Влияние термоциклирования на структуру и свойства жаростойкой стали 35х20н14с2

степени восстановления 90 % их содержание становится незначительным. Целевой продукт восстановления состоит из у-Бе и твердых растворов N1 и Со в у-Бе. Отсутствие N1 и Со на дифрактограммах объясняется тем, что сканирование идет по поверхности образца, а N1 и Со находятся внутри кристаллической решетки.

Заключение

Исследования восстановления окалины прецизионного сплава 29НК осушенным водородом свидетельствует о принципиальной возможности использования этого вида восстановителя в процессах получения губчатых материалов на основе металлооксидных отходов с жесткими ограничениями по углероду.

Использование различных видов углеродистых восстановителей не обеспечивает возможности получить продукт на уровне его содержания в прецизионных сплавах (не более 0,03 % масс.) из-за высокой концентрации элементов (Бе, Сг, Со).

Определен температурный режим (1173-1373 К) изотермического водородного восстановления окалины сплава, обеспечивающий степень восстановления

более 99 %. Восстановление протекает через стадии

образования соединений и фаз, не обладающих заметной летучестью.

Перечень ссылок

1. Острик П.Н., Колесник Н.Ф. Экспериментальные исследования и методика расшифровки гетерогенного восстановительного процесса в системе Бе-О-С-Н // Новые методы исследования процессов восстановления черных металлов. - М.: Наука. - 1974. - №3. -С. 20-23.

2. Григорьев С.М. Извлечение тугоплавких элементов из окалины быстрорежущих сталей // Сталь. - 1994. - №3. -С. 63-67.

3. Скороход В.В., Солонин С.М. Физико-химические основы спекания порошков. - М.: Металлургия. - 1984. -159 с.

4. Гуревич Ю.Г., Рахманов В.И. Термическая обработка порошковых сталей. - М.: Металлургия. - 1985. - 80 с.

5. Миркин Л .И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. - М.: Физматгиз. - 1981. - 413 с.

6. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов: Учебник для вузов. - М.: Металлургия. - 1988. - 784 с.

Одержано 1.02.2007

ypo6omi docnidweno Kinemunni saKonoMipnocmi процесie eidnoenennn oKanunu npeцuзiunuх cnnaeie, doeedeni e^eKmuenicmb i дoцinbnicmb eumpucmannx eodnw rk eidnoenweana. 06pano meMnepamypnuu pewuM, ^o 3a6e3nenye cmyninb eidnoenennn nonad 99 %.

Kinetic laws of restoration processes ofprecision alloys scale are researched, efficiency and expediency to use the hydrogen as a reducer is proved. The temperature mode for providing a degree of restoration more then 99 % is chosen.

УДК 669.14

Канд. техн. наук В. В. Нетребко Национальный технический университет, г. Запорожье

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЖАРОСТОЙКОЙ СТАЛИ 35Х20Н14С2

Представлены результаты исследований влияния комплексного модифицирования на свойства жаростойкой стали при термоциклировании. Приведен сравнительный анализ структуры и свойств сталей, обработанных Al и комплексным модификатором.

Жаростойкие стали применяются для изготовления деталей машин, работающих при повышенных температурах, без воздействия механических нагрузок или при незначительных механических нагрузках. Основным критерием оценки их свойств является жаростойкость при эксплуатационных температурах, под воздействием агрессивной окружающей среды. В процессе эксплуатации изделия из жаростойких сталей могут

© В. В. Нетребко, 2007

ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007 45

подвергаться не только постоянному воздействию температуры, но и циклическому.

