Full Text

Введение В настоящее время получением бейнитной структуры, в частности нижнего бейнита, занимается большое количество исследователей [1-4]. Такой интерес вызван высоким комплексом характеристик механических свойств, которые сталь приобретает в результате формирования такой структуры. Существуют многочисленные данные о том, что при выполнении определенных условий имеется возможность получения так называемого нижнего бескарбидного бейнита [5-10]. Нижний бескарбидный бейнит (НБкБ) можно получить за счет добавления в сталь определенных легирующих элементов, в первую очередь кремния (и алюминия). Сотрудниками кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» Пермского национального исследовательского политехнического университета разработана система легирования, обеспечивающая получение подобной структуры в условиях медленного охлаждения или при длительной изотермической выдержке; основные легирующие элементы: хром, марганец, кремний, молибден, ванадий [7, 8, 11-14]. Типичными сталями данной системы являются стали типа 30Х3Г3МФС и 45Х3Г3МФС[3]. Однако разработанные и запатентованные химические составы позволяют получить структуру НБкБ лишь в результате чрезвычайно медленного охлаждения и/или очень длительных выдержек (10-15 ч и более). Длительная выдержка необходима из-за чрезмерно высокой устойчивости переохлажденного аустенита, что отрицательно сказывается на технологичности термической обработки. Следовательно, целью настоящей работы явилось исследование структуры и свойств сталей после корректировки химических составов для получения НБкБ-структуры при охлаждении на воздухе в относительно небольших сечениях (до 50-70 мм) или в результате достаточно короткой (2-6 ч, не более) изотермической обработки (ИЗО) на традиционном печном оборудовании. Для выполнения этих условий было принято решение снизить содержание хрома и марганца примерно на 0,5 % (с 2,7-2,9 % до 2,2-2,5 %), содержание ванадия сократить до 0,05-0,09 %, а содержание углерода до 0,15-0,30 %. Необходимо всегда учитывать, что в сталях с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении кроме бейнитной структуры может появляться мартенсит. Образование бейнитно-мартенситной структуры может приводить к положительному эффекту. Так, например, в работе [15] рассмотрена технология термомеханической обработки, которая приводит к образованию бейнитно-мартенситной структуры с достаточно высокими механическими свойствами. Однако в данном исследовании получение такой структуры происходит за счет сложной технологии с использованием в одном случае ВТМО, а в другом - соляных ванн, в которых реализуют ИЗО. Материалы и методики Исследовали образцы из экономнолегированных сталей 17Х2Г2С2МФ и 29Х2Г2С2МФ, химический состав которых представлен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав сталей 17Х2Г2С2МФ и 29Х2Г2С2МФ Марка стали Содержание элементов, % C Cr Mn Si Mo V Ni S P 17Х2Г2С2МФ 0,17 2,33 2,38 2,03 0,43 0,09 0,03 0,013 0,018 29Х2Г2С2МФ 0,29 2,2 1,7 1,53 0,36 0,09 0,32 0,011 0,015 Состояние поставки сталей 17Х2Г2С2МФ и 29Х2Г2С2МФ: горячекованые прутки диаметром 23 мм с твердостью 45-55 HRC (табл. 2). Для дальнейшей нарезки образцов из поставленных прутков требовалось снижение твердости. В связи с этим провели высокий отпуск на двух плавках. Таблица 2 Твердость исследуемых сталей в исходном и высокоотпущенном состоянии Марка стали Твердость в исходном (горячекованом) состоянии HRC Твердость после высокого отпуска (660 °С ´ 3 ч) HRC 17Х2Г2С2МФ 45-47 26-28 29Х2Г2С2МФ 53-55 31-33 Работу в экспериментальных режимах (три режима для каждой стали) термической обработки проводили в лабораторной печи СНОЛ на заготовках образцов для испытаний на ударную вязкость и статическое растяжение: 1. Аустенитизация при 900 °С (сталь 17Х2Г2С2МФ) и 880 °С (сталь 29Х2Г2С2МФ) с выдержкой 60 мин и последующим неперывным охлаждением на воздухе. 