Выбор оптимальных режимов термической обработки порошковой стали сп80н4д2м с наноразмерными добавками Ni и NiO

Металлургия и материаловедение

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВОЙ СТАЛИ СП80Н4Д2М С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ДОБАВКАМИ NI И NIO Еремеева Жанна Владимировна, д.т.н., профессор, профессор

Тер-Ваганянц Юлия Суреновна, старший преподаватель Национальный исследовательский технологический университет

«МИСиС»

Определенные особенности порошковых сталей (пористость, химическая неоднородность и т.д.) затрудняют применение термической обработки (ТО), которая используется для компактных сталей. Поэтому для получения требуемых свойств необходимо разрабатывать индивидуальные режимы термообработки для каждой порошковой стали. Были изучены основные закономерности структурных и фазовых превращений порошковой стали СП80Н4Д2М с наноразмерными добавками Ni и NiO при проведении закалки по различным режимам.

Ключевые слова: порошки, сталь, добавки

Влияние структуры порошковых сталей на термодинамику образования зародышей новой фазы и кинетику превращения можно регулировать технологией изготовления изделий. При одной и той же пористости изделия использование высоких температур спекания, длительных выдержек, горячего прессования, которые способствуют уменьшению неоднородности структуры и пористости, разрушению межчастичных границ приближает критические точки порошковых сталей к соответствующим критическим точкам компактных материалов. С увеличением пористости склонность к росту зерна уменьшается, но такие легирующие компоненты как медь, никель, молибден повышают склонность к росту зерна аустенита. Термическая обработка является эффективным способом повышения механических свойств спеченных легированных сталей. Самым эффективным методом повышения физико-механических свойств является закалка с последующим отпуском [2-3].

На основании анализа литературных источников были выбраны следующие температуры нагрева под закалку: 850, 900, 950, 1000 и 1050 оС, время выдержки при этих температурах - 15, 30 и 45 мин., закалочная среда - вода и масло.

Нагрев под закалку осуществляли в атмосфере водорода в водородных проходных печах.

Твердость после закалки с различной температурой и временем выдержки перед закалкой в течение 15, 30 и 45 мин. в воду и масло приведена в таблицах 1 и 2.

При закалке в масло твёрдость ниже, чем при закалке в воде, но наблюдается повышение прочности. Объясняется это тем, что более «мягкая» закалка в масло снижает величину и неоднородность внутренних напряжений и обеспечивает более устойчивое состояние структуры по сравнению с закалкой в воду.

Таблица 1 - Твердость HRA образцов стали СП80Н4Д2М с наноразмер-

ным № после закалки

Температура закалки, С Время выдержки

15 минут 30 минут 45 минут

Среда охлаждения

вода масло вода масло вода масло

850 58±2 59±2 64±2 64±2 62±2 61±2

900 52±2 50±2 58±2 54±2 56±2 52±2

950 43±2 50±2 49±2 53±2 47±2 52±2

1000 41±2 38±2 46±2 42±2 44±2 40±2

1050 35±2 36±2 39±2 39±2 37±2 36±2

Таблица 2 - Твердость HRA образцов стали СП80Н4Д2М с наноразмерным №О после закалки

Температура закалки, С Время выдержки

15 минут 30 минут 45 минут

Среда охлаждения

вода масло вода масло вода масло

850 56±2 51±2 59±2 55±2 57±2 54±2

900 48±2 47±2 57±2 52±2 55±2 51±2

950 44±2 48±2 48±2 51±2 46±2 50±2

1000 37±2 40±2 42±2 44±2 40±2 42±2

1050 34±2 39±2 39±2 45±2 38±2 43±2

На основании полученных данных рекомендуемое время выдержки перед закалкой - 30 минут. Температура закалки для стали СП80Н4Д2М с наноразмерными № и №0 - Т=850оС;

Для оценки полученных после проведения закалки по выбранным режимам структур материала был проведен металлографический анализ на микроскопе НЕОФОТ-21. Микроструктура закаленной легированной стали представлена на рисунке 1.

