CC BY
97
УДК 669.15'.74.-194-15.669.17
Д-р техн. наук Л. С. Малинов, канд. техн. наук Д. В. Бурова,
канд. техн. наук И. Е. Малышева
ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ СВОЙСТВ СТАЛИ 10Г2ФБ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПО НОВОМУ НАЗНАЧЕНИЮ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Приведены данные, показывающие целесообразность использования закалки стали 10Г2ФБ в воде, в том числе из межкритического интервала температур (МКИТ), в качестве заключительной обработки. Это позволяет в небольших сечениях (до 25 мм) получить механические свойства, соответствующие их уровню у среднеуглеродистых сталей после улучшения. При этом сокращаются энергозатраты на термообработку. Установлено, что изотермическая закалка стали 10Г2ФБможет быть альтернативным способом улучшения, которое иногда проводится для этой стали с целью получения хорошего сочетания механических свойств. Приведены данные, показывающие целесообразность использования стали 10Г2ФБ в качестве цементуемой, у которой после науглероживания, закалки и низкого отпуска существенно повышается абразивная износостойкость.
Ключевые слова: закалка, изотермическая закалка, межкритический интервал температур, мартенсит, бейнит, феррит, механические свойства, износостойкость.
Введение
В последние годы в связи с неритмичным приобретением применяемых для ремонта оборудования листовых среднеуглеродистых улучшаемых сталей начали использовать строительные низколегированные стали. Однако в состоянии поставки они не обеспечивают требуемую долговечность деталей машин из-за сравнительно невысоких прочностных свойств. Обычно у потребителя их не подвергают термообработке. В данной работе исследована возможность получения у строительной стали 10Г2ФБ уровня механических свойств, соответствующего среднеуглеродистым сталям после улучшения, при снижении энергозатрат на термообработку.
Обычно закалка доэвтектоидных сталей проводится с температур, несколько превышающих Ас3. В работах [1-3] изучено влияние режимов закалки стали 10Г2ФБ, в том числе изотермической, с температур 960-1000 °С на ее структуру и механические свойства. Обнаружены различные морфологические типы мартенсита и бейнита. При этом отмечено, что закалка в воде, существенно повышая прочностные свойства, не позволяет получить требуемый для строительной стали уровень пластичности. В связи с этим такая закалка в качестве заключительной термообработки применена быть не может. Следует подчеркнуть, что нагрев в аустенитную область температур требует значительных энергозатрат. Представляло интерес изучить возможность получения у стали 10Г2ФБ после закалки, в том числе из МКИТ, такого же уровня
механических свойств, как у среднеуглеродистых сталей после улучшения. Закалка из МКИТ используется в основном для низкоуглеродистых низколегированных сталей [4], применяемых для глубокой вытяжки или холодной высадки. Закалка из МКИТ доэвтектоид-ных сталей является энергосберегающей термообработкой, поскольку температура нагрева в МКИТ ниже, чем обычно принятая, превышающая Ас3 Кроме того, при закалке низкоуглеродистых низколегированных сталей используется вода, а не дорогое и неэкологическое масло, как правило, применяющееся при аналогичной термообработке многих среднеуглеродис-тых сталей. Между тем, публикации по данному вопросу применительно к низколегированным строительным сталям немногочисленны [5, 6], а для стали 10Г2ФБ вообще отсутствуют.
В работе также изучалось влияние изотермической закалки из МКИТ и аустенитной области на механические свойства стали 10Г2ФБ для выяснения возможности замены улучшения, применяемого для нее в ряде случаев.
Строительные стали, к которым относится сталь 10Г2ФБ, обычно не цементируются и не используются для деталей, подвергающихся абразивному воздействию. В работе изучалась возможность цементации этой стали и ее абразивная износостойкость после науглероживания, закалки и низкого отпуска для выяснения возможности ее применения по новому назначению.
© Л. С. Малино, Д. В. Бурова, И. Е. Малышева, 2017
Материалы и методика исследований
Объектом исследований служила строительная сталь, широко применяемая в промышленности. Она имеет следующий химический состав: 0,1 % С; 0,4 % Si; 1,6 % Mn; 0,09 % V; 0,04 % №>; 0,02 % Тц 0,02 Al; 0,01 % N 0,2 % Сг; 0,2 % №; 0,15 % Си; 0,015 % P; 0,005 % S. Ее критические точки таковы: Ас1= 720, Ас3= 865 °С. Сталь 10Г2ФБ поставляется потребителю после контролируемой прокатки. В соответствии с ТУ 14-3-1573-96 она должна иметь следующие механические свойства: ст 0 2 =440 МПа, ст В = 590 МПа, 5 = 20 %.
