Повышение свойств среднеуглеродистых низколегированных сталей изотермической закалкой из межкритического интервала температур (МКИТ), создающей многофазную структуру

Lunev V., Brykov M., Tkachenko S. Reserves for increasing plasticity in heat-treated high-carbon steels

Standard test specimens of U12 steel (1,2 %C) were heat treated as follows: controlled exposure at 860±10 °С and cooling in oil. It was discovered that strength 1250 MPa and impact toughness KC 250-300 J/cm2 are achieved if optimal time of exposure is provided. SEM (multiplication up to 100000) shows that structure of fine lamellar pearlite with pearlite colonies of 3-7мm appears in 1 mm surface layer.

Key words: high-carbon steel, heat treatment, strength, plasticity, fine lamellar pearlite.

УДК 669.15.74.194-15.669.17

Д-р техн. наук Л. С. Малинов, Д. В. Бурова ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

ПОВЫШЕНИЕ СВОЙСТВ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ

ЗАКАЛКОЙ ИЗ МЕЖКРИТИЧЕСКОГО ИНТЕРВАЛА ТЕМПЕРАТУР (МКИТ), СОЗДАЮЩЕЙ МНОГОФАЗНУЮ

СТРУКТУРУ

Показано, что изотермическая закалка из МКИТ по схеме «вода- печь» позволяет в среднеуглеродистых низколегированных сталях получить многофазную структуру (бейнит, феррит, метастабильный аустенит, в ряде случаев карбиды), обеспечивающую повышенный по сравнению с улучшением уровень механических свойств и абразивную износостойкость.

Ключевые слова: межкритический интервал температур (МКИТ), изотермическая закалка, многофазная структура, бейнит, метастабильный аустенит.

Введение

Важной научной и практической задачей, обеспечивающей ресурсосбережение, является повышение уровня механических свойств и износостойкости применяемых в промышленности сталей.

Во многих случаях для получения хорошего сочетания механических свойств у низколегированных сред-неуглеродистых сталей их подвергают улучшению, включающему закалку из аустенитной области и высокий отпуск. При этом зачастую в качестве охлаждающей среды при закалке используют дорогое и пожароопасное масло. Его же применяют для ускоренного охлаждения деталей после высокого отпуска с целью предотвращения высокотемпературной отпускной хрупкости у сталей, не содержащих молибден и вольфрам. После охлаждения в масле необходима промывка деталей, увеличивающая продолжительность технологического процесса.

Исходя из вышесказанного, улучшение требует значительных энергозатрат и большого количества расходных материалов. В связи с этим необходимо использование альтернативной технологии термообработки, лишенной указанных недостатков.

В работе [1] предложено для обеспечения повышенного уровня механических свойств в сплавах на желез-

ной основе получать многофазную структуру (мартенсит, нижний бейнит, феррит, карбиды и др.), одной из основных составляющих которой является метастабиль-ный аустенит, претерпевающий динамическое деформационное мартенситное превращение (ДДМП). С учетом требуемых механических свойств и условий нагружения при испытаниях или эксплуатации структурой и развитием ДДМП необходимо управлять [1]. Наряду с этим следует использовать другие известные механизмы упрочнения и повышения сопротивления хрупкому разрушению (зернограничный, субструктурный и др.).

Одним из вариантов реализации рассматриваемого направления по получению в сталях и чугунах многофазной структуры, в которой присутствует нижний бейнит, феррит (в ряде случаев карбиды) и остаточный метастабильный аустенит является применение изотермической закалки из МКИТ. Обычно изотермическую закалку проводят с нагревом в аустенитную область, последующим охлаждением и выдержкой в расплаве солей, которые неэкологичны и взрывоопасны при попадании в них влаги. Во многих работах высокий комплекс механических свойств и износостойкости после такой закалки сталей и высокопрочного чугуна объясняют только особенностями строения нижнего бейни-

