CC BY
15УДК 621.78.669.14.018.298
Л.П. Казанский, В.Л. Сивков, Л.М. Бистина
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВО ПРОКАТА ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ МАРОК 26Г2СБА И 25ХГМНТБА
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Исследованы различные режимы термической обработки проката из сталей 26Г2СБА и 25ХГМНТБА и выбран оптимальный вариант, обеспечивающий требования МАКО1 и Регистра РФ к якорным цепям, изготовленным из этих марок сталей.
Ключевые слова: сталь конструкционная низколегированная, термообработка - нормализация, закалка, отпуск; критические точки, структурные превращения, структура сорбитообразная после улучшения, кинетика фазовых превращений.
В настоящее время известно много исследований по закалке конструкционных сталей из межкритического интервала температур Ас1 - Ас3 [1-3]. Такая термическая обработка позволяет в ряде случаев повысить пластические и вязкие свойства, не снижая при этом прочностные свойства сталей.
Повышение пластических и вязких характеристик при сохранении достаточно высоких прочностных свойств - основная задача при разработке режима. Термической обработки сталей 26Г2СБА и 25ХГМНТБА.
С этой целью определены критические точки Ас3 и Ас1, склонность стали к росту зерна при нагреве, а также кинетика фазовых превращений переохлажденного аустенита.
Исследования проводили на образцах, изготовленных из горячекатаного металла стали 26Г2СБА (№1) и 25ХГМНТБА (№2). Критические точки определяли на цилиндрический образцах диаметром 2 мм и длиной на 20 мм методом измерения электросопротивления на потенциометре. На основании температурной зависимости электросопротивления образцов установлено, что для стали 26Г2СБА критические точки Ас3=830±5°С, Ас1= 760±5°С. Для стали 25ХГМНТБА точка Ас3=800±5°С, Ас1= 740±5°С.
Склонность к росту зерна аустенита изучали на стандартных образцах размером 3х3х72 мм методом высокотемпературной металлографии на установке ИМАШ-5С Образцы нагревали электроконтактным способом до 1100°С со скоростью 20 град/мин. Кривые зависимости роста, аустенитного зерна от температуры нагрева представлены на рис. 1, где 1 - сталь 26Г2СБА, 2- сталь 25ХГМНТБА.
Рис. 1. Температурная зависимость роста зерна аустенита:
1, 2 - номера плавок
Из приведенной температурной зависимости размера зерна аустенита следует, что
© Казанский Л.П., Сивков В.Л., Бистина Л.М., 2013. 1 МАКО - Международная ассоциация классификационных обществ
рост зерна аустенита стали 25ХГМНТБА более интенсивный, чем стали 26Г2СБА. Однако при выборе режимов термической обработки, в частности, температуры нормализации, обе стали не следует нагревать свыше 930-950°С, так как сверх этой температуры наблюдается разнозернистость, которая оказывает отрицательное влияние на вязкость сталей.
Разработку режимов термической обработки проводили в двух направлениях: для материала II категории прочности и материала цепей III категории прочности.
С учетом высоких требований по пластическим свойствам, предъявляемым к материалу цепей II категории прочности, в основу режима заложена нормализация (Н), причем температура нормализации должна соответствовать температуре рекристаллизации для получения мелкозернистой структуры стали.
Для достижения высоких вязких характеристик был заложен высокий отпуск (О). Оптимальный режим высокого отпуска отрабатывали на пластинах 20х150х250 мм, вырезанных из горячекатаных квадратных заготовок сечением 130х130 мм стали 26Г2СБА.
Методика отработки режима отпуска заключалась в нагреве нормализованных пластин при температурах 570, 590, 610, 630 и 650°С (по две пластины на каждую температуру), выдержке при указанных температурах в течение 2 ч (из расчета 6 мин на 1 мм сечения) и затем последующего охлаждения одной пластины на воздухе, другой - в воде. Из термооб-работанных пластин вырезали по три образца для разрывных испытаний. Разрывные образцы испытывали по ГОСТ1497-93, а ударные образцы - при температуре - 40°С по ГОСТ9454-75.
