CC BY
126
Рис. 5. Элементарные ячейки упорядоченных фаз в системе Си - Аи: а - СиАи3; б - СиАи I; в - СиАи; г - СиАи II [13]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. М а л ы ш е в В.М., Р у м я н ц е в Д.В. Золото. - М.: Металлургия, 1979. - 288 с.
2. К л о п о т о в А.А., П о т е к а е в А.И.,
К о з л о в Э.В., К у л а г и н а В.В. // Изв.
вуз. Физика. 2011. № 9. С. 59 - 69.
3. К у л а г и н а В.В., Ч а п л ы г и н а А.А., П о п о в а Л.А. и др. // Изв. вуз. Физика. 2012. Т. 55. № 7. С. 78 - 87.
4. К у л а г и н а В.В., П о т е к а е в А.И.,
К л о п о т о в А.А., С т а р о с т е н к о в
М. Д. // Изв. вуз. Физика. 2012. Т. 55. № 4. С. 11 - 18.
5. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Т. 1 - 3. / Под ред. Н.П. Ля-кишева. - М.: Машиностроение, 1996 -2000.
6. G o l i k o v a N.N., L a p t e v s k i y A.S., G u s h c h i n G.M., S y u t k i n a V.I. // Phys. Met. Metallogr. 1991. Vol. 72(6). P. 136 - 140.
7. B a r t h l e i n S., W i n n i n g E., H a r t G.L., M u l l e r S. // Acta Materialia. 2009. Vol. 57. P. 1660 - 1665.
8. N a k a h i g a s h i K. L12-Type Ordered Phase in Cu-Pt-Pd Ternary Alloys // Jpn. J. Appl. Phys. 1986. Vol. 1. № 25(9). P. 1284 -1287.
9. П и н е с Б.Я. // Журнал неорганической химии. 1958. Т. 3. Вып. 3. C. 611 - 629.
10. П е р е л ь м а н Ф.М. // Журнал неорганической химии. 1958. Т. 3. Вып. 3. С. 630 -636.
11. R a u b E., W ö r w a g G. Die Silber-Palladium-Kupfer-Legierungen // Z. Metallk-de. 1955. Bd. 46. P. 52 - 57.
12. V o l k o v A.Yu., S y u t k i n a V.I. // Fiz. Met. Metalloved. 1995. Vol. 79(6). P. 85 - 92.
13. S h i n o h a r a T., S a i t o h S., W a g a t um a F., Y a m a g u c h i S. // Philosophical magazine A. 1999. Vol. 79. № 2. Р. 437 -448.
14. П л а т н и к Л.С., Л а н д а у А.И. Фазовые равновесия в многокомпонентных системах. - Харьков: изд. ХГУ, 1961. - 392 с.
© 2013 г. М.М. Морозов, Т.Н. Маркова,
А.А. Клопотов Поступила 20 мая 2013 г.
УДК 669-151.8:622.791
О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев, С.А. Казимиров, Е.М. Запольская
Сибирский государственный индустриальный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ОКИСЛЕНИЯ И ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЯ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ МАРОК 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ ПРИ НАГРЕВЕ ПОД ОБРАБОТКУ ДАВЛЕНИЕМ
Легированные стали марок 40ХН, 34ХН1М, 5ХНМ получили широкое распространение для изготовления деталей и металлоизделий различного назначения. В частности, конструкционная легированная хромоникелевая сталь марки 40ХН применяется для изготовления ответственных нагруженных деталей (осей, валов, шатунов, зубчатых колес, муфт, шпинде-
лей, болтов, рычагов и др.), подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам. К этим изделия предъявляют требования повышенной прочности и вязкости. Конструкционную легированную сталь марки 34ХН1М применяют для изготовления аналогичных, особо ответственных высоконагруженных деталей, работающих при температурах до 500 °С. Ин-
струментальную штамповую сталь марки 5 ХНМ используют для изготовления штампов паровоздушных и пневматических молотов с массой падающих частей свыше 3 т, прессовых штампов и штампов машинной скоростной штамповки при горячем деформировании легких цветных сплавов, блоков матриц для вставок горизонтально-ковочных машин.
При производстве всех этих деталей стальные слитки или заготовки подвергают нагреву в печах перед обработкой давлением. Контакт с окислительной атмосферой печи сопровождается окислением и обезуглероживанием стали. Безвозвратные потери металла от угара в зависимости от температурного режима нагрева могут достигать 1 - 3 % [1, 2]. В связи с этим исследование закономерностей окисления и обезуглероживания стали при нагреве в печах актуально и имеет практическое значение.