2. Аустенитизация при 900 °С (сталь 17Х2Г2С2МФ) и 880 °С (сталь 29Х2Г2С2МФ) с выдержкой 60 мин и последующим охлаждением вместе с печью. 3. Аустенитизация при 900 °С (сталь 17Х2Г2С2МФ) и 880 °С (сталь 29Х2Г2С2МФ) с выдержкой 60 мин, охлаждение на воздухе до ТИЗО = 350 °С (17Х2Г2С2МФ) и ТИЗО = 275 °С (29Х2Г2С2МФ), выдержка при ТИЗО 180 мин (17Х2Г2С2МФ) и 360 мин (29Х2Г2С2МФ) с последующим охлаждением на воздухе. После каждого режима для каждой стали проводили низкий отпуск при температуре 200 °С с выдержкой 120 мин и охлаждением на воздухе. Оценку твердости исследуемых материалов проводили на твердомере ТК по методу Роквелла (шкала «C») в соответствии с требованиями ГОСТ 9013-59. Значение твердости определяли как среднее арифметическое по результатам 4-6 замеров. Характеристики прочности и пластичности определяли на коротких цилиндрических образцах с начальным диаметром 5 мм в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-73 на разрывной машине Р5. Скорость нагружения 1 мм/мин. Результаты испытаний обрабатывали с построением диаграмм растяжения с помощью программных продуктов LGraph и Microsoft Office Excel. После каждого режима обработки испытывали не менее двух образцов. Ударные испытания проводили при комнатной температуре на маятниковом копре КМ-30 на образцах размерами 10 ´ 10 ´ 55 мм с V-образным и U-образным надрезами. Ударную вязкость рассчитывали по формуле КСV (KCU) = Ар/F, где Ар - работа разрушения, снимаемая со шкалы копра с точностью до ±0,05 кГм; F - площадь живого сечения образца, см2. Микроструктуру исследовали на шлифах, приготовленных на поперечном сечении ударных образцов. 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 Исследования микроструктуры (рис. 1, а-е) показали, что после всех режимов термической обработки структура обеих сталей является смешанной. Качественно можно выделить следующие структурные составляющие: мартенсит, бейнит, остаточный аустенит. Главное отличие структур бейнита и мартенсита заключается в их различной травимости: в большинстве случаев бейнитная составляющая травится несколько сильнее по отношению к мартенситу, что подтверждается и другими исследователями [3]. При охлаждении на воздухе в стали 17Х2Г2С2МФ формируется смесь бейнита (бейнитного феррита), пакетного мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита (см. рис. 1, а). В стали 29Х2Г2С2МФ бейнит более темный, чем мартенсит, и имеет «квазиигольчатую» и «квазипакетную» морфологию (см. рис. 1, б). Необходимо также отметить, что при охлаждении на воздухе формируется в основном нижний бейнит, количество которого примерно равно доле мартенситной фазы. С понижением скорости охлаждения происходит значительное увеличение доли бейнитной структуры, при этом формируется в основном верхний бейнит с характерной, так называемой «кудреватой», морфологией (см. рис. 1, в-г). Небольшие светлотравящиеся округлые объемы размером около 5 мкм, наблюдаемые в стали с меньшим содержанием углерода, скорее всего, являются избыточным ферритом (см. рис. 1, в). В стали 29Х2Г2С2МФ структура несколько более однородная и не содержит избыточного феррита. Рис. 1. Микроструктура сталей 17Х2Г2С2МФ (а, в, д) и 29Х2Г2С2МФ (б, г, е) после непрерывного охлаждения на воздухе (а, б), вместе с печью (в, г) и после изотермической выдержки (д, е): А - аустенит; Бн - бейнит нижний; Бв - бейнит верхний; М - мартенсит; Ф - феррит; ´1000 Микроструктура исследуемых сталей