В табл. 1 и на рис. 2 представлены данные механических испытаний образцов стали 26Г2СБА и зависимость свойств от температуры отпуска с различным охлаждением.
Таблица 1
Зависимость механических свойств стали 26Г2СБА от температур отпуска
№ образца Режим термической обработки Оо,2,МПа Ов, МПа 8,% „-40° "н1 , МДж/м2
0 Н860° 636 835 21,5 60 0,28
1 Н860° +0570°; вода 517 781 22,2 65 0,446
2 Н860° +0570°; воздух 637 822 20,6 68,3 0,196
3 Н860° +0590°; вода 647 771 24,2 67,0 0,347
4 Н860° +0590°; воздух 575 763 23,8 66,3 2,10
5 Н860° +0610°; вода 496 736 25,3 65,3 9,35
6 Н860° +0610°; воздух 500 752 24,8 67,3 0,312
7 Н860° +0630°; вода 524 722 26,0 66,7 0,78
8 Н860° +0630°; воздух 492 742 24,0 65,7 0,366
9 Н860° +0650°; вода 481 728 24,8 65,0 0,54
10 Н860° +0650°; воздух 472 728 26,2 66,7 0,68
Рис. 2. Зависимость механических свойств стали 26Г2СБА от температуры отпуска:
- при охлаждении в воде; - на воздухе
Анализ приведенных результатов показал, что пластические свойства 5 и у слабо зависят от температуры отпуска Готп и режима охлаждения. Прочностные свойства ов уменьшаются в интервале температур отпуска 550-590°С с ов= 840МПа (84 кг/мм ) при Готп = 550°С до ов = 700-750МПа (70-75 кг (мм ) при Готп = 590°С. При дальнейшем повышении температуры отпуска до 650°С происходит уменьшение лишь предела текучести с о0,2 = 580-600 МПа
2 2 (58-60 кг/мм ) при Готп = 590°С, до о0,2 = 470МПа (47 кг/мм ) при Готп = 650°С, а прочностные
свойства ов практически постоянны. Ударная вязкость чувствительна как к изменению режима охлаждения вода - воздух, так и к температуре отпуска. Более предпочтительным режимом охлаждения является охлаждение в воду. Максимальная ударная вязкость 0°= 0,8-0,9 МДж/м2 ( 8-9 кгм/см2) получается при Готп = 610° - 630° и охлаждение в воде. Таким образом, оптимальным режимом термической обработки можно считать нормализацию при Т = 860°С и высокий отпуск при температуре 610°-630°С и охлаждение в воде. Этот режим обеспечивает механические свойства, отвечающие требованиям, предъявляемым к материалу цепей II категории прочности.
В основу режимов термической обработки стали 26Г2СБА и 25ХГМНТБА для материалы цепей III категории прочности заложена высокотемпературная нормализация (935-950°), закалка (3) и высокий отпуск. Температура закалки менялась от температуры Ас1+20°С. Температура отпуска во всех случаях была 610°С, охлаждение в воде. Отработку режимов термической обработки проводили на пластинах 20х130х250 мм, вырезанных их горячекатаных заготовок сечением 130х130 мм. Из пластин, прошедших комплексный режим обработки, для определения механических свойств, вырезали по три разрывных образца и по три ударных. В табл. 2. на рис. 3, 4 приведены результаты механических характеристик стали 26Г2СБА и 25ХГМНТБА и зависимость их от температур закалки.
