Разработка и внедрение высокопрочной теплостойкой стали для азотируемых и цементуемых высоконагруженных деталей машин

На правах рукописи

Пряничников Владислав Александрович

Разработка и внедрение высокопрочной

теплостойкой стали для азотируемых и

цементуемых высоконагруженных

деталей машин

Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева»; Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана;
Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Сивков Владимир Лаврентьевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Васильев Виктор Александрович Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева
	действительный член РАЕН, доктор технических наук, профессор Клейнер Леонид Михайлович Пермский государственный технический университет
Ведущее предприятие:	ОАО ННИИММ «Прометей», г. Н.Новгород

Защита диссертации состоится « 16» октября 2009г в « 15 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 в Нижегородском техническом университете по адресу: 603600, ГСП – 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корпус 1, ауд. 1258.

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

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя секретаря диссертационного совета (факс:8 – 831 – 436 – 94 – 75)

Автореферат разослан « 15 » сентября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.А.Ульянов

Общая характеристика работы

Актуальность работы Ресурс работы различных видов машин и механизмов в значительной степени определяется усталостной прочностью, а также способностью сопряженных пар трения сопротивляться изнашиванию.

В настоящее время распространенным способом упрочнения высоконагруженных деталей машин (зубчатые колеса и др.) является цементация (нитроцементация). Однако использование этих видов химико-термической обработки приводит к сильной деформации деталей и, как следствие, к необходимости проведения трудоемкой операции шлифования.

За последние годы, благодаря фундаментальным исследованиям, выполненным Ю.М.Лахтиным, Б.Н.Арзамасовым, Г.Ф.Косолаповым, С.А.Герасимовым и др., появилась возможность использования азотирования для высоконагруженных деталей машин взамен цементации.

Кроме этого, причиной повышенного внимания к проблеме азотирования является уникальный комплекс свойств стальных изделий (износостойкость, сопротивляемость схватыванию, коррозионная стойкость, сопротивление усталости, теплостойкость), а также малые деформации, что исключает трудоемкий процесс шлифования.

Тем не менее, применяемые стали для высоконагруженных деталей машин не полностью удовлетворяют современным требованиям по качеству азотированного слоя ( высокая хрупкость и др.), а также сердцевины.

В условиях мелкосерийного производства на машиностроительных предприятиях при изготовлении изделий используется большое разнообразие марок сталей для азотируемых и цементуемых деталей с малыми объемами потребления, что вызывает значительные технические и экономические проблемы. Эти недостатки можно устранить, если сократить количество применяемых сталей.

В связи с этим разработка и внедрение в производство высокопрочной стали многоцелевого назначения с повышенной теплостойкостью и прокаливаемостью для изготовления высоконагруженных азотируемых и цементуемых деталей является в настоящее время актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках конверсионной программы ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» по освоению изготовления импортозамещающих узкозахватных очистных комбайнов нового поколения «Кузбасс – 500».

Цель работы разработка и внедрение высокопрочной теплостойкой стали многоцелевого назначения для изготовления азотируемых и цементуемых высоконагруженных деталей машин.

Для достижения указанной цели решали следующие задачи:

• обоснование химического состава стали;
• исследование структуры, физико-механических свойств и критериев разрушения синергетики стали в зависимости от температурно-временных параметров термической и химико-термической обработки;
• оценка контактной выносливости и выносливости при изгибе;
• разработка и внедрение технологии горячей пластической деформации, термической и химико-термической обработки (газового азотирования и цементации).

Научная новизна

внутризеренную структуру;

структуру и химический состав зернограничных областей азотированного слоя;

контактную долговечность.

Практическая значимость

1. Разработаны и внедрены в промышленность технические условия ТУ0958 – 011 -08627614 – 95 «Поковки, прокат крупного сечения, блюмы (болванки обжатые), заготовки квадратные из высокопрочной стали марки 20Х3Н3МФБ для тяжелонагруженных улучшаемых, азотируемых, цементуемых деталей».

2. Разработаны и внедрены технологии горячей пластической деформации, термической и химико-термической обработки (газового азотирования и цементации).

