CC BY
24
УДК 669.293:621.7В
О.П. Шаболдо
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИОБИЯ В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОЙ ДЕФОРМАЦИИ РОТАЦИОННОЙ КОВКОЙ
При создании новых пружинных материалов решают комплекс задач, связанных с получением полуфабрикатов различных сечений, формированием структуры и обеспечением необходимого уровня механических, технологических, служебных свойств материалов и пружин из них [1]. Известно, что характеристики материала определяются термомеханическими режимами его производства и создаваемой при этом структурой [2—5]. Основной вклад в формирование структуры вносит пластическая деформация [6]. При изготовлении полуфабрикатов из жаропрочных высоколегированных ниобиевых сплавов, к которым относится и сплав ЛН-1 (Н610В5МЦУ), возникает ряд проблем [7, 8]. Сплавы данной группы (Р-48, 0-43, Аб-ЗО 10В2МЦ, ЛН-1), легированные такими элементами, как вольфрам, молибден, цирконий и т. д. труднодеформируемы и требуют высоких температур нагрева при пластической обработке. В связи с этим первичную деформацию слитков из сплава ЛН-1 осуществляют горячей экструзией. В то же время ниобиевые сплавы обладают низкой жаростойкостью, поэтому нуждаются либо в защите от газонасыщения при высокотемпературной обработке, либо требуют снижения температуры деформирования. Сплав ЛН-1 после экструзии обладает вполне достаточной деформируемостью, что позволяет проводить вторичную деформацию прокаткой при более низких температурах, т. е. в интервале температур теплой деформации. Особенностям теплой деформации сплава ЛН-1 при производстве прутков диаметром 20—24 мм посвящена наша предыдущая работа [8]. Однако для получения полуфабрикатов меньших сечений (диаметр 3— 6 мм) необходимо использование иных процессов обработки металлов давлением (ОМД) с другими термомеханическими параметрами, например ротационной ковки. Приданном методе ОМД формируется локальный очаг дефор-
мации и в нем создается благоприятная схема напряженного состояния, что позволяет проводить деформирование сплава Л Н-1 при более низких температурах, чем при прокатке, и тем самым уменьшать газонасыщение металла при теплой пластической обработке. Известно, что изменение технологических и термомеханических параметров изготовления ответственно за кинетику протекания процессов эволюции структуры и формирование требуемых свойств [5]. Вопросам теплой деформации сплава ЛН-1 ротационной ковкой, исследованию формирования структуры и свойств сплава при производстве прутков малых сечений (диаметр 3—6 мм), служащих заготовками для высокотемпературных пружин, посвящена настоящая статья.
Исходной заготовкой при производстве прутков диаметром 3—6 мм являются рекристал-лизованные катаные прутки диаметром 15—18 мм с равноосной мелкозернистой структурой.
Для исследования закономерностей формирования свойств и структуры сплава Л Н-1 в процессе теплой ковки на ротационно-ковочных машинах (РКМ) из рекристаллизованных катаных заготовок диаметром 18 мм были изготовлены со степенями деформации е = 16—90 % прутки диаметром 6,0—16 мм (максимальная
е
На пятикратных образцах с диаметром рабочей части 2 мм, изготовленных из прутков после каждого прохода ковкой, проведены испытания на растяжение, а на цилиндрических образцах диаметром 6 мм и длиной 55 мм с надрезом радиусом 1 мм, отобранных таким же образом, проведены испытания на ударный изгиб при температурах от 20 до 400 °С. Испытания на растяжение проводили на машине ИМ-4Р. Скорость испытания составляла 1 мм/мин. Испытания на ударный изгиб проводили на маятниковом копре. Механические свойства сплава ЛН-1 оценивали по результатам 3—7 испытаний. Исследования
структуры проводили методами просвечивающей электронной микроскопии.
