CC BY
39
онных сталей и сплавов [Текст] / М. Р. Предтеченский [и др.] // Литейщик России. - 2010. - № 3. - С. 28-29.
9. Жуков, А. А. Влияние циклических температурно-силовых воздействий на структуру и жаропрочность сплава ЖС6У [Текст] / А. А. Жуков, О. В. Новикова // Заготовительные производства в машиностроении. — 2009. — № 11. — С. 43 —49.
10. Фаткулин, О. X. Модифицирование жаропрочных никелевых сплавов дисперсными частицами тугоплавких соединений [Текст] / О. X. Фаткулин, А. А. Офицеров // Литейное производство. - 1993. - №4. - С. 13-14.
11. Ерёмин, Е. Н. Применение электрошлакового переплава для регенерации отходов жаропрочных сплавов [Текст] / Е. Н. Ерёмин // Современная электрометаллургия. — 2005. — №2. - С. 23-27.
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, директор машиностроительного института, заведующий кафедрой «Оборудование и
технология сварочного производства» Омского государственного технического университета. ФИЛИППОВ Юрий Олегович, инженер кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Омского государственного технического университета.
ДАВЛЕТКИЛЬДЕЕВ Надим Анварович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Омского филиала Института физики полупроводников СО РАН.
МИННЕХАНОВ Гизар Нигъматьянович, заместитель директора общества с ограниченной ответственностью «Научно-производственная фирма «ЛиКОМ». Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 18.01.2011 г. © Е. Н. Ерёмин, Ю. О. Филиппов, Н. А. Давлеткильдеев, Г. Н. Миннеханов
УДК 621.791.92.04 Д. С. ЛОСЕВ
Е. Н. ЕРЁМИН
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БОРИДОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩЕЙ СТАЛИ
Приведены результаты исследования характера упрочнения мартенситно-стареющей стали Ре-№-Мо-Сг-У-Я-Н-А1, содержащей соединения бора. Проанализирована роль боридов в формировании фазового состава и структурного состояния стали в процессе отпуска.
Ключевые слова: наплавленный металл, мартенситно-стареющая сталь, бориды, упрочнение, теплостойкость.
В последние годы значительное место в промышленности занимает производство деталей методом горячей штамповки. Эффективность использования кузнечно-прессовых машин, получение высококачественных точных по размерам поковок, а также механизация и автоматизация производственных процессов в большей степени зависит от стойкости штампо-вого инструмента.
В процессе горячего объемного деформирования металл гравюры штампа подвергается циклическому температурно-силовому воздействию. Оно вызывает упругую и упруго-пластические деформации материала штампа, оказывает прямое влияние на характер и интенсивность физико-химических процессов, протекающих в приконтактных объемах инструмента и ускоряющих его износ. Основными видами износа штампового инструмента являются: износ истиранием, износ под действием термических напряжений (разгарные трещины) и износ за счет пластической деформации (смятие) [ 1 ].
Как известно [2], доля изнашиваемого металла в массе всего штампа составляет не более 3... 10 %, поэтому очевидно, что наиболее перспективны биметаллические инструменты, для рабочих частей которых применяют высокостойкие материалы, а в качестве основы используют недорогие конструкци-
онные или низколегированные теплостойкие стали. Биметаллические штампы можно получить с помощью наплавки. Процессы наплавки позволяют изготавливать не только новые биметаллические штампы различного назначения, но и дают возможность многократно ремонтировать изношенные инструменты при минимальных материальных затратах [3].
В настоящее время наиболее перспективными являются наплавочные материалы с эффектом вторичного твердения (в частности, мартенситно-старе-ющие стали), которые в состоянии после наплавки имеют невысокую твердость, что позволяет легко выполнить механическую обработку наплавленного металла даже при сложной гравюре штампа [4]. После соответствующей термической обработки (старения) у металла повышаются прочностные характеристики за счет выделения в нем ультрадисперсных интер-металлидов. Кроме этого м.с.с. по сравнению с высокопрочными углеродистыми сталями при одинаковом значении предела текучести, обладают большим сопротивлением разрушению.