после изотермической обработки представляет собой бейнитно-мартенситную смесь, бейнит при этом, скорее всего, бескарбидный. В стали с меньшим содержанием углерода бейнит преимущественно верхний (в структуре присутствует характерная для верхнего бейнита «кудреватость» (см. рис. 1, д)), а в стали 29Х2Г2С2МФ бейнит в основном нижний с характерным пакетным строением (см. рис. 1, е). На рис. 2, а-в приведены диаграммы растяжения для сталей 17Х2Г2С2МФ и 29Х2Г2С2МФ. По построенным диаграммам были рассчитаны показатели прочности и пластичности, которые представлены в табл. 3. После непрерывного охлаждения на воздухе в стали с бóльшим содержанием углерода наблюдается увеличение прочностных характеристик на 200-320 МПа (см. рис. 2, а, табл. 3). Одновременно с повышением прочности произошло возрастание относительного удлинения δ5 с 12 до 15 %, а относительное сужение Ψ незначительно уменьшилось. При этом происходит вполне ожидаемое, но относительно небольшое снижение ударной вязкости КСV и KCU, а твердость возрастает до 45 HRC. Увеличение прочностных характеристик, скорее всего, связано с повышением содержания углерода в стали 29Х2Г2С2МФ более чем на 0,10 %, также не исключено, что повышение прочности связано с разной дисперсностью нижнего бейнита в исследуемых сталях и с различным содержанием мартенсита и остаточного аустенита. При непрерывном охлаждении образцов вместе с печью замечена другая особенность. Предел текучести σ0,2 и истинное сопротивление отрыву Sk в стали 17Х2Г2С2МФ выше на 52 и 66 МПа, а предел прочности практически не меняется (см. рис. 2, б, табл. 3). Происходит увеличение δ5 на 2 %, а Ψ снижается всего на 4 % по мере увеличения содержания углерода в сплаве. Ударная вязкость KCV не меняется, а KCU уменьшается с 105 до 92,5 Дж/см2. Поскольку структура в сталях после данного режима охлаждения (охлаждение вместе с печью) представлена в основном верхним бейнитом, то и существенных отличий в показателях механических свойств нет. Сравнивая между собой режимы с охлаждением на воздухе и с печью у каждой стали, стоит отметить, что более высокий уровень прочности сталей после охлаждения на воздухе связан с формированием большей доли мартенситной структуры, а также формированием Рис. 2. Диаграммы растяжения для исследуемых сталей после непрерывного охлаждения на воздухе (а), в печи (б) и после ИЗО (в) Таблица 3 Механические свойства сталей 17Х2Г2С2МФ и 29Х2Г2С2МФ Непрерывное охлаждение Режим обработки σ0,2, МПа σв, МПа Sk, МПа δ5, % Ψ, % KCU, Дж/см2 KCV, Дж/см2 HRC 17Х2Г2С2МФ Аустенитизация 900 °С, охлаждение на воздухе 1220 1516 2344 12 48,5 95 51 42 Аустенитизация 900 °С, охлаждение с печью 1140 1464 2136 12,5 45,5 105 42 39 29Х2Г2С2МФ Аустенитизация 880 °С, охлаждение на воздухе 1420 1793 2662 15 44 82 38 45 Аустенитизация 880 °С, охлаждение с печью 1088 1477 2070 14,5 41,5 93 41 40 Изотермическая выдержка 17Х2Г2С2МФ Аустенитизация 900 °С, ТИЗО = 350 °С (180 мин) 1205 1574 2381 13 45,5 68 35 43 29Х2Г2С2МФ Аустенитизация 880 °С, ТИЗО = 275 °С (360 мин) 1310 1654 2669 13,5 50,5 94 53 45 Примечание. При аустенитизации время выдержки составило 60 мин; охлаждение до ТИЗО проводилось на воздухе; после каждого режима для каждой стали был проведен отпуск при Т = 200 °С с выдержкой 120 мин и охлаждением на воздухе. нижнего бейнита, в то время как после охлаждения с печью в обеих сталях наблюдали формирование верхнего бейнита. Можно отметить, что характеристики пластичности в рамках одной стали не зависят от скорости охлаждения и практически одинаковы. Критерий надежности KCU в исследуемых сталях незначительно увеличивается с понижением скорости охлаждения, а КСV практически не