© Л. С. Малинов, Д. В. Бурова, 2013

64

та. При этом влияние количества и стабильности остаточного аустенита, также присутствующего в структуре, обычно не учитывается. Между тем, они играют исключительно важную роль, что было показано еще в работе [2]. Установлено [3], что после изотермической закалки из МКИТ низколегированной стали 37ГС получение структуры, состоящей из феррита, бейнита и остаточного аустенита, превращающегося при испытаниях свойств в мартенсит деформации, позволяет обеспечить хорошее сочетание прочности и высокой пластичности, обычно не достигаемой в этой стали традиционными обработками. По данным авторов работы [3] получение в структуре остаточного аустенита обусловлено прежде всего перераспределением углерода между а- и у- фазами в МКИТ и обогащением им последней, но также протеканием этого процесса при ускоренном охлаждении до температуры начала интенсивного изотермического превращения и в процессе его развития, следствием чего является понижение мар-тенситной точки.

В последнее десятилетие появляются работы [4-6] по созданию, исследованию и промышленному применению низколегированных малоуглеродистых сталей (0,10-0,22 % С; 1,35 % Мп; 1,35 % 81), в которых также получают ферритно- бейнитно- аустенитную структуру. Достигаемую в этих сталях при повышенной прочности высокую пластичность объясняют эффектом ПНП (пластичность наведенная превращением), обусловленным ДДМП. Данные по изотермической закалке из МКИТ немногочисленны [7-10], особенно это относится к среднеуглеродистым низколегированным сталям.

Следствием этого является то, что такая термообработка на практике не применяется. В связи с этим необходимы дальнейшие исследования по данному вопросу, чему и посвящена данная работа.

Материалы и методика исследований

Для исследований были выбраны широко применяющиеся стали 30ХГСА, 38ХС, 40Г, 40Х, 40ХН2МА, химический состав и критические точки которых приведены в табл. 1.

Особенностью изотермической закалки, примененной в работе, являлось то, что она проводилась из МКИТ с охлаждением до температуры изотермы в воде, а не в

расплаве солей, как это обычно принято. Выдержка в бейнитном интервале осуществлялась в печи [11, 12]. В ряде случаев после нагрева в МКИТ проводилась кратковременная аустенитизация с нагревом выше Ас3 [13]. Полученные у исследованных сталей после изотермической закалки из МКИТ механические свойства сопоставлялись с таковыми, после изотермической закалки из аустенитной области и улучшения, которому они обычно подвергаются. Схемы изотермической закалки, которым подвергались и исследованные стали, приведены на рис. 1.

В работе применялись металлографический, дюро-метрический методы исследования и рентгеновский фазовый анализ. Механические свойства на растяжение определыялись по ГОСТ 1497-84, на ударную вязкость - по ГОСТ 9454-78.

Испытания на абразивную износостойкость проводились на установке типа Бринелля- Хауорта. В качестве абразива использовался песок с размером частиц 0,3-0,5 мм. Эталоном служили образцы соответствующих сталей после улучшения по типовому режиму.

Анализ полученных результатов

Механические свойства исследованных сталей после изотермической закалки из МКИТ в сопоставлении с полученными после аналогичной термообработки из аустенитной области и улучшения по типовому режиму приведены в табл. 2.

Из нее следует, что изотермическая закалка из МКИТ по рациональному для каждой стали режиму, позволяет получить более высокий уровень прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости, чем после улучшения. При этом прочностные свойства несколько ниже, а пластичность и ударная вязкость выше, чем после аналогичной изотермической закалки из аусте-нитной области.

Полученные результаты обусловлены следующим. Количественное соотношение структурных составляющих в исследованных сталях после изотермической закалки из МКИТ находится в следующих пределах: 1825 % феррита, 10-15 % остаточного аустенита, остальное - нижний бейнит. В структуре может присутствовать небольшое количество карбидов, не растворившихся при нагреве в МКИТ.

