CC BY
36
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. № 13
УДК 169.227.3
Хлестов В.М.1, Фролова З.В.2
ОСОБЕННОСТИ ОТЖИГА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ С ДЕФОРМАЦИОННОГО НАГРЕВА
Рассмотрены особенности распада аустенита и морфологии продуктов его превращения при отжиге инструментальных сталей с деформационного нагрева. В эвтектоидной и заэвтектоидных сталях формируется пластинчатый перлит, а в ледебуритной - зернистый. Обсуждены возможные причины этого различия.
Отжиг изделий с деформационного нагрева существенно снижает энергозатраты и себестоимость продукции [1], поэтому установление оптимальных параметров этого процесса для разных групп инструментальных сталей является актуальной задачей. Наиболее существенно от обычного отжига он отличается тем, что вследствие гораздо более высокой температуры нагрева и деформации переохлажденный аустенит перед распадом и во время распада имеет иное строение и иной химический состав, чем аустенит сформированный при нагреве под отжиг. Например, при нагреве стали Р6М5 под отжиг в аустените растворяется примерно 2 % Сг и по 0,3-0,5 % W и Мо [2], а при нагреве под прокатку (1150 °С) - почти весь хром и по 1,5-2 % Мо и W. В результате устойчивость аустенита возрастала более, чем в 10 раз и еще больше в стали Х5МФ, в которой при нагреве под прокатку карбиды полностью растворялись в аустените [3].
Столь большое повышение времени распада аустенита может сделать нерациональным отжиг изделий с деформационного нагрева. Однако обнадёживает то, что деформация сильно понижает устойчивость аустенита в перлитной области [4], в связи с чем она в значительной мере может уменьшить или даже полностью нейтрализовать неблагоприятное действие высокотемпературного нагрева. Так, в результате прокатки стали Р6М5 с суммарным обжатием на 50 % при 950-900 °С после нагрева на 1150 °С устойчивость аустенита в перлитной области уменьшалась в 5-6 раз [3]. Все же это снижение не полностью нейтрализовало действие высокотемпературного нагрева: время полного распада аустенита при отжиге с прокатного нагрева оставалось все еще примерно вдвое длительнее, чем после нагрева под обычный отжиг.
Приведенные данные показывают, что при выборе режима охлаждения для отжига с деформационного нагрева необходимо руководствоваться данными по кинетике распада аустенита после его нагрева под прокатку или ковку и горячей деформации, а не после нагрева при стандартном отжиге. В связи с этим представляется неправомерным утверждение авторов учебника [5], что после горячей деформации достаточно применить контролируемое охлаждение или изотермическую выдержку таким же образом, как и при обычном отжиге. Аналогичное заключение, не основывающееся на особенностях кинетики перлитного распада аустенита после горячей прокатки, приводится и в монографии [2].
Вторая особенность отжига с прокатного нагрева, которая так же не учитывается указанными авторами при обсуждении возможности и целесообразности его проведения, это существенно иное микро- и субмикростроение стали после завершения горячей деформации по сравнению со сталью, нагретой под отжиг. Известно [6], что в горячедеформированной стали, особенно если деформация завершается при относительно невысокой (800-900 °С) температуре, в аустените формируется либо полигональная, либо ячеистая субструктура. Первая и еще в большей мере вторая существенно влияют не только на кинетику образования перлита, но и на его морфологию, следовательно, и на результаты отжига.
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
2 ПГТУ, канд. техн. наук, инженер
Для экспериментальной проверки высказанных суждений об особенностях отжига с деформационного нагрева были проведены эксперименты на сталях, представляющих три группы: эвтиктоидной У8, заэвтектоидных 7X3 и Х5МФ и ледебуритной Р6М5. Все они были промышленного производства. Их химический состав приведен в таблице 1.
