Структура и свойства низкоуглеродистой мартенситной стали, закаленной с ковочного нагрева

УДК 669.112.227.1+ 669.112.227.342:669.15-194.55

И.Д. Романов, А.А. Шацов, М.Г. Закирова

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ,

ЗАКАЛЕННОЙ С КОВОЧНОГО НАГРЕВА

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Исследовали влияние технологических параметров горячей деформации низкоуглеродистой мартен-ситной стали (НМС) 15Х2Г2НМФБА на формирование структуры и свойства. Высокая устойчивость переохлажденного аустенита в НМС позволяет проводить закалку без использования жидких охлаждающих сред (на воздухе). Закалка горячедеформированных НМС со скоростями меньшими, чем скорость охлаждения на воздухе ранее не изучена. В настоящей работе представлены результаты исследования влияния различных температур нагрева под ковку и скоростей охлаждения при закалке НМС с температур конца горячей деформации на структуру и свойства.

Ключевые слова: закалка с деформационного нагрева, мартенситное превращение, мартенсит, аустенит, мартенситная сталь

Введение

Режимы горячей обработки давлением сталей, совмещенные с упрочняющей термической обработкой, в основном определяются температурой аустенитизации, степенью, скоростью деформации и скоростью охлаждения после окончания деформации. Эти параметры влияют на формирование микро- и тонкой структуры и, как следствие, на комплекс механических свойств материала. В процессе горячей деформации в структуре сталей протекают процессы наклепа и рекристаллизации. Вклад каждого из этих процессов в формирование конечной структуры зависит от параметров предшествующей обработки. Закалка с температур конца горячей деформации сталей с ограниченной прокаливаемостью (типа 12Х2НМФ, 35Х2Н2М, 40ХН) осложняется, поскольку вследствие широкого температурно-деформационного интервала и низкой устойчивости аустенита образуется гетерогенная структура с большой степенью разнозернистости, что является причиной нестабильности механических свойств. Это делает нецелесообразным реализацию закалки с температур конца горячей обработки давлением.

В производстве термоупрочненных заготовок широко применяется высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО). Термомеханическую обработку следует понимать как совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в различной последовательности), в результате которых формирование окончательной структуры металлического сплава, а следовательно, и его свойств происходит в условиях повышенной плотности и соответствующего распределения несовершенств строения, созданных пластической деформацией [1].

Низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС) обладают высокой устойчивостью переохлажденного аустенита как в области нормального, так и промежуточного превращения [2]. После закалки (в том числе на спокойном воздухе) НМС обладают структурой низкоуглеродистого пакетного мартенсита, характерным элементом структуры которого являются рейки, разориентировка которых не превышает трех градусов. У сталей со структурой пакетного мартенсита упрочнение от границ реек на 1 -2 порядка выше, чем границ пакетов [3], имеющих большеугловые границы. Примерно 1/3 границ реек является проницаемой для дислокаций [4], что способствует релаксации напряжений в ходе деформации, их равномерному распределению и, следовательно, повышению вязкости и конструкционной прочности. Высокая устойчивость переохлажденного аустенита в НМС позволяет совмещение горячей пластической деформации с закалкой. Охлаждение НМС на воздухе непосредственно с температуры конца горячей деформации обеспечивает высокий комплекс механических свойств

© Романов И.Д., Шацов А.А., Закиров М.Г., 2014.

(ов , > 1300 МПа; KCV > 1,20 МДж/м ) [5]. Скорость охлаждения с температуры конца горячей деформации представляет особый интерес для производства крупногабаритных изделий, в конструкции которых присутствуют сечения различной величины.

Цель работы - исследование влияния температуры нагрева под горячую деформацию и скорости охлаждения с температуры конца горячей деформации на структуру и характеристики механических свойств низкоуглеродистой мартенситной стали 15Х2Г2НМФБА ^ - 0,154%, Si - 0,26%, Mn - 2,0%, & - 2,1%, № - 1,2%, Mo - 0,43, V - 0,09%, № - 0,07%, ^ - 0,19%, ^ - 0,014%, Ca - 0,0006%, N - 0,0123%, O - 0,0012%, P - 0,009%, S - 0,007%, H - 1,3 ppm).

Методика эксперимента

Деформации подвергали сталь со структурой отпущенного мартенсита, закаленную на воздухе с прокатного нагрева (1200°С) и отпущенную при температуре 660°С в течение шести часов (рис. 1).

Рис. 1. Исходная структура исследуемой стали. х200 Средний размер зерна 45 мкм.

