ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 669.141.3/621.771.2
Получение многослойных композитов
из стали с субмикро- и наноразмерной толщиной слоя
В. И. Галкин, В. А. Якушев, В. Е. Афонин
Работа проведена в целях изучения возможности получения многослойных стальных композитов с помощью прокатки и влияния различных факторов на механические свойства и структуру прокатанного многослойного материала.
Ключевые слова: многослойная сталь, прокатка, концентрация углерода, механические свойства.
Введение
Улучшение различных физико-механических свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формирования микро- и нанокристаллической структуры открывает широкие возможности для получения уникальных конструкционных материалов со специальными физическими свойствами. В связи с этим большие перспективы по применению в различных отраслях промышленности получили многослойные материалы. Многослойный металл отличает от сплава двух или нескольких различных металлов то, что в нем сохраняются специфические индивидуальные свойства составляющих металлов. Значительная технико-экономическая эффективность использования многослойных металлов обусловлена тем, что за счет определенного сочетания различных металлов или сплавов в пакете удается объединить нужные эксплуатационные свойства его компонентов, а в ряде случаев получить специфические свойства, которыми не обладают отдельно взятые металлы.
Постановка задачи
Исследование получения многослойных материалов из стали является перспективным направлением производства материалов, обладающих исключительными прочностью и вязкостью. Данная работа проведена в целях изуче-
ния возможности прокатки многослойных стальных пакетов и влияния различных факторов на механические свойства и структуру прокатанного многослойного пакета. Температурный режим совместного пластического деформирования и степень деформации на первых проходах являются важнейшими факторами, обеспечивающими прочное сваривание слоев.
Прокатку осуществляют со степенью обжатия 30-40 % до требуемых толщин заготовки. Полученные заготовки комплектуются в новый пакет и вновь подвергаются прокатке. Комплектование деформированных заготовок в пакеты и их прокатка выполняются до получения слоистого полуфабриката с требуемым количеством слоев и их толщин.
Подробности экспериментов
Так, для изготовления слоистого полуфабриката листа из Ст. 20 использовали пластины стали толщиной 2 мм, с предварительной очисткой контактирующих поверхностей, из которых вначале комплектовали пакеты по 6 пластин в каждом. Пакеты скрепляли по периметру и нагревали под прокатку до температуры 1050 °С в защитной атмосфере во избежание окисления. Прокатывали до размера пакета 2 мм за пять проходов с промежуточными подогревами в течение 15 мин до температуры прокатки. Последующие пакеты комплектовали
из деформированных пакетов предыдущей прокатки после рекристаллизационного и консолидирующего отжига.
Процесс повторяли вновь до получения слоистого полуфабриката листа. Так, поэтапно, получали 36 слоев, 216 микрослоев, 1296 субмикрослоев, 14 400 и 72 000 нанослоев. Полученные толщины каждого слоя при такой схеме прокатки представлены ниже.
Соотношение количества слоев и расчетной толщины каждого слоя
Количество
..... 1 6
а) у 1,2
слоев .....
Толщина одного слоя. Количество
слоев .....
Толщина одного слоя.
2 мм 330 мкм
1296 1540 нм
14 400 140 нм
36
56 мкм
72 000
28 нм
216
9,3 мкм
Оптимальная температура нагрева Ст 20 под деформацию составляет 1000-1100 °С, степень деформации — не менее 30-35 %. После прокатки образцы закаливали в воде при температуре 890 °С и отпускали при температуре 200 °С в течение 2 ч.
Результаты и обсуждение
Перед началом деформации сталь необходимо нагреть до температуры не менее 800 °С, чтобы избежать окисления, нагрев проводился в восстановительной атмосфере. В процессе нагрева в восстановительной атмосфере в твердом карбюризаторе происходит диффузия углерода в сталь, его распределение по пластине неоднородно: максимальная концентрация углерода наблюдается в поверхностных слоях пакета, минимальная — в его центральной части, что хорошо видно при анализе микроструктуры образцов.
Например, распределение углерода в стальной пластине толщиной 2 мм с начальной концентрацией углерода 0,2 % за время выдержки 5 ч при температуре 800 °С показано на рис. 1, а. При совместной прокатке пакета, состоящего из таких пластин, можно получить материал с переменной концентрацией углерода по толщине, а следовательно, с уникальными свойствами. Распределение углерода в пакете из 36 слоев после нагрева и деформации представлено на рис. 1, б. В пакете, состоящем
б) у 0,
0 0,05 0,10 0,15 0,20 ж
в) У
0,05 0,10 0,15 0,20 х
Рис. 1. Распределения углерода: а — в однородной стальной пластине; б — в пакете из 36 слоев после нагрева и деформации; в — в пакете из из 216 слоев: х — глубина слоя, мм; у — концентрация углерода, %
из 216 слоев, наблюдается выравнивание концентрации углерода после нагрева (рис. 1, в).
В пакете, состоящем из 216 и более слоев, наблюдается выравнивание концентрации углерода после нагрева вследствие диффузии углерода в глубь пластины и уменьшения толщины каждого слоя.
