CC BY
6МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl
УДК 669.14.046:621.9.048.7
ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ МАРТЕНСИТНОЙ СТРУКТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ЗАКАЛКИ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА, ВЫВЕДЕННОГО В АТМОСФЕРУ1
Е.А. ДРОБЯЗ, канд. техн. наук,
В.А. БАТАЕВ, доктор техн. наук, профессор,
В.Г. БУРОВ, канд. техн. наук, профессор,
А.М. ТЕПЛЫХ, аспирант
(НГТУ, г Новосибирск)
Статья поступила 15 ноября 2010 г.
Дробяз Е.А. - 630092, Новосибирск, пр.К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: drobyaz@yandex.ru
Исследовано влияние режимов вневакуумной электронно-лучевой закалки на образование дефектов в поверхностном слое углеродистых сталей. Металлографическим и электронно-микроскопическим методами структурных исследований установлено, что один из наиболее опасных дефектов обусловлен перегревом поверхностной зоны до температур, близких к точке солидуса или превышающих ее.
Ключевые слова: вневакуумная электронно-лучевая обработка, дефекты структуры, углеродистые стали.
The influences of the modes of atmospheric electron-beam hardening on the formation of defects in the surface layer of carbon steels are investigated. Metallographic and electron microscopic methods of structural studies have established that one of the most dangerous defects caused by overheating of the surface zone to temperatures close to the point of the solidus or exceeds it.
Key words: atmospheric electron beam treatment, defects of structure, carbon steels.
Из совокупности методов упрочнения сталей, основанных на использовании процессов высокоэнергетического воздействия на поверхность заготовки, следует особо выделить закалку электронным лучом, выведенным в воздушную атмосферу [1]. Этот процесс может быть эффективно реализован с использованием промышленного ускорителя электронов ЭЛВ-6 производства Института ядерной физики СО РАН. Высокая мощность ускорителя (до 100 кВт) в совокупности с устройством вывода электронов в воздушную атмосферу позволяет с высокой производительностью обрабатывать длинномерные крупногабаритные изделия.
Благодаря высокоскоростному нагреву до температуры аустенитного состояния и последующему быстрому отводу тепла нижележащими слоями происходит закалка сталей, сопровождающаяся резким ростом значений твердости. Таким образом, могут быть упрочнены слои толщиной до 1 мм и более. Метод ориентирован преимущественно на упрочнение деталей, подвергаемых различным видам износа.
При разработке режимов закалки сталей методами, основанными на высокоэнергетическом воз-
действии на поверхностный слой, обычно ставится задача формирования мелкокристаллической структуры мартенсита и обеспечения высокого уровня твердости. Предполагается, что структура мелкокристаллического пересыщенного твердого раствора углерода в а-железе должна создать условия для осуществления хорошего сочетания прочностных свойств и трещиностойкости. Однако при реализации некоторых задач было установлено, что внева-куумная электронно-лучевая закалка может способствовать хрупкому выкрашиванию поверхностного слоя упрочненных деталей, подвергнутых контактно-усталостному нагружению.
Цель данной работы состоит в выявлении причин чрезмерного охрупчивания поверхностных слоев стальных заготовок, упрочненных методом вневаку-умной электронно-лучевой закалки.
В качестве объектов исследования использовали отожженную сталь У8 (0,83 % С; 0,33 % Мп; 0,21 % 81; 0,02 % 8; 0,025 % Р) и стали эвтектоидного состава, легированные микродобавками титана и ниобия в количестве 0,06 и 0,1 %. В исходном состоянии
1 Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы»
С*
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
стали имели структуру грубопластинчатого перлита (отжиг при 900 оС). Электронно-лучевая закалка сталей выполнялась в Институте ядерной физики СО РАН на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-6 по следующим режимам: ток пучка электронов I = 12...20 мА; скорость перемещения образцов относительно электронного пучка v = 70 мм/с; расстояние от выпускного окна до образца H = 130 мм; энергия пучка E = 1,4 МэВ. Структурные исследования сталей выполняли с использованием светового микроскопа Axio Observer Alm и растрового микроскопа EVO 50 XVP фирмы «Carl Zeiss».
