Упрочнение аустенитных сталей холодной пластической деформацией

материаловедение и технология машиностроения

УДК 621.86.065 В.А. Бубнов

Курганский государственный университет

упрочнение аустенитных сталей холодной пластической деформацией

Аннотация. Статья посвящена аустенитным сталям, их применению в различных отраслях машиностроения. Рассмотрено влияние холодной пластической деформации на механические и физические (магнитные) свойства материала. Представлена качественная и количественная оценка перехода аустенита в мартенсит деформации в зависимости от степени деформации. Даны рекомендации для снижения металлоемкости машин и аппаратов за счет упрочнения пластическим деформированием.

Ключевые слова: аустенитные стали, аусте-нит, мартенсит, пластическая деформация, степень деформации, кольцевые заготовки и детали.

V.A. Bubnov Kurgan State University

cold plastic deformation hardening of austenitic steels

Annotation. The article is devoted to austenitic steels, and their application in various branches of engineering. We consider the effect of cold plastic deformation on the mechanical and physical (magnetic) properties of the material. We presented a qualitative and quantitative evaluation of the transition of austenite to deformation martensite, in depending on the degree of deformation. We suggest recommendations for the reduction of metal consumption of machines and devices by means of plastic deformation hardening.

Keywords: austenitic steel, austenite, martensite, plastic deformation, the degree of deformation, ring blanks and parts.

в которых содержится аустенит при охлаждении до комнатной температуры [1]. Это хромоникеле-вые стали с содержанием хрома от 10 до 27% и никеля более 7% по ГОСТ 5632-72 [2]. Стандарт предусматривает порядка 50 марок сталей данного класса.

При изготовлении различного технологического оборудования из аустенитных сталей широко используются технологические процессы с применением пластического деформирования (гибка, вальцовка, штамповка, калибровка, правка, поверхностное обкатывание). Пластическая деформация в холодном состоянии приводит к активному изменению физических и механических свойств материала, оказывает влияние на несущую способность конструкций.

а - исследуемые элементы, б - образцы из исходного материала; в - из растянутой пластины; г - из гнутого бруса; д - из обечайки Рисунок 1 - Исследуемые элементы, схемы деформирования и схемы вырезания образцов для испытания на растяжение

В химическом, нефтяном и пищевом машиностроении, в медицинской технике и оборудовании для атомных электростанций широкое применение находят аустенитные стали. Этот класс сталей характерен тем, что при достаточно высоком содержании ряда легирующих элементов (Сг, № - расширяющих Y область) получаются стали,

В Курганском машиностроительном институте, а затем в Курганском государственном университете и Курганском заводе химического машиностроения при участии Московского «НИИХИММАШа» уже более 30 лет ведутся работы по исследованию изменения физических и механических свойств аустенитных сталей на при-

мере 12Х18Н9Т и 12Х18Н1ОТ при холодной пластической деформации в зависимости от степени деформации (е0). Интервал исследования по степени деформации е0 = (0 45) % [3].

Исследование механических свойств проводилось на образцах изготовленных из исходного материала и из металла, прошедшего упрочнение пластическим деформированием в полном объеме (растяжением, сжатием, пластическим изгибом). Исходные элементы, схемы деформирования и схемы вырезания образцов представлены на рисунке 1. На рисунке 2 представлено изменение механических характеристик этих сталей в зависимости от степени деформации ( е0, ), а на рисунке 4 изменение ударной вязкости этой же стали.

Для большей достоверности испытания повторялись несколько раз на различных поставках (плавках) металла и параллельно были проведены в лаборатории прочности «НИИХИММАШа» (г. Москва) на материалах, представленных Курганским заводом химического машиностроения.

Рисунок 2 - Механические характеристики стали 12Х18Н10Т в зависимости от степени деформации е0

Механические характеристики сталей различных поставок имеют значительные расхождения по величине, однако характер упрочнения и зависимость механических характеристик от степени деформации имеют одни и те же закономерности.

Предел прочности (ав) и предел текучести (аТ) увеличивают свои величины при наклепе наиболее активно в начальный период упрочнения при степенях деформации е0 < 5%.

Остаточное относительное удлинение (б) несколько активнее снижает свою величину в начальный период упрочнения (е0 < 5%), а далее активность этого снижения уменьшается, и оно имеет равномерный характер.