В настоящей работе проведено исследование влияния температурно-временного фактора на высокотемпературное окисление и обезуглероживание рассматриваемых марок сталей, а также температур начала плавления их окалины. Химический состав исследуемых сталей представлен ниже:
Элемент Содержание, %, элемента в образце из стали марки
34ХН1М 40ХН 5ХНМ
C 0,370 0,430 0,550
Mn 0,630 0,630 0,690
Si 0,280 0,290 0,320
Cr 1,440 0,60 0,670
Ni 1,340 1,070 1,50
Cu 0,080 0,070 0,070
Mo 0,220 - 0,187
S 0,011 0,008 0,010
P 0,012 0,014 0,018
Al 0,014 0,009 0,024
N - 0,007 -
В экспериментах использовали образцы, имеющие форму дисков диам. 30 и толщиной 10 мм, которые вытачивали из слитков. Масса исходных образцов составляла 65 - 75 г. Нагрев осуществляли в электрической печи сопротивления СУ0Л-0,25.1/12,5-И1 с нагревателями из карбида кремния в атмосфере воздуха. Температуру металла измеряли хромель-алюмелевой термопарой и многоканальным программным регулятором температур «Термодат 19Е2». Образцы нагревали до температур 1000, 1100 и 1200 °С и выдерживали при этих температурах 20, 40 и 60 мин. Угар определяли с помощью гравиметрического метода по потере массы образцов. Взвешивание об-
разцов проводили на весах Vibra AF-220CE с точностью до 0,1 мг. Окалину с поверхности образцов удаляли посредством травления в растворе серной кислоты. Глубину обезугле-роженного слоя определяли с помощью металлографического метода. Для определения температуры плавления печной окалины использовали образцы размером 4^4^10 мм, которые для более точного измерения температуры крепили непосредственно к спаю термопары. Начало плавления окалины фиксировали визуально через окно печи.
По результатам статистической обработки экспериментальных данных с применением пакета программ Stastica в координатах lnk = ЛИТ) определяли эмпирические коэффициенты А и В для расчета константы к окисления по соотношению
к = A exp( - B X (1)
где Т - температура, К.
На рис. 1 представлена зависимость величины lnk от температуры.
Для прогнозных расчетов получены соотношения, позволяющие определять угар в зависимости от температуры и времени нагрева для сталей следующих марок:
40ХН
У = 1,18 ехр(-5097,0/Т) ^; (2)
34ХН1М
У = 806,23 ехр(-14439,5/Т)^; (3)
5ХНМ
У = 4301,16 ехр(-16840,5/Т)л/^, (4)
где т - время выдержки, мин.
1289 1197 1116 1043 977 1, °С
0,00064 0,00068 0,0007 0,00076 0,00080 1/Т, 1/К
-6,5
-8,5
1п£,
гг/(см4мин)
Рис. 1. Зависимость логарифма константы скорости окисления от температуры для сталей марок 40ХН (о), 34ХН1М (□), 5ХНМ (Д)
Погрешность аппроксимации экспериментальных данных составляет не более 10 %. Результаты анализа экспериментальных данных показывают, что увеличение температуры с 1000 до 1200 °С и времени выдержки от 20 до 60 мин приводят к росту угара стали марок 40ХН с 0,09 до 0,29 г/см2 (в 3,2 раза), 34ХН1М - с 0,05 до 0,39 г/см2 (в 7,8 раза), а 5ХНМ - с
0,03 до 0,36 г/см2 (в 12 раз). С точки зрения интенсификации угара сталь марки 40ХН менее чувствительна к температурному фактору. При аналогичном содержании других легирующих элементов в исследуемых сталях молибден, присутствующий в образцах из стали марок 5ХНМ и 34ХН1М, оказывает двоякое влияние на интенсивность окисления. По данным работы [3], при малых концентрациях и температурах 600 - 1000 °С он формирует соединение Ре2Мо04, способствующее повышению защитных свойств окалины и замедляющее окалинообразование. В то же время известно, что при взаимодействии с кислородом молибден образует летучий оксид Мо03 с температурами испарения и плавления около 600 и 795 °С, интенсивно разрыхляющий окалину и снижающий ее защитные свойства [1, 4]. Это, вероятно, является причиной большего угара молибденсодержащих сталей по сравнению со сталью 40ХН при температурах 1150 - 1200 °С.
Стали 5ХНМ и 34ХН1М имеют примерно одинаковую интенсивность окисления во всем исследуемом температурном интервале несмотря на то, что в стали марки 34ХН1М, по сравнению с маркой 5ХНМ, содержится почти в 2 раза больше хрома, способствующего повышению защитных свойств окалины.
В целях снижения угара при нагреве под обработку давлением для сталей марок 5ХНМ, 34ХН1М и других молибденсодержащих, аналогичных по составу, выдержку или томление с целью повышения равномерности нагрева и прогрева слитков или заготовок рекомендуется проводить при температурах менее 1000 - 1050 °С.
