авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Формирование структуры и повышение конструкционной прочности низкоуглеродистых мартенситных сталей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи





Ларинин Данил Михайлович







формирование Структуры и повышение

конструкционной прочности

низкоуглеродистых мартенситных сталей








Специальность 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов






Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук








Нижний Новгород 2009

Работа выполнена на кафедре «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ГОУ ВПО Пермского государственного технического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Шацов Александр Аронович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Матвеев Юрий Иванович

кандидат технических наук, доцент

Дубинский Владимир Наумович

Ведущая организация:

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Защита диссертации состоится «29» января 2010 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, НГТУ, корп. 1, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Автореферат разослан «___» _________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ульянов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из наиболее значительных достижений материаловедения конца ХХ столетия стало создание мартенситных конструкционных сталей. К классу мартенситных относят мартенситостареющие и низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС). До последнего времени мартенситостареющие обеспечивали рекордные показатели конструкционной прочности, а НМС – наилучшее отношение цена/качество. Одно из направлений дальнейшего прогресса мартенситных сталей связано с повышением конструкционной прочности рационально легированных НМС. Альтернативой мартенситным являются улучшаемые стали. Стали со структурой низкоуглеродистого пакетного мартенсита (в сравнении со сталями со структурой сорбита отпуска) обеспечивают более высокую конструкционную прочность в сложных условиях нагружения (сложнонапряженное состояние, динамический характер нагружения, низкие температуры эксплуатации) и обладают существенными преимуществами при химико-термическом воздействии. Легирование низкоуглеродистых мартенситных сталей позволяет реализовать мартенситное превращение в крупногабаритных изделиях при замедленном охлаждении на спокойном воздухе и, в результате, отказаться от использования экологически опасных закалочных сред.





Для целенаправленного изменения структуры необходимо знать закономерности ее формирования при нагреве и охлаждении. НМС обладают высокой устойчивостью переохлажденного аустенита в интервале температур нормального и промежуточного превращений, что позволяет получать структуру низкоуглеродистого пакетного мартенсита при достаточно высоких температурах, Мн= 400-380 0С.

Традиционно для большинства используемых в машиностроении конструкционных сталей после закалки на мартенсит проводят высокий отпуск, целью которого является получение структуры сорбита отпуска с характерным комплексом свойств, обеспечивающим работоспособность. Для сталей со структурой низкоуглеродистого пакетного мартенсита характерна высокая конструкционная прочность в свежезакаленном и низкоотпущенном состоянии.

Сохранение субструктуры пакетного мартенсита при нагреве до критических температур обеспечивает отпускоустойчивость НМС. Это оказывает существенное влияние на механизм превращения, структуру и свойства аустенита.

Потеря работоспособности подавляющего большинства конструкций связана с изнашиванием при трении. Повышение долговечности в этом случае достигают за счет упрочнения поверхности изделий. Химико-термическая обработка (ХТО) низкоуглеродистых мартенситных сталей в газообразных насыщающих средах исследована для процессов цементации, азотирования и нитроцементации. Насыщение элементами внедрения в жидких расплавах позволяет интенсифицировать процесс обеспечить высокую скорость нагрева и равномерный нагрев, регулировать в широких пределах скорость охлаждения после обработки. Применяемые в настоящее время жидкие среды часто являются вредными для здоровья человека и окружающей среды. Поэтому представляется целесообразным использование для насыщения новых экологически безопасных расплавов солей, новые технологии имеют и значительные экономические преимущества.

Тематика диссертации соответствует Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ и Перечню критических технологий РФ. Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, государственный контракт № 4293p/6718, гранта РФФИ 07-08-96007-р_урал_а, гранта РФФИ 09-08-99001-р_офи, аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (раздел «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук», № 2.1.2/1225).

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является исследование закономерностей структурообразования и формирования свойств при термической и химико–термической обработках низкоуглеродистых мартенситных сталей повышенной конструкционной прочности и технологичности

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

  1. Исследовать фазовые превращения НМС при термическом воздействии в широких температурно-временных интервалах. Изучить структуру и механические свойства НМС 12Х2Г2НМФБ после термической обработки.
  2. Исследовать закономерности формирования структуры, фазового и химического состава, свойств градиентных слоев, образующихся при низко (до 600 оС) и высокотемпературном насыщении НМС 12Х2Г2НМФБ в расплавах солей.
  3. Провести апробацию разработанных технологических параметров в производственных условиях и испытания изделий.