а- сердцевина б - поверхность

Рисунок 1 - Микроструктура низколегированной стали СП80Н4Д2М с N1-

нано после закалки

После проведения закалки структура неоднородна, следует отметить неполное превращение аустенита в мартенсит, что вызвано неоднородностью полученной после спекания структуры. Изучение микроструктуры образцов показало наличие на поверхности мартенситной структура с включениями остаточного аустенита. Выделившиеся мелкие карбидные частицы образуют на поверхности мартенситных игл шероховатости. В структуре сердцевины наблюдается сорбит и остаточный аустенит. При закалке происходит повышение твердости и прочности порошковых низколегированных сталей и снижение пластических характеристик, что отчетливо видно на изломе, который имеет хрупкий транскристаллитный ручьевой вид. Оставшийся нерастворенным углерод является центром трещино-образования (рисунок 2).

Рисунок 2 - Фрактография изломов стали СП80Н4Д2М с №-нано после закалки

Промышленное применение порошковых сталей после закалки затрудняется, за счет того, что они обладают неравновесной структурой, повышенной твердостью и низкими пластическими характеристиками. Поэтому после закалки проводят отпуск [1].

Исходя из данных литературных источников, были выбраны следующие режимы отпуска:

Температура: 300, 400, 500, 600 оС, Время выдержки: 30, 60 и 90 мин.

В таблицах 3-4 приведены результаты исследования влияния температуры отпуска на механические свойства при выдержке в течение 30 мин, 60 мин и 90 мин.

Таблица 3 - Влияния температуры отпуска на механические свойства по_рошковой стали СП80Н4Д2М (время выдержки 30 минут)_

Температура отпус- огч ка, С СП80Н4Д2М с 1% №-нано СП80Н4Д2М с 1% №О-нано

Механические свойства

5, % св, МПа HRA 5, % ов, МПа HRA

300 4,0±0,3 755±10 58±3 2,5±0,2 735±10 57±3

400 4,5±0,3 700±10 59±3 3,0±0,2 740±10 60±3

500 5,5±0,3 785±10 64±3 4,5±0,2 755±10 61±3

600 5,0±0,3 750±10 55±3 5,0±0,2 730±10 57±3

Таблица 4 - Влияния температуры отпуска на механические свойства по_рошковой стали СП80Н4Д2М (время выдержки 60 минут)_

Температура отпус- огч ка, С СП80Н4Д2М с 1% №-нано СП80Н4Д2М с 1% №О-нано

Механические свойства

5, % ов, МПа HRA 5, % ов, МПа HRA

300 4,5±0,3 745±10 2,0±0,2 730±10

400 4,5±0,3 770±10 63±5 3,0±0,2 760±10 63±5

500 5,0±0,3 780±10 57±5 5,0±0,2 780±10 57±5

600 4,5±0,3 775±10 58±5 5,5±0,2 755±10 57±5

Таблица 5 - Влияния температуры отпуска на механические свойства по_рошковой стали СП80Н4Д2М (время выдержки 90 минут)_

Температура отпус- огч ка, С СП80Н4Д2М с 1% №-нано СП80Н4Д2М с 1% №О-нано

Механические свойства

5, % ов, МПа HRA 5, % ов, МПа HRA

300 3,0±0,3 675±10 2,5±0,2 690±10

400 4,5±0,3 620±10 61±3 3,5±0,2 720±10 60±3

500 5,3±0,3 635±10 55±3 4,6±0,2 710±10 57±3

600 5,5±0,3 670±10 55±3 5,5±0,2 710±10 57±3

Из данных таблиц 3-5 следует, что во всех случаях с повышением температуры отпуска падают прочность и твердость. В меньшей степени это проявляется у образцов с наноразмерным никелем. Это можно объяснить

гомогенностью мартенсита закалки и малыми размерами его игл, которые трудно поддаются разупрочнению.

