Формирование структуры и повышение конструкционной прочности низкоуглеродистых мартенситных сталей

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.

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)