Ковку заготовок проводили на радиально-ковочной машине SXP-16, производства австрийской фирмы GFM. Заготовки нагревали в индукционной установке до двух разных температур: 1150°С и 1000°С, после чего проводили горячую деформацию с последующей закалкой на воздухе.

Для изучения влияния скорости охлаждения на структуру и свойства НМС заготовки нагревали до 1150°С. Степень деформации составила 70% (исходный диаметр 55 мм, конечный диаметр 30 мм). Последеформационное охлаждение проводили в трех различных средах - вода, воздух, печь (рис. 2).

Рис. 2. Схема режимов обработки стали Экспериментальная часть

Структура речного мартенсита, формирующаяся после закалки НМС 15Х2Г2НМФБА, представляет собой набор параллельных друг другу кристаллов, имеющих форму трехосного эллипсоида с соотношением ширины к толщине и к длине как 1:3:15 [6], a:b:c = 1:7:30 [7], а:Ь:с = 1:9:33 [8], рис. 3.

Рис.3. Тонкая структура НМС, х35000

Температурный интервал ковки заметно влияет на комплекс характеристик механических свойств, табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства в зависимости от температуры нагрева под ковку

Интервал ковки о0,2, МПа ов, МПа 5, % V, % KCV+20 МДж/м2

Тн0С Тк0С

1150 850 1010 1357 18 65 1,16

1000 800 978 1297 17 66 1,30

Примечание. Исходный диаметр ^исх=65 мм, окончательный диаметр ^кон=30 мм, уков 4,7, степень деформации в = 79%, охлаждение на воздухе

Рис. 4. Микроструктура образца после ковки в интервале температур 1150-850°С, х200

Характеристики прочности (предел текучести, предел прочности) незначительно выше после ковки с температуры 1150°С. Относительное удлинение немного выше у образцов кованых с температуры 1000°С, относительное сужение образцов кованых с разных темпера-

тур слабо отличаются. Значения ударной вязкости выше у образцов кованых с более низкой температуры, что связано с меньшим размером действительных зерен аустенита.

Средний размер действительного зерна аустенита, рис. 4, после ковки со степенью деформации 79% в интервале температур 1150-850°С и охлаждения на воздухе составляет 38 мкм.

Средний размер действительного зерна аустенита после ковки со степенью деформации 79% в интервале температур 1000-800°С и охлаждения на воздухе составляет 15 мкм.

Распределения по размерам зёрен аустенита НМС 15Х2Г2НМФБА для различных температур нагрева под ковку представлены на рис. 5.

б

Рис. 5. Распределения по размерам зерен стали 15Х2Г2НМФБА:

а - температура нагрева под ковку 1150°С; б - температура нагрева под ковку 1000°С

Независимо от температуры нагрева (1150°С или 1000°С) распределение размеров зерен было одномодальным с правой асимметрией и подчинялось логнормальному закону. Степень разнозернистости после ковки с температуры 1150°С составляет Я = 3,75 и уменьшается с понижением температуры нагрева под ковку до Я= 2,33 (1000°С).

После ковки при температуре 1000°С формируется зерно более мелкое, чем после ковки при температуре 1150°С, однако предпочтительной температурой нагрева под ковку является температура 1150°С, поскольку при более низких температурах ковки сталь менее технологична. Согласно [9], предел прочности конструкционной стали с содержанием углерода 0,18% при температуре 1000°С составляет порядка 50 МПа, и при снижении температуры ниже 800°С (температура конца ковки) предел прочности увеличивается более чем в 10 раз. Увеличение прочности обусловливает повышенный износ инструмента и увеличивает вероятность образования трещин во время ковки.

Скорость охлаждения после ковки существенно повлияла на механические свойства заготовок, табл. 2.

Таблица 2

Влияние скорости охлаждения после ковки на механические свойства

Среда охлаждения/скорость охлаждения, °/с о0,2, МПа ов, МПа 5, % V, % KCV+20 , МДж/м2

Вода/90 1131 1424 16 62 0,80

Воздух/1,5 1015 1338 17,2 65 0,83

Печь/0,015 950 1284 18 59 1,23

С уменьшением скорости охлаждения заготовок после ковки наблюдается падение прочностных характеристик, так разница между пределом прочности после охлаждения в воде и пределом прочности после охлаждения с печью составляет всего 140 МПа, в то время как ударная вязкость, определенная на образцах с У-образным концентратором, увеличивается на 0,43 МДж/м2 (в 1,5 раза). Причина роста ударной вязкости - уменьшение размера зерна аустенита, табл. 3, и диспергирование формирующихся в пределах зерен аустенита пакетов и реек мартенсита.

Таблица3

Зависимость величины зерна от скорости охлаждения.