Циклическое воздействие температуры, выражающееся в нагреве до рабочих температур с последующим охлаждением до комнатной температуры или температуры окружающей среды, может вызывать термические напряжения. Величина термических напряжений зависит от скорости охлаждения, размеров и конструк-

ции изделия. Присутствие незначительных механических напряжений может приводить к тому, что суммарные напряжения превысят значения предела текучести материала изделия. Возникновение напряжений, превышающих предел текучести, вызывает деформацию изделий и является причиной образования трещин. Коробление или незначительная деформация изделия из жаростойких сталей, а иногда и наличие трещины не является причиной для замены данного изделия или детали. Необходимость замены детали или изделия возникает тогда, когда деформация (коробление) достигает значений, не позволяющих эксплуатацию изделия в дальнейшем. Трещины способствуют достижению деформацией (короблением) критических значений или приводять к разрушению изделия в целом. Циклическое воздействие температуры может как увеличить, так и сократить срок эксплуатации изделия. В тех случаях, когда циклическое воздействие температуры вызывает незначительные термические напряжения и не вызывает образование трещин или коробления, изделия, работающие в этих условиях, работают дольше, чем изделия, работающие при постоянно высокой температуре. Это явление объясняется тем, что за одно и тоже время эксплуатации детали, работающие в условиях термоциклического воздействия, находятся меньшее время при высокой температуре. Если в процессе эксплуатации циклическое воздействие температуры вызывает значительные внутренние напряжения, превышающие предел упругости, то происходит накопление пластической деформации от цикла к циклу, и создаются условия, вызывающие образование трещин или коробление [1, 2, 3, 4].

В таких условиях эксплуатируются детали термических печей (поддоны, короба, направляющие, заслонки и др.), детали выхлопных труб и элементы глушителей автомобилей (внутренние перегородки).

Кроме вышеперечисленного влияния, циклическое воздействие температуры может снизить величину жаростойкости сплава из-за того, что в процессе эксплуатации может происходить осыпание окалины из-за разности коэффициентов термического расширения сплава и окалины [3].

Циклическое воздействие температуры может вызывать фазовые превращения в сплавах, изменять форму и распределение упрочняющих фаз. Уменьшение избыточной фазы, упрочняющей границы зерен, снижает уровень прочностных характеристик материала [5, 6].

Исходя из вышеизложенного, чрезвычайно важно знать, как изменяется структура и свойства материалов в процессе эксплуатации. Были проведены исследования влияния термоциклирования на структуру и свойства жаростойкой стали 35Х20Н14С2. Испытуемые образцы нагревались до 1000 °С с последующим охлаждением до 25 °С, длительность выдержки составляла 21 час (цикл термического отжига деталей). Исходная сталь имела литую структуру с карбидной фа-

зой, характерной для такого состояния.

После первого цикла отжига произошло значительное изменение формы и распределения карбидов. Карбидная фаза имела равномерное распределение мелкодисперсных вторичных карбидов по всему объему, при этом наблюдались осадки литых карбидов, которые не успели раствориться в матрице.

После второго цикла отжига литые карбиды отсутствовали. Вторичные карбиды начинали коагулировать. При последующих циклах отжига, кроме коагуляции карбидов, наблюдалось их перераспределение, проявляющееся в увеличении количества карбидов на границах зерен за счет обеднения ими зерен. Особенно сильные изменения в распределении карбидной фазы протекают в первые 50 циклов. После 200 цикла отжига карбидная фаза, в основном, располагалась на границах зерен в виде цепочек.

Изменения карбидной фазы, вызванные циклическим воздействием температуры, оказали влияние на механические свойства. После первого цикла отжига произошло повышение прочностных свойств на 8-10 %, при этом пластические свойства снизились на 80 % по сравнению со сталью до термообработки. Изменение механических свойств объясняется выделением мелкодисперсных карбидов, препятствующих движению дислокаций. При последующих отжигах происходило обеднение зерен карбидами, что привело к повышению вязкопластических свойств за счет увеличения пробега дислокаций. Повышение пластических свойств наблюдалось до 100 циклов отжига. В дальнейшем увеличение количества карбидной фазы на границах зерен привело к монотонному снижению механических свойств.

Анализ результатов механических испытаний показал значительное влияние структурных факторов на свойства стали. Установлено, что на процесс образования и распространения трещины, при циклическом воздействии температуры, большое влияние оказывают вязкопластические свойства материала [2], которые определяются процессами перераспределения карбидов между зерном и границами зерна.

