Перетворення аустеніту в цементованій сталі 13Х3НВМ2Ф Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.785.52:669.14.018.298

Канд. техн. наук І. М. Лазечний1, О. В. Лисиця1, д-р техн. наук В. Г Міщенко2, канд. фіз.-мат. наук В. Л. Сніжной2, канд. фіз.-мат. наук Г В. Сніжной1

1 Національний технічний університет, 2 Національний університет

м. Запоріжжя

ПЕРЕТВОРЕННЯ АУСТЕНІТУ В ЦЕМЕНТОВАНІЙ СТАЛІ 13Х3НВМ2Ф

Досліджено структурні перетворення при хіміко-термічному обробленні цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф на вторинну твердість. Показано, що після високотемпературної цементації та безпосереднього гартування у функціональній частині дифузійного шару аустеніт не зазнає перетворень. Основні процеси, що остаточно формують структуру і властивості цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф, відбуваються при відпуску.

Ключові слова: цементована сталь, теплостійкість, вторинна твердість, фазові перетворення.

1 Вступ

З метою підвищення допустимих температур експлуатації зубчатих передач (ЗП) газотурбінних двигунів (ГТД) на кафедрі фізичного матеріалознавства ЗНТУ при співробітництві із металургійними, моторобудівними заводами, галузевими науково-дослідними інститутами розроблене цементовану конструкційну сталь 13Х3НВМ2Ф високої теплостійкості. Вона дозволяє замінити менш теплостійкі сталі 14ХГСН2МА, 12Х2НВФА, 20Х3МВФ не лише завдяки підвищеному та комплексному легуванню, але й через спеціально розробленому для неї хіміко-термічне оброблення, яке передбачає використання ефекту вторинного твердіння. Подібний комплексний підхід до вирішення цього важливої науково-технічної задачі дозволив суттєво підвищити допустимі значення експлуатаційних температур (від 150 °С для сталі 14ХГСН2МА до 450° для сталі 13Х3НВМ2Ф) та довговічність ЗП ГТД. Структурні та фазові перетворення, що відбуваються при вторинному твердінні інструментальних сталей, наприклад Х12М, Х12Ф1, Р6М5, Р18 та деяких інших добре досліджені. Цього не можна сказати щодо сталі 13Х3НВМ2Ф, що пояснюється порівняно недавньою її появою, обмеженим використанням та специфічним призначенням. Тому важливо, що отримані нами результати мають значну наукову та практичну цінність.

2 Матеріал та методика дослідження

Зразки для проведення досліджень виготовляли зі сталі 13Х3НВМ2Ф промислового виплавлення (виробник - завод «Дніпроспецсталь») та такого хімічного складу, % (мас.): С 0,13; Мп 0,3; 8і 0,35;Сг 2,96; Мі 0,96; Мо 1,94; W 0,59; V 0,38. Із прокатаних прутків діаметром 50 мм заготовки зразків отримували куванням та подальшим попереднім термічним обробленням: нормалізація від 910...930 °С, високий відпуск

660...670 °С. Механічним обробленням отримували

зразки за розміром 3ґ20ґ200 мм, які згодом піддавали ХТО за режимом: наскрізна цементація при

1020.. .1030 °С упродовж 5,5.. .6 годин, безпосереднє гартування від температури цементації в маслі та наступний відпуск при 520.540 °С.

Газову цементацію здійснювали в модернізованій, пристосованій до високих експлуатаційних температур печі С'ІІІІ ІМ-4.6/10.5 із використанням як карбюризаторів гасу, синтину або піробензолу. Витрати карбюризаторів були такими, щоб забезпечувалася од -норідна концентрація вуглецю близько 1 % по всій товщині зразків без утворення надлишкових карбідів -

0,8...1,0 см3/хв.

При приготуванні зразків для металографічного дослідження проводили їх щавлення в 4 %-му спиртовому розчині ИМ03; для вивчення структури використовувався мікроскоп МИМ-8.

Магнітометричні дослідження для побудови діаграми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту цементованої сталі проводили на установці Акулова з використанням зразків діаметром 3 та довжиною 30 мм. Ізотермічні витримки здійснювали з інтервалом 50 °С.

Кінетику перетворень аустеніту при відпуску досліджували на дилатометрі Шевенара з використанням диференційних головок Ж, УМ та зразків 3 х 3 х 50 мм. Використано також метод диференційного магнітного аналізу Дослідження проводили на анізометрі Акулова із напруженістю магнітного поля 5000 ерстед. Як еталон використані зразки із армко-заліза, розміри зразків-еталонів та досліджуваних зразків із цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф з діаметром 3 та довжиною 30 мм. Кут між зразком та еталоном в утримувачі склав 75°. Швидкість нагрівання та охолодження зразків при ділатометричних та магнітометричних дослідженнях процесів при відпуску відповідала швидкостям на-

© І. М. Лазечний, О. В. Лисиця, В. Г Міщенко, В. Л. Сніжной, Г В. Сніжной, 2011

грівання (охолодження) виробів у промислових умовах - 18 град/хв.

