480°С, 2 часа
2100
8
56
2,4
0,6
3
Старение 400°С, 2 ч, +500°С, 2 часа
2250
4
59
3,6
0,92
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет при повышенном уровне прочности существенно поднять уровень магнитных свойств (коэрцитивной силы, остаточной индукции).
Источники информации
1. Патент RU 2031145, МПК C21D 6/00, 1995.
2. Гольштейн М.И. Специальные стали. М.: Металлургия, 1985. - 408 с.
3. Справочник «Постоянные магниты» под редакцией Ю.М.Пятина. М.: Энергия. 1980. - 488 с.
4. Авторское свидетельство СССР №1129247, МПК C21D 6/02, 1984.
5. Патент RU 2015179, МПК C21D 6/00, 1994.
6. Коррозионностойкие и высокопрочные стали и сплавы. ЦНИИ чер. мет. под ред. А.П.Шлямнев, М.: Интермет Инженеринг. 2000.