Плоские образцы толщиной 2-5 мм обрабатывали в основном по двум режимам, приведенным на рис. 1. Режим 1 имитирует отжиг с прокатного нагрева, а режим 2 - обычный отжиг. Все стали под прокатку нагревались до 1150 С и выдерживались при этой температуре 10 минут, затем под-
стуживались в малой трубчатой печи до температуры, на 20-50 °С более высокой, чем температура окончания прокатки (табл. 2). Прокатку образцов осуществляли на лабораторной установке [4] за 3 прохода с обжатием на 20 % в каждом проходе. Таким образом, в опытах имитировали завершающую стадию горячей прокатки, так как именно последние 2-3 обжатия оказывают основное влияние на внутреннее строение стали к момент}' завершения деформации и на последующие процессы, развивающиеся при охлаждении [4, 6].
В ряде случаев опыты проводили по другим режимам, чем приведенным на рис. 1. О них будет сказано при рассмотрении и обсуждении экспериментальных данных.
Кинетику перлитного превращения изучали на магнитной установке (стали У8 и 7X3) и специальном дилатометре. Устройство этих установок и методика проведения экспериментов на них подробно описаны в [4].
Результаты опытов по кинетике перлитного распада показали, что совместное действие высокотемпературного нагрева и последующей деформации на устойчивость переохлажденного аустенита в очень сильной мере зависит от химического состава стали. В нелегированной стали У8 повышение температуры нагрева от 750 до 1150 °С лишь в 1,3 - 1,5 раза увеличивало время перлитного распада, а деформация перегретого аустенита на 50 % в интервале 800 - 750 °С снижала его устойчивость в 2,5 - 3 раза. В результате перегретый и затем деформированный аустенит оказывается примерно вдвое менее устойчивым, чем нагретый под отжиг, поэтому с точки зрения перлитного распада отжиг с прокатного нагрева может производиться с более быстрым охлаждением, чем обычный отжиг.
Существенно иная картина наблюдалась при изучении кинетики превращения аустенита
легированной заэвтектоидной стали 7X3. Из рис. 2а видно, что высокотемпературный нагрев сильно повышает устойчивость аустенита. а деформация перегретых образцов столь же сильно понижает ее. В результате оказывается, что для полного перлитного распада аустенита стали 7X3 необходимо примерно одинаковое время, как при обычном отжиге, так и при отжиге с деформационного нагрева.
Особо сильное влияние высокотемпературный нагрев оказывал на перлитное превращение более легированной стали
Таблица 1 - Химический состав исследованных сталей
Марка стали Содержание элементов в % по массе
С Si Мп Сг Мо W V
У8 0.77 0.27 0.87 - - - -
7X3 0.67 0.23 0.32 3.5 - - -
Х5МФ 1.02 0.30 0.70 5.15 1.15 - 0.31
Р6М5 0.84 0.25 0.30 4.0 5.0 6.5 1.9
IEQD
& 1000
<9 й S
а
Й
щ
н
Время
Рис. 1- Основные режимы обработки стали Р6М5 1 - отжиг с прокатного нагрева;
2- типовой изотермический отжиг.
Х5МФ (рис. 26).
ТОО
о
6 12 18 24 30
Время, мин
О
60
120 180 240 300 Время, мин
Рис. 2- Кинетические кривые распада аустенита сталей 7X3(а) и Х5МФ(б) при 700 °С 1- после нагрева на 840 °С; 2- после нагрева на 1150 °С; 3- после нагрева на 1150 °С и деформации на 50 % при 880-850 °С.
В этом случае повышение температуры нагрева образцов от 850 до 1150 °С приводило к увеличению устойчивости аустенита на начальной стадии распада примерно в 30 раз, а конец распада не достигался даже за 24 часа. Это, очевидно, связано в первую очередь с большим увеличением легированности аустенита вследствие полного растворения в нем карбидов. Деформация такого аустенита при 900 - 850 °С хотя и приводила к значительному понижению его устойчивости (рис. 26), еще далеко не компенсировала действие высокотемпературного нагрева. В результате после горячей прокатки аустенит стали Х5МФ оказывается в 10-12 раз более устойчивым в перлитной области, чем после нагрева под отжиг. Ясно, что при такой ситуации отжиг стали Х5МФ с прокатного (ковачного) нагрева вряд ли будет рациональным.
