CC BY
161
УДК 669.14.018.8:669.017.3:621.78
Структурные превращения при термической обработке литейной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса
В. В. Цуканов, Л. К. Цыганко, С. Н. Петров, Г. А. Шандыба, А. И. Зиза
Исследовано влияние режимов термической обработки на механические свойства и соотношение структурных составляющих литейной коррозионно-стойкой стали 06Х15Н4ДМЛ мартенситного класса. В результате сравнения механических свойств и проведенных методом EBSD металлографических исследований установлено: оптимальной структурой стали, обеспечивающей высокие прочность, пластичность и вязкость, является отпущенный мелкодисперсный мартенсит с небольшим содержанием остаточного аустенита. Установлен оптимальный режим окончательной термической обработки для массивных отливок: закалка при 1040 °С и двукратный отпуск при 610 °С.
Ключевые слова: гребные винты, отливки лопастей, литейная коррозионно-стойкая сталь, мартенсит
ная сталь, остаточный аустенит, 5-феррит.
Введение
Проблема повышения эксплуатационной надежности литых деталей, связанная с возрастающими требованиями к характеристикам работоспособности изделий, решается путем совершенствования свойств материала.
Перспективным направлением для создания высоконагруженных гребных винтов больших диаметров является применение в качестве материала для их изготовления высокопрочной коррозионно-стойкой легированной стали [1].
В результате проведенного комплекса исследований по оценке характеристик материала в 1980-е годы была разработана и освоена в промышленности сталь 08Х15Н4ДМЛ для изготовления гребных винтов, отливок лопастей, ступиц, а также других литых деталей ответственного назначения [2].
Сталь 08Х15Н4ДМЛ имеет качественные преимущества по сравнению с применяемой ранее сталью аналогичного назначения 1Х14НДЛ (08Х14НДЛ). Обладая более высокими прочностными характеристиками (в среднем на 15-25 %) и в 2 раза более высокими значениями ударной вязкости, сталь имеет более низ-
кую чувствительность к концентраторам напряжений и более высокую сопротивляемость хрупким разрушениям по сравнению со сталью 1Х14НДЛ.
Обе стали не склонны к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию, по коррозионно-усталостной прочности сталь 08Х15Н4ДМЛ превосходит сталь 1Х14НДЛ [2].
В настоящее время для изготовления крупных отливок для гребных винтов лопастей и ступиц применяется сталь марки 06Х15Н4ДМЛ, в которой сочетаются высокие прочностные и пластические свойства (относительное удлинение > 19 %). Эта сталь по сравнению со сталью 08Х15Н4ДМЛ имеет более высокую прочность и технологичнее при производстве отливок.
Повышение прочности стали 06Х15Н4ДМЛ при высоких пластичности и вязкости достигалось за счет комплексного эффекта снижения содержания хрома и молибдена, а также введения модификатора для измельчения зерна литой структуры, что привело к уменьшению количества 5-феррита, увеличению мар-тенситной составляющей и снижению количества остаточного аустенита в структуре металла.
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
Таблица 1
Марочный состав сталей 08Х15Н4ДМЛ и 06Х15Н4ДМЛ
Марка стали Массовая доля химических элементов, % по массе
C Mn Si P S Cr Ni Cu Mo Zr по расчету
08Х15Н4ДМЛ < 0,08 1,0-1,5 < 0,40 < 0,015 < 0,015 14,0-16,0 3,5-3,9 1,0-1,4 0,3-0,45 -
06Х15Н4ДМЛ < 0,06 0,60-0,90 < 0,40 < 0,015 < 0,015 14,0-15,5 4,0-4,4 1,0-1,5 0,11-0,28 0,01-0,06
Таблица 2
Гарантированный уровень механических свойств стали
Марка стали Предел текучести s02, МПа Временное сопротивление разрыву ав, МПа Относительное удлинение 55, % Относительное сужение у, % Работа удара, KV-10 °С, Дж
8Х15Н4ДМЛ >600 >750 >17,0 >45,0 >40
06Х15Н4ДМЛ >620 >790 >19,0 >48,0 >40
Характеристики сталей марок 08Х15Н4ДМЛ и 06Х15Н4ДМЛ по химическому составу приведены в табл. 1, по механическим свойствам — в табл. 2.
Для обеспечения заданных свойств стали 06Х15Н4ДМЛ были проведены исследования, направленные на обоснование оптимальных режимов ее термической обработки.
Материалы и методика исследования
Термической обработке подвергались отливки, залитые металлом плавок, химический состав которых находился в пределах марочного состава стали 06Х15Н4ДМЛ (см. табл. 1).
Для проведения дилатометрических исследований в целях определения эффекта объемных изменений и установления критических точек фазовых превращений был использован высокоскоростной деформационный дилатометр Dil-805A/D.
