CC BY
50
УДК 621.785.4
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ 30ХГСН2А В ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОШИВКИ, РЕДУЦИРОВАНИЯ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОСОБОТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК
ДЕМЕНТЬЕВ В.Б., ЗАСЫПКИН АД.
Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Приводятся исследования структуры и механических свойств стали 30ХГСН2А в технологической последовательности получения упрочненной особотолстостенной трубной заготовки с применением высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО). Показано, что материал полностью соответствует по характеру структуры и прочности традиционному упрочнению методом ВТМО и может использоваться в промышленности в качестве упрочненной заготовки для высоконагруженных технических систем. При этом окончательное формирование структуры материала происходит на стадии ВТМО винтовым обжатием и не зависит от предшествующих операций.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: высокотемпературная термомеханическая обработка, бейнит, мартенсит, структура стали, механические свойства.
ВВЕДЕНИЕ
Сталь 30ХГСН2А разработана в середине 50-х годов XX в. во Всероссийском институте авиационных материалов и до настоящего времени успешно применяется для отечественных высоконагруженных изделий. Химический состав исследуемой стали приведен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав стали 30ХГСН2А
Марка Химический состав, %
стали C Mn Si P S & № Mo W
30ХГСН2А 0,30 1,05 1,05 0,015 0,007 1,11 1,60 0,17 0,075 0,04
Сталь 30ХГСН2А имеет высокие технологические и эксплуатационные свойства с хорошим сочетанием прочности и пластичности после закалки и отпуска. При изготовлении длинномерных цилиндрических деталей высоконагруженных технических систем проводилось ее упрочнение по технологии [1], включающей операции прошивки сплошной заготовки, ее редуцирования, отпуска и ВТМО с деформацией винтовым обжатием (ВО). Так как эти операции являются структурообразующими (Тнагр. > 700 °С), то исследования структуры и механических свойств проводились именно на этих операциях.
С применением в качестве заготовки трубчатого профиля взамен сплошного (с целью снижения веса изделий) возникают вопросы повышения конструктивной прочности, что должно компенсировать отсутствие внутренних слоев трубной заготовки для обеспечения уровня долговечности полых деталей не ниже уровня сплошных. В связи с этим, в разрабатываемой технологии предусмотрены такие упрочняющие операции, как ВТМО ВО и различные методы поверхностного пластического деформирования (например: обкатка роликами). При этом последняя используется на конечной стадии изготовления для упрочнения (наклепа) поверхностных слоев детали, что снижает вероятность зарождения усталостной трещины на ее поверхности. ВТМО ВО используется для повышения уровня механических свойств по всему сечению толстостенной трубы и в совокупности с обкаткой роликами дает значительный эффект в повышении долговечности (от 2 до 5 раз) [2].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И РЕЗУЛЬТАТЫ
Рассмотрим подробнее условия структурообразования в последовательности от исходной заготовки и далее в процессе прошивки, редуцирования на двухвалковом стане винтовой прокатки СВП-120, термической обработки (высокий отпуск при Т = 700 °С) и ВТМО ВО.
На рис. 1 представлена исходная макроструктура стали 30ХГСН2А. Макроструктура плотная, поры и дефекты металлургического происхождения отсутствуют. Микроструктура (рис. 2) - сорбитообразный перлит (НВ-262), обезуглероженный слой 0,4 мм, величина действительного аустенитного зерна соответствует 6 баллу (рис. 3). На рис. 4 - 5 показаны макроструктуры заготовок после прошивки и редуцирования. На рис. 6 - действительное аустенитное зерно стали 30ХГСН2А после редуцирования.
а) б)
Рис. 1. Макроструктура стали 30ХГСН2А в исходном состоянии: а) - 0 50 мм; б) - 0 40 мм
Рис. 2. Микроструктура стали 30ХГСН2А в исходном состоянии: а) - ><200; б) - ><1000
Рис. 3. Действительное аустенитное зерно стали 30ХГСН2А в исходном состоянии
а) б)
Рис. 4. Макроструктура стали 30ХГСН2А: а) — после прошивки; б) - после редуцирования
Рис. 5. Макроструктура стали 30ХГСН2А после редуцирования без оправки
Рис. 6. Действительное аустенитное зерно стали 30ХГСН2А после редуцирования
После прошивки трещины и неровности отсутствуют на внутренней поверхности заготовки. На внешней поверхности имеются широкие трещины, расположенные под углом (до 5 трещин по периметру). Глубина залегания 0,1 мм, длина по касательной до 0,8 мм. На внутренней поверхности отмечено частичное обезуглероживание на глубине до 0,1 мм. На внешней поверхности заготовки обезуглероженный слой равномерно расположен по окружности на глубине до 0,15 мм. Структура стали после прошивки - бейнит, твердость НЯСэ 35-37 (рис. 7, а). Бейнитная структура обусловлена температурой нагрева при прошивке (ТН) от 1140 до 1180 °С.