Как известно, при ротационной ковке формируется локальный очаг деформации, в нем создается благоприятная схема напряженного состояния, что позволяет проводить пластическую обработку труднодеформируемых материалов, в том числе и сплава Л Н-1, при более низких температурах, чем при прокатке. Снижение температуры деформации до (0,35-0,40) Т^ (7^ — температура плавления) позволяет уменьшить газонасыщение металла при пластической обработке. В соответствии с общепринятыми положениями физики пластической деформации [9, 10] деформация с большими степенями при температурах в диапазоне (0,1—0,4) Тш приводит к формированию фрагментированной структуры. Кроме того, мелкое зерно исходной структуры [9], высокие скорости деформации [8], а также наличие мелкодисперсной недеформируемой второй фазы [11] способствуют возникновению коллективных мод движения дислокаций, приводящих к самоорганизации ансамбля в процессе пластической деформации. Согласно современному подходу фрагментированная структура
о)
относится к мезоуровню, т. е. к мезоструктуре, состоящей из мезодефектов [5, 9]. Наиболее типичными дислокационными образованиями мезоструктуры можно считать оборванные границы. Поданным [9] появление первых мезодефектов в процессе деформации многих металлов при комнатной температуре наблюдается примерно при е = 0,2. Как показали результаты наших исследований структуры сплава Л Н-1 (рис. ^достаточно большие по размерам области, разделенные оборванными границами, формируются при е
е
значения пороговой деформации обусловлено более высокой температурой пластической обработки. На рис. 1, а представлена типичная оборванная ветвящаяся граница. Максимальная полная разориентировка областей, разделенных подобной границей, составляет 5—6° [10]. Наличие подобного структурного элемента свидетельствует о переходе деформации материала в стадию развитой. Последующее повышение степени деформа-е
внутри указанных областей (рис. 1, б). Кроме того, на фольгахиз образцов, деформированных
Рис. 1. Изменение структуры в процессе теплой ротационной ковки (х50000): а- е = 35%;б,в- е = 55%:г- е = 75 %
со степенью 55 %, обнаружены также дипольные конфигурации (рис. 1,в).
Формированием описанных дислокационных образований обусловлен характер зависимостей механических свойств и температуры хладноломкости (Гх) сплава JIH-1 от степени деформации е (рис. 2 и 3). Зависимость Тх от степени деформации построена по критерию Аизг > 5 Дж (работа ударного изгиба).
Из приведенных результатов испытаний следует, что деформационное упрочнение материала с ав = 710 МПа и а0 2 = 550 МПа в исходном состоянии до ств = 960 МПа и а0 2 = 870 МПа, обусловленное ростом плотности дислокаций на
е
оборванных границ, являющихся источниками мощных напряжений [5,9], наблюдается в широ-
е
(рис. 2). При повышении степени деформации свыше 45 % при ковке на РКМ прочностные и пластические характеристики практически не
е
наблюдается некоторое упрочнение материала (ав возрастаетдо 1020 МПа). Зависимость Гх(е)
е
(рис. 3). Высокое максимальное значение Гх, равное 400 °С, обусловлено жесткой схемой испы-
ав< °0,2. апц< МПа
тания на ударный изгиб. Падение Тх начиная с е = 55 % обусловлено увеличением с ростом степени деформации доли объема, занятого фрагмен-тированной структурой, и углов разориентации ячеек и фрагментов, т. е. интенсивным снижением эффективной длины плоскости скольжения (эффективного размера зерна) [4]. Причем Гхпри больших степенях деформации ниже, чем в исходном рекристаллизованном состоянии. При больших степенях деформации размер ячеек с ра-зориентировками, при которых граница ячейки становится непрозрачной и начинает выполнять роль границы зерна, ограничивая эффективную длину плоскости скольжения, значительно меньше размера зерна исходной ре кристаллизованной заготовки. Аналогичные « несимметричные» зави-е
молибдена, хрома и др. металлов с ОЦКрешеткой.