3. Внедрение на ОАО «НМЗ» стали многоцелевого назначения 20Х3Н3МФБ при изготовлении очистных угольных комбайнов позволило за счет сокращения применяемых марок стали, унификации режимов термической и химико-термической обработки деталей, оптимизации маршрутных технологий и уменьшения трудоемкости за счет перевода деталей, в том числе зубчатых колес, с цементации на азотирование получить экономический эффект ~1,2 млн. рублей на одно изделие.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования влияния никеля в низкоуглеродистых легированных сталях на:

- структуру и химический состав зернограничных областей азотированного слоя;

- контактную долговечность азотированного слоя.

2. Химический состав новой высокопрочной теплостойкой стали.

3. Результаты исследования зависимости физико-механических свойств и критериев разрушения синергетики разработанной стали от различных режимов термообработки, а также экспериментальной оценки её предела контактной выносливости после азотирования с широко применяемыми азотируемыми и цементуемыми сталями.

4. Технологии горячей пластической деформации, упрочняющей объемной термической обработки, газового азотирования и цементации.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международной конференции по химико-термической обработке «3-и Лахтинские чтения» (2004г., г. Варшава), на научных семинарах кафедры МТ - 8 МГТУ им. Н.Э.Баумана (1996, 2001, 2008 г.г., г. Москва), на межрегиональных научно-практических конференциях г. Н.Новгород (2003, 2005, 2009г.г.), г. Новочеркасск (2004г.), г. Златоуст (2005г.).

Производство слитков различного развеса и блюмов (размером 220220) освоено на ОАО «Златоустовский металлургический завод»; слитков – на ОАО «Ижсталь».

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах, в том числе: в двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, в двух патентах РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 152 страницах машинописного текста, включает 44 рисунка и 22 таблицы.

Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 108 наименований и приложения на 14 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, определена цель работы, приведены программа исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе на основании литературных данных, а также нормативных документов, действующих в различных отраслях машиностроения, приведен аналитический обзор широко используемых в машиностроении высокопрочных азотируемых и цементуемых конструкционных сталей.

Показаны недостатки существующих азотируемых сталей (недостаточная прокаливаемость, прочность, низкая отпускоустойчивость, малая глубина и высокая хрупкость азотированного слоя, низкая контактная выносливость), не позволяющих их использовать для высоконагруженных деталей машин, цементуемых сталей (низкая теплостойкость, недостаточное содержание хрома, обеспечивающего необходимое количество нитридов в слое), что не позволяет использовать их в качестве азотируемых сталей.

Показаны актуальность и перспективность разработки новой стали.

Во второй главе приводятся химический состав экспериментальных и промышленных сталей; методики исследований, оборудование и приборы, использованные при проведении экспериментов и исследований. Исследовались экспериментальные низкоуглеродистые легированные стали 15Х3МФБ – Ш; 15Х3Н1МФБ – Ш и 15Х3Н2МФБ Ш с содержанием углерода – 0,15% и никеля 0,16; 0,72%; 1,98% соответственно; 20Х3Н3МФБ – Ш с содержанием углерода 0,20%, никеля 3,02%; промышленная сталь 20Х3Н3МФБ плавок №№ 1, 2, 3 с содержанием углерода 0,19%; 0,20%; 0,22% соответственно и с суммарным содержанием никеля и хрома 5,80% и 5,81% (плавки №№ 1, 2), 6,04% (плавка № 3).