Нагрев стали под закалку проводился в МКИТ на следующие температуры: 760, 800, 840 °С (выдержка 60 мин) и в аустенитную область: на 920 °С, (выдержка 2 мин/мм). Охлаждение осуществлялось в воде. При изотермической закалке стали ее охлаждение до температуры изотермы проводилось не в расплаве неэкологичных солей и щелочей, как это обычно принято, а в воде, с выдержкой при заданной температуре в печи [7, 8]. Время пребывания образцов в воде при охлаждении до заданной температуры предварительно определялось на образцах свидетелях с зачеканенной в них термопарой. Такая термообработка названа изотермической закалкой по схеме «вода-печь».
В работе применялись дюрометрический, металлографический, методы исследования. Определялись механические свойства при растяжении (ГОСТ 1497-84) и ударная вязкость (ГОСТ 9454-78).
Анализ полученных результатов
С повышением температуры нагрева в МКИТ и особенно после перехода в аустенитную область, прочностные характеристики после закалки возрастают, а пластичность и ударная вязкость снижаются (табл. 1). Это объясняется увеличением количества аустенита в структуре 3.3 стали при нагреве до все более высоких температур и, соответственно, мартенсита после закалки, несмотря на уменьшающуюся в нем концентрацию углерода. Нагрев с небольшим превышением Ас1 (760 °С) приводит к получению у стали после закалки сравнительно невысоких значений прочностных свойств и повышенной пластичности (табл. 1) из-за большого количества феррита в структуре. Более низкий уровень ударной вязкости, после закалки с этой температуры, чем с других температур в МКИТ, обусло-вен тем, что аустенит перед закалкой, количество кото-
рого невелико и, соответственно, мартенсит после нее, имеет повышенное содержание углерода и образуется по границам зерен феррита. Это согласуется с результатами работ [9, 10].
Хорошее сочетание механических свойств исследованной стали получено после закалки из МКИТ с температуры 840 °С. При этом прочностные свойства несколько ниже, чем после закалки из аустенитной области (920 °С), но пластичность и ударная вязкость выше. Указанные различия обусловлены присутствием в структуре закаленной из МКИТ стали наряду с мартенситом, имеющим различное содержание углерода, небольшого количества феррита ( ~ 10 %). В низкоуглеродистом реечном мартенсите, преобладающем в структуре закаленной стали 10Г2ФБ [1, 2], дислокации не заблокированы атомами углерода и обладают высокой подвижностью. Такая структура обеспечивает повышенные прочностные свойства и достаточный уровень пластичности и ударной вязкости. В работе [2] установлено, что после закалки из аустенитной области в структуре стали 10Г2ФБ наряду с реечным мартенситом может образоваться мартенсит с микродвойниками (Т 5 %), содержащий ~ 0,5 % углерода. Тем более вероятно его присутствие после закалки из МКИТ. Не исключено образование остаточного аустенита по границам микродвойникованного мартенсита, который может повысить пластичность. Определенную роль в свойствах исследованной стали играет феррит. При его равномерном расположении в структуре в виде небольших участков он повышает пластичность и несколько снижает прочность по сравнению с их уровнем после закалки из аустенитной области.
В табл. 2 приведены механические свойства стали 10Г2ФБ после закалки из МКИТ с 800 и 840 °С и различных выдержек. Указанные температуры были выбраны, поскольку обеспечивали наиболее высокий уровень прочностных свойств. Увеличение времени пребывания стали 10Г2ФБ при температурах 800 и 840 °С несколько снижает прочностные свойства. При этом пластичность и ударная вязкость возрастают после выдержки 60 мин. Чем больше выдержка при одной и той же температуре в МКИТ, тем полнее протекают диффузионные процессы в аустените, приближающие его химический состав к равновесному состоянию [11]. Соответственно, снижается микронеоднородность распределения углерода в мартенсите после закалки. Важно подчеркнуть, что после всех выдержек в МКИТ при
Механические свойства
Температура ^ °С СТ 0,2, МПа ст В, МПа 5 , % у, % КОТ, МДж/м2
760 685 785 23 67 0,61
800 937 1059 12 55 1,2
840 1026 1140 11 53 1,0
920 1214 1287 9 47 0,6
Таблица 1 - Влияние температуры нагрева под закалку в МКИТ (выдержка 60 мин) и в аустенитную область (920 °С, выдержка 10 мин) на свойства стали 10Г2ФБ
800 и 840 °С, в том числе самой небольшой из выбранных 10 мин (1-2 мин/мм), обычно применяемой на практике, обеспечиваются механические свойства, соответствующие требованиям, предъявляемым к сред-неуглеродистым сталям, закаленным из аустенитной области и отпущенным на 550-650 °С (ст 0 2 = 750-950 МПа, ст В = 900-1100 МПа, 5 = 10-12 %, V = 45-55 %, КСи = 0,5-1,0 МДж/м2 [12].- Это следует отметить в связи с тем, что в справочной и учебной литературе вообще не рассматривается возможность существенного повышения прочностных свойств исследуемой стали проведением закалки из МКИТ для получения в них мартенситно-ферритной структуры.