е
ется объединение примерно равноосных ячеек в вытянутые конгломераты, имеющие внутри себя собственную субструктуру (рис. 1, г). Причем, как следует из приведенных на рис.1, б, г участков структуры, формирование данных конгломератов с образованием границ между ними (сначала малоугловых) начинается уже при е
а, %
Рис. 2. Зависимость механических свойств (предел прочности ств, условный предел текучести ст0 2, предел пропорциональности стпц, относительное удлинение 8, относительное сужение шейки у) кованых прутков от степени деформации е
тов достаточно велик (1—5 мкм), поэтому при больших степенях деформации наблюдается незначительное упрочнение материала (рис. 2).
Следует отметить, что в процессе теплой деформации сплава JIH-1 как прокаткой при (0,50—0,55) 7^, так и ротационной ковкой при (0,35-0,40) Тш наблюдаются общие закономерности формирования механических свойств материала. Кривые упрочнения имеют три участка, а зависимости Гх(е) достигают максимумов при средних значениях степени деформации. Однако имеются также некоторые различия, обусловленные иным характером эволюции структуры сплава JIH-1 в случае ковки его на РКМ при более низкой температуре. Прокатка с высокими степенями деформации при температуре (0,50—0,55) с частыми подогревами в сплаве JIH-1 формирует ячеистую полигони-зованную структуру с большой протяженностью высокоугловых границ [8]. При изменении технологических термомеханических параметров (температура, способ ОМД) меняется механизм пластической деформации и характер эволюции структуры и, как следствие, формируются иные механические свойства сплава. В результате пластической обработки на нижней границе интервала температур теплой деформации (0,35—0,40) Тш в кованых прутках из сплава JIН-1 формируется развитая фрагментированная структура, представляющая собой вытянутые конгломераты с высокоугловыми границами, которые имеют внутри собственную субструктуру. Данная развитая структура обеспечивает необходимый уровень механических свойств прутков при комнатной температуре для последующей шлифовки прутков и навивки пружин.
Проведенное исследование позволило сделать следующие выводы:
тх, -с
100 о
О 20 40 60 ао Е. %
Рис. 3. Зависимость температуры хладноломкости кованых прутков от степени деформации (по критерию Аиж > 5 Дж)
1. В процессе теплой ротационной ковки с высокими степенями деформации при температуре (0,35-0,40) Тш в сплаве ЛН-1 формируется фрагментированная ячеистая структура, представляющая собой вытянутые конгломераты с высокоугловыми границами, которые имеют внутри собственную субструктуру. Данная мезо-структура обеспечивает требуемый для последующей обработки и эксплуатации уровень механических свойств прутков (ав= 1000—1020 МПа; спц= 800-850 МПа; 5 = 12-15 %\у = 30-35 %).
2. Проведение пластической обработки при температурах нижней границы интервала теплой деформации приводит к смене механизма пластической деформации и характера эволюции структуры по сравнению с прокаткой при температурах верхней границы и, как следствие, к получению материала с более высоким уровнем прочностных и упругих свойств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виторский, Я.М. Термомеханически упрочняемые высокопрочные и жаропрочные пружинные материалы [Текст] / Я.М. Виторский, О.П. Шаболдо, Е.А. Караштин // Труды Между-нар. научно-техн. конф. «Современные металлические материалы и технологии «СММТ, 2009».— СПб., 2009,- С. 483-484.
2. Виторский, Я.М. Влияние степени пластической деформации на структуру и свойства низколегированного молибдена [Текст] / Я.М. Витор-
ский, РК. Иващенко, С.Н. Каверина [и др.] // ФММ,- 1973. Т. 35, № 5,- С. 1064-1074.
3. Трефилов, В.И. Структура, текстура и механические свойства деформированного молибдена [Текст] / В.И. Трефилов, Ю.В. Мильман, РК. Иващенко [и др.].— Киев.: Наукова думка, 1983,— 232 с.
4. Трефилов, В.И. Физические основы прочности тугоплавких металлов [Текст] / В.И. Трефилов, Ю.В. Мильман, С.А. Фирстов,— Киев.: Наукова думка, 1975,— 315 с.
