CC BY
31
УДК 62179192 Е. Н. ЕРЕМИН
А. С. ЛОСЕВ С. А. БОРОДИХИН К. Е. ИВЛЕВ А. Е. МАТАЛАСОВА И. А. ПОНОМАРЕВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
Омский научный центр СО РАН,
г. Омск
НИТРИДНО-БОРИДНОЕ УПРОЧНЕНИЕ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ
Проанализировано раздельное использование азота и бора для легирования коррозионностойких сталей. Предложено комплексное совместное применение соединений азота и бора для упрочнения хромистой стали с мартенситной матрицей. Разработан новый состав высокохромистой порошковой проволоки с комплексом боридных соединений (ВК Ш2, 2гВ2), обеспечивающий получение наплавленного металла композиционного типа. Приведены результаты исследований структуры, свойств и фазового состава такого металла. Установлено, что образование в таком металле мартенситной матрицы с уменьшенным средним размером фрагментов структуры, возникающих вследствие выделения дисперсных нитридно-боридных фаз, обусловливает высокие показатели твердости и износостойкости покрытий, наплавленных новой порошковой проволокой.
Ключевые слова: хромистая сталь, мартенситная структура, бориды, упрочнение, наплавка, порошковая проволока, твердость.
Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 17-19-01224.
Введение. В последнее время всё более широкое распространение получают нержавеющие стали, легированные азотом, обладающие более высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками [1—5].
Азот повышает способность к деформационному упрочнению и существенно увеличивает стойкость металла сопротивляться распространению трещин в процессе разрушения, износокоррозионную стойкость.
Чаще всего азот используют для легирования ау-стенитных и аустенитно-ферритных коррозионно-стойких сталей. За рубежом он нашел некоторое применение и в высокохромистых мартенситных сталях [6, 7]. При равном суммарном содержании элементов внедрения (азота и углерода), прочность азотистых сталей с мартенситной структурой выше, чем у углеродсодержащих.
Однако увеличение прочности таких сталей с повышенным содержанием азота сопровождается существенным ухудшением их деформируемости.
Дополнительное повышение прочности азотсодержащих сталей может обеспечить процесс дисперсионного твердения с выделением избыточных фаз из пересыщенного азотом твёрдого раствора при термической обработке.
Одним из таких методов является легирование сталей бором [8—11]. Однако влияние бора может быть различным в зависимости от структуры стали, его содержания и термической обработки.
Выполненными ранее исследованиями установлено положительное влияние боридных соединений на эксплуатационные свойства мартенситностарею-щей стали [12, 13]. В то же время совместное влияние комплекса соединений азота и бора на свойства сталей не изучено. В связи с этим в работе исследовано нитридно-боридное упрочнение хромистых сталей с мартенситной структурой, отличающихся комбинацией, соотношением и концентрацией легирующих элементов.
Объекты и методы исследований. Исследовали влияние нитридно-боридного упрочнения на структуру, свойства и фазовый состав хромистой стали Х15, полученной наплавкой порошковой проволокой, в состав которой введены нитрид бора, дибо-рид титана и диборид циркония в различных соотношениях и концентрациях. Расчетные составы порошковых проволок приведены в табл. 1.
Исследовали наплавленный металл следующих систем:
— высокохромистая низкоуглеродистая сталь Х15 (состав № 1);
о
го
Расчетные химические составы разрабатываемых порошковых проволок
Таблица 1
Состав Количественный состав порошковой проволоки, %
Сг БЫ Т1Б2 &Б2 Ыа„81Ря 2 6 Ре порошок
1 15 - - - 0,3 10
2 15 - 2,5 1 0,3 4,5
3 15 - 4 1,6 0,3 1,0
4 15 0,5 1,25 0,5 0,3 5,5
5 15 1 2,5 1 0,3 1,0
1 — состав № 1; 2 — состав № 2; 3 — состав № 3; 4 — состав № 4; 5 — состав № 5
Рис. 1. Распределение твердости металла по сечению покрытий после наплавки
Рис. 2. Микроструктура металла, наплавленного порошковой проволокой состава № 1
— высокохромистая низкоуглеродистая сталь Х15, легированная диборидом титана и диборидом циркония (составы № 2 и № 3);
— высокохромистая низкоуглеродистая сталь Х15, легированная нитридом бора, диборидом титана и диборидом циркония (составы № 4 и № 5).
В качестве оболочки использовали стальную ленту марки 08 кп размером 15x0,8 мм по ГОСТ 503-81.
