CC BY
116
УДК 621.791.92.04 Д. С. ЛОСЕВ
Е. Н. ЕРЁМИН Д. Г. КНОЛЬ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БОРИДОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ЖАРОСТОЙКОСТЬ МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩЕЙ СТАЛИ, ПОЛУЧЕННОЙ НАПЛАВКОЙ_______________________________
Приведены результаты исследования механических свойств и жаростойкости мартен-ситно-стареющей стали Fe-Ni-Mo-Cr-V-Si-Ti-Al с композиционной структурой, содержащей соединения бора. Показано влияние боридов на характер упрочнения композиционного материала. Проанализирована роль боридов в повышении жаростойкости стали.
Ключевые слова: наплавленный металл, мартенситно-стареющая сталь, бориды, прочность, жаростойкость.
Мартенситно-стареющие стали находят широкое применение в качестве конструкционного материала для изготовления деталей, работающих при высоких и криогенных температурах. Несложная термическая обработка этих сталей, а также повышенная прочность в сочетании с высокой пластичностью явились предпосылкой для разработки материалов, предназначенных для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях циклического температурно-силового воздействия [1—4]. Мартен-ситно-стареющие стали после закалки или нормализации имеют сравнительно невысокую твердость, поэтому наплавленный металл в исходном состоянии хорошо обрабатывается режущим инструментом. После соответствующей термической обработки (старения) у металла повышаются прочностные характеристики за счет образования в нем сегрегаций и (или) ультрадисперсных интерметаллидов. В то же время в большинстве случаев данные материалы легированы дефицитными дорогостоящими элементами (кобальтом, вольфрамом), общее содержание которых может достигать 20 %, что обусловливает их высокую стоимость и ограничивает применение.
Новые перспективы для разработки износостойких наплавочных материалов, в которых удачно сочетаются прочность, пластичность и износостойкость, открывает переход к получению экономнолегированного наплавленного металла с композиционной структурой, состоящего из относительно мягкой матрицы (основы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу [5, 6].
Установлено, что введение в экономнолегированную мартенситно-стареющую сталь 0 Н13М5Х4ФСТЮ тугоплавких соединений бора (В4С, Т1В2, СгВ2) способствует получению композиционной структуры, состоящей из железоникелевого мартенсита и карбоборидной эвтектики, располагающеюся в виде каркаса («скелета») [7, 8]. Наплавленный металл с такой композиционной структурой обладает высокой теплостойкостью, износостойкость и термостойкостью по сравнению с мартенситно-
стареющей сталью без боридов, однако определение жаростойкости и оценка механических свойств данного материала не производились.
В данной работе приведены результаты исследования влияния тугоплавких соединений бора (B4C, TiB2, ZrB2) на механические свойства и жаростойкость мартенситно-стареющей стали 0Н13М5Х4-ФСТЮ полученной наплавкой.
Многослойную наплавку на пластины, из стали Ст3 размерами 200x50x10 мм, осуществляли порошковыми проволоками диаметром 2,4 мм в среде инертного газа на следующем режиме: ток 300 А, напряжение 24...26 В, скорость наплавки 20 м/ч. Механические испытания на растяжение проводили при комнатной температуре на машине Instron-3369 со скоростью 1 мм/мин на образцах с рабочим диаметром 5 мм и длиной 25 мм. Значение ударной вязкости KCU наплавленного металла определяли на образцах в соответствии с ГОСТом 9454-78 на маятниковом копре Metro Сот 06103300.
Проведенные механические испытания показали, что в состоянии после наплавки сталь 0Н13М5Х4-ФСТЮ без боридов имеет относительно высокие показатели прочности (о02 = 940 МПа, ов = 1080 МПа, 385-410 HV) при значении ударной вязкости KCU 1,53 МДж/м2. Старение данной стали при 500 °С, 2 ч приводит к значительному приросту прочности (о02 = 1680 МПа, ов = 1730 МПа, 510-524 HV) и снижению ударной вязкости KCU до 0,62 МДж/м2.
