Full Text

Введение В настоящее время актуальной проблемой является повышение устойчивости аустенита с минимальными затратами на легирующие элементы. Устойчивость аустенита повышается, если легировать железоуглеродистый сплав, например, хромом, марганцем, никелем. Кроме того, особое значение имеет количество легирующего элемента. Например, стали системы легирования Х3Г3МФС [1] обладают очень высокой устойчивостью аустенита, и для того, чтобы получить структуру нижнего бескарбидного бейнита (НБкБ), необходимы длительные изотермические выдержки (10-15 ч) для протекания наиболее полного бейнитного превращения. Получение бескарбидного бейнита (БкБ) является актуальной задачей [2-7], так как давно известно, что такая структура обладает высоким комплексом механических свойств. Однако для того, чтобы получить бескарбидный бейнит, необходимо легирование стали с кремнием [8, 9]. В данной статье показаны структуры для стали с 0,29 % С и системой легирования Х2Г2С1,5МФ. Образуется однозначно бейнитная структура, но пока не подтверждено и не опровергнуто наличие карбидов в бейнитной матрице, что значительно влияет на механические характеристики сплава. Для того чтобы выбрать режим термической обработки для исследования механических свойств сплава с 0,29 % С и системой легирования Х2Г2С1,5МФ, необходимо знать критические точки, а также изменение структуры при различной скорости охлаждения и температуре изотермической выдержки. Именно поэтому целью данной исследовательской работы является построение термокинетической и изотермической диаграмм распада переохлажденного аустенита для стали 29Х2Г2С1,5МФ, а также изучение микроструктуры, микротвердости и устойчивости аустенита при непрерывном охлаждении и изотермической выдержке. Материалы и методики Исследовали железоуглеродистый сплав со следующим химическим составом (мас. %): С - 0,29; Cr - 2,2; Mn - 1,7; Si - 1,53; Mo - 0,36; Ni - 0,32; S - 0,011; P - 0,015. Состояние поставки сплава: горячекованые прутки диаметром 23 мм с твердостью 53-55 HRC. Экспериментальные режимы термической обработки проводили на высокоскоростном индукционном закалочном дилатометре LINSEIS L78 R.I.T.A. на образцах длиной 10 мм и диаметром 3 мм в среде чистого гелия. Образцы закрепляли в кварцевые держатели. Для контроля температуры использовали термопару К-типа. При термокинетических режимах скорость нагрева (vнагр = = 1,5 °С/с), температура нагрева (Тнагр = 1000 °С), время выдержки (τвыд = 15 мин) оставались неизменными, а скорость охлаждения была различной: 100; 1,5; 0,3; 0,1; 0,05 °С/с. При изотермической закалке скорость нагрева (vнагр = 1,5 °С/с) и скорость охлаждения (vохл = 1,5 °С/с), температура нагрева (Тнагр = = 1000 °С), время выдержки (τвыд = 15 мин), время выдержки при температуре изотермы (τизо = 3 ч) оставались неизменными, а температуру изотермической выдержки Тизо варьировали: 400, 350, 325, 300, 275, 250 °С. Оценку твердости исследуемых материалов проводили на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 100 г (HV0,1). Значение твердости определяли как среднее арифметическое по результатам 25-30 замеров. Микроструктуру исследовали на микрошлифах, приготовленных на поперечном сечении дилатометрических образцов. Микрошлифы изготавливали путем запрессовки образцов в автоматическом монтажном прессе Struers CitoPress-10 и дальнейшего шлифования на шлифовально-полировальном станке Struers Tegramin-30. Для травления использовали 4%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Травленые микрошлифы исследовали на световом инвертированном микроскопе Olympus GX-51 при увеличении до ´1000 включительно. Результаты и их обсуждение По результатам проведенных режимов термокинетической обработки определены критические точки АС1 = 704 °С и АС3 = 870 °С, построена термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита (рис. 1). В процессе самых быстрых скоростей охлаждения, выше 1,5 °С/с, аустенит претерпевает преимущественно мартенситное превращение. Микротвердость составляет HV0,1 = (582 ± 14) кг/мм2. Микроструктура представлена на рис. 2, а. Морфология мартенсита является реечной. При скорости охлаждения 1,5 °С/с появляются первые порции нижнего бейнита, но, как видно из рис. 2, б, микроструктура имеет все еще преимущественно мартенситный характер. При дальнейшем понижении скорости охлаждения вплоть до самой медленной (0,05 °С/с) бейнитная составляющая проявляется в бόльшей степени. Особенно это наглядно представлено на изображениях микроструктуры на рис. 2, в, г. Видно, как на фоне мартенситной матрицы происходит выделение бейнитных темных игл. Замечено, что по мере уменьшения скорости охлаждения бейнитная область начинает расширяться, а мартенситная сжиматься. Как видно из диаграммы, температура начала мартенситного превращения Мн снижается, а температура конца мартенситного превращения Мк немного повышается. При самой медленной скорости охлаждения не замечено мартенситного превращения, а наряду с незначительным выделением нижнего бейнита происходит образование перистой морфологии бейнита (или верхнего бейнита) (рис. 2, д). Общая микротвердость резко снижается до HV0,1 = (460 ± 9) кг/мм2. Рис. 1. Термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита исследуемого сплава Кроме бейнитной и мартенситной областей выделяется область нормального превращения, где