зависит от скорости охлаждения и находится на довольно высоком уровне (40-50 Дж/см2). Интересно отметить, что в стали 17Х2Г2С2МФ значения прочности и пластичности, а также твердости при термокинетической обработке на воздухе и изотермической выдержке остаются на одном уровне, а надежность снижается практически в 1,5 раза после изотермической обработки. Это объясняется тем, что в структуре этой стали образуется преимущественно верхний бейнит. Вследствие этого термическую обработку стали 17Х2Г2С2МФ по такому режиму проводить нецелесообразно и в дальнейшем необходимо будет скорректировать параметры обработки: температуру ИЗО, или время выдержки при ИЗО, или оба параметра. В отличие от стали с 0,17 % углерода сталь 29Х2Г2С2МФ после шестичасовой выдержки в бейнитной области при температуре 275 °С приобретает весьма высокие характеристики механических свойств, что, скорее всего, объясняется формированием в структуре, наряду с пакетным мартенситом, нижнего бескарбидного бейнита [7, 8]. В табл. 4 представлены изломы половинок ударных образцов. Также показаны значения ударной вязкости в зависимости от вида концентратора. Видно, что в процессе разрушения ударных образцов с U- и V-надрезами происходило образование боковых утяжек, что свидетельствует о развитии трещины в условиях плосконапряженного состояния. В основном наблюдается классический вид губ утяжек, но в некоторых случаях это не так. Например, в обеих сталях после изотермической выдержки на образцах с U-надрезом появляются рваные или изрезанные утяжки. По результатам исследования двух плавок системы Х2Г2С2МФ, отличающихся содержанием углерода, можно сделать следующие выводы: 1. Проведенная корректировка химического состава дала возможность получения структуры бескарбидного бейнита в сталях 17Х2Г2С2МФ и 29Х2Г2С2МФ после охлаждении на воздухе в сечении до 30-50 мм, а также в результате изотермической обработки с относительно небольшой выдержкой. 2. После всех исследованных режимов термической обработки в сталях 17Х2Г2С2МФ и 29Х2Г2С2МФ формируется смешанная, бейнитно-мартенситная структура, причем с увеличением скорости охлаждения бейнит становится преимущественно нижним, что положительно сказывается на уровне характеристик механических свойств. 3. При изотермической обработке стали 29Х2Г2С2МФ по режиму: аустенитизация 880 °С ´ 60 мин, охлаждение на воздухе, изотермическая выдержка при 275 °С в течение 6 ч (охлаждение на воздухе до комнатной температуры) данная сталь приобретает высокий комплекс характеристик механических свойств (предел текучести 1310 МПа, предел прочности 1654 МПа, истинное сопротивление отрыву 2669 МПа, относительное удлинение 13,5 %, относительное сужение 50,5 %, ударная Таблица 4 Изломы ударных образцов с различным видом надреза исследуемых сталей 17Х2Г2С2МФ и 29Х2Г2С2МФ со значениями ударной вязкости Примечание. При аустенитизации время выдержки составило 60 мин; охлаждение до ТИЗО проводилось на воздухе; после каждого режима для каждой стали был проведен отпуск при Т = 200 °С с выдержкой 120 мин и охлаждением на воздухе. вязкость КСU = 94 Дж/см2, ударная вязкость КСV = 53 Дж/см2, твердость по Роквеллу 45 HRC), получение которых связано с формированием в структуре нижнего бескарбидного бейнита.

About the authors

A. N Iurchenko

Perm National Research Polytechnic University

Email: sanyaurchenko@rambler.ru

Iu. N Simonov

Perm National Research Polytechnic University

Email: simonov@pstu.ru

M. Iu Mikriukov

Perm National Research Polytechnic University

Email: mihail_mikrukov@mail.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 72

PDF (Russian) - 21

Refbacks

• There are currently no refbacks.