Сталь 0Н13М5Х4ФСТЮ с боридами в состоянии после наплавки имеет более высокие показатели прочности (о02 = 1270 МПа, ов = 1320 МПа, 445-476 HV) при значении ударной вязкости KCU 0,84 МДж/м2. Старение такой стали с боридами при 500 °С, 2 ч сопровождается такими же изменениями механических характеристик (о02 = 2550 МПа, ов = 2610 МПа, 694-719 HV) при значении ударной вязкости KCU 0,41 МДж/м2, как и у обычных мартенситно-старе-ющих сталей. Такие значения механических свойств можно объяснить тем, что карбоборидная эвтектика, располагаясь в структуре наплавленного металла
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
те /%
103.0
102.5
102.0
101.5
101.0
100.5
100.0
99.5
99.0
Т ех 4
V
/~л
( / /"'"У / / ' 2 /
3
0ТА/(1Л//тд) 1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
РТв /(%/гтип)
0.0
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
100 200 300 400 500 600
ТетрегаШге Г С
700
800 900
Рис. 1. Термограммы сталей: а — 50ХНМ; б — 0Н13М5Х4СФТЮ; в — 0Н13М5Х4СФТЮ с боридами; кривые: 1 — БТЛ; 2 — БТв; 3 — Тв
а
б
в
Результаты рентгеноструктурного анализа окалины
Фазовый состав окалины после отпуска при температуре, °С
Сталь 550 750 900
50ХНМ Fe3O4 a-Fe Fe2O3 Fe3O4 a-Fe (следы) FeO (следы) Fe2O3 Fe3O4 FeO (следы) a-Fe (следы)
0Н13М5Х4СФТЮ a-Fe Cr2O3 NiO (следы) a-Fe Fe2O3 СГ2О3 NiO Fe2O3 Fe3O4 CrN M02N (следы) a-Fe (следы) NiO (следы)
0Н13М5Х4СФТЮ с боридами a-Fe Cr2O3 NiO (следы) a-Fe Fe2O3 Cr2O3 NiO a-Fe Fe2O3 Cr2O3 NiO Fe2N M02N
в виде каркаса, воспринимает часть нагрузки при растяжении и рассредоточивает её на большую площадь поверхности, а железоникелевый твердый раствор препятствует хрупкому разрушению.
Для оценки влияние боридов на жаростойкость мартенситно-стареющей стали проводили исследования с помощью термоанализатора STA 449 C (фирмы «Netzsch»), позволяющего одновременно производить исследования дифференциально-термическим (DTA), термогравиметрическим (TG) и дифференциально-термогравиметрическим (DTG) анализами. Для получения точных результатов исследования проводились на металлической стружке исследуемых сталей массой 35±0,2 мг в тиглях из оксида алюминия при нагреве со скоростью 10 ° С / мин до температуры 900 ° С в потоке воздуха с расходом 90 мл/ мин. Фазовый анализ окалины определялся на металлической стружке после отжига при температурах 500, 750 и 900 °С в течение 5 часов. Исследования проводились на порошковом рентгеновском дифрактометре D8 Advance (фирмы Bruker) в монохроматизированном Cu-ka излучении (1=1,5418 A) при напряжении 40 kV и токе 40 mA. Для сравнения также определялась жаростойкость штамповой стали 50ХНМ по ГОСТу 5950-73.
Как видно из рис. 1, формы термограмм процесса образования окалины у исследуемых сталей отличаются друг от друга, что можно объяснить различием их химического состава. Видно, что на их поверхности образуется не один окисел, а несколько с разными температурами спекания и плавления, фазовый состав которых приведен в табл.
Так, на кривой DTA можно выделить 6 участков окисления штамповой стали 50ХНМ: на участках 1—2 (120...570 °С), 2-3 (570...640 °С) и 3-4 (640...720 °С) происходит образование оксидов Fe3O4, FeO и Fe2O3 соответственно; на участках 4-5 (720.750 °С) происходит спекание FeO; на участках 5-6 (750.810 °С) дополнительно образуется оксид Fe2O3; на участке (810.900 °С) происходит спекание оксидов Fe3O4, и Fe2O3 (рис. 1 а, кривая 1).