Заготовка после редуцирования (без отпуска) имеет трещины на внутренней поверхности, направленные по радиусу, длиной не более 0,13 мм. Трещины на внешней поверхности направлены под углом (до 14 трещин по периметру). Глубина залегания до 0,96 мм, длина по касательной до 0,9 мм. Обезуглероженный слой на внутренней поверхности равномерный, до 0,2 мм.
На внешней поверхности заготовки обезуглероженный слой отсутствует, но наблюдается местное обезуглероживание на трещинах. Структура без изменения (бейнит) (рис. 7, б). Бейнитная структура после редуцирования образуется при следующих режимах обработки:
Степень деформации X = 49,5 %, температура нагрева ТН = 1140 - 1180 °С.
Рис. 7. Структура стали 30ХГСН2А по переходам: а) - после прошивки; б) - после редуцирования
Исследования заготовок после редуцирования с отпуском (температура нагрева 750 - 800 °С с выдержкой 2 часа) показали, что на внешней поверхности образуется слой окалины 0,12 - 0,20 мм по всему периметру. Обезуглероженный слой наблюдается только частично (несимметрично расположен). Наибольшее количество трещин. Далее идет полностью обезуглероженный слой толщиной 0,25 мм, частично обезуглероженный слой достигает 0,40 - 0,75 мм на сторону. Все трещины, видимые с поверхности, расположены в окалине. На внутренней поверхности также имеет место небольшой слой окисленного металла, далее идет полностью обезуглероженный слой до 0,1 мм. Наблюдаются отдельные дефекты в виде впадин, выкрашиваний, где есть трещины, которые не выходят за пределы обезуглероженного слоя. Структура феррито-перлитная (рис. 7). Феррито-перлитная структура образуется при нагреве заготовок до 800 °С, выдержке в течение 2 часов и остыванием вместе с печью.
Заготовка после ВТМО ВО на внутренней поверхности имеет радиальные трещины глубиной до 0,65 мм. Плотность трещин высокая (5 - 7 трещин на 10 мм длины поверхности). Обезуглероженный слой неравномерный (до 0,1 мм), есть участки с полным обезуглероживанием (рис. 8). На внешней поверхности наблюдается закручивание трещин, глубина залегания - 0,10... 0,62 мм; длина по касательной 0,30... 0,90 мм. Обезуглероженный слой (до 0,2 мм) только в местах залегания дефектов. Структура -мартенсит, твердость ИЯСэ 52. 53. Мартенситная структура образуется при режимах ВТМО ВО: (X = 25 %, ТН = 980 °С). После отпуска при 200 °С в течение 2 часов структура -мартенсит отпуска, твердость ИЯСэ 52. 53. На рис. 8 также показано распределение волокон в приповерхностных слоях заготовки.
Влияние режимов ВТМО на уровень механических свойств стали достаточно подробно изучено в работах М.Л. Бернштейна, О.И. Шаврина, В.Б. Дементьева и других исследователей процесса [1, 2]. Однако определенный интерес представляет влияние схемы обработки на свойства стали 30ХГСН2А.
х200 хЮОО
б)
Рис. 8. Структура стали 30ХГСН2А: а) - после высокого отпуска; б) - после ВТМО
На стали 30ХГСН2А механические свойства получены для упрочненных трубных заготовок, обработанных на степень деформации X = 25 % (табл. 2). При температуре отпуска ТО = 200 °С, рекомендуемой для данной стали, получены удовлетворительные значения прочностных свойств.
Таблица 2
Механические свойства стали 30ХГСН2А
№ п/п* Марка стали Т Т о? °С 1, % ®0,2, МПа °б, МПа 5, % % кси, МДж/м2 нясэ, ед.