В результате проведенных исследований установлено, что температура подплавления
окалины исследуемых марок сталей близка к температуре плавления вюстита, которая составляет 1377 °С (см. таблицу). Полученные данные согласуются с результатами исследований [1]. Для окалины стали марки 34ХН1М характерно более высокое содержание никеля и хрома, способствующих повышению температуры подплавления. По сравнению с окалиной стали марки 40ХН меньшее содержание кремния в образцах из стали 34ХН1М способствует повышению температуры подплавления окалины. Такой химический состав окалины предопределяет более высокую, по сравнению с другими исследуемыми сталями, температуру подплавления окалины стали марки 34ХН1М. Молибден ввиду малого содержания, по-видимому, не оказывает существенного влияния на температуру подплавления окалины.
Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что содержание кремния в окалине несколько больше, чем его содержание в стали. Никеля, хрома и молибдена в окалине содержится меньше, чем в стали.
На рис. 2 представлено изменение глубины обезуглероженного слоя от температуры и времени выдержки. Анализ полученных результатов показывает идентичность динамики формирования обезуглероженного слоя для молибденсодержащих сталей марок 34ХН1М и 5ХНМ. Для этих сталей с ростом температуры нагрева и времени выдержки глубина 5 обезуг-лероженного слоя увеличивается и имеет максимальное (0,69 мм) значение при времени выдержки т = 60 мин и температуре металла ^ = 1200 °С. Структура основного (не обезуглеро-женного) металла всех образцов из стали марки 34ХН1М состоит из бейнита и мартенсита, марки 5ХНМ - бейнита, мартенсита и перлита.
Различие динамики формирования обезуг-лероженного слоя в исследуемых сталях при температурах более 1100 °С, вероятно, связано с различным содержанием легирующих карбидообразующих элементов молибдена и хрома, а также необразующего карбидов никеля. В частности, наличие молибдена снижает
Результаты спектрального анализа и температура подплавления окалины исследуемых марок сталей
Содержание элементов в стали/окалине, % { о Р
N1 Сг 8і Мо С
34ХН1М 1,34/0,80 1,44/0,61 0,28/0,47 0,22/0,14 1379
40ХН 1,07/0,70 0,60/0,35 0,29/0,55 -/0,09 1368
5ХНМ 1,50/0,57 0,67/0,20 0,32/0,46 0,19/0,09 1362
Рис. 2. Зависимость глубины обезуглероженного слоя от температуры и времени выдержки, а также фотографии микроструктуры поверхности образцов с максимальной глубиной обезуглероженного слоя (увеличение х200): а - в - образцы сталей марок 34ХНМ, 40ХН, 5ХНМ соответственно
термодинамическую активность углерода и интенсивность процессов обезуглероживания. Однако после достижения определенных температур карбиды молибдена растворяются и процесс обезуглероживания интенсифицируется. Никель, наоборот, способствует интенсификации обезуглероживания, при этом влияние оказывает не только термодинамический, но и диффузионный факторы. По данным работы [1], увеличение концентрации ни-
келя в интервале 0,94 - 4,96 % приводит к ощутимому росту коэффициента диффузии углерода в легированном аустените. Поскольку в стали марки 40ХН никеля содержится меньше, чем в сталях 34ХН1М и 5ХНМ (1,07 % против 1,34 и 1,50 % соответственно), то и интенсивность ее обезуглероживания в высокотемпературной области понижается, а преобладание скорости окисления стали над
скоростью обезуглероживания приводит к поглощению обезуглероженного слоя окалиной.
Выводы. В целях снижения угара при нагреве под обработку давлением для сталей марок 5ХНМ, 34ХН1М и других молибденсодержащих, аналогичных по составу, выдержку или томление с целью повышения равномерности нагрева и прогрева слитков (заготовок) рекомендуется проводить при температурах менее 1000 - 1050 °С. Для исследуемых марок сталей характерно образование окалины с температурой плавления, близкой к температуре плавления вюстита.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Т е м л я н ц е в М.В., М и х а й л е н к о Ю.Е. Окисление и обезуглероживание ста-
ли в процессах нагрева под обработку. -М.: Теплотехник, 2006. - 200 с.
2. С к в о р ц о в А.А., А к и м е н к о А.Д., К у з е л е в М.Я. Безокислительный и малоокислительный нагрев стали под обработку давлением. - М.: Машиностроение, 1968. - 270 с.
3. Окисление и обезуглероживание стали / А.И. Ващенко, А.Г. Зеньковский, А.Е. Лифшиц и др. - М.: Металлургия, 1972. -336 с.
4. С е в е р д е н к о В.П., М а к у ш о к Е.М., Р а в и н Е.М. Окалина при горячей обработке металлов давлением. - М.: Металлургия, 1977. - 208 с.
© 2013 г. О.Л. Базайкина, М.В. Темлянцев, С.А. Казимиров, Е.М. Запольская Поступила 24 июня 2013 г.