Таблица 2
Зависимость механических свойств опытных сталей от температуры закалки
Марка стали Режим термической обработки о0,2,МПа ов, МПа 8,% 0° ан4, МДж/м2
26Г2СБА Н930° + 3 ДС ® + 20°+ 0610° 585 778 22,5 62,0 0,41
26Г2СБА Н930° + 3 ДС з + Об10° 713 837 22,3 64,0 1,46
26Г2СБА Н930° + 3 дС 3 + 0610° 711 838 21,5 63,5 0,84
25ХГМНТБА Н9зо° + 3 ДС3 +20°+ 0бю° 732 814 19,6 62,0 1,09
25ХГМНТБА Н930° + 3 ДС 3 +40°+ 0б10° 747 900 20,0 63,0 1,19
25ХГМНТБА TT , о800°, п Н930° + 3 ДС 3 + О610° 714 914 18,9 63,7 1,38
25ХГМНТБА Н930° + 3 8 33 + 0610° 592 697 20,6 79,1 0,2
25ХГМНТБА Н9зо° + 3 ДС 3 + 50° 864 935 15,6 70,0 1,10
25ХГМНТБА Н930° + 3 ДС 3 ° +100°+ 0610° 1005 1080 15,0 62,0 0,99
Рис. 3. Зависимость предела прочности и предела текучести от температуры закалки:
- сталь 26Г2СБА;
- сталь 25ХГМНТБА
Рис. 4. Зависимость пластических и вязких характеристик от температуры закалки:
- сталь 26Г2СБА;
- сталь 25ХГМНТБА
Анализ полученных данных показывает, что для стали 26Г2СБА характерно повышение пределов текучести и прочности с увеличением температуры закалки от 780° до 830°С. При дальнейшем увеличении температуры закалки от 830° до 880°С характеристики о0,2 и ов не изменяются. Сталь 25ХГМНТБА имеет провал прочностных свойств о0,2 и ов, а также провал ударной вязкости при температуре 830°С. Пластические свойства стали 26Г2СБА находятся на высоком уровне во всем диапазоне исходных температур. У стали 25ХГМНТБА в районе спада прочности наблюдается увеличение относительно сужения, однако с повышением температуры закалки значения относительного сужения снижаются. Ударная вязкость стали 26Г2СБА характеризуется значительным увеличением при температуре 830°С, соответствующей температуре Ас3.
Ударная вязкость стали 25ХГМНТБА достигает максимального значения при температуре 800°С, также соответствующей температуре Ас3.
Таким образом, оптимальное сочетание прочностных, пластических и вязких свойств исследуемых сталей достигается при закалке с температуры Ас3 - для стали 26Г2СБА при 830°С, а для стали 25ХГМНТБА при 800°С. Оптимальная температура отпуска определялась на пластинах 20х130х250 мм, прошедших нормализацию при температуре Ас3+100°С и закалку при температуре Ас3.
По две пластины стали 26Г2СБА нагревали до температуры 590, 610, 630°С, выдерживали при этих температурах по два часа из расчета 6 мин на 1 мм сечения и затем одну пластину охлаждали в воде, а другую на воздухе. Пластины стали 25ХГМНТБА после отпуска охлаждали только в воде. Вырезку образцов и испытание проводили по ранее приведенной методике. Результаты испытаний образцов и зависимость механических свойств от температуры отпуска приведены в табл. 3 и на рис. 5, 6.
Таблица 3
Зависимость механических свойств опытных сталей от температуры отпуска
Марка стали Режим термической обработки О0,2,МП а Ов, МПа 8,% 0° ан4, МДж/м2
1 2 3 4 5 6 7
26Г2СБА Н930° + А| 0 + 0 590 749 864 22,3 63,0 0,85
26Г2СБА Н930° + А®| 0+ 0 590, воздух 753 867 20,8 60,0 0,85
26Г2СБА Н930° + А®3 0+ 0 610 713 848 21,2 62,0 0,59
Окончание табл. 3
1 2 3 4 5 6 7
26Г2СБА Н930° + АН 0+ 0 610, воздух 709 826 22,7 63,0 0,72
26Г2СБА Н930° + АсЗ 0+ 0 630 632 762 24,4 64,0 0,72
26Г2СБА Н930° + А[?| 0+ 0 630, воздух 591 751 25,3 64,7 0,58
25ХГМНТБА Н930° + АС| 0 + 0 590 779 871 19,25 65,7 0,141
25ХГМНТБА Н990° + АС3 0+ 0 610 682 824 20,8 67,5 0,144
25ХГМНТБА Н990° + АС3 0+ 0 630 626 744 23,0 68,3 0,128
Рис. 5. Зависимость механических свойств стали Рис. 6. Зависимость механических свойств стали 25ХГМНТБА от температуры отпуска 26Г2СБА от температуры отпуска:
с охлаждением в воде - с охлаждением в воде;
- с охлаждением на воздухе
Исследования микроструктуры образцов после улучшения (закалка+отпуск) показала, что структура имеет сорбитообразный характер с наличием равномерно распределенного игольчатого феррита, а такая структура позволяет получить высокие физико-механические свойства.