Положения, выносимые на защиту

  1. Превращение в низкоуглеродистых сталях мартенситного класса со структурой пакетного мартенсита происходит в два этапа при нагреве: по сдвиговому, а затем по диффузионному механизмам. Сдвиговое превращение реализуется в большей степени при аустенитизации отпускоустойчивых НМС.
  2. Структура пакетного мартенсита, сформированная при охлаждении в широких интервалах скоростей, в том числе на воздухе, с температур горячей деформации НМС 12Х2Г2НМФБ обеспечивает высокую конструкционную прочность, характеристики вязкости в 1,5–2 раза превосходят аналогичные показатели сталей типа 40ХН2М, 38ХН3МФ со структурой сорбита отпуска.
  3. Кинетические параметры процесса диффузионного насыщения элементами внедрения в расплавах на основе цианата калия низкоуглеродистого мартенсита с различной морфологией и размерами реек.
  4. Структура и закономерности формирования градиентных слоев при высокотемпературном диффузионном насыщении низкоуглеродистого аустенита азотом, углеродом и кремнием в экологически безопасных расплавах солей на основе хлоридов и карбонатов калия и натрия с добавками азотсодержащих соединений.
  5. Параметры технологических процессов термической и химико-термической обработок стали 12Х2Г2НМФБ.

Научная новизна.

  1. Методом ДСК установлено, что при нагреве с умеренными (10 град/мин) скоростями НМС с исходно мартенситной структурой превращение начинается по сдвиговому механизму и продолжается диффузионным путем. Долю аустенита, образованного по обратному мартенситному механизму определяет количество низкотемпературной фазы, сохранившей реечную структуру до завершения превращения.
  2. Пакетный мартенсит, образованный при закалке НМС 12Х2Г2НМФБ и низком (до 250 оС) отпуске обладает максимальной конструкционной прочностью.
  3. Определены кинетические параметры процесса насыщения азотом низкоуглеродистого мартенсита. Сохранение в процессе низкотемпературного насыщения реечной и блочно-реечной субструктуры низкоуглеродистого мартенсита приводит к снижению энергии активации диффузии азота относительно преимущественно ферритной структуры стали. Уменьшение размеров зерен аустенита и элементов структуры мартенсита слабо влияет на протяженность градиентных слоев, но приводит к существенному диспергированию карбонитридной фазы в диффузионной зоне.
  4. При исследовании высокотемпературного насыщения азотом и углеродом НМС 12Х2Г2НМФБ в жидких экологически безопасных средах экспериментально доказано отсутствие эвтектоидного распада независимо от скорости охлаждения (V) в интервале варьирования V = 600..30 оС/с. Обнаружено снижение значений энергии активации диффузии азота в низкоуглеродистом аустените, наследующем субструктуру пакетного мартенсита. Установлено, что поверхность содержит /-фазу, не более 10 % -фазы и карбонитриды.
  5. Экспериментально доказано увеличение в процессе карбонитрирования (низко- и высокотемпературного) НМС 12Х2Г2НМФБ концентрации карбидообразующих элементов и никеля в подповерхностных слоях. Распределения легирующих элементов после проведения насыщения в аустените качественно повторяют зависимости, характерные для низкотемпературного карбонитрирования мартенсита при более широких интервалах выравнивания концентраций.

Практическая значимость.

  1. Разработаны режимы термической обработки, повышающие конструкционную прочность НМС, на основании установленных в работе закономерностей фазовых превращений и формирования структуры.
  2. Созданные технологические процессы позволили применить НМС 12Х2Г2НМФБ взамен среднеуглеродистых сталей 40ХН2М, 38ХН3МФ, снизить деформацию и коробление при термообработке, исключить использование экологически вредных жидких охлаждающих сред (минеральные масла, щелочи), улучшить качество поверхности, снизить массу изделий, повысить конкурентоспособность продукции. Технологический процесс внедрен в серийное производство деталей (вал, муфта вала) винтовых забойных двигателей на предприятии ООО «Радиус–Сервис».
  3. Предложены рациональные технологии упрочнения НМС 12Х2Г2НМФБ в температурных интервалах 500 – 580 оС (структура стали мартенсит) и 800 - 900 оС (структура стали аустенит). Новые технологические процессы обеспечивают высокие механические свойства поверхности и сердцевины после относительно непродолжительной обработки. Высокая устойчивость аустенита диффузионного слоя и сердцевины позволяет совместить высокотемпературное карбонитрирование с закалкой на воздухе. Высокотемпературное карбонитрирование обеспечило повышение более чем на порядок коррозионной стойкости деталей при испытаниях в условиях повышенных влажности и температуры без конденсации влаги.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: II Международной школе «Физическое металловедение» и XVIII Уральской школе металловедов–термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Тольятти, 2006 г; VII Международной научно-технической конференции «Уральская школа-семинар металловедов – молодых ученых», Екатеринбург, 2006 г; III Международной школы-конференции «Физическое материаловедение: «Наноматериалы технического и медицинского назначения», проходившей 24-28 сентября 2007 в городах Самаре, Тольятти, Ульяновске; XIX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвященной 100-летию со дня рождения академика В.Д. Садовского, Екатеринбург, 2008 г; Восьмой ежегодной международной Промышленной конференции «Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях», п. Славское, Карпаты, 11-15 февраля 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений. Работа изложена на 143 страницах, включает 44 рисунка, 14 таблиц и 5 приложений. Список использованных источников содержит 179 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность, изложены цели и задачи, сформулированы научная новизна, практическая значимость работы, представлены положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Формирование структуры при мартенситном превращении, конструкционная прочность и упрочнение поверхности сталей». Рассмотрены особенности формирования структуры и свойства низкоуглеродистых мартенситных сталей. Представлен обзор по диффузионным методам упрочнения поверхности сталей азотом и углеродом.