1 30ХГСН2А 200 25 1721 1879 13,3 63,5 1,11 49-51
2 200 25 1653 1837 14,2 56,0 1,21
* Опыты: 1 - на длинной оправке, 2 - на короткой оправке.
На основании проведенных исследований определены оптимальные технологические режимы упрочнения при ВТМО ВО и последующей термической обработке, по которым изготовлены опытные партии трубных заготовок для пальцев диаметрами 22 и 30 мм.
Уровень механических характеристик по всем стадиям технологического передела приведен в табл. 3. Обращает внимание возрастание величины конструктивной прочности и ударной вязкости после редуцирования и, особенно, после ВТМО с отпуском.
После редуцирования при неизменной прочности в сравнении с прошивкой значительно возрастает пластичность у - на 20 % и, особенно, ударная вязкость - в 1,7 раза. При ВТМО, в сравнении с редуцированием, возрастает как прочность - на 500 МПа, так и пластичность (у) - на 25 %.
Уровень конструктивной прочности (ав- у) после редуцирования и ВТМО составляет, соответственно, 707,2 и 1153,7 МПа, при значениях ударной вязкости, соответственно, 1,15 и 1,40 Дж/м2.
Таблица 3
Механические свойства стали 30ХГСН2А после разных операций металлургического передела
Операция а0,2, МПа ов , МПа 5, % % кси, Дж/м2 ав- МПа ЫЯСэ
Прошивка ТН = 1140 - 1180 °С 900 908 925 905 1306 1306 1308 1298 19,6 19,2 19,6 18,8 44,1 42,6 42,0 41,8 0,65 0,65 0,71 0,66 575,9 556,4 549,4 542,6 39-38-39 39-38-39 38-39-38 37-38-39
Редуцирование X = 49,5 %, ТН = 1140 - 1180 °С 1066 1098 1100 1094 1363 1359 1381 1348 16,0 14,3 15.8 16.9 52,2 53,2 52,4 53,0 1,07 1,11 1,21 1,21 711.5 723,0 723.6 714,4 40-39-39 38-39-40 37-38-39 37-37-37
Высокий отпуск ТО = 750...800 °С, т = 2 ч 762 770 774 935 950 947 21,0 22,0 20,0 64,0 66,0 54,0 1,23 1,00 1,30 598,4 627,0 606,0 53-53-54 51-52-52 49-51-53
ВТМО х = 25 %, ТН = 980 - 1000 °С 1673 1702 1735 1821 1926 1907 8,0 7,0 11,0 57,0 46,0 57,0 1,40 1,40 1,45 1037,9 886,0 1087,0 51-52-52 51-52-52 51-52-51
ВТМО + низкий отпуск, То = 200 °С, т = 2 ч 1665 1665 1778 1885 1873 1949 10,6 11,5 9,6 54,0 57,0 58,0 1,23 1,00 1,30 1017,9 1067,6 1130,4 53-53-54 51-52-52 49-51-53
Таким образом, ВТМО полых заготовок, особенно после их редуцирования, значительно повышает конструктивную прочность стали 30ХГСН2А, что в сочетании с высокой ударной вязкостью позволяет предполагать повышенные эксплуатационные характеристики полых пальцев в условиях действия сложных динамических нагрузок.
Повышение механических характеристик в результате редуцирования на стане ПВП, по-видимому, связано как с закручиванием волокнистой структуры в направлении деформации, так и со своеобразным распространением волны пластической деформации в металле при деформировании методом поперечно-винтовой прокатки и с протеканием процесса рекристаллизации в металле.
Результирующей характеристикой этих процессов является распределение микротвердости по сечению заготовки (рис. 9).
Рис. 9. Распределение микротвердости по сечению трубной заготовки из стали 30ХГСН2А
Характерно, что как при прошивке, так и при редуцировании и после ВТМО у внутреннего края заготовок наблюдается значительное снижение микротвердости на глубину до 2 - 2,5 мм. Такое снижение микротвердости не может быть объяснено обезуглероживанием, так как обезуглероженный слой практически не превышает 0,2 мм. Более вероятное объяснение этого явления - процессы разрыхления внутренних объемов металла при деформации методом ПВП. Неоднородное распределение микротвердости по сечению свидетельствует о неоднородном течении и деформировании металла в процессах ПВП, как при прошивке, так и при редуцировании, так и, особенно, при ВТМО, учитывая, что рекристаллизация металла при ВТМО не происходит. При редуцировании зона повышенной микротвердости наблюдается в середине сечения и на расстоянии 3/4 сечения от внутреннего края заготовки. При ВТМО в середине сечения наблюдается зона пониженной микротвердости, а на расстоянии 3/4 сечения от внутреннего края - зона повышенной твердости [2].