В работе использовались методики исследований: химический и спектральный анализ состава сталей и сплавов по ГОСТ 12344ГОСТ 12348, ГОСТ 12350ГОСТ 12355, ГОСТ 12359, ГОСТ 12361, ГОСТ 18895; электронная микроскопия с использованием микроскопов JEM6G, TESLA BS–540, JEOL–200CX; рентгеноструктурный анализ на установке ДРОН–3М; Оже – спектроскопия на спектрометре JAMP – 10S; исследование микроструктуры и изломов с использованием микроскопов ММР – 7, Neofot – 21, растрового электронного микроскопа TESLA BS – 340; определение критических точек стали дилатометрическим методом на дилатометре Шевенара; контроль макроструктуры по ГОСТ 10243; определение величины зерна по ГОСТ 5639; контроль качества поверхностно- упрочненного слоя по РТМ 3 – 1089; определение прокаливаемости методом торцевой закалки по ГОСТ 5657, а также на пробах переменного сечения; измерение твердости по ГОСТ 9013 (по Роквеллу), по ГОСТ 2999 (по Виккерсу); измерение микротвердости по ГОСТ 9450; испытание на растяжение по ГОСТ 1497 (при комнатной температуре), по ГОСТ 9651 (при повышенных температурах); испытание на ударный изгиб по ГОСТ 9454; определение модуля упругости динамическим методом по ГОСТ 25156; определение удельной теплоемкости по методу Сайкса – Грузина; коэффициентов теплопроводности по методу Кольрауша, температуропроводности по методу Ангстрема; температурного коэффициента линейного расширения на дилатометре Шевенара; испытание на контактную усталость по рекомендациям Р 50-54-30 (взамен ГОСТ 25.501); испытание на изгибную усталость с использованием специального стенда, обеспечивающего резонансную частоту 40 125Гц.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния химического состава стали на механические свойства после высокого отпуска, структуру и контактную долговечность азотированного слоя экспериментальных сталей.

Для достижения гарантированной категории прочности (0,2 1000МПа) и теплостойкости содержание углерода в сталях с исследуемым типом легирования было повышено до 0,20%. Повышение в стали содержания углерода до 0,20% (сталь 20Х3Н3МФБ – Ш) обеспечивает высокий комплекс свойств. Значение предела текучести 0,2 > 1000МПа обеспечивается после закалки 980С, 1ч, охлаждение масло и отпуска при 580С, 1ч. Этот режим отпуска обеспечивает получение твердости ~ 38НRC. После дополнительной термообработки по режиму «ложного азотирования» 500С, 20ч + 540С, 40ч необходимое значение предела текучести сохраняется. Ударная вязкость стали 20Х3Н3МФБ – Ш после «ложного азотирования» осталась на высоком уровне (КСU = 0,70МДж/м2).

Приведены результаты исследования и установлено положительное влияние никеля на структуру азотированного слоя. Исследовались азотированные стали 15Х3МФБ – Ш, 15Х3Н1МФБ – Ш, 15Х3Н2МФБ – Ш, 20Х3Н3МФБ – Ш с содержанием никеля 0,16%; 0,72%; 1,98%; 3,02% соответственно. Режим азотирования: 500С, 20ч + 540С, 40ч, среда аммиак марки «А» ГОСТ 6221. Перед азотированием образцы исследуемых сталей подвергались закалке при температуре 980С, 1ч с охлаждением в масле и отпуску при температуре 580С, 1ч.

Структура азотированного слоя исследовалась методом электронной микроскопии тонкой фольги. Фольга вырезалась на глубине, соответствующей максимальному значению твердости азотированного слоя.

Установлено, что во всех исследованных сталях при азотировании образуется нитридная фаза с ГЦК структурой. Период решетки выделяющейся нитридной фазы, определенный по положению её рефлексов на электронограммах, составляет 0,414нм, что близко к значению периода решетки CrN. Поскольку исследуемые стали содержат в небольших количествах и другие нитридообразующие элементы (Mo, V), можно предположить, что образующаяся нитридная фаза имеет сложный состав. Частицы имеют вытянутую форму и в основном хаотически распределены. Наряду с хаотически распределенными частицами имеются изогнутые цепочки нитридов, выделившиеся по различным дефектам: границам зерен, мартенситным кристаллам, по дислокациям.

Структура азотированного слоя зависит от содержания никеля.

С увеличением количества никеля в стали наблюдается более равномерное и более однородное распределение частиц нитридной фазы по размерам. Размер нитридов уменьшается с увеличением содержания никеля в стали, а плотность их распределения увеличивается. В стали с малым его содержанием размер нитридов составляет 20 40нм, а в стали с содержанием никеля ~ 3% размер частиц составляет 7 10нм. При этом бльшие из приведенных размеров относятся к частицам, выделившимся на дефектах.