Частку аустеніту визначали на дифрактометрі ДРОН-1 у мідному випромінюванні із монохромати-зацією відбитих променів. Режим знімання: напруга на аноді 35 кВ, сила струму 20 мА, зйомка велася по лініях (111)у та (110)а, відношення інтенсивності ліній К = /4(111)//а(110) = 0,631. Для дослідження використані зразки розмірами 3x10x20 мм, які перед рентге-ноструктурними дослідженнями для усунення наклепу від механічного оброблення піддавали електролітичному поліруванню.

Для визначення питомої магнітної сприйнятливості цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф при відпуску використовували зразки розмірами 2x2x2 мм та установку з уніполярно-астатичною системою та механіко-маг-нітним зачепленням призми [1]. Питому магнітну сприйнятливість зразка Х визначали за формулою:

X = X е

(1)

де Хет - питома магнітна сприйнятливість речовини еталона, наприклад солі Мора;

і, іет - компенсаційні струми зразка і еталона відповідно;

т, шет - маса зразка і еталона відповідно.

Для визначення малих кількостей феромагнітної а-фази Р використовували вираз:

Ра =

(X - (X „- X р )Н

X100%

(2)

де ста - питома намагніченість феромагнітної фази;

Х - питома магнітна сприйнятливість зразка;

Хр - питома магнітна сприйнятливість зразка як результат парапроцесу і парамагнітизму аустеніту;

Н - напруженість магнітного поля.

Значення Xtx знаходили методом екстраполяції

1

залежностей X = Я — І.

Н

3 Результати досліджень та їх аналіз

При обґрунтуванні вибору матеріалу для важкона-вантажених цементованих деталей ГТД особливу увагу приділяють теплостійкості дифузійного шару, тому що в багатьох випадках від стабільності структури та властивостей сталі залежить довговічність виробів. Вирішення задачі щодо підвищення допустимих температур експлуатації цементованих деталей здійснюється за напрямками:

- збільшення легованості цементованих сталей із ХТО на первинну твердість за оптимальними режимами;

- комплексне насищення дифузійного шару, наприклад вуглецем та азотом;

- використання для конструкційних комплексно- та середньолегованих сталей ХТО з подальшою обробкою на вторинну твердість.

На підставі літературних даних нами проаналізований вплив легування карбідоутворювачами на теплостійкість цементовних сталей при їх ХТО на первинну твердість. Як показник використано відношення температур відпускання сталей, котрі забезпечують твердість цементованої сталі не нижче НЯС 58, до суми карбідоутворювачів та суми легувальних елементів (табл. 1).

На підставі даних табл. 1 можна зробити такі висновки:

- граничні температури відпускання зростають при підвищенні легованості сталей;

- ефективність впливу легувальних елементів на відносну теплостійкість при зростанні вмісту л.е. знижується. Наприклад, за ефективністю використання легувальних елементів сталь 13Х3НВМ2Ф поступається сталям 14ХГСН2МА, 12Х2НВФА, 20Х3МВФ та 16Х3НВФМБ.

Пояснення цьому, ймовірно, слід шукати в недостатньому розчиненні карбідів цементитного та спеціальних типів при гартуванні від прийнятих у практиці ХТО температур 810.920°С. Водночас гартування від 950.980 °С підвищує стійкість аустеніту і тому після оброблення холодом при мінус 80. мінус 60 °С, відпуску при 300.350 °С в цементованих сталях може

Таблиця 1 - Ефективність впливу карбідоутворювачів (Ку) та в цілому легувальних елементів (Кл.е.) на теплостійкість цементованих, оброблених на первинну твердість сталей

ет

і m

а

а

Сталь 12ХН3А 12Х2Н4А 14ХГСН2МА 12Х2НВФА 20Х3МВФ 16Х3НВФМБ 13Х3НВМ2Ф

Сума карбідоутворювачів (Ку), % 0,95 1,6 1,87 2,5 4,65 4,83 5,87

Сума легувальних елементів (Кл.е.), % 3,95 4,6 4,37 3,4 4,65 5,73 6,67

Температура відпуску ^, °С 170 180 230 270 300 320 350

Відношення te/YКу, °С/% 179 113 123 108 65 66 60

Відношення вТЛл.е, °С/% 43 39 53 79 65 56 52

зберігатися неприпустимо велика для ЗП частка залишкового аустеніту (30.40 %).