Введение в шихту хрома в количестве 15 % обеспечивает получение в наплавленном металле мар-тенситной структуры, обладающей достаточно высокой коррозионной стойкостью, характерной для сталей 20Х13. Введение кремнефтористого натрия в состав порошковой проволоки позволяет уменьшить опасность образования пор в наплавленном металле.
Наплавку осуществляли на пластины из стали Ст3 размером 200*50*10 мм опытными порошковыми проволоками диаметром 2,4 мм в аргоне в три слоя. Режим наплавки: сила тока 230 А; напряжение 24 В; скорость наплавки 20 м/ч. Исследовался металл в состоянии наплавки.
Металлографические исследования наплавленного металла проводили на оптическом микроскопе AXIO Observer Aim (Carl Zeiss). Микроструктура выявлялась химическим травлением в реактиве состава: CuSO. — 4 г; HCl — 20 мл; H2O — 20 мл.
4 ' '2
Электронно-микроскопические исследования проводили на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6610-LV с приставкой Inca-350 энергодисперсионного анализа.
Дюрометрические исследования проводили на образцах из металла после наплавки c помощью твердомеров ТК-2 по методу Роквелла и Shimadzu HMV-2 по методу Виккерса.
Результаты и обсуждение. Результаты исследования твердости металла по поперечному сечению покрытий после наплавки для образцов исследуемых составов приведены на рис. 1.
Для выявления причин различий в твердости исследуемых составов покрытий проведены металлографические и электронно-микроскопические исследования.
Микроструктуры нелегированного высокохромистого металла (состав № 1) и металла показавшего наилучшие результаты по твердости (состав № 4) приведены на рис. 2 и 3.
Результаты растровой электронной микроскопии сравниваемых составов металла покрытий приведены на рис. 4.
Полученные данные дюрометрических исследований показывают, что нелегированный высокохромистый металл (состав № 1) имеет твердость во втором — третьем слоях около 40 ИКС. Введение в его состав диборида титана и диборида циркония в больших концентрациях (состав № 3) приводит к существенному снижению твердости до 20 — 24 ИКС. Введение в наплавленный металл этих соединений в меньших количествах (состав № 2) несколько повышает твердость после наплавки до 40 ИКС. Введение в наплавленный металл комплекса: нитрид бора, диборид титана и диборид циркония в больших концентрациях (состав № 5) повышает твердость после наплавки до 45 ИКС. Наилучшие результаты показал металл, наплавленный порошковой проволокой с комплексом нитрид бора, ди-борид титана и диборид циркония (состав № 4) со средней концентрацией. Такой металл после наплавки имеет твердость начиная со второго слоя 52-57 ИКС.
Рис. 3. Микроструктура металла, наплавленного порошковой проволокой состава № 4
Рис. 4а. Растровая электронная микроскопия структуры металла, наплавленного порошковой проволокой состава № 4: изображение микроструктуры с расположением областей сканирования
Рис. 4б. Растровая электронная микроскопия структуры металла, наплавленного порошковой проволокой состава № 4:
распределение элементов вдоль линии сканирования
В результате металлографических исследований установлено, что микроструктура металла, наплавленного проволокой состава № 1, представляет собой смесь феррита и низкоуглеродистого мартенсита (рис. 2). По границам зерен наблюдается скопление карбидов, по-видимому, хрома и 5-феррита с частицами а-фазы. Такая смешанная структура и обеспечивает твердость в пределах 40 ИКС. Микроструктура металла, наплавленно-
го проволокой состава № 2, представляет собой ферритно-перлитную смесь с твердым раствором боридной эвтектики большой протяженности. Металл с такой структурой имеет невысокие значения твердости до 30 ИКС. Микроструктура металла, наплавленного проволокой состава № 3, отличается от предыдущей увеличением количества эвтектики, что приводит к ещё большему снижению твердости такого металла. В металле, полученном наплавкой
Химический состав областей покрытия наплавленного порошковой проволокой состава № 4
Таблица 2
Спектр B, % N, % C, % Cr, % Fe, % Ti, % Zr, %
1 18,55 0 13,22 17,26 50,97 0 0
2 0 0 17,55 12,21 70,24 0 0
3 0 14,65 18,39 8,86 36,24 18,59 3,27
4 16,08 0 11,81 18,51 53,60 0 0
5 0 13,18 15,45 6,35 49,82 14,56 0,64
проволокой состава № 5, наблюдается очень большое количество сложной эвтектики. При этом фер-ритная матрица существенно обедняется хромом, который переходит в эвтектику, что обусловливает твердость наплавленного металла около 45 ИЯС. Металл, наплавленный проволокой состава № 4, показавший наилучшие результаты, имеет сложную мартенситную композиционную структуру (рис. 3), твердость которой достигает 57 ИЯС.