происходит превращение из аустенита в феррит, но по металлографическому анализу заметны только незначительные поля или следы избыточного феррита. Такое количество избыточного феррита может не влиять на изменение механических свойств, но появление такой фазы нежелательно. Кроме того, выявление такой области говорит о том, что аустенит является метастабильным при медленном охлаждении в области нормальных температур. При непрерывном охлаждении с любой скоростью в структуре присутствует доля остаточного аустенита. Желательно, чтобы объем остаточного аустенита после всех превращений был существенным для внесения положительного эффекта в надежность материала, но в данном случае аустенит является недостаточно стабильным и нужно проводить дополнительные исследования для обнаружения различных модификаций остаточного аустенита. а б в г д в Рис. 2. Микроструктура стали при различной скорости непрерывного охлаждения: а - 100 °С/с; б - 1,5 °С/с; в - 0,3 °С/с; г - 0,1 °С/с; д - 0,05 °С/с (´1000) На рис. 3 представлена изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита. На диаграмме нанесены количественные показатели мартенсита (в процентах), который образовался до изотермической выдержки, и бейнита, который превращается из аустенита в процессе изотермической выдержки. Рис. 3. Изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита исследуемого сплава При Тизо = 400 °С, что выше Мн, образуется некоторое количество смеси верхнего и нижнего бейнита. Основную долю микроструктуры исследуемой стали занимает мартенсит охлаждения, который образуется после Тизо в процессе охлаждения. Значение микротвердости закономерно соответствует твердости мартенсита. Микроструктура изображена на рис. 4, а. Необходимо отметить, что такая структура однозначно нежелательна, так как есть верхний бейнит и очень большое количество мартенсита охлаждения, что будет отрицательно сказываться на ударных характеристиках. В процессе проведения остальных пяти режимов обработки, когда Тизо ниже Мн, могут образовываться следующие структурные составляющие: атермический [11] и изотермический мартенсит, нижний бейнит [12-14], нижний бескарбидный бейнит, мартенсит охлаждения. Качественное и количественное разделение такого типа структурных составляющих - сложная задача, поэтому является темой отдельного исследования. В данной работе представлены только некоторые количественные характеристики. а в б Рис. 4. Микроструктура стали после изотермической закалки при Тизо: а - 400 °С; б - 350 °С; в - 325 °С (´1000) При Тизо = 350 °С формируется микроструктура нижнего крупноигольчатого с зубчатыми границами бейнита, а также незначительное количество атермического мартенсита (рис. 4, б). Всё остальное, предполагается, мартенсит охлаждения и остаточный аустенит. При этом режиме образуется максимальное количество бейнита. При последующих изотермических выдержках происходит увеличение доли атермического мартенсита до 57 %, а объем бейнитной фазы снижается до 6 %. Предполагается, что в процессе изотермической выдержки наряду с бейнитным превращением протекает изотермическое мартенситное превращение. При снижении Тизо общая дисперсность структуры увеличивается, поэтому точное разграничение мартенсита и бейнита по микроструктуре невозможно (см. рис. 4; 5). Бейнитное превращение в процессе изотермической выдержки заканчивается за 3 ч, поэтому с точки зрения технологичности процесса сплав с химическим составом (мас. %): С - 0,29; Cr - 2,2; Mn - 1,7; Si - 1,53; Mo - 0,36; Ni - 0,32; S - 0,011; P - 0,015 % - является целесообразным для использования, но в связи с неустойчивостью аустенита при последующем охлаждении может быть ограниченно применим. а б в Рис. 5. Микроструктура стали после изотермической закалки при Тизо: а - 300 °С; б - 275 °С; в - 250 °С (´1000) Заключение Для получения максимальных прочностных характеристик и повышенных показателей надежности с бейнитной структурой рекомендуется Тизо = 250…300 °С, так как при таких температурах образуется большое количество атермического пакетного мартенсита, а комплекс механических свойств нижнего бейнита должен быть максимальным при самой низкой Тизо. Предполагается, что бейнит является бескарбидным, так как в стали присутствует достаточное количество кремния. Аустенит является метастабильным, так как в области температур нормального превращения возможно образование избыточного феррита, что отрицательно влияет на механические свойства. При всех термокинетических и изотермических режимах обработки образуется смешанная структура, состоящая из мартенсита и бейнита. Исключением является режим с самым медленным непрерывным охлаждением (vохл = 0,05 °С/с). При этом образуется только верхний бейнит со следами избыточного феррита. При скоростях охлаждения 100; 1,5; 0,3; 0,1 °С/с заметно преобладание мартенситной матрицы, на фоне которой располагаются бейнитные области, что согласуется со значениями микротвердости. Общая дисперсность структуры увеличивается при повышении скорости непрерывного охлаждения до 100 °С/с и понижении Тизо.

About the authors

A. N Iurchenko

Perm National Research Polytechnic University

D. O Panov

Perm National Research Polytechnic University

Iu. N Simonov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 61

PDF (Russian) - 23

Refbacks

• There are currently no refbacks.