CC BY
68
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. №11
2001 г.
УДК 669.15'74'292:620.178
Малинов Л.С.1, Малышева И.Е.2
ПОЛУЧЕНИЕ В СТРУКТУРЕ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ МЕТАСТАБИЛЬНОГО АУСТЕННТА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ АБРАЗИВНОЙ И УДАРНО-АБРАЗИВНОЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
Обобщены результаты исследований, в которых показано, что для повышения абразивной и ударно-абразивной износостойкости сталей и чугунов необходимо в их структуре получать метастабильный аустенит и регулировать за счет термообработки его количество и стабильность с учетом исходных химического и фазового составов и условий абразивного воздействия.
Повышение абразивной и ударно-абразивной износостойкости сталей и чугунов является важной проблемой. В настоящее время она решается в основном применением сложнолегиро-ванных сплавов, зачастую содержащих дорогие и дефицитные элементы (N1, V, и др.), и обработок, обеспечивающих высокую твердость (абразивное воздействие) или вязкость (ударно-абразивное воздействие). Однако важно в широко применяемых в промышленности нелегированных или низколегированных сталях и чугунах использовать их внутренние резервы. Этого можно достигнуть, если реализовать эффект самозакалки при нагружении. Он заключается в том, что в структуре сталей и чугунов получают метастабильный аустенит, который претерпевает деформационное мартенситное превращение при нагружении в процессе испытаний свойств или эксплуатации. Это впервые было предложено И.Н. Богачевым и Р.И. Минцем [1,2] для повышения кавитационной стойкости сталей. Данная идея в дальнейшем использована для повышения механических и различных служебных свойств сплавов [3-6]. Было показано, что на развитие мартенситных превращений и возникающие при этом внутренние напряжения расходуется значительная часть энергии внешнего воздействия и, соответственно, меньшая ее доля идет на разрушение [6,7]. Кроме того, при мартенситных превращениях происходит релаксация микронапряжений [8]. Однако большинство работ по данному вопросу посвящено высоколегированным, в частности, аустенитным сталям.
Существенно расширить использование эффекта самозакалки при нагружении позволяет принцип, согласно которому в структуре сталей и чугунов, широко применяемых в промышленности, наряду с другими составляющими (мартенситом, бейнитом, ферритом, карбидами, интерметаллидами и др.) следует получать метастабильный аустенит и оптимизировать его количество и стабильность с учетом исходных химического и фазового составов, а также условий нагружения [9,10].
Для повышения износостойкости нелегированных и низколегированных сплавов применение указанного принципа изучено мало. Это делает необходимым накопление экспериментальных данных на широком круге сталей и чугунов.
Объектом исследования служили стали 35ХМФЛ, 40Х, 65Г, У8, 06Г(10-24) и чугуны ВЧ-50, 220Х2Г(2-6).
Применялись рентгеновский, дюрометрический и металлографический анализы. Испытания на абразивный износ проводились на установке типа Бринелля-Хауорта [11]. Для ударно-абразивного изнашивания применялась установка, в которой закрепленные во вращающемся диске образцы соударялись с чугунной дробью. Эталоном служила отожженная сталь 45 и закаленная сталь Гадфильда, а в ряде случаев образцы исследованных сплавов, термообработан-ные по типовой технологии.
Для повышения абразивной износостойкости в поверхностном слое стремятся получать мартенситно-карбидные структуры с минимальным количеством аустенита, что обеспечивает наиболее высокую твердость сплавов [11]. Это достигается цементацией с последующей термообработкой. Однако известны работы, показывающие положительную роль в повышении
1 ПГТУ, д-р техн. наук
2 ПГТУ, аспирант
абразивной износостойкости остаточного аустенита, получаемого в структуре поверхностного слоя после термообработки [7,9,12]. Обычно цементации подвергаются низкоуглеродистые стали. Для сталей со средним и повышенным содержанием углерода она не применяется.
Изучалась абразивная и ударно-абразивная износостойкость сталей 35ХМФЛ, 40Х, 65Г и У8 после цементации, последующей закалки с различных температур и низкого отпуска. Установлено, что для обеспечения наиболее высокого сопротивления абразивному изнашиванию следует иметь в поверхностном слое наряду с отпущенным мартенситом и карбидами метаста-бильный аустенит (до 50%), почти полностью превращающийся в мартенсит деформации под воздействием абразивных частиц. Наиболее высокий уровень износостойкости в этом случае получен после закалки цементированных сталей от 850-900 °С. Износостойкость возрастает в 1,4-1,5 раза по сравнению с таковой после термообработки без цементации [13]. Оптимальная температура закалки зависит от состава сталей, концентрации углерода в поверхностном слое и его исходной структуры. При ударно-абразивном изнашивании с высокой интенсивностью динамического воздействия абразивных частиц на поверхность металла необходимо получать в структуре повышенное количество остаточного аустенита и определенную степень его стабильности. Наиболее высокое сопротивление ударно-абразивному изнашиванию сталей достигается после закалки с 950-1000 °С.