В то же время сравнительно высокая стоимость и дефицитность ряда основных легирующих элементов (Ши Со), общее содержание которых в м.с.с. может достигать 20 %, ограничивает их применение в качестве наплавочного материала. Применение в каче-
стве наплавочных материалов бескобальтовых м.с.с. ограничивается тем, что они подвержены сильному разупрочнению в результате нагрева при температурах выше температур предварительного старения (явлению возврата) [5].
В работе [6] установлено, что введение в м.с.с. тугоплавких соединений бора (В4С, TiB2, ZrB2) способствует повышению её термостойкости и износостойкости. Это свидетельствует о больших потенциальных возможностях использования боридов в качестве одного из легирующих компонентов в бескобальтовых м.с.с. Вместе с тем механизм влияния боридов на структуру и механические свойства м.с.с. до сих пор не раскрыт.
В данной работе приведены результаты исследования влияния тугоплавких соединений бора (В4С, TiB2, ZrB2) на структуру и механические свойства м.с.с. Н13М5Х4ФСТЮ полученной наплавкой. Многослойную наплавку на пластины, из стали СтЗ размерами 10x50x200 мм, осуществляли порошковыми проволоками диаметром 2,4 мм в среде инертного газа на следующих режимах: ток 300 А, напряжение 24...26 В, скорость наплавки 20 м/ч. Дюрометриче-ские испытания проводили с помощью твердомера Wolpert Group 402MVD (при нагрузке Р= 100 г) по методу Виккерса.
Рентгеноструктурный анализ м.с.с. проводили на дифрактометре ARL X'TRA с полупроводниковым детектором в медном Ка-излучении. Дифрактограммы эталона (ферритная сталь) и м.с.с. получали разделением дублета спектральной Ка-линии по методу Речингера. Измеряли интегральную ширину линии от плоскости (110) эталона и изучаемой стали, используя отражения 1-го и 2-го порядка.
Электронно-микроскопические исследования осуществляли на фольгах с использованием просвечивающего электронного микроскопа ЭМВ-100Л при ускоряющем напряжении 100 кВ. Для приготовления фольг из образцов наплавленного металла вырезались тонкие пластинки толщиной 0,2 мм на электроискровом станке. Фольги полировались электролитически. Состав электролита: перенасыщенный раствор ортофосфорной кислоты хромовым ангидридом. Температура электролита при приготовлении фольг составляла 30 — 50 °С. Идентификация фазового состава и определение размеров и объемной доли выделений проводилось по микродифракционным картинам. Плотность дислокаций внутри реек мартенсита определяли по количеству точек выхода отдельных дислокаций на поверхность фольги по методике [7].
Для определения влияния боридов на характер упрочнения стали Н1ЗМ5Х4ФСТЮ при различных температурах старения 350...850°С (выдержка 1 час) проведены дюрометрические исследования (рис. 1). Установлено, что старение такой стали как с бори-дами так и без них при температурах до 350 °С не приводит к повышению твердости. Наибольшую твердость 510...524 HV сталь Н1ЗМ5Х4ФСТЮ без боридов достигает при температуре старения 500 °С, а при дальнейшем её повышении наблюдается резкое падение твердости. Сталь с боридами достигает максимальной твердости 704...716 HV при температуре 550 °С и сохраняет высокие значения твердости вплоть до температур старения 650 °С.
Для выявления механизма установленных особенностей упрочнения стали Н1ЗМ5Х4ФСТЮ без боридов и с ними проведены исследования по выявлению природы упрочняющих фаз, образующихся после наплавки и старения.
Рис. 1. Зависимость твердости стали Н13М5Х4ФСТЮ от температуры старения: 1 — без боридов, 2 — с боридами
Проведенные электронномикроскопические исследования показали, что в состоянии после наплавки металл стали Н13М5Х4ФСТЮ без боридов представляет собой пересыщенный легирующими элементами а-твердый раствор со структурой мартенсита (рис. 2а). Период решетки структуры составил 0,2879 нм, а плотность дислокаций 11,2-Ю14 м-2. Признаков присутствия остаточного аустенита и упрочняющих фаз не обнаружено всеми методами, использованными в данной работе.