Плотность распределения частиц в стали с содержанием никеля ~1% составляет ~0,5 · 1022 м -3, с содержанием ~2% – ~ 1,3·1022 м-3, в стали с содержанием никеля ~3% – ~ 2,5·1022 м-3 (рис. 1).

Таким образом, легирование никелем приводит к измельчению нитридов и повышению плотности их распределения в азотированном слое. Это объясняется тем, что никель снижает диффузионную подвижность атомов хрома при азотировании и в связи с этим приводит к образованию большого количества зародышей нитридной фазы.

Рис.1 Изменение размера d и плотности распределения нитридов в зависимости от содержания никеля в экспериментальных сталях. Режим азотирования: 500 С,20 ч + 540 С, 40ч.

Оже – спектроскопическим методом установлено, что содержание никеля на границах зерен превышает его среднее содержание в стали в несколько раз во всех исследованных никельсодержащих сталях, а в стали с содержанием никеля ~ 3% его концентрация на границе составляет ~ 15%, т.е. при азотировании происходит перераспределение никеля между границами и объемом зерна, количество же азота в зернограничной области снижается (рис.2).

Рис.2 Влияние содержания никеля в экспериментальных сталях на концентрацию никеля и азота в зернограничной области азотированного слоя. Режим азотирования: 500С, 20ч + 540С, 40ч.

Повышение содержания никеля в зернограничной области обусловлено, в основном, вытеснением его азотом из твердого раствора. Это является решающим фактором, предотвращающим выделение в виде протяженных цепочек цементита и нитридов легирующих элементов вдоль границ в азотированном слое никельсодержащих сталей, что приводит к снижению хрупкости азотированного слоя.

Электронномикроскопические исследования методом реплик азотированного слоя показывают наличие в зернограничных областях стали без никеля большого количества трещин, в стали с содержанием никеля ~ 3% они отсутствуют (рис.3).

а) б)

Рис.3 Структура зернограничной области экспериментальных азотированных сталей без никеля (а) и содержащей ~3 % никеля (б).Режим азотирования: 500 С, 20 ч + 540С, 40 ч. 300002

При увеличении содержании никеля в стали до ~ 3 % его концентрация в зернограничных областях повышается приблизительно до ~ 15 %, что приводит к снижению хрупкости азотированного слоя и, как следствие, к повышению контактной долговечности (N50) приблизительно в ~ 8 раз (с N50 8млн. циклов до N50 64 млн. циклов) по сравнению с безникелевой сталью (рис.4).

Рис.4 Влияние содержания никеля на контактную долговечность экспериментальных сталей после азотирования. Режим азотирования: 500С, 20ч + 540С, 40ч.

Исследовалось влияние никеля на процессы карбидообразования при длительном высоком отпуске. Исследования проводились на сталях 15Х3МФБ – Ш, 20Х3Н3МФБ – Ш с использованием просвечивающего электронного микроскопа.

Установлено, что в безникелевой стали образуются в основном крупные карбиды равноосной формы размером несколько сотен нанометров (рис.5).

Рис. 5 Структура стали 15Х3МФБ – Ш, выявленная методом экстрагированных реплик. Режим обработки: закалка 980°С, 1ч, охлаждение масло + отпуск 550°С, 50ч.

В никельсодержащей стали в основном наблюдаются более дисперсные карбидные частицы размером 10 40нм (рис. 6).

Рис.6 Структура стали 20Х3Н3МФБ – Ш, выявленная методом экстрагированных реплик. Режим обработки: закалка 980°С, 1ч, охлаждение масло + отпуск 550°С, 50ч.

В четвертой главе приведены результаты исследования физико – механических свойств разработанной стали 20Х3Н3МФБ на образцах промышленных плавок 1, 2, 3.

В работе определены количественные значения критических точек и физических свойств стали (модуля упругости; удельной теплоемкости; коэффициентов теплопроводности, температуропроводности; температурного коэффициента линейного расширения).

Получены значения критических точек:

АС1 = 730 750С; МН = 360 370С;

АС3 = 780 800С; МК = 250 270С.