Марка стали С Мп Содержание легирующих элементов, % Ас1 Ас3

Мо Си Сг N1 Р Б

не более

30ХГСА 0,31 1,1 0,9 - 0,3 0,9 0,3 0,025 0,025 760 830

38ХС 0,39 1,3 0,4 - 0,3 1,4 0,3 0,035 0,035 740 810

40Г 0,40 0,20 0,8 - 0,30 0,03 0,3 0,035 0,035 723 785

40Х 0,41 0,27 0,73 - 0,05 0,89 0,04 0,011 0,032 743 815

40ХН2МА 0,40 0,2 0,7 0,2 0,3 0,8 1,4 0,025 0,025 730 820

Таблица 1 - Химический состав и температура критических точек сталей 30ХГСА, 3 8ХС, 40Г, 40Х, 40ХН2МА

а б в

Рис. 1. Схемы изотермической закалки, применявшиеся при исследованиях сталей:

а - выдержка в аустенитной области; б - выдержка в МКИТ; в - выдержка в МКИТ и кратковременный нагрев в аустенитную область

Таблица 2 - Механические свойства исследованных сталей после изотермической закалки из МКИТ, после аналогичной термообработки из аустенитной области и улучшения по типовому режиму

Сталь Режим термообработки Механические свойства

ст0,2, МПа стВ, МПа 5, % V, % кси, МДж/м2

30ХГСА Н. 880°С, 20', о.м., о. 540°С 1 ч., о.вз 847 1050 10 46 0,5

Н. 880°С, 20', о.в. до 300°С, и.в. 60', о.вз 1015 1220 11 47 0,8

Н. 790°С, 60', о.в. до 300°С, и.в. 60', о.вз. 806 867 25 62 1,4

38ХС Н. 900°С, 10', о.м., о. 630°С 1 ч., о.вз. 839 1070 12 45 0,7

Н. 900°С, 10', о.в. до 350°С, и.в. 30', о.вз. 1110 1120 10 42 0,7

Н. 780°С, 60', о.в. до 350°С, и.в. 30', о.вз. 900 1070 21 60 1,3

40Г Н. 820°С, 20', о.в., о. 550°С 1 ч., о.в. 810 1122 12 47 0,6

Н. 820°С, 20', о.в. до 400°С, и.в. 60', о.вз 1046 1092 10 40 0,5

Н. 760°С, 60', о.в. до 400°С, и.в. 60', о.вз. 810 949 24 62 1,6

40Х Н. 850°С, 20', о.м., о. 550°С 1 ч., о.вз. 807 1110 10 46 0,6

Н. 850°С, 20', о.в. до 400°С, и.в. 60', о.вз. 890 1090 12 48 0,7

Н. 780°С, 60', о.в. до 400°С, и.в. 60', о.вз. 934 1170 15 58 1,1

40ХН2МА Н. 830°С, 20', о.м., о. 550°С 1 ч., о.вз. 880 1180 12 49 0,8

Н. 830°С, 20', о.в. до 350°С, и.в. 60', о.вз. 950 1120 11 48 0,8

Н. 770°С, 60', о.в. до 350°С, и.в. 60', о.вз. 901 1011 19 65 1,4

Примечание: н.- нагрев, о.в. - охлаждение в воде, о.м.- охлаждение в масле, и.в. - изотермическая выдержка, о. - отпуск, о.вз.-охлаждение на воздухе.

Большое влияние на механические свойства оказывает остаточный аустенит, хотя его количество сравнительно невелико. Важно подчеркнуть, что он метаста-билен и при испытаниях механических свойств превращается в мартенсит деформации. На рис. 2 для стали 38ХС приведена дифрактограмма, из которой следует, что в образце до испытаний на растяжение в структуре было 12 % остаточного аустенита (рис. 2, а), а в зоне разрушения он не обнаружен (рис. 2, б), поскольку превратился в мартенсит деформации.