Процесс электронно-лучевого поверхностного упрочнения сопровождается объемным вводом энергии во внутренние слои металла. При этом микрообъемы, находящиеся на разном расстоянии от поверхности, нагреваются до различных температур, причем скорости нагрева и охлаждения этих микрообъемов тоже разные. Таким образом, в процессе высокоэнергетического воздействия формируется градиентная структура, каждый «слой» которой по условиям образования отличается от соседнего. Соответственно механические свойства этого слоя по глубине имеют существенные различия.
Показано, что технологические режимы вневаку-умной электронно-лучевой закалки обеспечивают закалку углеродистых сталей на глубину ~ 0,7.0,9 мм. Одна из основных особенностей, характерных для электронно-лучевого нагрева сталей, заключается в уменьшении величины аустенитного зерна с удалением от поверхности в глубь формируемого слоя (рис. 1). Объясняется это тем, что температура нагрева глубоколежащих слоев ниже, чем поверхностных микрообъемов. Однако даже в слоях, лежащих близко к поверхности и нагретых по этой причине до высоких температур, из-за кратковременности нагрева размер аустенитного зерна не успевает существенно вырасти. Структура мартенсита, формируемая из мелкого аустенитного зерна, с позиции влияния на механические свойства стали является весьма благоприятной [2-4].
Часто, реализуя методы закалки сталей, основанные на высокоскоростном нагреве поверхностных слоев и последующем отводе тепла нижележащим объемом, основное внимание уделяют таким параметрам, как скорость нагрева и охлаждения металла, глубина и твердость закаленной зоны. Контроль температуры в быстро нагреваемых и охлаждаемых поверхностных слоях является очень сложной технической задачей и обычно не проводится. Указанное обстоятельство позволяет полагать возможным нагрев поверхностного слоя до температур, существенно превышающих температуру аустенизации при реализации печного нагрева стали. Повышение температуры нагрева стали способствует увеличению скорости и степени растворения избыточной фазы. Однако одновременно с ускорением процесса гомогенизации аустенита проявляются и негативные факторы, связанные с ростом аустенитного зерна, перегревом и даже пережогом металла.
Металлографически было обнаружено, что после обработки током I = 16 мА в структуре мартенсита имеют место признаки пережога материала. Визуально дефект этого типа обнаруживается по наличию утолщений границ зерен аустенита. На полученных снимках дефекты зеренной структуры заметны в виде темных прерывистых или замкнутых выделений (рис. 2). При внимательном изучении признаки пережога, выражающиеся в повышенной травимости границ бывшего аустенитного зерна, обнаруживаются на глубине до ~ 50.100 мкм. Химический анализ подтверждает наличие кислорода в темных выделениях по границам зерен (рис. 3). Присутствие кислорода свидетельствует о его интенсивной диффузии при повышенных температурах с образованием тонких пленок окислов, которые снижают прочность зернограничного материала.
Рис 1. Изменение размера бывшего аустенитного зерна по глубине упрочненного слоя
Рис. 2. Образование дефектов по границам аустенитных зерен (пережог) после вневакуумной электронно-лучевой обработки
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 3. Пережог стали У8 после вневакуумной электронно-лучевой обработки
Возможности микроскопа EVO 50 XVP позволили зафиксировать на некоторых дефектах характерные микротрещины (рис. 3). Их происхождение связано с повышенной хрупкостью зернограничных дефектов и наличием механических напряжений закалочного происхождения. Следует особо подчеркнуть, что микротрещины наблюдались на объектах, не подвергавшихся механическому воздействию. Таким образом, уже после вневакуумной электронно-лучевой обработки в некоторых микрообъемах упрочненного слоя существуют дефекты структуры в виде трещин. С большой долей уверенности можно предполагать, что предпосылки разрушения зон пережога существуют даже в тех участках, в которых видимых микронесплошностей непосредственно после облучения не было.