В работах [14,15] показана перспективность использования в качестве цементуемых низкоуглеродистые марганцовистые ( >14%Мп) стали. Однако абразивная и ударно-абразивная износостойкость этих сталей изучена мало. Для исследования были выбраны стали, содержащие от 10% до 24% марганца. Их цементировали, закаливали с 900 °С и отпускали при 250 °С. Наиболее высокую абразивную износостойкость после закалки и отпуска при 250 °С имеет сталь 06Г10 (рис. 1, а), в поверхностном слое которой присутствует -80% метастабильного аустенита, а прирост мартенсита на изнашиваемой поверхности составляет -50%. По абразивной износостойкости сталь 06Г10 превосходит сталь Гадфильда в 1,5 раза. Увеличение содержания марганца в исследованных сталях сверх 10% снижает абразивную и повышает ударно-абразивную износостойкость, что обусловлено ростом стабильности аустенита по отношению к мартенситному превращению (рис. 1, б).
о и ¡я о
□ 06Г10
В05Г12
Н07Г16
0 07Г22
□ 06Г24
а) ц 930 С+3.900 С+250 С б)ц930 С+3.900 С+250 С
Рисунок 1 - Абразивная (а) и ударно-абразивная (б) износостойкость низкоуглеродистых марганцовистых сталей после цементации, закалки 900°С и отпуска при 250°С.
Изучалась возможность повышения абразивной износостойкости не только сталей, но и высокопрочного чугуна за счет получения в структуре метастабильного аустенита. Для этого проводилась закалка от 850, 900 и 950 °С и низкий отпуск при 180 °С 1 час. После закалки с
850 °С структура чугуна ВЧ-50 состоит из отпущенного мартенсита, остаточного аустенита (-14%), графита и некоторого количества карбидов. С повышением температуры закалки до 950 °С количество аустенита возрастает до 40%, что приводит к снижению твердости. При определении износостойкости чугуна ВЧ-50 наблюдается следующая закономерность: с увеличением количества остаточного аустенита абразивная износостойкость возрастает. После закалки с 950 °С она в 1,4 раза выше ,чем после закалки с 850 °С. Это обусловлено тем, что образовавшийся аустенит обладает малой стабильностью по отношению к деформационному мартенсит-ному превращению и почти полностью при испытаниях превращается в мартенсит. Однако это снижает ударно-абразивную износостойкость. На нее отрицательно влияет также рост зерна, повышенное содержание углерода в мартенсите и, как следствие, его охрупчивание.
Исследовалось влияние изотермической закалки на получение в структуре чугуна ВЧ-50 остаточного аустенита и влияние его на износостойкость. Закалка проводилась от 900 °С, охлаждение и выдержка -в селитровой ванне при температурах 250-350 °С в течение 20-90 минут. Установлено, что с повышением температуры изотермы при всех выдержках количество остаточного аустенита в структуре возрастает, а увеличение времени выдержки при исследованных температурах приводит к противоположному эффекту. При непродолжительной выдержке (20 минут) обнаруживается наибольшее количество остаточного аустенита -35% и максимальная абразивная износостойкость. Она в 1,5 раза выше, чем после закалки от 850 °С и отпуска при 180 °С. Это обусловлено малой стабильностью аустенита, о чем свидетельствует его почти полное превращение в мартенсит. При этом ударно-абразивная износостойкость минимальна. С увеличением времени выдержки до 90 минут количество нижнего бейнита возрастает, а доля остаточного аустенита в структуре снижается и он стабилизируется, что приводит к уменьшению абразивной износостойкости и повышению ударно-абразивной.