Между тем, такая закалка позволяет использовать низколегированную строительную сталь по новому назначению, а именно вместо улучшаемых сталей для деталей небольшого сечения (до 25 мм). Эти результаты согласуются с данными работ [5, 6], полученными для других строительных сталей.
Преимущества закалки из МКИТ по сравнению с такой же обработкой после высокотемпературной аус-тенитизации (980-1000 °С), используемой в работах [13], с точки зрения энергосбережения не вызывают сомнений. Варьируя температурно-временной режим нагрева в МКИТ, можно управлять количественным соотношением структурных составляющих, их химическим составом, характером распределения в структуре после закалки. Это позволяет в зависимости от требований в нужном направлении изменять механические свойства исследованной стали. Закалка стали 10Г2ФБ из МКИТ в воде по сравнению с улучшением средне-углеродистых сталей является энергосберегающей обработкой, т. к. снижаются энергозатраты на нагрев.
Обычно изотермическая закалка проводится для получения структуры нижнего бейнита, обеспечивающего в конструкционных среднеуглеродистых, инструментальных сталях с повышенным содержанием углерода и в высокопрочных чугунах хорошее сочетание повышенного уровня прочностных свойств, пластичности и ударной вязкости. Для строительных сталей такая обработка на практике не применяется.
В работах [2, 3] построена диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита у стали 10Г2ФБ, установлен интервал бейнитного превраще-
ния (450-600 °С), приведены результаты исследований влияния изотермической закалки из аустенитной области на структуру и механические свойства этой стали. Показано, что после аустенитизации исследуемой стали при повышенных температурах (980-1000 °С), переохлаждения образцов до 500-550 °С и выдержки при этих температурах 20-60 мин, получены следующие
механические свойства: ст„„ = 650-670 МПа, ст = 7080,2 ' в
- 713 МПа, 5 = 19-21 %, V = 65-70 %. Они превышают уровень, соответствующий классу прочности Х70 (ст 0 2 = 500-600 МПа, ст в = 600-700 МПа, 5 = 19-20 %,
V > 70 %) [2, 3].
Данные о влиянии изотермической закалки из МКИТ при охлаждении в воде и изотермической выдержки в интервале 450-550 °С в печи (схема «вода-печь») на механические свойства стали 10Г2ФБ приведены в табл. 3
Из этих данных следует, что, чем выше температура нагрева в МКИТ в выбранном интервале, тем выше прочностные свойства и ниже пластичность. Это обусловлено увеличением количества аустенита при нагреве и, соответственно, бейнита после термообработки. При одном и том же режиме нагрева в МКИТ снижение температуры изотермической выдержки повышает прочностные и снижает пластические свойства, что объясняется увеличением содержания углерода в бей-ните. Рациональные режимы изотермической закалки с нагревом на 760 °С и выдержкой при 450 °С и на 780 °С и выдержкой при 500-550 °С позволяют достичь у стали 10Г2ФБ уровня механических свойств, соответствующего классу прочности Х70. Он может быть получен улучшением с предварительной закалкой из аустенит-ной области при больших энергетических затратах. Полученные данные подтверждают приведенные в работе [6] результаты для строительных сталей 09Г2С и ЕН36 о возможности получения изотермической закалкой из МКИТ по схеме «вода- печь» хорошего сочетания механических свойств. Следует отметить, что закалка из аус-тенитной области с изотермической выдержкой 60 мин при 500 °С позволяет получить наиболее высокие прочностные свойства (ст 02 704 МПа, ст в = 780 МПа), но сравнительно более низкие значения пластичности( 5 = 12%,
V =56 %).