Электронно-микроскопический анализ покрытия наплавленного проволокой состава № 4 показал, что такой металл представляет собой перенасыщенный легирующими элементами а-твердый раствор с развитой и замкнутой эвтектикой. Его структура характеризируется большим количеством, особой морфологией и химическим составом эвтектики и промежуточных фаз (рис. 4а).
Согласно данным энергодисперсионного анализа, отражающим количественное распределение элементов вдоль отрезка прямой линии в виде концентрационных спектрограмм (рис. 4б) и спектров локального точечного анализа (табл. 2), следует, что структура металла состава № 4 представляет собой железо-хромистую мартенситную матрицу с эвтектической составляющей, образованной на базе борида (Ре, Сг)2Б, имеющего скелетообразный характер.
Данная боридная эвтектика характеризуется микротвердостью 900-1050 ИУ и большим количеством дисперсных включений карбонитридов типа (Ре, Т1, Сг, 2г)СЫ размером от 0,5 мкм до 2,5 мкм. Высокое содержание углерода в исследуемых спектральных областях поверхности наплавленного покрытия объясняется их науглероживанием в процессе энергодисперсионного анализа, что усложняет точное определение химического состава образованных структур и дисперсных фаз.
Выполненные исследования показали, что введение в состав высокохромистой порошковой проволоки нитрида бора, диборида титана и диборида циркония позволяет получить новый наплавленный металл композиционного типа. Такой металл обладает повышенной твердостью, которая обеспечивается комплексным упрочнением за счет образования в мартенситной матрице карбонитридных и карбо-боридных фаз. Кроме того, в структуре наплавленного металла появляется карбоборидная эвтектика, которая, располагаясь в виде каркаса между кристаллами мартенсита, воспринимает часть нагрузки контактного взаимодействия и рассредоточивает ее на большую площадь поверхности, что увеличивает стойкость против задирания наплавленного металла, работающего в условиях истирания. Вместе с этим цирконий и титан образуют мелкодисперс-
ные труднорастворимые высокопрочные нитриды, способствующие увеличению износостойкости наплавленного металла, повышая его вязкость и снижая хрупкость.
Заключение. Таким образом, введение в состав высокохромистой порошковой проволоки комплекса боридных соединений позволяет получать наплавленный металл композиционного типа. Образование в таком металле мартенситно-феррит-ной матрицы с уменьшенным средним размером фрагментов структуры, возникающих вследствие выделения дисперсных боридно-нитридных фаз, обусловливает высокие показатели твердости и износостойкости покрытий.
Библиографический список
1. Шлямнев А. П. Азотсодержащие нержавеющие стали — структура, свойства, перспективы производства и применения // Проблемы чёрной металлургии и материаловедения. 2007. № 1. С. 53-60.
2. Шпайдель М. О. Новые азотсодержащие аустенитные нержавеющие стали с высокими прочностью и пластичностью // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 11 (605). С. 9-13.
3. Капуткина Л. М., Прокошкина В. Г., Свяжин А. Г. Влияние высокотемпературной термомеханической обработки на механические свойства конструкционных азотсодержащих сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 7. С. 46-49.
4. Костина М. В., Банных О. А., Блинов В. М. Хромистые коррозионностойкие стали, легированные азотом, новый класс конструкционных сталей // Технология металлов. 2000. № 10. С. 2-12.
5. Бабаскин Ю. З., Шипицын С. Я., Кирчу И. Ф. [и др.]. Конструкционные и специальные литейные стали с карбони-тридным упрочнением // Литейное производство. 2003. № 8. С. 32-38.
6. Horovitz M. B., Benduce Neto F., Garbogini A. Nitrogen Bearing Martensitic Stainless Steels: Microstructure and Properties // Iron Steel Inst. Jap. Inter. 1996. Vol. 36, no. 7. P. 738-745. DOI: 10.2355/isijinternational.36.840.
7. Simmons J. W. High-nitrogen alloying of stainless steels // Microstructural sci. 1994. Vol. 21. P. 33-39.
8. He L., Liu Y., Li J., Li B. Effects of hot rolling and titanium content on the microstructure and mechanical properties of high boron Fe-B alloys // Materials and Design. 2012. Vol. 36. P. 88-93. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.10.043.