В условиях нагружения, когда дислокационный механизм пластической деформации исчерпан, она протекает за счет развития ДДМП [14]. При этом происходит релаксация микронапряжений [1]. Важную роль играет создание в бейните развитой субструктуры [7] и снижение его пересыщения углеродом, что достигается выбором температуры и выдержки в бейнитном интервале. Для исследованных сталей эти температуры составили 350-400 еС, а выдержки- 30-60 мин. Свой вклад в повышение пластичности исследованных сталей вносит и феррит, присутствующий в структуре в виде небольших сравнительно равномерно распределенных участков. Типичная микроструктура после изотермической закалки из МКИТ исследованных сталей приведена на рис. 3 для стали 30ХГСА. Следует подчеркнуть, что феррит должен иметь повышенную пластичность, т. к. он очищен от углерода в результате обогащения им аустенита в процессе выдержки в МКИТ и в бейнитном интервале температур, а также в процессе ускоренного охлаждения до температуры изотермы [3].

Количественное соотношение структурных составляющих, а следовательно, уровень механических свойств можно изменять в нужном направлении, варьируя тем-пературно-временные режимы в МКИТ и бейнитном интервале температур. Нагрев в МКИТ желательно проводить при температурах Ас1+ (70-90 °С). Более высокий нагрев в МКИТ увеличивает количество аустенита, а степень его обогащения углеродом снижает. В результате после изотермической закалки уменьшается в структуре количество феррита и метастабильного аустенита, придающих сталям повышенную пластичность.

Для исследованных сталей изотермическую выдер-

жку целесообразно проводить при 300-400 еС. Более низкие температуры выдержки создают в бейните более высокую степень его пересыщения углеродом, которая повышает прочностные и снижает пластические свойства исследованных сталей. При более высоких температурах изотермы образуется верхний бейнит, охруп-чивающий стали.

При выдержке 30-60 мин достигаются оптимальное количество аустенита в структуре и степень его стабильности, а в бейните формируется наиболее благоприятная дислокационная структура, что обеспечивает хорошее сочетание прочностных и пластических свойств.

Изотермическая закалка, включающая кратковременную аустенитизацию после выдержки в МКИТ, обеспечивает повышенный уровень механических свойств. После термообработки стали 30ХГСА по следующему режиму: нагрев на 790 °С, выдержка 60 мин., нагрев на 880 °С, выдержка 5 мин., охлаждение в воде до 300°С, изотермическая выдержка 60 мин., охлаждение на воздухе получены следующие механические свойства: ст0 2= 1319 МПа, ств = 1400 МПа, 5= 18 %, у = 56 %.

Кратковременный нагрев в аустенитную область после выдержки в МКИТ проводился для исключения феррита из структуры, сохранения обогащенных углеродом участков аустенита и дополнительного измельчения зерна. Полученные данные свидетельствуют о том, что кратковременная аустенитизация после с выдержки в МКИТ при последующей изотермической закалке повышает прочностные свойства и сохраняет высокую пластичность.

На рис. 4 приведены гистограммы абразивной износостойкости в сравнении с улучшением и твердости сталей 30ХГСА, 38ХС и 40Х после изотермической закалки из МКИТ. Из них следует, что изотермическая закалка из МКИТ существенно повышает сопротивление абразивному изнашиванию по сравнению с улучшением. Это также можно объяснить получением в структуре наряду с бейнитом, карбидами метастабиль-ного аустенита, претерпевающего ДДМП, на которое расходуется значительная часть энергии внешнего воздействия и, соответственно снижается доля энергии, идущая на разрушение материала [1, 2].