Таблица 2 - Влияние выдержки при температурах нагрева в МКИТ 800 и 840 °С на механические свойства стали 10Г2ФБ после закалки
Сталь Температура нагрева 1, С Выдержка, т, мин Механические свойства
ст 0,2, МПа ст в, МПа 5 , % V , % КСИ, МДж/м2
10Г2ФБ 800 10 980 1099 11 53 1,0
30 960 1059 11 53 1,0
60 937 1040 12 55 1,2
90 916 1025 14 64 1,4
840 10 1076 1185 10 51 0,8
30 1031 1154 10 52 0,8
60 1026 1140 11 53 1,0
90 980 1090 12 54 1,0
Таблица 3 - Механические свойства стали 10Г2ФБ после изотермической закалки с различных температур из МКИТ (10 мин) и изотермической выдержки 60 мин
Температура выдержки, г, °С Температура изотермы г ОС Ыз' ^ Механические свойства
ст 0,2, МПа СТ в, МПа 5 , % у , %
760 450 560 671 20 71
500 488 652 21 72
550 459 616 22 73
780 450 590 693 18 70
500 553 667 19 70
550 512 622 20 70
800 450 674 743 16 66
500 664 728 17 68
550 589 644 18 68
Обычно строительные стали не цементируют. В работе цементацию стали 10Г2ФБ проводили в твердом карбюризаторе при 930 °С 8 ч. Концентрация углерода в поверхностном слое составляла 1,25 %, а глубина слоя ~ 1,20 мм. Закалка цементированных образцов проводилась с температур 900, 950, 1000 1100 °С, после чего осуществлялся отпуск при 200 °С 1 ч. Абразивная износостойкость определялась по схеме Бринелля-Хауорта [13]. Абразивом служил речной песок с размером частиц 0,8 мм. При определении относительной абразивной износостойкости эталоном служили образцы после закалки и низкого отпуска без цементации. Результаты исследований показывают, что с повышением температуры нагрева под закалку с 900 до 1100 °С и низкого отпуска твердость снижается с 59 до НЕС 48. Согласно данным рентгеновского анализа, это обусловлено увеличением в структуре количества остаточного аустенита (с 10 до 25 %) в результате растворения в аус-тените карбидов при нагреве до все более высокой температуры аустенитизации. Важно подчеркнуть, что относительная абразивная износостойкость после закалки с 1100 °С возрастает ~ в 3 раза. Это обусловлено превращением метастабильного остаточного аустени-та при абразивном изнашивании в мартенсит деформации и присутствием в структуре не растворившихся карбидов (V, №)С высокой твердости. Приведенные результаты показывают, что сталь 10Г2ФБ может быть использована в качестве цементуемой, обеспечивающей после закалки с повышенной температуры аусте-нитизации и низкого отпуска высокую абразивную износостойкость. Полученные данные согласуются с результатами других исследований по повышению абразивной износостойкости различных сталей за счет получения в их структуре метастабильного остаточного аустенита [14].
Выводы
1. Закалка в воде из аустенитной области и МКИТ позволяет получить у стали 10Г2ФБ в небольших сечениях механические свойства, соответствующие сред-неуглеродистым улучшаемым сталям. Это дает возмож-
ность использовать исследованную строительную сталь вместо них.
2. Изотермическая закалка из МКИТ по схеме «вода-печь» при рациональных режимах ее проведения обеспечивает у стали 10Г2ФБ уровень механических свойств, соответствующий классу прочности Х 70, получаемый в ней после улучшения, проводимого для нее в ряде случаев, что позволяет снизить энергозатраты на термообработку.
3. Цементация и последующая термообработка дают возможность существенно повысить абразивную износостойкость исследованной стали, особенно при получении в структуре наряду с отпущенным мартенситом и карбидами метастабильного остаточного аусте-нита, превращающегося в мартенсит деформации при абразивном воздействии.
4. После закалки или дополнительного низкого отпуска (в случае предварительной цементации), являющихся заключительной термообработкой, сталь 10Г2ФБ, может быть применена по новому назначению и обеспечить энергосбережение.
Список литературы
1. Морфология и тонкая структура продуктов распада аустенита при ускоренном охлаждении стали 10Г2ФБ / В. И. Большаков, Г. Д. Сухомлин, Д. В. Лаухин, В. И. Кук-сенко // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. науч. трудов. - Днепропетровск, ПГАС и А. -2003. - Вып. 22. - Ч. 1. - С 78-87.
2. Большаков В. И. Использование высокопрочных сталей бейнитного класса в строительных металлоконструкциях / В. И. Большаков // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. науч. трудов. - Днепропетровск : ПГАС и А. - 2002. Вып. 15. - Ч. 1. - С. 2737.
3. Бекетов О. В. Особливост процемв структуроутво-рення i розробка параметрiв змщнення сталi 10Г2ФБ / О. В. Бекетов. - автореф. дис. ... канд. техн. наук (05.02.01). - Днепропетровск. - 2004. - 20 с.
4. Голованенко С. А. Двухфазные низколегированные стали / С. А. Голованенко, Н. М. Фонштейн. М. : Металлургия, 1986. - 207 с.