Ранее выполненное исследование кинетики перлитного распада аустенита показало [3], что сталь Р6М5 значительно менее чувствительна к температуре нагрева, чем сталь Х5МФ, несмотря на гораздо более высокую легированность первой: время полного распада аустенита стали Р6М5 после нагрева под прокатку лишь в 5-6 раз было длительнее, чем после нагрева под отжиг. Так как деформация сильно понижает устойчивость аустенита, то при отжиге с прокатного нагрева длительность его перлитного распада примерно только вдвое больше, чем при обычном отжиге. Поскольку время полного распада аустенита при 700-780 °С после горячей прокатки не превышало 2-х часов [3], то ясно, что отжиг стали Р6М5 с прокатного нагрева с точки зрения кинетики перлитного превращения вполне возможен.
При сравнении данных, полученных на сталях Х5МФ и Р6М5, возникает вопрос, почему нагрев под прокатку более сильно увеличивает устойчивость аустенита менее легированной стали? Нам представляется, что это связано с большим различием структурного состояния сравниваемых сталей при 1150 °С. В стали Х5МФ карбиды полностью растворялись в аустените, тогда как в стали Р6М5 - меньше половины [2]. В связи с этим легированность аустенита быстрорежущей стали была относительно невысокой, а его зерно сверхмелким. Все это в совокупности с активизирующей ролью карбидов, по-видимому, и предопределило менее сильное повышение устойчивости аустенита у стали Р6М5 в результате нагрева под прокатку, чем у стали Х5МФ.
Изучение твердости и микроструктуры после отжига в основном подтвердило заключения, сделанные на основе анализа кинетики перлитного превращения аустенита. Результаты, полученные на сталях У8, 7X3, Х5МФ и Р6М5, приведены в таблице 2. Из них
следует, что эвтектоидная и заэвтектоидные стали плохо отжигаются с деформационного нагрева, так как аустенит в этом случае распадается с образованием пластинчатого перлита,
Таблица 2 - Твердость и микроструктура сталей после изотермического отжига.
Режим обработки
Марка Тем- ра Время Тем-ра Темпер-ра Твер- М и кроструктура
стали отжига уг/кига. нагрева, деформации, дость
°С час °С °С НВ
750 750-720 204 Мелкозернистый перлит
У8 680 2 без деформ. 207 Мелкозернистый перлит
1150 750-720 220 Пластинчатый перлит
без деформ. 223 Пластинчатый перлит
820 820-800 229 Зернистый перлит + карбиды
без деформ. 229 Зернистый перлит + карбиды
7X3 680 3 1150 820-800 289 Пластичный перлит + карбиды
без деформ. 311 Пластичный перлит + карбиды
880 880-850 255 Зернистый перлит + карбиды
Х5МФ 700 6 без деформ. 255 Зернистый перлит + карбиды
1150 880-850 388 Пластичный перлит + мартенсит + карбиды
880 880-860 235 Зернистый перлит + карбиды
Р6М5 740 4 без деформ. 238 Зернистый перлит + карбиды
1150 950-900 269 Зернистый перлит + карбиды
без деформ. 277 Зернистый перлит + карбиды
что не допускается действующими стандартами. Данные табл. 2 свидетельствуют также о том, что при отжиге с прокатного нагрева отсутствует эффект термомеханического упрочнения, поскольку после одинаковой температуры аустенитизации деформированные на 50 % образцы имеют такую же или несколько меньшую твердость, чем недеформированные. Еще один результат, приведенный в табл. 2, обращает на себя внимание. Он свидетельствует о том, что сильно легированную заэвтектоидную сталь нерационально отжигать с прокатного нагрева также из-за чрезмерно высокой устойчивости аустенита.