Сопротивление абразивному и ударно-абразивному изнашиванию изучалось не только на сталях и высокопрочных чугунах, но и на экономнолегированных хромомарганцевых чугунах 220Х2Г(2-6). Они подвергались нормализации после аустенитизации в интервале температур от 800 до 1100 °С. Полученные данные свидетельствуют о том, что повышение содержания марганца от 2 до 6% в чугунах увеличивает количество аустенита в структуре после одного и того же режима термообработки. В этом же направлении влияет повышение температуры аустенитизации в выбранном интервале при нормализации. При этом количество остаточного аустенита возрастает от 10 до 51%, что обусловлено более полным растворением карбидов в аустените, соответственно, увеличением степени его легирования углеродом, марганцем , хромом и снижением мартенситной точки. Чем больше марганца в чугуне, тем ниже может быть температура аустенитизации при нормализации, обеспечивающая повышенное количество аустенита. Наибольшая абразивная износостойкость чугунов обнаруживается в том случае, когда прирост мартенсита на изнашиваемой поверхности составляет >40% (табл. 1). Определенную роль в повышении сопротивления изнашиванию могут играть карбиды в структуре и динамическое старение высокоуглеродистого мартенсита при абразивном воздействии [16]. Для каждого из исследованных чугунов существует оптимальная температура аустенитизации при нормализации, обеспечивающая наиболее высокую абразивную износостойкость. По сопротивлению абразивному изнашиванию исследованные чугуны после рационального режима нормализации и термообработки превосходят в 2,5 раза сталь 110Г13Л. Определение ударно-абразивной износостойкости чугунов показывает, что они уступают по сопротивлению разрушению известной стали (табл.1). Чем выше твердость исследованных чугунов или больше прирост мартенсита деформации на изнашиваемой поверхности, тем это проявляется в большей степени. По мере увеличения содержания марганца в чугуне и температуры аустенитизации, когда в структуре возрастает количество аустенита и степень его стабильности, ударно-абразивная износостойкость возрастает, особенно это проявляется в чугуне 220Х2Г6 после нормализации от 1100 °С.
Таблица 1- Влияние температуры нагрева при нормализации на твердость, количество аустени-та и прирост мартенсита на абразивную и ударно-абразивную износостойкость
Чугун Температу- Твер- Количе- Абразивное изнашивание Ударно-абразивное из-
ра нагрева дость, ство нашивание
при норма- же аустени- прирост относи- прирост относи-
лизации, °С та, % мартенсита, тельная мартенсита, тельная
% износо- % износо-
стойкость, 6 стойкость, 6
220Х2Г2 800 60 10 - 1,9 6 0,3
900 58 19 10 2,2 12 0,3
1000 47 39 28 2,4 30 0,5
1100 42 51 43 2,8 46 0,3
220Х2Г4 800 59 16 8 2Д 10 0,4
900 56 25 15 2,3 19 0,4
1000 45 55 45 2,8 40 0,3
1100 36 80 23 2,0 25 0,6
220Х2Г6 800 49 35 25 2,4 28 0,5
900 45 45 38 2,7 42 0,3
1000 33 74 26 2,3 30 0,6
1100 32 93 18 1,9 25 0,7
Приведенные выше результаты показывают, что в разных по химическому составу сталях и чугунах для повышения сопротивления абразивному и ударно-абразивному изнашиванию в структуре необходимо получать аустенит. Однако для различных условий нагружения он должен иметь неодинаковую стабильность: низкую при абразивном и повышенную - при удар-но-абразивном воздействии. С учетом этого следует за счет режимов термообрабатки управлять стабильностью аустенита, оптимизируя ее применительно к конкретным условиям.
Важную роль в повышении сопротивления изнашиванию играет также то, что в термо-обработанных цементированных сталях и чугунах содержится повышенное количество углерода в аустените, что обеспечивает ему высокую способность к упрочнению при деформации, твердость образующегося из него мартенсита и динамическое старение последнего.
Отсутствие в литературе единого мнения относительно роли остаточного аустенита в сопротивлении сплавов разрушению при воздействии абразивных частиц можно объяснить тем, что не учитывается его стабильность по отношению к деформационному мартенситному превращению в различных условиях нагружения. Если в сплавах получить аустенит высокой устойчивости, то при абразивном воздействии он снизит сопротивление разрушению. К аналогичному результату приведет наличие в структуре сплавов весьма метастабильного аустенита при интенсивном ударно-абразивном воздействии.
Для того, чтобы аустенит играл только положительную роль в повышении износостойкости, необходим дифференцированный подход к выбору режима термообработки, обеспечивающего необходимую стабильность аустенита, учитывающую характер нагружения.
Выводы
1. Аустенит в структуре сталей и чугунов наряду с мартенситом, нижним бейнитом и карбидами является важной структурной составляющей, влияющей на абразивную и ударно-абразивную износостойкость.