Старение при 5000 С, 2 ч не приводит к существенным видимым изменениям структуры такой стали. При этом наблюдается прирост твердости на 140 НУ, период решетки структуры уменьшается до 0,2870 нм, а плотность дислокаций снижается до 8,2-1014 м-2 (рис 26). Такие изменения можно объяснить, тем что при 500 °С происходит обеднение а-твердого раствора легирующими элементами с образованием интерметаллидных фаз размерами от 4 до 50 нм. Для идентификации типа упрочняющих фаз производили перестаривание м.с.с. при 700 °С, 1 ч.
Установлено, что упрочнение такой стали, после старения происходит за счет образования интерметаллидных фаз №3Тл, №3А1 и Ре2Мо, имеющих соответственно игольчатую, сферическую и чечевицеоб-разную формы (рис. 2в), что полностью согласуется с литературными данными [5, 8].
Сталь Н13М5Х4ФСТЮ с боридами в состоянии после наплавки представляет собой перенасыщенный легирующими элементами а-твердый раствор с грубой карбоборидной эвтектикой, имеющей скелетный характер, так называемый эвтектики ванадиевого типа (рис. За). Описанная эвтектика образована на базе карбо-борида Ме3(С,В) следующего состава: Бе — 47 - 62 %, Сг —7-9%, V —5-7%, N1 — 3-7%, Т1 — 5-16%, Мо — 12—17%. Период решетки структуры стали составил 0,2881 нм, а плотность дислокаций 9,8-1014 м~2. Кроме этого, обнаружены карбобориды круглой формы типа Ме23(С,В)6 размером ~ 184 нм на основе Т1 — 67-72 %,У —4-7%, Бе — 2-45%, 7л — 2-3%, Мо— 14— 19 % и пластинчатой формы типы Ме7(С,В)3 (средняя длина 486 , толщина 53 нм) на основе Т1 — 55 — 60 %, V—6 — 8 %, Сг — 2 —4 %, Бе — 8—11 %,Мо — 17 —22 % (рис. 36). Присутствие остаточного аустенита не обнаружено.
Старение стали Н13М5Х4ФСТЮ с боридами при 550 °С, 2 ч сопровождается такими же изменения структуры, как и у обычных м.с.с. Оно также при-
3) б)
В)
Рис. 2. Микроструктура стали Н13М5Х4ФСТЮ без боридов: после наплавки (а); после старения при 500 °С, 2 ч (б); интерметаллидные упрочняющие фазы (в)
Рис. 3. Микроструктура стали Н13М5Х4ФСТЮ с боридами: после наплавки (а, б), интерметаллидные упрочняющие фазы данной стали (в) и после старения при 550 °С, 2 ч (г)
водит к уменьшением периода решетки структуры до 0,2873 нм и плотности дислокаций до 7,4-1014 м~2. Однако прирост твердости составляет 220 НУ, что значительно больше, чему м.с.с. без боридов. Такой прирост твердости можно объяснить не только образованием в процессе старения стали мелкодисперсных интерметаллидных фаз с размерами от 6 до 42 нм (рис. Зв), но также и выделением высокопрочных труднорастворимых карбоборидных фаз. Произошло уменьшение размеров карбоборидов как пластинчатой формы типы Ме7(С,В)3 (средняя длина 215 , толщина 47 нм), так и круглой формы типа Ме23(С,В)б до 115 нм, при существенном увеличении объемной доли карбоборидов типа Ме23(С,В)б (рис. Зг). При этом эвтектика в структуре стали стала более развитой и замкнутой, при сохранении её химического состава, аналогично составу после наплавки.