На кривых TG и DTG видно, что интенсивное окисление стали 50ХНМ начинается при температурах свыше 575 ° С (рис. 1 а, кривая 2 и 3). Это можно объяснить тем, что в интервале температур 120.550 ° С образуется оксид Fe3O4, обладающий высокими защитными свойствами. При температурах свыше 575 ° С происходит образование Fe3O4, Fe2O3 и в том числе
FeO, который имеет сравнительно низкую температуру спекания (720 ° С) и обладает высокой способностью к самодиффузии. Поэтому в присутствии FeO защитные свойства оксидов Fe3O4 и Fe2O3 ослабевают, в связи с этим металл плохо защищен от окисления при высоких температурах. Эти утверждения подтверждает проведенный рентгеноструктурный анализ стружки 50ХНМ после отжига при 750 °С, который показал отсутствие сильных пиков a-Fe (рис. 2).
При изучении кривой БТЛ окисления стали 0 Н13-М5Х4ФСТЮ можно выделить 4 участка: на участке 1—2 (120.640 ° С) образуются оксиды Cr2O3 и ЫЮ; на участках 2-3 (640.700 °С) и 3-4 (700.785 °С) образуется и происходит рост оксида Fe2O3 соответственно; на участках 4-5 (785.900 °С) происходит спекание оксидов Fe2O3 и Fe3O4 и образование нитридов СгЫ и Мо2Ы (рис. 1 б, кривая 1).
Присутствие в наплавленном металле 0 Н13М5Х-4ФСТЮ N1 и Сг образующие оксиды ЫЮ и Сг^^ имеющие очень высокую температуру плавления и спекания, сдвигает начало интенсивного окисления стали в сторону более высоких температур, что подтверждается кривой БТС (рис. 1 б, кривая 2). Однако наличие в мартенситно-стареющей стали других полезных, с точки зрения повышения прочности легирующих элементов, таких как Мо и V, отрицательно влияет на ее жаростойкость. Молибден и ванадий, соединяясь с кислородом, образуют легкоплавкие окислы MoO3 и V2O5 с температурой плавления 795 °С и 658 °С соответственно, что служит причиной ускоренного окисления. При этом MoO3, являясь летучей окисью, вызывает образование на поверхности стали пористой и рыхлой окалины, которая не обладает хорошими защитными свойствами [9]. Все выше сказанное объясняет форму кривой ТС, а именно процесс окисления наплавленного металла 0 Н13М5Х4ФСТЮ до температуры 725 ° С проходит с уменьшением массы (рис. 1б, кривая 3), а после отжига при 900 °С весь металл переходит в окалину (рис. 3 а).
Изучение кривой БТЛ окисления стали 0 Н13М5Х-4ФСТЮ с боридами показывает, что данный процесс происходит аналогично мартенситно-стареющей стали без боридов (рис. 1 в, кривая 1). При этом окисление наплавленного металла с боридами, в отличие от стали, без них происходит при равномерном изменении массы — кривая ТС и при постоянной ско-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
20, град
Рис. 2. Дифрактограмма стружки 50ХНМ после отжига при 750 °С
Рис. 3. Дифрактограммы металлической стружки после отжига при 900 °С: а — 0Н13М5Х4СФТЮ; б — 0Н13М5Х4СФТЮ с боридами
а
б
рости — кривая ЭТС вплоть до 900 ° С (рис. 1 в, кривая 2 и 3). Это можно объяснить тем, что при окислении стали с боридами, кроме окислов металлов (Рв20з, СГ2О3, №0), образуется борный ангидрид В2О3, который, взаимодействуя при высоких температурах с окислами соответствующих металлов, образует пленки сложных двойных соединений — пироборатов, усиливающих защитные свойства окисной пленки (рис. 3 б) [10]. Этим и обусловливается высокая жаростойкость наплавленного металла с боридами, значительно превосходящая жаростойкость штамповой стали 50ХНМ и стали 0 Н13М5Х4-ФСТЮ.
Таким образом, введение боридов (В4С, Т1В2, 2гБ2) в мартенситно-стареющую сталь 0Н13Х4М5ФСТЮ позволяет повысить её прочность после старения в 1,5 раза, что соответствует уровню высокопрочных сталей, при незначительном уменьшении ударной вязкости. При этом значительно повышается жаростойкость наплавленного металла вплоть до 900 °С. Применение данной стали, в качестве наплавочного материала, позволит существенно повысить работоспособность деталей и узлов металлургического оборудования, работающих в условиях циклически изменяющихся динамических нагрузок и высоких температур.