С целью влияния на процесс перераспределения карбидов было применено комплексное модифицирование лигатурой, содержащей алюминий, кальций, РЗМ, титан, ниобий. Состав компонентов лигатуры был выбран на основании анализа литературных данных и уточнен с применением методов математической статистики и активного многофакторного эксперимента второго порядка. Оптимальная присадка лигатуры АКЦеТБ составила 0,3 % от массы жидкой стали [7, 8, 9, 10].

Влияние термоциклирования на свойства стали 35Х20Н14С2 с оптимальной присадкой лигатуры в количестве 0,3 % от массы жидкой стали, представлено на рисунке 1 и рисунке 2.

Исследования изменения структуры стали 35Х20Н14С2, а именно процессов распределения и

Рис. 1. Влияние термоциклирования на свойства стали 35Х20Н14С2 при 20 °С

Рис. 2. Влияние термоциклирования на свойства стали 35Х20Н14С2 при 800 °С

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2007

47

перераспределения карбидов при термоциклировании, показали, что применение лигатуры АКЦеТБ позволило: затормозить процесс перераспределения карбидов с зерен на границы зерна; повысить на 30-50 % пластичность; повысить на 25-50 % вязкость.

Повышение вязкопластических свойств металла повлияло на процесс зарождения и распространения трещин. Практически было исключено появление микротрещин в первые 15 циклов.

Изменилась природа возникновения трещин. В исходной стали трещины образовывались в основном по причине низкого уровня вязкопластических свойств, вызванного процессами выделения и перераспределения карбидов. В стали, модифицированной лигатурой АКЦеТБ в количестве 0 % от массы жидкой стали, образование трещин происходило вследствие коррозионного разрушения границ зерен.

Торможение процессов перераспределения карбидов, вызывающих снижение механических свойств стали при циклическом воздействии температуры, позволило не только устранить образование термоусталостной трещины в первые циклы, но и снизить скорость ее распространения при дальнейшей эксплуатации изделий. Снижение скорости распространения трещин составило 36 %.

Перечень ссылок

1. НетребкоВ.В., Волчок И.П. и другие. Повышение качества литых деталей. - Технология и организация производства. - 1984. - №4. - С. 34-35.

2. Нетребко В .В. Разрушение жаростойких сталей при термоциклировании. - Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш - 2004. - №1. -С. 157-159.

3. Нетребко В.В. Влияние комплексного микролегирования на окалиностойкость хромоникелевых сталей. -Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. - Запорожье: ЗМИ им. В.Я.Чубаря. - 1989. -С. 155.

4. Пьянков В.А., Лепинская Б.М., и др. Термостойкая аус-тенитная сталь для отливок . Литейное производство, 1978. - № 6. - 13 с.

5. Нетребко В.В., Дедок Г.Я., Живица И.В. Влияние тер-моциклирования на структуру и свойства жаростойких сталей. - Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. -Запорожье: ЗМИ им. В.Я.Чубаря. - 1983. - С. 100.

6. Нетребко В.В., Волчок И.П. Методика оценки влияния карбидов на свойства жаростойких сталей. - Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. -Запорожье: ЗМИ им. В.Я.Чубаря. - 1 989. - 151 с.

7. Нетребко В.В. Комплексное модифицирование жаростойкой стали 35Х20Н14С2 // Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш - 2004. - №2. -С. 48-50.

8. Браун М.П. Упрочнение литой жаропрочной аустенит-ной стали дополнительным комплексным легированием. - В кн.: Легирование и свойства жаропрочных сплавов. - М.: Наука, 1971. - С. 69-74.

9. Браун М.П., Александрова Н.П., и др. Микролегирование литых жаропрочных сталей.- К.: Наукова думка, 1974. - 228 с.

10. Нетребко В.В. Повышение высокотемпературных свойств жаростойкой стали 35Х20Н14С2 //Н^ матер-iали i технологи в металурги та машинобудуванш -2005. - №2. - С.111-112.

Одержано 27.03.2007

Представлено результати до^джень комплексного модифкування на властивостi жаростшког cmani при ци^чному впливi температури. Наведено порiвняльний анализ структури i властивостей сталей, оброблених Al та комплексним модифтатором.

The results of investigation the complex modifying effect on properties of heat resistant steels at thermo cycling are presented. Comparative analysis of properties and structure of steels treated with Al and complex modificator is given.