Вторая глава «Материалы и методики исследований».

Основные исследования проводили на НМС 12Х2Г2НМФБ, для сравнения изучали фазовые превращения сталей 07Х3ГНМ и 17Х2Г2Н.

Представлены методы исследований и экспериментов. Основные исследовательские методы включали металлографический (Neophot-32) и электронно-микроскопический анализ (ЭМ-125) структуры. Фазовые превращения изучали дилатометрическим (дифференциальный дилатометр Шевенара), магнитометрическим (модернизированный анизометр Акулова с автоматизированной системой регистрации результатов измерений) и калориметрическим ДСК (дифференциальный сканирующий калориметр STA 449 C Jupiter) методами. Рентгеновский анализ проводили на приборе ДРОН-3М. Послойный химический анализ – методом оптической эмиссионной спектрометрии (спектрометр LECO SA – 2000) и микрорентгеноспектральным методом (сканирующий электронный микроскоп Hitachi S-3400N с приставкой Bruker 133 kV). Испытания на одноосное растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 1497–84 на машине INSTRON 300 LX. Ударную вязкость (KCU, KCV, KCT) определяли согласно ГОСТ 9454–78 на маятниковом копре ИО 5003–0.3, удельную работу разрушения образцов с трещиной при изгибе и критический коэффициент интенсивности напряжений– на универсальной испытательной машине INSTRON 8801. Микродюрометрические исследования – на микротвердомере ПМТ – 3, твердость – на твердомерах Роквелла и Бринелля. Кинетику диффузионного насыщения описали при предположении постоянства коэффициента диффузии и выполнения уравнения Аррениуса. Коррозионные испытания проводили по ГОСТ 9.308–85, результаты оценивали по ГОСТ 9.311–87.

  Тонкая структура пакетного-1

Рисунок 1 – Тонкая структура пакетного мартенсита НМС 12Х2Г2НМФБ

Третья глава «Структура и свойства термоупрочненной низкоуглеродистой мартенситной стали». Рассмотрены закономерности фазовых и структурных превращений в низкоуглеродистых мартенситных сталях. В исходном состоянии структура исследованных НМС – пакетный мартенсит, рисунок 1. Существенным отличием между исследованными сталями в исходном состоянии является размер зерна аустенита d. Стали имели следующие значения d: 7 мкм у НМС 12Х2Г2НМФБ, 11 мкм у 17Х2Г2Н, 14 мкм у 07Х3ГНМ.

Значения критических температур, определенные дилатометрическим магнитометрическим и ДСК методами для идентичных условий экспериментов не отличались более чем на 20 оС. Температура начала –превращения для всех исследованных сталей находятся на одном уровне 700-720 оС.

Для стали с невысоким содержанием углерода (07Х3ГНМ) характерна наибольшая температура Мн=500 оС. Мартенситное превращение близкой по составу, но отличающейся большей концентрацией углерода стали 17Х2Г2Н начинается на 100 оС ниже. Наименьшая температура Мн=360 оС была у НМС 12Х2Г2НМФБ, что обусловлено понижением температуры мартенситного превращения по мере повышения содержания в твердом растворе легирующих элементов.

Изотермический распад низкоуглеродистого аустенита сталей 07Х3ГНМ и 17Х2Г2Н, не содержащих сильных карбидообразующих элементов, протекает в двух температурных областях. Выше 600 оС распад реализуется по нормальному механизму с образованием феррита и карбидов. Инкубационный период нормального (0) превращения стали 17Х2Г2Н сравним с 0 НМС 07Х3ГНМ и составляет около 70 мин (5 % -фазы). Ниже 420 оС превращение проходит по мартенситному механизму с изотермической кинетикой.

Изотермические выдержки до 8 ч переохлажденного аустенита НМС 12Х2Г2НМФБ в области нормального и промежуточного превращений, не приводят к образованию магнитных фаз. На диаграмме, рисунок 2, присутствует только область сдвигового изотермического превращения.

Рисунок 2 – Диаграмма изотермического превращения аустенита НМС 12Х2Г2НМФБ

Итак, добавки небольшого количества ванадия и ниобия в сталь, содержащую хром, марганец, никель и молибден, значительно увеличивает инкубационный период диффузионных фазовых превращений в НМС, также как рост отношения (хром + марганец) / углерод способствует подавлению бейнитной реакции благодаря увеличению энергии активации (снижению подвижности атомов углерода в аустените).

Результаты исследований методом ДСК фазовых превращений при непрерывном нагреве НМС хорошо согласуются с дилатометрическими и анизометрическими данными, полученными в одинаковых условиях. Наличие нескольких пиков на кривых в области –превращения, рисунок 3, связано со сменой механизма превращения.

(а)
(б)

Рисунок 3 – ДСК кривые, полученные при нагреве образцов из стали 07Х3ГНМ (а) и 12Х2Г2НМФБ (б)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.