Перетворення аустеніту в теплостійких цементованих сталях при їх обробленні на первинну твердість досліджені доволі ґрунтовно. Так, після гартування від 810.920 °С в поверхневій (робочій) частині дифузійного шару, температура Мп якого сягає 120.200 °С, а Мк < 0°С, фіксується 20.25 % залишкового аустеніту. Іе означає, що основна частина мартенситу утворюється при гартуванні.

Після завершальних операцій ХТО (оброблення холодом при температурах -80.-60 °С та відпускання при температурах 160.350 °С) залишається 8.15 % аустеніту. При цьому залишається можливість часткового перетворення залишкового аустеніту в нижній бейніт у цементованих сталях 12Х2НВФА, 20Х3МВФ, 13Х3НВМ2Ф, температури відпускання яких перевищують температури Мп.

Для підвищення теплостійкості і більш ефективного використання легувальних елементів для сталей 16Х3НВФМБ та 13Х3НВМ2Ф розроблено ХТО, котра передбачає цементацію при 1030±10 °С, безпосереднє гартування та 4.5-разове відпускання при 530±10°С із технологічною витримкою впродовж однієї години. На рис.1 наведено мікроструктуру цементованої і загартованої сталі 13Х3НВМ2Ф, а в табл. 2 -дані щодо зміни її твердості, частки аустеніту та температури Мп.

Завдяки високому вмісту вуглецю після цементації (близько 1,05 %), комплексному легуванню та високій температурі цементації температура Мп сталі нижча за 20 °С і в зразках фіксується після охолодження до кімнатної температури практично аустенітна структура (див. рис. 1). Перетворення аустеніту за даних по табл. 2 відбувається після відпусків, внаслідок чого частка у-фази зменшується до 15 %, а твердість від ИЯЄ 38 після гартування зростає після п’яти відпусків до ИЯЄ 61. У зв’язку з цим досліджували перетворення при відпуску 530 °С і записували дилатометричні та магнітометричні криві (рис. 2). Після першого відпуску частка аустеніту зменшується лише на 5 %, при цьому перетворення А^М розпочинається при доволі низькій температурі -близько 50 °С, перетворень у інших температурних областях при цьому відпуску не зафіксовано.

У міру збільшення кількості відпусків, збіднення аустеніту на вуглець та легувальні елементи зроста-

Рис. 1. Мікроструктура цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф.

Температура цементації та гарту 1030 °С, х 300

ють температури Мп, зменшується частка аустеніту та зростає твердість (див. табл. 2). Збіднення аустеніту підтверджується дилатометричними дослідженнями: зменшується довжина зразків при ізотермічній витримці при 530 °С як наслідок зменшення параметрів ґратки аустеніту. Разом із цим при нагріванні та охолодженні при 2-5 відпусках в інтервалах температур нагрівання 280.350 °С та охолодження 350.280 °С відбувається перетворення аустеніту зі збільшенням об’ єму зразків. Зважаючи на наведені температури, це, найімовірніше, є результатом перетворення аустеніту в нижній бейніт.

Велике теоретичне та практичне значення для матеріалознавства і термічного оброблення мають діаграми ізотермічного та термокінетичного перетворення аустеніту.

У класичному розумінні методика їх побудови передбачає аустенітизацію і подальше дослідження перетворення аустеніту при заданих температурі або швидкості охолодження.

У представленій роботі використано інший підхід. Внаслідок того, що після гарту при 20 °С отримано

Таблиця 2 - Зміна частки аустеніту, твердості та температури Мп цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф по операціях ХТО на вторинну твердість

Стан зразків Після цементації та Після відпуску при 530 °С

безпосереднього гарту Першого Другого Третього Четвертого П’ятого

Твердість, ИЯЄ 38 46 54 58 61 61

Частка аустеніту, % 95 90 59 34 20 15

Температура Мп, °С нижче 20 50 80 100 110 120

Температура, °С

а

Рис. 2. Дилатометричні (а) та магнітометричні (б)

практично аустенітну структуру, зразки нагрівали до заданих температур, фіксували точки початку і завершення перетворення аустеніту і будували діаграму ізотермічного перетворення залишкового аустеніту цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф (рис. 3).

Комплексні дослідження операції відпуску (металографічні, дюрометричні, магнітометричні) дозволили отримати інформацію про процеси, що відбуваються при відпуску цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф.

Високочутливі магнітні дослідження, проведені на установці з уніполярно-астатичною системою, дозволили показати, що при нагріванні до 150 °С відбувається утворення фаз, які парамагнітні вище за 210 °С, а при охолодженні нижче ніж 210 °С стають феромагнітними (рис. 4).