330
310
s
§ 2?С
I
8
л и
о
о
s
с
fr-l
250
ЙЭО
210
е \Л\
¡JS^i
3
700 740 760 7Ш
Температуре ресгтеда вуотените,
Рис. 3- Зависимость твердости стали Р6М5 от температуры и времени при отжиге с прокатного
Так как в стали Р6М5 при отжиге с прокатного нагрева формировалась зернистая структура, то на этой стали были проведены более разнообразные эксперименты. Из рис. 3 видно, что наиболее сильно на твердость стали влияет температура отжига, затем высокий нагрев совместно с деформацией и в меньшей мере - время изотермической выдержки. Если снижение твердости при повышении температуры отжига и увеличении его длительности является общеизвестным фактом, то повышение твердости в результате отжига с прокатного нагрева требует обсуждения. Так как эффект термомеханического упрочнения отсутствует, то вероят-
нагрева (а) и обычного отжига (б) 1- изотермическая выдержка 2 часа;
2- изотермическая выдержка 4 часа;
3- изотермическая выдержка 6 часов.
ными причинами этого явления могут быть:
а) затруднение коагуляции вторичных и эвтектоидных карбидов;
б) старение аустенита при прокатке и охлаждении после прокатки.
Изучение микрошлифов при увеличении до 1000 крат не выявило заметных различий в микростроении образцов, подвергнутых обычному отжигу и отжигу с прокатного нагрева, поэтому вероятнее всего ответственным за повышение твердости является процесс старения. Косвенным подтверждением этого является выделение большого количества избыточных карбидов перед перлитным распадом [3] и существенное уменьшение разницы в твердости сравниваемых образцов при повышении температуры отжига (от 50 единиц НВ при 700 °С до 20 единиц при 780 °С). Последнее естественно связать с более значительным перестариванием деформированных образцов при повышении их температуры.
Заканчивая обсуждение, полученных в настоящей работе данных, с сожалением вынуждены констатировать, что вопреки утверждению авторов [5] отжиг изделий из эвтектоидных и заэвтектоидных сталей сразу после завершения горячей деформации (без дополнительной аустенизации) невозможен или крайне невыгоден. Что же касается ледебуритных сталей, то их отжиг с деформационного нагрева возможен, но с обязательной корректировкой температуры изотермической выдержки, или скорости охлаждения. Например, для получения требуемой стандартом твердости < 255 НВ сталь Р6М5 с прокатного нагрева необходимо отжигать при температуре, не менее 760 °С, тогда как при обычном отжиге достаточно при 720 °С (рис. 3).
Выводы
1. Отжиг с деформационного нагрева эвтектоидных, заэвтектоидных и ледебуритных сталей вследствие высокого нагрева и горячей деформации отличается от обычного отжига существенно иным протеканием перлитного распада во времени и морфологией образующейся карбидной фазы.
2. В эвтектоидых и заэвтектоидных сталях вследствие полного растворения карбидов при нагреве под обработку давлением при охлаждении изделий после завершения горячей деформации формируется пластинчатый перлит, недопустимый по действующим стандартам.
3. В ледебуритной стали при отжиге с прокатного нагрева основная часть карбидной фазы, выделяется из аустенита в зернистой форме, в связи с чем такой отжиг при определенных параметрах охлаждения дает результаты, удовлетворяющие требованиям стандарта и экономики.
Перечень ссылок
1. Поляков В. В. Ресурсосбережение в черной металлургии / В. В. Поляков - М.: Машиностроение, 1993. - 320с.
2. Геллер Ю.А. Инструментальные стали./Ю.А. Геллер. - M.: Металлургия. 1983 - 584с.
3. Khlestov V.M. Effects of deformation and heating temperature on the austenite transformation to pearlite in high alloj tool steels / V.M. Khlestov, E.V. Konopleva, H.J. Mc Queen // Materials Science and Technology.- Vol 18,- P.54-60.
4. Хлестов B.M. Превращения деформированного аустенита в стали./ В.М. Хлестов, Г.К. Дорожко. - Мариуполь: Издательство ПГТУ, 2002. - 407с.
5. Башнин Ю.А. Технология термической обработки./ Ю.А. Башнин, Б.К. Ушаков, А.Г. Секей. - M.: Металлургия, 1986. - 424с.
6. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка стали./М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский, Л.М. Капуткина. - M.: Металлургия, 1983.-480с.
Статья поступила 29.01.2003