5. Коджаспиров, Г.Е. Роль мезоструктуры при термомеханической обработке металлических материалов [Текст] / Г.Е. Коджаспиров, В.В. Рыбин, X. Апостолопоулос // МиТОМ,— 2007. № 1,— С. 30-34.
6. Коджаспиров, Г.Е. Физические основы и ресурсосберегающие технологии изготовления изделий пластическим деформированием [Текст] / Г.Е. Коджаспиров, А.И. Рудской, В.В. Рыбин,— СПб.: Наука, 2006.-350 с."
7. Шаболдо, 0.11. Проблемы производства высокотемпературных пружинных материалов из жаропрочного дисперсионно-твердеющего сплава на основе ниобия ЛН-1 [Текст] / О.П. Шаболдо, Я.М. Ви-торский, Е.В. Васильев // Труды Междунар. научно-техн. конф. «Нанотехнологии функциональных материалов «НФМ, 2010»,- СПб., 2010,- С. 290-291.
8. Виторский, Я.М. Особенности теплой деформации жаропрочного ниобиевого сплава марки ЛН-1 при прокатке [Текст] / Я.М. Виторский, А.И. Рудской, О.П. Шаболдо // Научно-технические" ведомости СПбГПУ,- 2010. N° 3(106).-С. 119-125.
9. Рыбин, В.В. Закономерности формирования мезоструктур в ходе развитой пластической деформации | Текст] / В.В. Рыбин // Вопросы материаловедения,- 2002. № 1,- С. 11-33.
10. Рыбин, В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов [Текст] / В.В. Рыбин,— М.: Металлургия, 1986,— 224 с.
11. Коротаев, А.Д. Дисперсное упрочнение тугоплавких металлов [Текст] / А.Д. Коротаев, А.Н. Тюменцев, В.Ф. Суховаров,— Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1989,— 211с.
УДК669:539.261:539.531
А.Г. Акуличев, В.Д. Андреева, В.В. Трофимов
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКАЛЕННОГО НИТРОЦЕМЕНТОВАННОГО СЛОЯ
СТАЛИ 20ХЗМВФ МЕТОДОМ ПОЛНОПРОФИЛЬНОГО АНАЛИЗА РЕНТГЕНОГРАММ
Высокотемпературная нитроцементация — один из самых эффективных способов поверхностного упрочнения деталей машин, работающих в условиях износа, повышенных эксплуатационных нагрузок, а также коррозии. Изучение закономерностей распределения полуширины дифракционных линий, параметров кристаллической решетки, несовершенств кристаллического строения и их взаимосвязи со свойствами нитроцементованных слоев позволит выбрать оптимальный технологический режим изготовления и обработки деталей, контролировать уровень механических характеристик на разных этапах технологической цепочки.
В статье излагаются результаты послойного рентгенографического исследования образцов стали, упрочненных нитроцементацией и закалкой по режиму, часто применяемому в промышленности. Целью работы было изучение фазового состава и параметров кристаллической решетки по глубине слоя, а также выявление возможности контроля обезуглероживания и твердости методом рентгеновской дифракции.
Материалом для исследования послужила сталь 20ХЗМВФ-Ш, широко используемая в авиационном машиностроении для изготовления тяжелонагруженных валов и шестерен, эксплуатирующихся в условиях нагрева до 300 °С. Нитроцементация проводилась в среде науглероживающих газов и 5 % аммиака при температуре 860 °С в течение двух часов. Закалку производили сразу после нитроцементации в масле, нагретом до 60 °С.
Микротвердость нитроцементованных слоев измеряли на микротвердомере LEICA VHMT AUTO с нагрузкой 50 г.
Для исследования фазового состава и параметров тонкой структуры с образцов последовательно удаляли тонкие слои электролитическим травлением и после снятия каждого слоя производили съемку рентгенограмм. Электролитическое стравливание производили в растворе, состоящем из 70 мл ортофосфорной кислоты, 20 г хромового ангидрида и 10 мл воды, с использованием медного катода по режиму: напряжение 5-6 В, плотность тока 0,5-0,6 А/см2.