Зважаючи на ґ та температуру точки Кюрі цементиту, імовірно, мова йде про виділення легованих карбідів цементитного типу. Найбільший ефект карбі-доутворення АХ спостерігається після першого нагрівання, а в міру збільшення кількості нагрівань він поступово зменшується: АХ1 = 80-10-8; АХ2 = 34-10-8; АХ3 = 16-10-8; АХ4 = 8-10-8. Слід зазначити, що при температурах нагрівання нижче ніж 450 °С існує імовірність утворення спеціальних карбідів.

б

іі відпуску зразків цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф

При вищих температурах і більших ізотермічних витримках виділяються спеціальні карбіди, параметр кристалічної ґратки аустеніту при цьому змінюється. На підставі отриманої діаграми ізотермічного перетворення аустеніту показано можливість часткового перетворення аустеніту у фери-то-карбідну суміш. Зважаючи на температуру відпуску 530 °С, найбільш імовірно, що вона являє собою троостит. На відміну від швидкорізальних сталей, котрі також термічно обробляються на вторинну твердість і відпускаються при температурах 540.560 °С, при яких аустеніт має велику стійкість (до 28 годин), аустеніт у цементованій сталі 13Х3НВМ2Ф має понижену стійкість при температурах відпуску 530.540 °С і після 1,5 годинної витримки розпочинається перетворення А ^ Ф + К. Це означає, що при технологічній витримці при другому відпуску розпочинається дифузійне перетворення аустеніту, в результаті чого по межах аустенітних зерен утворюються трооститні колонії (рис. 5).

4 Висновки

Узагальнення наведених вище результатів досліджень дозволяє окреслити які особливості перетворен-

У

І

ф

1

©

І

і

&

с

8

§

.є

ї

•а

>о

Рис. 3. Діаграма ізотермічного перетворення залишкового аустеніту цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф

ня аустеніту в цементованій сталі 13Х3НВМ2Ф при обробленні на вторинну твердість:

1. Відсутність мартенситного перетворення і фіксація пересиченого у- твердого розчину в функціональній частині дифузійного шару після гарту від 1030 °С внаслідок низької температури Мп;

2. Виділення з аустеніту при його нагріванні до 450° С карбідів цементного типу та утворення спеціальних карбідів у інтервалі температур 450-530 °С;

3. Перетворення А^М при охолодженні після відпусків нижче температури 120 °С;

4. Протікання при технологічній витримці при 530 °С при другому - п’ ятому відпусках перетворення малостійкого аустеніту у Ф+К суміш за дифузійним механізмом;

5. Перетворення частини аустеніту за проміжним механізмом як при нагріванні до температур відпуску, так і при охолодженні при другому - п’ятому відпусках в інтервалі температур 250.320 °С;

6. Незавершеність аустенітно-мартенситного перетворення зі збереженням до 10.15 % залишкового аустеніту.

Рис. 4. Вплив кількості нагрівань цементованої сталі 13Х3НВМ2Ф на інтенсивність процесу утворення карбідів

Список літератури

Мирошниченко Ф. Д. Магнитометрические весы с униполярной астатической системой и механико-магнитным зацеплением призмы / Ф. Д. Мирошниченко,

B. Л. Снежной // Приборостроение. Межведомственный научно-технический сборник, № 2. - К. : Техніка, 1966.

Снежной Г. В. Интегральный физический метод идентификации альфа-фазы в аустенитных хромоникелевых сталях / Г. В. Снежной, В. Г. Мищенко, В. Л. Снежной // Литье и металлургия (Беларусь), 2009. - № 3(52). -

C. 241-244.

Одержано 01.09.2011

Лазечный И. М., Лисица О. В., Мищенко В. Г., Снежной В. Л., Снежной Г. В. Превращения аустенита в цементованой стали 13Х3НВМ2Ф

Исследованы структурные превращения при химико-термической обработке цементированной стали 13Х3НВМ2Ф на вторичную твердость. Показано, что после высокотемпературной цементации и непосредственной закалки в функциональной части диффузионного слоя аустенит не претерпевает превращений. Основные процессы, которые окончательно формируют структуру и свойства цементированной стали 13Х3НВМ2Ф, происходят при отпуске.

Ключевые слова: цементированная сталь, теплостойкость, вторичная твердость, фазовые превращения.

Lazechniy I., Lisitsya O., Mishenko V., Snezhnoy V., Snezhnoy G. Transformations of austenite in carburized steel 13Х3НВМ2Ф

Structural transformations during chemical-thermal processing of carburized steel 13Х3НВМ2Ф on the secondary hardness were investigated. It is shown that after high temperature carburizing and direct hardening in functional part of diffusive layer austenite does not suffer transformations. Basic processes which form a structure and properties of the carburized steel 13Х3НВМ2Ф finally take a place at tempering.

Key words: carburized steel, thermostability, secondary hardness, phase transformations.