5i 53 54 55 56 57

ГР5Ч1

51 53 54 55 56 57

грвд

Рис. 2. Дифрактограмма стали 38ХС: а - сталь 38ХС до испытаний на растяжение; б - сталь 38ХС после разрушения

Рис. 3. Микроструктура стали 30ХГСА после изотермической закалки из МКИТ, х 500 х1,4

ЗОХГСА 38ХС 40Х

ве анкс

Рис. 4. Абразивная износостойкость и твердость сталей 30ХГСА, 38ХС и 40Х после изотермической закалки из МКИТ по рациональному режиму в сравнении с этими же свойствами после улучшения

В заключение следует подчеркнуть преимущества изотермической закалки из МКИТ в сравнении с улучшением по типовому режиму. Они таковы: повышение уровня механических свойств и абразивной износостойкости, исключение при термообработке среднеуг-леродистых низколегированных сталей масла, а также высокого отпуска после закалки. Это обеспечивает ре-сурсо- и энергосбережение. Не исключено, что для сталей, имеющих высокую устойчивость переохлажденного аустенита к распаду с образованием ферритно-карбидной смеси, охлаждение из МКИТ до температуры изотермы можно проводить на воздухе.

Выводы

1. Изотермическая закалка исследованных сталей из МКИТ по схеме «вода-печь» является альтернативой улучшению. Она обеспечивает ресурсо- и энергосбережение.

2. Повышенный по сравнению с улучшением уровень механических свойств и абразивной износостойкости после изотермической закалки из МКИТ обусловлен получением мелкозернистой дисперсной многофазной структуры, включающей нижний бейнит, метастабильный аустенит, феррит, очищенный от углерода, в ряде случаев карбиды, не растворившиеся при неполной аустенитизации.

3. Для каждой стали режим изотермической закалки из МКИТ должен быть подобран с учетом получения заданного уровня механических свойств и износостойкости.

4. Проведение кратковременной аустенитизации

после выдержки в МКИТ позволяет повысить прочностные свойства и сохранить высокую пластичность.

Список литературы

1. Малинов Л.С. Разработка экономнолегированных высокопрочных сталей и способов упрочнения с использованием принципа регулирования мартенситных превращений: дис. ... доктора техн. наук : 05.16.01 / Екатеринбург, 1992. 381 с.

2. Влияние изотермической закалки на количество, стабильность остаточного аустенита и свойства конструкционных сталей / Л. С. Малинов, А. П. Чейлях, Е. Я. Харла-нова и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1989. - № 12. - С. 12-15.

3. Петруненков А. А Структура низколегированных сталей с ПНП-эффектом после термической обработки и деформации / А. А. Петруненков, В. В. Яровой, Б. А. Букре-ев // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1991. - № 7. - С. 7780.

4. Vasilakos A.N. Low-alloy TRIP-steels: a correlation mechanical properties and the retained austenite stability/ A.N. Vasilakos, J. Ohlert, G. Katerina// Steels Res. -2002.73. - N 6-7. - Р. 249-252.

5. Streicher A.M. Forming response of retined austenite in C- Si-Mn high strength TRIP sheet steels / A.M. Streicher, J.G. Speer, D.K. Matiok// Steels Res. - 2002.73. - N 6-7. -Р. 287-293.

6. Speers J. G. Recent developments in low- carbon sheet steels / J.G. Speers, D.K. Metlock // JOM. J. Miner., Metalls and Mater. Soc. - 2002.54. - N 7. - Р. 19-24.

7. Малинов Л. С. Повышение свойств сталей и высокопрочного чугуна получением в них многофазных структур, включающих бейнит и метастабильный аустенит / Л. С. Малинов // Металл и литье Украины. - 2004. -№ 7. - С. 8-10.

8. Малинов Л. С. Повышение свойств низколегированных сталей путем термообработки после нагрева в межкритическом интервале температур / Л. С. Малинов, Д. В. Ма-линова // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2011. - № 1. - С. 63-66.

9. Малинов Л. С. Способы термообработки сталей с нагревом в межкритический интервал температур (МКИТ) для повышения их механических свойств / Л. С. Малинов, О. А. Васенко, Д. В. Малинова // Металл и литье Украины. - 2012. - № 1. - С. 18-22.