Полученные средние концентрации углерода в многослойном образце представлены ниже.
0
№ТАНПООБ
а)
б)
в)
Рис. 2. Микроструктура пакета из 36 слоев: а — х250; б, в — х1000
а) б) в)
Рис. 3. Микроструктура пакета: а — из 216 слоев (х250); б — из 1296 субмикрослоев (х1000); в — из 14 400 субнанослоев (х1000)
Зависимость средней концентрации углерода в пакете от количества слоев
Количество
слоев.......... . . 1 6 36
Средняя концен-
трация углерода. . . . 0,195 0,355 0,413
Количество
слоев.......... . . 1296 14 400 72 000
Средняя концен-
трация углерода . . . . 0,638 0,793 0,962
Неоднородность распределения углерода по пластине хорошо видна при анализе микроструктуры образцов. Было выявлено, что в пакете из 36 слоев наблюдается различие структуры по слоям (рис. 2).
В пакете, состоящем из 216 слоев, подобных различий микроструктуры по слоям уже не наблюдается, что говорит о выравнивании концентрации углерода по всей толщине образца (рис. 3). Аналогичная картина характерна и для пакета, состоящего из 1296 слоев и более.
Анализ микроструктуры показывает большое количество цементита. Прокатка стального слитка, нагретого до 1050 °С вызывала измельчение аустенитных зерен и выделение цементита из раствора в виде мелких равномерно распределенных частиц, а не грубой сетки, так как во время прокатки слиток постепенно охлаждался с переходом через фазу аустенит + це-
ментит. Выбор температуры закалки 890 °С объясняется тем, что при такой температуре нагрева структура Ст. 20 должна представлять из себя аустенит и небольшое количество феррита. Такая структура при температуре нагрева целесообразна для получения различной твердости в переходной зоне от слоя к слою за счет различной легированности аустенита углеродом. В результате закалки будет получен мартенсит различной твердости, так как твердость мартенсита в сильной степени зависит от концентрации углерода. Однако увеличение концентрации углерода в сталях приводит к увеличению количества остаточного аусте-нита, присутствие которого снижает твердость стали. Для того чтобы уменьшить количество остаточного аустенита проводится отпуск при температуре 200 °С в течение 2 ч. В процессе отпуска происходит обеднение остаточного ау-стенита углеродом за счет выделения высокодисперсной когерентной карбидной фазы.
Выводы
Проведенные исследования микроструктуры образцов из прокатанных стальных пакетов из Ст. 20 с содержанием различного количества слоев, полученных при различных температур-
ных режимах обработки от 800 до 1100 °С, показали, что во всех случаях произошла полная свариваемость слоев.
Механические испытания плоских образцов по ГОСТ 1497, изготовленных из исходной пластины и многослойных пакетов, показали прирост предела прочности в 1,5-1,7 раза по сравнению с исходным однородным материалом. Средняя концентрация углерода многослойной пластины с количеством слоев более 1000 сопоставима с концентрацией углерода таких высо-
коуглеродистых сталей, как У7, У8, У9, однако пластичность многослойного материала выше на 55-65 %, при том что прочностные характеристики многослойного материала незначительно уступают высокоуглеродистым сталям.
Внедрение используемого способа прокатки позволяет получать слоистые полуфабрикаты с заданными свойствами, с любым количеством слоев и любых толщин промышленным способом на действующем стандартном оборудовании.
11-13 июня 2014 г.
Республика Казахстан, г. Алматы RIXOS ALMATY
ПЯТАЯ ЮБИЛЕИНАЯ РОССИЙСКО-КАЗАХСТАНСКАЯ ПРОМЫШЛЕННАЯ ВЫСТАВКА ТРЕТИЙ АЛМАТИНСКИЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ БИЗНЕС-ФОРУМ EXPO-RUSSIA KAZAKHSTAN 2014
МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ:
RIXOS ALMATY
Республика Казахстан, г. Алматы
КОНТАКТЫ:
Москва, ул. Пречистенка, 10
Тел.: +7 (495) 637-50-79, +7 (499) 766-99-17
многоканальный номер: +7 (495) 721 32-36
E-mail: ¡nfo@zarubezhexpo.ru
n/wwja rubezhexpo.ru
www.exporf.ru
ОРГАНИЗАТОР:
ОАО «Зарубеж-Экспо»
СООРГАНИЗАТОРЫ:
Торгово-промышленная Палата Российской Федерации Международная Ассоциация Фондов Мира 1МАФМ) Торгово-промышленная Палата Республики Казахстан Торгово-промышленная Палата г. Алматы
ПАТРОНАЖ:
Торгово-промышленная Палата РФ
Совет руководителей Торгово-промышленных Палат
государств-участников СНГ
ПОДДЕРЖКА:
Министерства иностранных дел РФ, отраслевых Министерств РФ и отраслевых министерств и ведомств Республики Казахстан, Посольства и Торгового представительства РФ в Республике Казахстан