Остаточное относительное сужение (ф) мало изменяет свою величину, а в области е0 < 5% эта характе р и ст и ка п л а ст и ч н о сти м ате р и ал о в оста ет-

ся практически неизменной. Для стали 12Х18Н10Т при степени деформации е0 < 15% снижение остаточного относительного сужения не превышает 4%. Незначительное изменение остаточного сужения у сталей, прошедших упрочнение холодной пластической деформацией, на основе анализа многочисленных диаграмм растяжения (Р - А1) и механизма образования шейки на образце при испытании образцов на растяжение может быть объяснено тем, что образование шейки начинается при условном напряжении, меньшем предела прочности (ав) или равном ему [4]. Характер участка диаграммы за точкой, характеризующей предел прочности, не имеет значительных отличий для исходного и деформированного материала. Основное отличие в диаграмме находится на той части, которая соответствует деформированию от начала растяжения до предела прочности. К началу же образования шейки неупрочненный образец удлинился несколько больше и изменил свою первоначальную площадь поперечного сечения больше, чем образец из упрочненного материала. Но так как на величину остаточного относительного сужения или, точнее говоря, на величину конечной площади Fк более сильно влияет та часть изменения площади поперечного сечения, которая происходит после начала образования шейки, то и величины этих изменений существенных отличий для упрочненных и неупрочненных материалов не имеют, и величина остаточного относительного сужения для упрочненной стали не показывает значительного снижения против исходной неупрочненной стали.

В Институте физики металлов Уральского научного центра АН СССР были проведены исследования механических и магнитных свойств образцов холоднокатаных труб из нержавеющей (аустенитной) стали ОХ18Н10Т при степенях деформации е0 = 5 45% [5]. Пластическая деформация аустенитных нержавеющих сталей типа 18-8 приводит к изменению их фазового состава вследствие протекания у - а превращения. Возникающая при этом а - фаза (мартенсит деформации) оказывает существенное влияние на механические и магнитные свойства. По материалам исследований на рисунке 3 представлены зависимости изменения предела текучести аТ, предела прочности ав и остаточного относительного удлинения б% [5].

Характер и закономерность деформационного упрочнения аустенитных сталей по этим механическим характеристикам, полученные нами (рисунок 2) и в работе [5], совпадают.

Значительный интерес представляет поведение ударной вязкости для аустенитных сталей при упрочнении их холодной пластической деформацией (рисунок 4).

Рисунок 3 - Механические характеристики образцов холоднокатаных труб из стали 0Х18Н10Т в зависимости от степени деформации, по данным Института физики металлов Уральского научного центра АН СССР

Рисунок 4 - Зависимость ударной вязкости (KCU, KCV) от степени деформации

Установлено, что ударная вязкость при -20оС выше, чем при +20оС. Это отличительная особенность аустенитных сталей. Результаты испытаний на ударный изгиб упрочненной стали 12Х18Н10Т показывают, что ударная вязкость в зависимости от степени деформации в интервале е0 = 20% меняется незначительно как при температуре +20оС, так и при температуре -20оС и -40оС. Так сталь 12Х18Н10Т при величине ударной вязкости исходного материала KCU = 262 после холодного пластического деформирования (е0 = 20%) имела практически почти такую же величину KCU = (256 ± 262). При величине е0 < 10% изменение ударной вязкости для стали 12Х18Н10Т по параметру обнаружить не удалось. Изменение ударной вязкости для сталей 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т в зависимости от степени деформации по параметру KCV существенного отличия от параметра KCU не имеет. Зависимость изменения ударной вязкости аустенитных сталей 12Х18Н9Т и

12Х18Н10Т от степени деформации при отрицательных температурах (-20оС) носит тот же характер, что и при положительных.

Анализ технологических операций, выполненных с применением холодного пластического деформирования, показывает, что подавляющее их большинство выполняется при величине степени деформации е0 < 10% (вальцовка обечаек и конусов, гибка труб, правка, гибка фланцев из полосы, калибровка кольцевых деталей и заготовок пластическим растяжением и обжатием). Материалы выполненных исследований изменения ударной вязкости при деформационном упрочнении ау-стенитных сталей позволяют сделать вывод, что ударная вязкость этих сталей при степени деформации е0 < 10% практически сохраняет величину ударной вязкости исходного материала или близка к ней.

Для комплексной оценки работоспособности деталей машин и аппаратов, прошедших деформационное упрочнение (наклеп), значительный интерес представляют исследования наклепа на усталостную прочность материала в условиях работы при циклически меняющихся напряжениях. Нами выявлялось влияние деформационного упрочнения на предел выносливости aR. Испытания проводились при симметричном цикле нагружения в условиях чистого изгиба на установке МУИ-6000. Образцы вырезались и изготовлялись из прутков, прошедших упрочнение пластическим растяжением (рисунок 5 а, б).