10. Малинов Л. С. Влияние термообработки с нагревом в межкритический интервал температур на свойства сталей 60С2А и 60С2ХФА / Л. С. Малинов, И. Е. Малышева, Д. В. Малинова // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2012. - № 1. - С. 55-58.

11. Декл. Пат. на корисну модель UA 6414 Украша, С21Д1 / 00. Способ термообработки / Л. С. Малинов ; опубл. 16.05.2005, Бюл. № 5.

12. Пат. UA 79717 Украша, С21Д1/ 06, С21Д1/ 18. Споаб термообробки / Л. С. Малшов. - Опубл. 10.07.2007. Бюл. №10.

13. Пат. UA 95409 Украша, С21Д1/ 06, С21Д1/ 18, С21Д1 / 78. Споаб термообробки / Л. С. Малшов, Д. В. Малшо-ва ; опубл. 25.07.2011, Бюл. №14.

Одержано 21.11.2013

Малинов Л.С., Бурова Д.В. Шдвищення властивостей середньовуглецевих низьколегованих сталей i30TepMi4H0r0 загартування з м1жкритичного iнтервалу температур (МКГГ), що створюе багатофазну структуру

Показано, що isomepMiHHe гартування is МК1Т за схемою «вода-niH» дозволяе в середньовуглецевих низьколегованих сталях отримати багатофазну структуру (бейнт, ферит, метастабiльний аустенiт, у низк випадтв карбiди), яка забезпечуе порiвняно з полiпшеннямрiвень механiчних властивостей i абразивну зносостштсть.

Ключовi слова: мiжкритичний iнтервал температур, iзотермiчне гартування, багатофазна структура, бейнт, метастабшьний аустетт.

Malinov L., Burova D.Increase of properties of medium-carbon low-alloy steels by isothermal tempering from intercritical temperature interval (ITI), which creating multi-phase structure

It was shown that isothermal quenching from intercritical temperature interval (ITI) of the scheme «water-furnace» allows in medium-carbon low-alloyed steels creating multi-phase structure (beynytic, ferrite, metastable austenite in some cases carbides), providing high (compared with improvement) level mechanical properties and abrasion resistance.

Key words: intercritical temperature interval (ITI), isothermal tempering, multi-phase structure beynite, metastable austenite.

ПОВЕРХНОСТНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИЗ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ

Рассмотрено влияние поверхностного легирования на коррозионную стойкость и износостойкость. Установлена взаимосвязь между структурой, фазовым составом поверхностного слоя и эксплуатационными показателями деталей.

Ключевые слова: графит, поверхностное легирование, упрочнение, жаростойкость, адгезионная прочность, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, диффузия, микроструктура, поверхностный слой, коррозионная стойкость, износостойкость.

УДК 621.793.6:669.35

Канд. техн. наук С. Н. Ткаченко Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье

Введение

Поверхностное легирование материалов широко используется в технике для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин. Поверхностно легированные материалы [1] имеют более высокие эксплуатационные характеристики, чем неупрочненные. В условиях современного развития экономики Украины особо остро стоит проблема создания новых конструкционных материалов, способных работать в условиях высоких температур, химического сопротивления и больших динамических нагрузок [1]. Большинство деталей машин подвержено изгибу и кручению, при которых напряжения растут в направлении к поверхности. Разрушение деталей в процессе эксплуатации, как

правило, начинается с поверхности, где расположены основные источники концентрации напряжений. Поэтому особенно важно повышать прочность именно поверхностных и приповерхностных слоёв [2]. Долговечность деталей и узлов, работающих в агрессивных средах при высоких температурах, во многом зависит от состава, структуры и свойств поверхностного слоя [3-5]. Разработка эффективных процессов создания слоев с повышенными эксплуатационными характеристиками диффузионных процессов основана на глубоком изучении диффузионных процессов, на развитии теории переноса элементов при насыщении ими поверхностных слоев металлов, сплавов и на их основе интерметаллидов, глубоком изучении механизмов фор-

© С. Н. Ткаченко, 2013