Библиографический список
1. Соколов, Г. Н. Наплавка износостойких сплавов на прессовые штампы и инструмент для горячего деформирования сталей / Г. Н. Соколов, В. И. Лысак. — Волгоград : ВолгГТУ, 2005. - 284 с.
2. Ерёмин, Е. Н. Повышение износостойкости ножей для поперечной разрезки горячего металла / Е. Н Ерёмин, Ю. О. Филиппов, А. Е. Ерёмин // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. — 2007. — № 10. — С. 37-39.
3. Кальянов, В. Н. Мартенситно-стареющие стали для наплавки штампов / В. Н. Кальянов, В. А. Багров // Сварочное производство. — 2003. — № 2. — С. 35—37.
4. Кондратьев, И. А. Порошковая проволока для наплавки слоя мартенситно-стареющей стали / И. А Кондратьев, И. А Ряб-цев, Я. П. Черняк // Автоматическая сварка. — 2006. — № 4. —
С. 50-53.
5. Композиционные керамические материалы и покрытия трибологического назначения / А. Г. Косторнов [и др.] // Порошковая металлургия. — 2003. — № 5-6. — С. 37-46.
6. Уманский, А. П. Композиционный материал на основе карбонитрида титана со связкой железо — хром / А. П. Уманский // Порошковая металлургия. — 2001. — № 11 — 12. — С. 113—117.
7. Лосев, А С. Исследование влияния боридов на структуру и свойства мартенситно-стареющей стали / А. С. Лосев, Е. Н. Ерёмин // Омский научный вестник. — 2011. — № 1(95). —
С. 29 — 33.
8. Ерёмин, Е. Н. Применение боридных соединений в порошковой проволоке для наплавки мартенситно-стареющей стали / Е. Н. Ерёмин, А. С. Лосев // Сварочное производство. — 2011. — № 10. — С. 12—15.
9. Химушин, Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы / Ф. Ф. Химушин — М. : Металлургия, 1969. — 752 с.
10. Войтович, Р. Ф. Тугоплавкие соединения. Термодинамические свойства : справочник / Р. Ф. Войтович. — Киев : Наукова думка, 1971. — 219 с.
ЛОСЕВ Александр Сергеевич, ассистент, кафедра «Оборудование и технология сварочного производства».
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», декан машиностроительного института. КНОЛЬ Дмитрий Геннадьевич, студент факультета элитного образования и магистратуры, группа СПМ-511.
Адрес для переписки: ■№еЫ_1есЬп@таП.т.
Статья поступила в редакцию 20.06.2012 г.
© А С. Лосев, Е. Н. Ерёмин, Д. Г. Кноль
Книжная полка
Малые космические аппараты. В 3 кн. / В. Н. Блинов [и др.] ; ОмГТУ, ПО «Полет» — фил. ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева». - Омск, 2010.
Кн. 1. Пикоспутники. Наноспутники : справ. пособие. - 2010. - 210 с. - ISBN 978-5-8149-0965-7. Кн. 2. Микроспутники : справ. пособие. - 2010. - 272 с. - ISBN 978-5-8149-0959-5.
Кн. 3. Мини-спутники. Унифицированные космические платформы для малых космических аппаратов : справ. пособие. - 2010. - 347 с. - ISBN 978-5-8149-0960-2.
В справочном пособии представлены систематические сведения об основных технико-экономических характеристиках малых космических аппаратов, их классификации по подклассам (пикоспутники, наноспутники, микроспутники, мини-спутники), методы проектирования.
Даны технические характеристики космических платформ, используемых при создании малых космических аппаратов, приведены примеры патентования разработок, а также соответствующего наземного технологического оборудования.
Рассмотрены вопросы использования нетрадиционных для космической отрасли технических решений: применение переносного технологического и проверочного оборудования, использование для транспортировки МКА на космодром пассажирских вагонов и пассажирских самолетов, и т.д.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