Полученные экспериментальные результаты статистически обрабатывались по ГОСТ 25.502-79 [6]. По результатам испытаний построены кривые усталости (кривые Велера) в полулогарифмических координатах (рисунок 5 в).

Из анализа кривых усталости следует, что их расположение для упрочненной стали выше кривой усталости исходного материала (кривая 1), и тем выше, чем выше степень деформации е0. Следовательно, сталь аустенитного класса проявляет способность к упрочнению не только по пределам текучести aT, прочности ав, твердости (НВ), но и по пределу выносливости (а-1). Все эти механические характеристики повышаются в зависимости от степени деформации. Нами исследовалось поведение этих характеристик в интервале степени деформации е0 = 0-20%.

Результаты испытаний упрочненной аустенит-ной стали 12Х18Н10Т на усталостную прочность показали существенное повышение предела выносливости (а-1) в зависимости от степени деформации и представлены на рисунке 6.

Изменение фазового состава аустенитных сталей с содержанием никеля от 8 до 12% пластической деформации ведет к изменению магнитных свойств этих сталей, так как a - железо обладает магнитными свойствами, а у у - железа они отсутствуют. Немагнитные аустенитные стали до деформации становятся магнитными после дефо рма ции , и при это м че м в ы ше сте п е н ь де-

формации, тем сильнее проявляются магнитные свойства.

а - схема деформирования исходного металла; б - образцы для испытания на усталость; в - кривые усталости Рисунок 5 - Исследование прочности стали 12Х18Н10Т при циклически меняющихся напряжениях в зависимости от степени деформации материала е0

[5; 7; 8]. Нами были проведены исследования перехода аустенита в мартенсит при холодной пластической деформации на примере аустенит-ной стали 12Х18Н10Т в зависимости от степени деформации (е0). Исследования проводились с целью качественной и количественной оценки этого процесса. Была сделана попытка определения количественного перехода у - железа в а - железо при холодном пластическом деформировании аустенитных сталей в интервале степени деформации е0 = (0-45%) и установлении возможной глубины этого перехода. Исследования проводились на цилиндрических образцах диаметром d0=10 мм, высотой h0 = 10 мм и h0 = 15 мм (рисунок 7). Сжатие образцов выполнялось на разрывных машинах с усилием сжатия (или растяжения) Р=10 тс и Р=25 тс.

Рисунок 6 - Зависимость предела выносливости о-1 от степени деформации (е0) для аустенитной стали 12Х18Н10Т

Итак, при холодном пластическом деформировании аустенитных сталей наблюдается деформационное упрочнение за счет одновременного протекания двух процессов: дислокационного и фазового перехода y - железа в a- железо с образованием мартенсита деформации.

На основании аппроксимации экспериментальных данных получена зависимость для определения предела выносливости аустенитных сталей, прошедших деформационное упрочнение (интервал е0 = 0 20%), в зависимости от исходного предела выносливости и степени деформации: о-1д = а-1 + (5,7 - 0,06е0) е0, где а-1д - предел выносливости деформированной (упрочненной) стали; а-1 - предел выносливости исходной недеформированной стали; е0 - степень деформации в %.

Значительный интерес представляет процесс перехода аустенита в мартенсит в аустенитных ст а л я х п р и х_ол од н о й пласт и ч е с к о й д е ф о р мации

Рисунок 7 - Схема деформирования и исходный образец

После изготовления шлифов на металлографическом микроскопе качественно оценивался переход аустенита в мартенсит ^е ^ аFe) при увеличении в 200 раз. Результаты этих исследований представлены на рисунке 8. На снимках видно, что при степенях деформации е0 = 23%, е0 = 33,3% и е0 = 40,4% значительная часть аустенита перешла в мартенсит.

Одновременно проявляется активное изменение магнитных свойств. Деформированные образцы стали чувствительны к воздействию на них магнитом.

Для более качественной оценки фазового перехода по представленным образцам в лаборатории материаловедения Института физики металлов Уральского отделения РАН магнитометрическим методом была сделана количественная оценка перехода аустенита в мартенсит в зависимости от степени деформации. Механизм изменения структуры аустенитной стали 12Х18Н10Т от воздействия холодной пластической деформации на основании изменения магнитных свойств материала показал довольно точную количественную оценку аустенитно-мартенситного перехода в зависимости от степени деформации £0 (таблица 1).