9. Liu Y., Li B., Li J. et al. Effect of titanium on the ductilization of Fe-B alloys with high boron content // Materials Letters. 2010. Vol. 64. Issue 11. P. 1299-1301. DOI: 10.1016/j. matlet.2010.03.013.
10. Лякишев Н. П., Плинер Ю. Л., Лаппо С. И. Борсодер-жащие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1986. 190 с.
11. Арнаутова М. Б., Бекетов А. Р., Арнаутов Б. В., Ожегов В. В. Влияние бора на структуру и свойства литой аустенитной стали 25Х8Г8Т // Литейщик России. 2007. № 5. С. 38-43.
12. Yeremin Y. N., Losev A. S. Mechanical Properties and Thermal Stability a Maraging Steel With Borides, Deposited with a Flux-Cored Wire // Welding International. 2014. Vol. 28. Issue 6. P. 465-468. DOI: 10.1080/09507116.2013.840041.
13. Eremin E. N. Using boride compounds in flux-cored wires for depositing maraging steel // Welding International. 2013. Vol. 27. Issue 2. P. 144-146. DOI: 10.1080/09507116.2012.695546.
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение», директор машиностроительного института Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
ЛОСЕВ Александр Сергеевич, старший преподаватель кафедры «Машиностроение и материаловедение» ОмГТУ.
БОРОДИХИН Сергей Александрович, ассистент кафедры «Машиностроение и материаловедение» ОмГТУ.
ИВЛЕВ Константин Евгеньевич, младший научный сотрудник комплексного научно-исследовательского отдела региональных проблем Омского научного центра СО РАН.
МАТАЛАСОВА Арина Евгеньевна, студентка гр. С-131 машиностроительного института ОмГТУ. ПОНОМАРЕВ Иван Андреевич, студент гр. С-131 машиностроительного института ОмГТУ. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 01.08.2017 г. © Е. Н. Еремин, А. С. Лосев, С. А. Бородихин, К. Е. Ивлев, А. Е. Маталасова, И. А. Пономарев
Книжная полка
Бельков, В. Н. Основы конструирования деталей и сборочных единиц машин : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / В. Н. Бельков, Н. В. Захарова. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2017. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM).
Пособие по структуре, содержанию и методике ориентировано на выполнение курсового проекта по дисциплине «Детали машин и основы конструирования». Содержат справочные таблицы и данные на основе нормативных документов, принятых в практике конструирования. В пособие включены материалы по расчету и конструированию деталей и сборочных единиц машин с использованием системы автоматизированного проектирования машин АРМ WinMachine и КОМПАС-3Б V8. Учебный материал изложен в форме, наиболее удобной при изучении и конструировании деталей и сборочных единиц машин. Для лучшего усвоения приведены примеры выполнения отдельных видов расчетов.
Балакин, П. Д. Элементы теории реальных механических систем : моногр. / П. Д. Балакин. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. - 270 с.
В монографии представлены результаты научных исследований в области механики машин, проводимых на кафедре машиноведения ОмГТУ под руководством автора. Показано, что ослабление единого влияния реальных параметров систем может быть достигнуто при реализации авторского принципа конструирования, в основу которого положен прием наделения механических систем свойством адаптации. Представляет интерес для работников конструкторских бюро и проектных организаций, научно-педагогических сотрудников втузов, аспирантов, магистрантов и студентов, обучающихся по механико-машиностроительным направлениям профессиональной подготовки.
Бишутин, С. Технология машиностроения : учеб. и практикум / С. Бишутин [и др.] ; под. ред. А. Тотая. -М. : Юрайт, 2016. - 240 с. - ISBN 978-5-9916-5434-0.
В учебнике представлены все основные разделы курса, обеспечивающие подготовку обучающихся к освоению отраслевых технологий обрабатывающих производств. Даны понятия и определения производственного процесса и характеристика машиностроительного производства, принципы проектирования технологических процессов сборки и их размерно-точностной анализ. Изложены теория базирования заготовок и причины возникновения погрешностей при обработке заготовок. Выделены основные направления технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин и способы улучшения их эксплуатационных свойств. Описаны вопросы проектирования процессов обработки для различных типов производств, способы их нормирования и оценки себестоимости изготовления продукции. Рассмотрены конкретные примеры расчетов, сформулированы задачи для самостоятельного решения и контрольные вопросы.
Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по направлениям: «Автоматизация технологических процессов и производств», «Конструкторско-техноло-гическое обеспечение машиностроительных производств», «Энергетическое машиностроение», «Техно-сферная безопасность», «Управление качеством».