Наблюдаемое при всех исследуемых процессах снижение твердости на наружной поверхности заготовки, по-видимому, связано с частичным обезуглероживанием заготовки глубиной до 0,2 мм (рис. 9) при прошивке и редуцировании.
Анализ полученных результатов исследования механических свойств материала показал, что формируемый по ходу технологического цикла комплекс механических свойств позволяет достичь требуемый уровень долговечности полых пальцев в условиях эксплуатации.
В табл. 4 приведен сравнительный анализ механических свойств стали 30ХГСН2А, показывающий уровень свойств в зависимости от способа ВТМО. Данные таблицы подтверждают эффективность ВТМО с деформацией ВО по сравнению с ВТМО в процессе редуцирования и ВТМО в процессе прокатки на стане ПВП Златоустовского металлургического завода.
Таблица 4
Механические свойства стали 30ХГСН2А трубчатого проката с ВТМО
№ п/п Варианты ВТМО ов, МПа о02, МПа 5, % % кси, Дж/м2 НЯСэ
1 ВТМО ВО 1859 1667 10,6 56,3 9,3 49-51
2 ВТМО после редуцирования 1745 1531 12,9 62,1 9,0 47,0-48,5
3 ВТМО Златоустовского металлургического завода 1750-1850 1520-1600 10,5-12,5 53-56 8-11 47-49
4 Требования ТУ >1700 >1500 >10 >52 >7 47-49
При этом следует отметить высокую точность заготовок, упрочненных на специализированных станах винтового обжатия [2, 3], а также высокий уровень качества упрочненных поверхностей по сравнению с ВТМО, проведенной с прокатного нагрева (табл. 4). Таким образом, можно заключить, что увеличение температуры нагрева упрочняемых заготовок до прокатного уровня отрицательно сказывается на механических свойствах стали 30ХГСН2А и точности заготовок вследствие снижения устойчивости заготовки в очаге деформации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, проведенные исследования структуры и механических свойств стали 30ХГСН2А показывают, что материал полностью соответствует по характеру структуры и прочности традиционному упрочнению методом ВТМО и может использоваться в промышленности в качестве упрочненной заготовки для высоконагруженных технических систем. При этом окончательное формирование структуры материала происходит на стадии ВТМО ВО и не зависит от предшествующих операций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов / в двух томах. М. : Металлургия, 1968. Т. 1. 596 с.
2. Шаврин О.И., Дементьев В.Б., Маслов Л.Н., Засыпкин А.Д. Качество поверхности цилиндрических изделий с термомеханическим упрочнением. Ижевск : Изд-во ИПМ УрО РАН, 2006. 178 с.
3. Дементьев В.Б., Шаврин О.И., Маслов Л.Н., Засыпкин А. Д. Качество пальцев траков - основа надежности и долговечности гусеницы. Ижевск : ИПМ УрО РАН, 2009. 224 с.
THE RESEARCH OF THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF STEEL 30СhGSN2А IN THE TECHNOLOGIES OF THE PIERCING, REDUCTION AND HIGH-TEMPERATURE THERMOME CHANICAL TREATMENT OF HEAVY-WALLED PIPE BLANKS
Dementyev V.B., Zasypkin A.D.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The researches of the structure and mechanical properties of steel 30ChGSN2A are given in the technological sequence of receiving the strengthened heavy-walled pipe blank with high-temperature thermomechanical treatment (HTTT) application. It's shown that material in the character and durability of structure corresponds completely to traditional hardening by HTTT method and can be used in the industry as the strengthened blank for the high-loaded technical systems. Thus the final formation of material 's structure happens at HTTT screw compression stage and doesn't depend on the previous operations.
KEYWORDS: high temperature thermomechanical treatment, bainite, martensite, the structure of steel, the mechanical properties.
Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, директор ИМ УрО РАН, тел. (3412)50-82-00, e-mail: demen@udman.ru
Засыпкин Андрей Дмитриевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412)20-29-25, e-mail: oka592@rambler. ru