5. Малинов Л. С. Повышение свойств строительных сталей нетрадиционной для них термообработкой /
Л. С. Малинов, А. С. Рубец // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2004. - № 2. - С. 79-81.
6. Малинов Л. С. Нетиповая термообработка сталей 09Г2С и ЕН36, в том числе с выдержкой в межкритическом интервале температур (МКИТ) / Л. С. Малшов, Д. В. Бурова // Вюник Приазовського держ. техн. ун-ту: зб. наук. праць. - Мартуполь : ДВНЗ «ПДТУ», 2013. - №2. -(27). - С. 73-82.
7. Пат. 87940 на винахщ. Украша МПК С21Б 1/78 (2006.01) Споаб термообробки сталi / Л. С. Малшов, В. Л. Малшов. - № а 200807554 ; заявл. 02.08.2009 ; опубл. 25.08.2009, Бюл. № 16.
8. Пат. 87468 на корисну модель. Украша МПК С21Б 1/ 78 (2006.01) Споаб термообробки низьковуглецевих низьколегованних сталей / Л. С. Малшов, Д. В. Бурова. № и 201309757 ; заявл. 05.08.2013 ; опубл. 10.02.2014, Бюл. № 3.
9. Дьяченко С. С. Особенности структур неполной перекристаллизации их влияние на свойства сталей / С. С. Дьяченко, О. П. Фоменко // Металловедение и термическая об-
работка металлов. - 1970. - № 1. - С. 9-11.
10. Маковецкий А. Н. Влияние термической обработки на хладостойкость стали для нефтяных трубопроводов / А. Н. Маковецкий, Д. А. Мирзаев // Физика металлов и металловедение. - 2010. - Т. 110. № 4. - С. 417-423.
11. Дьяченко С. С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах / С. С. Дьяченко. М. : Металлургия, 1982. - 127 с.
12. Гольдштейн М. И. Специальные стали / М. И. Гольдш-тейн, С. В. Грачев, Ю. Г. Векслер. - М. : МИСИС, 1999. - 408 с.
13. Тененбаум М. М. Износостойкость конструкционных материалов / М. М. Тененбаум. - М. : Машиностроение, 1966. -331 с.
14. Малинов Л. С. Ресурсосберегающие экономнолегиро-ванные сплавы и упрочняющие технологии, обеспечивающие эффект самозакалки / Л. С. Малинов, В. Л. Ма-линов. - Мариуполь : Рената, 2009. - 567 с.
Одержано 08.12.2017
Малшов Л.С., Бурова Д.В, Малишева 1.Е. Способи тдвищення властивостей СТАЛИ 10Г2ФБ, що забезпечують ii вживання за новим призначенням i енергозбереженням
Наведено daHi, що показують доцiльнiсть використання гарту стали 10Г2ФБ у eodi, у тому 4ucni з мiжкритичного iнтервалу температур (МК1Т) як завершально'1 обробки. Це дозволяе в невеликих перетинах (до 25 мм) набути механiчних властивостей, що вiдповiдають i'x рiвню в середньовуглецевих сталях тсля полiпшення. При цьому скорочуються енерговитрати на термообробку. Встановлено, що iзотермiчний гарт стали 10Г2ФБ може бути альтернативним способом полiпшення, яке iнколи проводиться для цiеi сталi з метою здобуття гарного поеднання механiчних властивостей. Наведенi данi, що показують доцiльнiсть використання сталi 10Г2ФБяк цементованоi, в я^i пся навуглецювання, гарту i низького вiдпуску iстотно пiдвищуеться абразивна зносостшюсть
Ключовi слова: загартування, iзотермiчне загартування, мiжкритичний iнтервал температур, мартенсит, бейнт, ферит. механiчнi властивостi, зносостшюсть
Malinov L., Burova D., Malysheva L A method for improving the properties of steel 10G2FB, providing its application for a new purpose and energy saving
Data showing the practicability of using quenching of 10G2FB steel in water, including from inter-critical temperature interval (ICTI), as a final treatment are presented. This makes it possible to obtain mechanical properties in small sections (up to 25 mm) corresponding to their level for mildly-carbon steels after improvement. At the same time, energy spending for heat treatment are reduced. It is established that isothermal quenching of 10G2FB steel can be an alternative improvement method, which is sometimes carried out for this steel in order to obtain a good combination of mechanical properties. Data are presented showing the practicability of using 10G2FB steel as cemented, which after carburization, quenching and low tempering significantly increases abrasive wear resistance.
Key words: quenching, isothermal quenching, inter-critical temperature interval, martensite, bainite, ferrite, mechanical properties, wear resistance.