б) 8д=6,6% 700 мкм 70 мкм

___и___и_б) 80= 16% 700 мкм 70 мкм

г) 80=23% 700 мкм 70 мкм

_:_ I _ I д) 80=33,3% 700 мкм 70 мкм е)

80=40,4% 700 мкм 70 мкм

а - структура аустенитной недеформированной стали, б, в, г, д, е - структуры деформированной стали на различную степень деформации Рисунок 8 - Структура аустенитной стали 12Х18Н10Т в зависимости от степени холодной пластической деформации

е0 в сравнении со структурой а - железа

Таблица 1 - Оценка аустенитно-мартенситного перехода в зависимости от степени деформации е0

Усилие сжатия Р кг Степень деформации £0 = •100% Логарифмическая степень деформации £0 = процент мартенсита

0 (исходный материал) 0 0 15,7

3000 1 0,01 18,9

6000 11,2 0,12 21,3

9000 20,3 0,23 40,0

12000 32,7 0,40 54,4

15000 42 0,54 54

Из полученных результатов видно, что чем выше степень деформации, тем больше аусте-нита переходит в мартенсит. В исследуемом интервале деформации е0 = (0-45%) при е0 = 42% мартенсита в деформированном материале оказалось 54,4%, что говорит о том, что полного перехода аустенита в мартенсит добиться не удалось и в деформированном металле структура аусте-нитно-мартенситная. Добиться полного перехода аустенита в мартенсит в аустенитных сталях при холодном пластическом деформировании невозможно (рисунок 9).

55,0

50,0

45 0

«3

=3 4П 0

35,0

й-

3U.U

йи

20,0

* 15,0

10.0

/

/

/

Г

ристик упрочненных аустенитных сталей после 3-летнего и 5-летнего естественного старения, механические характеристики не изменялись, оставались стабильными.

Активное упрочнение аустенитных сталей пластическим деформированием с сохранением при этом сталями высокой пластичности дает основание для широкого применения упрочняющих металлосберегающих технологий. Особый эффект можно получать на деталях и узлах кольцевой формы (рисунок 10).

В целях повышения точности заготовок и деталей можно успешно применять калибровку кольцевых элементов растяжением пластической деформацией или обжатием в специальных многосекционных штампах на гидравлических прессах или специальных клиновых прессах (рисунок 10), добиваясь при этом одновременно и повышения несущей способности этих элементов за счет повышения прочностных характеристик материала [9; 10; 11; 12]. Величину степени деформации при выполнении калибровки кольцевых деталей из пластичных аустенитных сталей следует рекомендовать в пределах е0 = (1,6-2,5)%.

Рисунок 9 - Количество мартенсита (ОЦК - фазы) в холодно-деформированной стали 12Х18Н10Т в зависимости от степени деформации е0

Как уже ранее отмечалось, большинство технологических операций, связанных с холодной пластической деформацией, производится при степени деформации е0 < 10%. При такой степени деформации мартенсита содержится не более 20%, а основная часть остается аустенитной структурой (y фаза = 80%).

Следует заметить, что повышение прочностных характеристик аустенитных сталей (апц, аТ, ав, а-1, НВ), полученное при холодной пластической деформации, с течением времени (естественное старение) не исчезает и не изменяется. На заводе Курганхиммаш и в Курганском машиностроительном институте (период 1985-1995 гг.) был и проведены оценки механических характе-

а - фланцы аппаратов; б - обечайки; в - бандажи, кольца с профильным сечением и из профильного проката; г - конусы; д - днища сферические и эллиптические; е - роторы центрифуг; ж, з - схемы деформирования пластическим растяжением в секционных штампах;

и - деформирование пластическим обжатием. Рисунок 10 - Детали и узлы кольцевой формы и схемы деформирования

Так, для кольцевых деталей (обечайки, бандажи, заготовки фланцев, кольца жесткости) можно обеспечивать овальность (ДD = Dmax-Dmin) в пределах ДD=0,31,2 мм для диаметров Dв = 400-2000 мм, а колебание длины развертки не превышает 0,05%. Это позволяет существенно уменьшать припуски под механическую обработку, а для деталей и заготовок без механической о б ра б от к и - п о в ысит ь качест во сборочных и сва-

рочных работ, значительно снизить подгоночные работы.