2. Количеством и стабильностью аустенита необходимо управлять за счет изменения химического состава и режимов термообработки, оптимизируя его количество и стабильность применительно к конкретным условиям нагружения.
3. Аустенит должен иметь повышенное содержание углерода, что обеспечивает его большую способность к упрочнению при деформации, а образующемуся из него мартенситу - твердость.
Перечень ссылок
1. 1.Богачев И.Н., Минц Р.И. Кавитационное разрушение низкоуглеродистых сплавов.-М.: Машгиз, 1959.-110 с.
2. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационно-стойкие сплавы.-М.: Металлургия, 1972.-189 с.
3. Малинов Л.С., Эйсмондт Т.Д. Упрочнение нестабильных аустенитных Cr-Mn-N-сталей // Изв. АН СССР. Металлы.-1969.-№2.-С. 113-120.
4. 4.Малинов Л.С., Коноп-Ляшко В.И., Никопорец Н.М. Упрочнение Fc-Cr-Mn-сталсй холодной пластической деформацией // Изв. ВУЗов. Черная металлургия.-1986.-№ 11.-С.113-116.
5. 5.Богачев И.Н., Малинов Л.С., Коробейников В.Л. Гидроабразивная стойкость хромомарганцевых сталей // Энергомашиностроение.-1967.-№7.-С.27-30.
6. Малинов Л.С., Эйсмондт Т.Д. Влияние предварительной пластической деформации на ка-витационную стойкость хромомарганцевых сталей //ФММ.-1968.-Т.4.-С.691-695.
7. Попов B.C., Брыков H.H., Дмитриенко Н.С. Износостойкость пресс-форм огнеупорного производства.-М.: Металлургия, 1971.-157 с.
8. Малинов Л.С. Кинетика образования эпсилон-фазы в легированных железомарганцевых сплавах. Дисс. канд. техн. наук : 05.16.01.-Свердловск, 1963.-144 с.
9. Малинов Л.С. Разработка экономнолегированных высокопрочных сталей и способов упрочнения с использованием принципа регулирования мартенситных превращений. Дисс. докт. техн. наук : 05.16.01.-Екатеринбург, 1992.-381 с.
10. Малинов Л.С. Использование принципа получения метастабильного аустенита, регулирование его количества и стабильности при разработке экономнолегированных сплавов и упрочняющих обработок // МиТОМ.-1996.-№2.-С.35-39.
11. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин.-М.: Машиностроение, 1966.-331 с.
12. Малинов Л.С., Малинова Е.Л., Харланова Е.Я. Повышение абразивной износостойкости цементированных сталей 18ХГТ и 12ХНЗА за счет получения метастабильного аустенита // Металлы.-1993.-№2.-С. 108-111.
13. Малинов Л.С., Малышева И.Е. Абразивная и ударно-абразивная износостойкость цементированных сталей с повышенным содержанием углерода после термообработки // Вестник ПГТУ. -2000,-Вып.№9.-С.89-92.
14. Малинов Л.С., Якушечкина Л.И., Малинова ЕЛ. Низкоуглеродистые марганцовистые цементуемые стали // МиТОМ.-1985.-№3.-С.32-35.
15. Малинов Л.С. Цементуемые низкоуглеродистые стали с повышенным содержанием марганца // Металл и литье Украины.-2000.-1-2.-С.49-53.
16. Коршунов Л.Г., Макаров A.B., Черненко НЛ. Влияние остаточного аустенита на абразивную износостойкость высокоуглеродистых сталей // Тез. докл Всесоюзного совещания "Структура и свойства немагнитных сталей " 11-15 марта 1991 г.-Сведловск.-1991.-С.34.
Малинов Леонид Соломонович. Д-р техн. наук, проф. кафедры "Материаловедение", окончил Уральский политехнический институт им. С.М. Кирова в 1956 году. Основные направления научных исследований - разработка экономнолегированных высокопрочных и износостойких сплавов, а также способов обработки, основанных на использовании принципа получения в структуре наряду с другими составляющими метастабильного аустенита, регулирование его количества и стабильности применительно к конкретным условиям нагружения. Малышева Инна Ефимовна. Аспирантка кафедры "Материаловедение", окончила ПГТУ в 1997 году. Основное направление научных исследований - повышение абразивной и ударно-абразивной износостойкости сплавов за счет использования эффекта самозакалки при нагружении.