Среда охлаждения/скорость охлаждения, °/с Средний диаметр зерна, мкм

Вода/90 39

Воздух/1,5 34

Печь/0,015 17

Микроструктура пакетного мартенсита заготовок, охлажденных после ковки с различными скоростями, представлена на рис. 6-8.

Как видно из табл. 3 и рис. 6-8, с уменьшением скорости охлаждения происходит измельчение зеренной структуры материала. Так, после охлаждения с печью размер зерна составил 17 мкм. Измельчение зеренной структуры при медленном охлаждении, по-видимому, связано с протеканием процессов рекристаллизации в широких температурных интервалах, которые были подавлены в случае охлаждения заготовки после горячей деформации в воде и на воздухе.

Высокая прочность в сочетании с высокой ударной вязкостью в широком интервале скоростей охлаждения обусловлены особенностями структуры реечного мартенсита и отсутствием продуктов промежуточного превращения благодаря повышенной устойчивости переохлажденного аустенита НМС.

Рис. 6. Микроструктура стали 15Х2Г2НМФБА после охлаждения с температуры конца горячей деформации в воде, х200

Рис. 7. Микроструктура стали 15Х2Г2НМФБА после охлаждения с температуры конца горячей деформации на воздухе, х200

rtlj.к*.i.i , ,ji- i , -1

Рис. 8. Микроструктура стали 15Х2Г2НМФБА после охлаждения с температуры конца горячей деформации в печи, х200

Выводы

Деформированные с s=70% заготовки, закаленные с различными скоростями охлаждения на структуру пакетного мартенсита, имели прочность до 1420 МПа, а ударная вязкость до KCV = 1,20 МДж/м2

Распределение зерен по размерам после закалки с ковочного нагрева во всех исследованных режимах подчинялось логарифмически нормальному закону.

Охлажденная с ковочного нагрева с печью НМС 15Х2Г2НМФБА имела наиболее дисперсные характерные элементы структуры и лучшее сочетание характеристик прочности, пластичности и ударной вязкости.

Библиографический список

1. Бернштейн, М.Л. Термомеханическая обработка стали / М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский, Л.М. Капуткина. - М.: Металлургия, 1983. - 480 с.

2. Клейнер, Л.М. Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситного класса / Л.М. Клейнер, А.А. Шацов. - Пермь: Перм. гос. тех. ун-т, 2008. - 303 с.

3. Штремель, М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация / М.А. Штремель. - М.: МИСИС, 1997. - 527 с.

4. Андреев, Ю.Г. Границы и субграницы в пакетном мартенсите. I. Границы между кристаллами в пакете / Андреев, Е.И. Заркова, М.А. Штремель // Физика металлов и металловедение. 1990. Т.69. № 3. С 161-167.

5. Романов, И.Д. Структура и свойства низкоуглеродистых мартенситных наносталей, закаленных с деформационного нагрева / И.Д. Романов, Л.М. Клейнер // Материаловедение. 2013. №5. С. 18-21.

6. Андреев, Ю.Г. Упаковка кристаллов мартенсита в псевдомонокристалле / Ю.Г.Андреев [и др.] // ДАН СССР. 1977. Т. 237. Вып. 3. С. 574-576.

7. Изотов, В.И. Морфология и кристаллогеометрия реечного мартенсита // Физика металлов и металловедение. 1972. Т. 34. № 1. C. 123-132.

8. Wakasa, K. The crystallography and morphology of lath martensite / K. Wakasa, C.M. Wayman // Proc. Int. Conf. Martensite Transformations, ICOMAT-79, Cambrige, Mass, 1979. V. 1. P.3 4-39.

9. Третьяков, А.В. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением / А.В. Третьяков, В.И. Зюзин. - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1973. - 224 с.

Дата поступления в редакцию 01.04.2014

I.D. Romanov, A.A. Shatsov, M.G. Zakirova

STRUCTURE AND PROPERTIES OF LOW-CARBON MARTENSITIC STEEL HARDENED FROM FORGING HEATING

Perm national research polytechnic university

The influence of technological conditions of hot deformation of low-carbon martensitic steel (LMS) 15Cr2Mn2NiMoVNb on structure formation and properties was investigated. Quenching of LMS can be carried out in air due to high stability of undercooled austenite. Quenching of LMS by cooling with speeds lower than the speed of the air cooling has not been studied previously. This work shows the results of a research dedicated to the effect of different cooling rates during quenching LMS from the end of the hot deformation temperature on structure and properties.

Key words: quenching from deformation heating, martensitic transformation, martensite, austenite, martensitic steel.