Вследствие повышения прочностных характеристик (aT, ав, а-1) аустенитных сталей при пластическом деформировании в расчетах на прочность целесообразно рассматривать вопрос о повышении допускаемых напряжений [а] на 15^20%, но при этом в технических требованиях на изготовление детали или узла должно быть заложено требование о проведении упрочняющей технологии (операции) с указанием степени деформации.

Список литературы

1 Гуляев А. П. Металловедение. М. : Металлургия, 1986. 544 с.

2 ГОСТ 5632-72. стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные марки. М., 1972. 59 с.

3 Бубнов В. А. Деформационные упрочнение аустенитных сталей и снижение металлоемкости оборудования // Химическое и нефтегазавое машиностроение. 2008. №7. С. 45-47.

4 Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М. : Машиностроение, 1968. 400 с.

5 Михеев М. Н, Беликова М. М., Витколова Р. Н. и др. Электромагнитный метод определения мартенсита деформации в нержавеющих сталях//Дефектоскопия.1985. № 10. С. 48-51.

6 ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. М., 1980. 32 с.

7 Сагарадзе В. В., Уваров А. И. Упрочнение и свойства аустенитных сталей. Екатеринбург : РИО УрО РАН, 2012. 720 с.

8 Завалишин В. А. Перераспределение легирующих элементов и изменение магнитных свойств при интенсивной холодной деформации Fe-Cr-Ni аустенитных сплавов: дис.... канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург, 2002, 168 с.

9 Бубнов В. А. Повышение точности обечаек и заготовок фланцев пластическим растяжением // Химическое и нефтяное машиностроение. 1985. № 10.С. 26-27.

10 Бубнов В. А. Совершенствование конструкции и технологии изготовления роторов маятниковых центрифуг// Химическое и нефтяное машиностроение. 1986.

№ 4. С. 28-29.

11 Бубнов В. А. Металлосберегающая технология изготовления фланцев химического оборудования//Химическое и нефтяное машиностроение. 1987. № 5. С. 32-34.

12 Бубнов В. А., Вотинов В. А. Повышение точности эллиптических днищ пластическим обжатием //Кузнечно-штамповочное производство. 1988. № 9. С. 21-22.

УДК 669.046.516:658.567.1

А.И. Гарост, Е.В. Кривоносова Белорусский государственный технологический университет

литейные материалы из металлосодержащих и полимерных промышленных отходов

Аннотация. Приведены результаты разработок по созданию литейных материалов из металлосодержащих промышленных отходов и

полупродуктов смежных производств, методов их пакетирования. В качестве восстановителей используются нетрадиционные для металлургического передела материалы, а именно: углерод-содержащие органические высокомолекулярные полимерные материалы (вмс) синтетического происхождения, в том числе биологически поврежденные и подвергнутые старению и непригодные для переработки материалы из пластических масс, а также непригодные к регенерации эластомеры.

Ключевые слова: железоуглеродистые сплавы, чугун, легирование, модифицирование, термическая обработка, металлосодержащие промышленные отходы, техногенные отходы изделий из высокомолекулярных соединений.

A.I. Harast, E.V. Kryvonosova Belarusian State Technological University

casting materials from the metal-containing and polymer industrial waste

Annotation. The results of the development of casting materials from metal-containing industrial waste and semi-processed products of related engineering industries, their baling methods are presented in the paper. Non-traditional metallurgical materials are used as reducing agents, i.e., carbon-containing organic high molecular weight polymer materials (HMWPM) of synthetic origin, including biologically damaged and subjected to seasoning and unsuitable for recycling materials from plastics and elastomers unsuitable for regeneration/

Keywords: iron-carbon alloys, cast iron, alloying, modification, thermal treatment, metal-containing industrial waste, industrial waste products from high molecular weight compounds.

введение

Анализ существующих процессов получения экономнолегированных сплавов и упрочнения изделий из них показывает [1], что дальнейшее повышение технико-экономических показателей может быть достигнуто только применением нетрадиционных подходов, предусматривающих использование на всех стадиях металлургического передела новых компонентов металлургического сырья, находящегося преимущественно в виде оксидов (окалины, ржавчины, замасленной чугунной стружки, шлифовочных шламов, отходов футеро-вочных материалов, отработанных катализаторов химической, нефтехимической и промышленности по производству минеральных удобрений, оксидов (титана, циркона и др.), используемых в качестве сырья в стекольной промышленности и т.д.), и в качестве охлаждающих сред при термическом упрочнении отливок водных растворов полимеров (полиакриламидов, полиакрилатов). Эффе ктивное и спол ьзова н ие м еталл осод е ржа-

Вестник КГУ, 2017. № 2