Для оценки полученных после проведения закалки и отпуска по выбранным режимам структур был проведен металлографический анализ на микроскопе НЕОФОТ-21.

Микроструктуры образцов порошковых низколегированных сталей после проведения отпуска по оптимальным режимам представлены на рисунке 3.

а - с нано-№; б - с нано-№0

Рисунок 3 - Микроструктуры стали СП80Н4Д2М после отпуска

После отпуска структура стала более гомогенной, в структуре присутствует сорбит и цементит. После отпуска при температуре 500-600 оС структура состоит из тонкого сорбита с мелкими карбидами сферической формы, что обусловлено мелким наследственным зерном аустенита и большой исходной дисперсностью мартенсита. Структура стали СП80Н4Д2М с на-норазмерными добавками отличается тонким строением и частичной сфе-роидизацией цементита. При этих температурах отпуска наблюдается изменение морфологии сорбита и цементита, образовавшегося при закалке мартенсита. Размер зерен при отпуске уменьшается с уменьшением размеров зерен аустенита и мартенсита, а также увеличивается с увеличением плотности дефектов.

Для определения, как проходит разрушение в порошковых легированных сталях после проведения термической обработки (закалка и отпуск), проводилось фрактографическое исследование изломов на сканирующем электронном микроскопе Б-3400№. Фрактографическое исследование изломов образцов спеченных порошковых сталей после проведения отпуска по оптимальным режимам представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Фрактография изломов стали СП80Н4Д2М после проведения термической обработки

Исследование изломов после проведения отпуска показало формирование фасеток межкристаллитного разрушения и участки мелкоямочного рельефа. Поры имеют округлую или овализированную форму, мелкие и равномерно расположены в объеме порошковых заготовок.

После анализа результатов по свойствам и структуре полученных порошковых спеченных низколегированных сталей оптимальными режимами термической обработки выбраны: Для проведения закалки:

Температура нагрева под закалку 850оС; время нагрева под закалку - 30 минут; среда охлаждения - масло. Для проведения отпуска:

Температура нагрева - 600 оС; время выдержки - 60 мин.

Список литературы

1. Анциферов В.Н., Буланов В.Я., Оглезнева С. А. Порошковые стали с нанораз-мерными фазами. Екатеринбург: УрОРАН. 2008. 188 с.

2. Nasibulin A.G., Queipo P., Shandakov S. D., Brown D. P., Jiang H., Pikhista P. V., and Kauppinen E. I. Studies of Mechanism of Single-Walled Carbon Nanotube Formation // Journal of Nanoscience and Nanotechnology.- 2006.-V. 6.-P. 1-14.

3. Анциферов В.Н., Оглезнева С.А., Штейникова В.В., Сталина А.Е. Получение, структура и свойства нанопорошка никеля и материалов с его использованием/ Нано-технологии и наноматериалы Пермского края: сб. статей/ под ред. В.Н. Анциферова. - Пермь: Пермский ЦНТИ, 2009. С.21-26.

Eremeeva Zhanna Vladimirovna, doctor of technical Sciences, Professor, Professor

Ter-Vaganyan Julia surenovna, senior lecturer

National research University of technology "MISiS"

SELECTION OF OPTIMAL HEAT TREATMENT MODES FOR SP80N4D2M POWDER STEEL WITH NANOSCALE NI AND NIO ADDITIVES

Certain features of powder steels (porosity, chemical heterogeneity, etc.) make it difficult to apply heat treatment (TO), which is used for compact steels. Therefore, to obtain the required properties, it is necessary to develop individual heat treatment modes for each powder steel. The main regularities of structural and phase transformations of sp80n4d2m powder steel with nanoscale Ni and NiO additives during quenching under different modes were studied. Keywords: powders, steel, additives

а - с нано-Ni;

б - с нано-NiO