Таким образом, анализ полученных результатов показывает, что оптимальное сочетание прочностных пластических и вязких свойств достигается для стали 26Г2СБА при температуре отпуска 590°С с охлаждением заготовок после отпуска в воде.
Выводы
1. Оптимальным режимом термической обработки проката из стали 26Г2СБА является нормализация от 930°С, закалка от Ас3 (830°С) и высокий отпуск при температуре 590-610°С с последующим охлаждением в воде.
2. Оптимальным режимом термической обработки проката из стали 25ХГМНТБА является нормализация от 930°С, закалка из межкритического интервала от Ас1+(40-60°С) и высокий отпуск при температуре 600°С с последующим охлаждением в воде.
Кроме того, обе марки стали не только обеспечивают требования МАКО к цепям по-
вышенной и особой категории прочности по прочностным и пластическим характеристикам, но и значительно превышают их.
Библиографический список
1. Астафьев, А.А. Разработки режимов термообработки и межкритического интервала температур стали 10Г2Н2МФЛ / А.А. Астафьев, С.И. Марков // ЦНИИТМАШ. 1987. Т. 255. С. 10.
2. Марченко, Б.А. Закалка сталей от межкритических температур // МИТОМ. 1985. №3. С. 57.
3. Полушкиин, Н.А. Особенности режима термической обработки низколегированной стали 26Г2СТА / Н.А. Полушкиин, Л.П. Казанский, А.Д. Клипов, З.Ф. Кильдюшева // МИТОМ. 1990. № 6. С. 7.
Дата поступления в редакцию 02.12.2013
L.P. Kazansky, V L. Sivkov, L.M. Bistina
INVESTIGATION OF HEAT MODE ON QUALITY ROLLED PRODUCTS OF STRUCTURAL LOW-ALLOY STEEL 26G2SBA AND 25HGMNTBA
Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev
Purpose: Increase the plastic and viscous characteristics while maintaining sufficiently high strength properties - the main task in the development mode. Heat treatment of steel and 26G2SBA 25HGMNTBA.
Design/methodology/approach: Explore different modes of heat treatment of rolled steel and 26G2SBA 25HGMNTBA and select the best option, providing the requirements of IACS and RF Register to anchor chains made of these steels.
Findings: 1. Optimal mode of heat treatment of rolled steel 26G2SBA is the normalization of 930 ° C, quenching from AC3 ( 830 ° C) and high temperature tempering at 590-610 ° C, followed by cooling in water. 2.Optimalnym thermal treatment of rolled steel is normalized 25HGMNTBA from 930 ° C of tempering intercritical range of Ac1 + (40 -60 ° C) and high temperature tempering at 600 ° C followed by cooling in water. In addition , both brands have become not only provide IACS requirements for chains and increased strength as a special category of strength and ductility characteristics, but also far exceed them .
Research limitations/implications. Study the microstructure of the samples after improvement (quenching + tempering) showed that the structure has sorbitoobrazny character with the presence of uniformly distributed acicular ferrite, and such a structure allows to obtain high mechanical properties.
Originality/value. The critical points Ac1 and Ac3, the tendency of steel to grain growth during heating, as well as the kinetics of phase transformations of super cooled austenite.
Key words: Low alloy structural steel, heat treatment - normalization, hardening, tempering, critical points, structural transformations, structure sorbitoobraznaya after improvement, the kinetics of phase transformations.