Анализ причин охрупчивания поверхностных слоев свидетельствует о том, что снижение трещино-стойкости закаленного слоя связано не только с образованием высокопрочного мартенсита и наличием напряжений закалочного происхождения. На полученных электронно-микроскопических снимках заметны явные признаки камневидного излома (рис. 4). Разрушение стали по границам зерен во многих местах выявляет их характерную огранку. Гладкий характер изломов свидетельствует о том, что образование новых поверхностей было связано с малыми затратами
внешней энергии. Следует отметить, что разрушение сопровождается образованием в некоторых местах трещин - сателлитов, направленных под некоторым углом к поверхности разрушения. Продвигаются эти трещины в глубь материала по границам бывших аустенитных зерен. Такой вид излома является одним из наименее энергоемких, т.е. наиболее опасных. При реализации механизма интеркристаллитного разрушения энергоемкость процесса определяется не характеристиками самого металла, а свойствами ослабленных границ зерен поликристалла.
Рис. 4. Поверхность разрушения стали У8, упрочненной электронным лучом
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при выполнении вневакуумной электроннолучевой обработки необходимо тщательно контролировать максимальный уровень температуры, достигаемой в упрочненном слое. Единственным методом, позволяющим решить эту задачу, является математическое моделирование процесса нагрева. Расчетные кривые нагрева и охлаждения стали У8 при вневаку-умной электронно-лучевой обработке для различных режимов представлены на рис. 5. Анализ представ-
Рис. 5. Кривые нагрева и охлаждения поверхности стали У8 при вневакуумной электронно-лучевой обработке с различными значениями тока электронного пучка
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ленных кривых свидетельствует о том, что с целью избежания пережога при указанных условиях обработки сила тока не должна превышать 15 мА. При такой обработке температура на поверхности объекта не превышает 1400 °С. Повышение силы тока приводит к увеличению температуры облучаемых слоев металла. Это означает, что верхний слой стали подплавляется. Соответственно в металле имеет место пережог.
Выводы
1. Установлено, что наиболее опасный дефект поверхностных слоев, полученных путем вневакуумной электронно-лучевой закалки, обусловлен перегревом поверхностной зоны до температур, близких к точке солидуса или превышающих ее. Даже кратковременный перегрев стали длительностью менее одной секунды приводит к образованию по границам зерен хрупких пленочных выделений, разрушающихся под действием закалочных напряжений, т. е. еще до начала эксплуатации упрочненного изделия.
2. Анализ результатов фрактографических исследований свидетельствует о том, что возникающие в процессе вневакуумной электронно-лучевой обработки напряжения закалочного характера способствуют зарождению и распространению микротрещин по границам бывших аустенитных зерен.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
3. Экспериментально подтверждены результаты математического моделирования процессов нагрева и охлаждения поверхностных слоев стали У 8. Показано, что при указанных условиях обработки сила тока не должна превышать 15 мА. Такие режимы обеспечивают ускоренный нагрев и охлаждение материала без проявления эффекта пережога.
Список литературы
1. О поверхностной закалке стали концентрированным электронным пучком в атмосфере: препринт № 88-73 / А.Ф. Вайсман, С.Б. Вассерман, М.Г. Голков-ский, В.Д. Кедо, Р.А. Салимов. - Новосибирск, 1988. -32 с.
2. Тушинский Л.И. Влияние высокоскоростного нагрева на однородность структуры поверхностных слоев углеродистых сталей / Л.И. Тушинский, Е.А. Батаева // Обработка металлов. - 2005. - № 4 (29). - С. 29-31.
3. Шипко А. А. Упрочнение сталей и сплавов с использованием электронно-лучевого нагрева / А.А. Шипко. -Минск: Наука и техника, 1995. - 280 с.
4. Особенности разрушения поверхностного слоя стали, перегретого электронным лучом / Е. А. Батаева, В.Г. Буров, В.А. Батаев // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2006. - № 12. - С. 60.