Таким образом, различия в характере упрочнения и свойств стали Н1ЗМ5Х4ФСТЮ без боридов и с ними, объясняются следующими причинами: 1) введение в м.с.с. боридов повышает её твердость в состоянии после наплавки на 90... 110 НУ за счет упрочения твердого раствора карбоборидами типа Ме23(С,В)6, Ме7(С,В) и присутствия карбоборидной эвтектики; 2) упрочение стали с боридами при различных температурах старения происходит за счет эффектов как интерметаллидного, так и дисперсионного упрочнения. При этом упрочнение после старения при температурах 450... 525 °С происходит в основном за счет распада пересыщенного твердого раствора мартенсита и образованием высокодисперсных фаз №3Т1, №3А1 и Ре2Мо, а при температурах старения 500...650 °С упрочнение обеспечивается образованием карбоборидов типа Ме23(С,В)б; 3) введение боридов в сталь приводит к образованию карбоборидной эвтектики, имеющей скелетообразный характер и зернограничное расположение, и труднорастворимых карбоборидных фаз, которые повышают температуру рекристаллизации и замедляют диффузионные процессы при высоких температурах, тем самым значительно повышают термостойкость.
Библиографический список
1. Гурьев, А. М. Новые материалы и технологии для литы штампов / А. М. Гурьев. — Барнаул : Изд-во АлГТУ, 2000. — 216 с.
2. 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.
3. Рябцев, И. А. Механизированная электродуговая наплавка деталей металлургического оборудования / И. А. Рябцев, И. А. Кондратьев. — Киев : Экотехнология, 1999. — 62 с.
4. Кондратьев, И. А. Порошковая проволока для наплавки слоя мартенситно-стареющей стали / И. А. Кондратьев, И. А. Рябцев, Я. П. Черняк // Автоматическая сварка. — 2006. — № 4. — С. 50-53.
5. Перкас, М. Д. Высокопрочные мартенситно-стареющие стали / М. Д. Перкас, В. М. Кардонский. — М. : Металлургия, 1971. — 224 с.
6. Лосев, А. С. Исследование влияния боридов на упрочнение мартенситно-стареющей стали / А. С. Лосев, Е. Н. Ерёмин, Ю. О. Филиппов//Омский научный вестник. — 2010. - №2. — С. 131-134.
7. Kaibyshev R. and others. Continuous dynamic recrystallization in an Al - Li - Mg - Sc alloy during equal-channel angular extrusion / R. Kaibyshev, K. Shipilova, E. Musin, Y. Motohashi // Mater. Sci. Eng. 2005. V. 396. P. 341 -351.
8. Структурные изменения при отпуске в стали 10Х9КЗВ1М1ФБР и их влияние на механические свойства / А. Ю. Кипелова [и др.] // Материаловедение и термическая обработка материалов. — 2010. — № 3. — С. 14 — 25.
ЛОСЕВ Александр Сергеевич, ассистент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства».
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», директор машиностроительного института. Адрес для переписки: e-mail: [email protected].
Статья поступила в редакцию 19.01.2011 г. © А. С. Лосев, Е. Н. Ерёмин
Книжная полка
Ковка и штамповка [Текст]: справочник: в 4 т. / ред. совет: Е. И. Семенов [и др.]. - 2-е изд.г перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2010. - ISBN 978-5-217-03459-8.
Т. 1: Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / А. Ю. Аверкиев [и др.]; под ред. Е. И. Семенова. -2010. -716 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 714-716. - ISBN 978-5-217-03460-4.
В первом томе изложены сведения о материалах и заготовках для ковки, штамповки. Рассмотрены вопросы деформирования стали и сплавов, подготовки поверхности металла и способы его разделения на заготовки, термические режимы ковки и объемной штамповки.
Ковка и штамповка [Текст]: справочник: в 4 т. / ред. совет: Е. И. Семенов [и др.]. - 2-е изд.г перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2010. - ISBN 978-5-217-03459-8.
Т. 2: Горячая объемная штамповка / А. П. Атрошенко [и др.]; под ред. Е. И. Семенова. -2010.-719с.: рис., табл. - Библиогр. в конце глав. - ISBN 978-5-217-03462-8.
Во втором томе даны рекомендации по назначению допусков, припусков и напусков на штампованные поковки по новым стандартам. Приведены классификация поковок, разработка чертежа штампованной поковки, примеры проектирования технологических процессов, рекомендации для конструирования и расчета штампов и выбора оборудования.
