Получение многослойных композитов из стали c субмикрои наноразмерной толщиной слоя Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

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