Микроструктуру металла образцов, испытанных на ударный изгиб, исследовали на шлифах, протравленных в 4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте, с помощью светового микроскопа Axio Observer A1m.
Построение фазовых карт, исследование распределения остаточного аустенита и 5-феррита осуществляли с помощью двулучевого электронно-ионного растрового микроскопа Quanta 200 3D FEG методом дифракции отраженных электронов (EBSD).
Механические свойства металла оценивали на образцах, изготовленных из прилив-
ных проб, в соответствии с ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 9454-78.
Фрактографический анализ изломов ударных образцов проводили с помощью электронно-растрового микроскопа SEM-535 фирмы Philips.
Обоснование параметров термической обработки для отливок из стали 06Х15Н4ДМЛ
В период лабораторных исследований литых проб из стали 06Х15Н4ДМЛ, выполненных в ФГУП «ЦНИИ КМ „Прометей"», дилатометрическим методом были определены температуры фазовых превращений при нагреве и охлаждении и проведен рентгеноструктурный фазовый анализ содержания в структуре остаточного аустенита после различных режимов термообработки.
Наличие остаточного аустенита в стали после закалки может оказывать отрицательное влияние на свойства стали. С понижением температуры нагрева под закалку уменьшаются легированность аустенита карбидообразующи-ми элементами (в основном хрома) и его устойчивость к превращению при охлаждении, в результате чего и образуются преимущественно бейнитные структуры [4].
С повышением температуры закалки в твердый раствор аустенита переходит большее количество углерода и хрома. С учетом большей гомогенизации при повышении температуры закалки возможно также и снижение количе-
ства остаточного аустенита в закаленном состоянии [5].
В процессе отпуска при последующем охлаждении происходит охрупчивание металла, которое связано с образованием вторичного мартенсита в результате превращения остаточного аустенита, поэтому целесообразно проводить второй отпуск вторичного мартенсита, что способствует повышению вязкости металла в связи с образованием более дисперсной структуры [4, 6, 7].
Литой металл после двойной термообработки с нагревом выше критической точки претерпевает фазовые превращения, и образуется больше центров зарождения аустенитных зерен, чем было при остывании отливки в форме. В процессе перекристаллизации происходит измельчение зерна [8].
На основании указанных литературных данных и результатов лабораторного исследования характеристик стали был выбран режим термообработки отливок, обеспечивающий наилучшее сочетание механических свойств, высоких значений прочности, пластичности и вязкости, который состоял из двух операций закалки и последующих двух режимов отпуска.
Оценка свойств и структуры стали в зависимости от операций термической обработки отливок
Результаты исследования механических свойств и структуры стали были получены на основании проведенных работ по выбору режима термической обработки для отливок из стали 06Х15Н4ДМЛ массой 2300-7300 кг.
Механические свойства металла плавки, термически обработанной по выбранному режиму, состоящему из двух операций закалки при разных температурах и двух режимов отпуска (режим I, см. табл. 3), обеспечили установленный уровень свойств по всем характеристикам.
Из-за необходимости проведения предварительной термообработки для массивных отливок и последующей окончательной термообработки процесс является длительным по термическому воздействию на металл и трудоемким в проведении.
В дальнейшей работе определялась возможность сокращения выбранного режима окончательной термообработки при условии обеспечения требуемых механических свойств.
Таблица 3.
Механические свойства стали 06Х15Н4ДМЛ
Номер марочного состава Номер режима термообработки Режим термической обработки ав, МПа ст02, МПа 85, % т, % КУ-10 °С, Дж
1 I 1. Закалка 1030-1040 °С — 7 ч 2. Закалка 810-830 °С — 6 ч 1. Отпуск 610-620 °С — 12 ч 2. Отпуск 610-620 °С — 12 ч 850 850 730 730 20,0 19,0 52,0 51,0 72,0 78,6 71,4
2 II 1. Закалка 1040 °С — 7 ч 1. Отпуск 620 °С — 14 ч 2. Отпуск 620 °С — 20 ч 802 795 515 528 17,9 19,4 49,3 53,3 96,0 87,0 79,0
III Повторная термообработка 1. Закалка 820 °С — 6 ч 1. Отпуск 605 °С — 10 ч 2. Отпуск 610 °С — 10 ч 820 830 690 690 17,5 16,5 53,0 47,0 39,0 24,6 24,6
IV Дополнительный отпуск 610-615 °С — 7 ч 800 800 630 630 26,0 26,0 64,0 67,0 54,6 51,0 58,2
3-6 У-УШ 1. Закалка 1030-1040 °С — 6 ч 1. Отпуск 610 °С — 12 ч 2. Отпуск 610-620 °С — 12 ч 817-858 831 620-689 652 19,7-21,5 20,7 54,0-63,0 59,1 91,8-122,0 106,8
На деталях нескольких плавок был опробован режим, состоящий из одной высокотемпературной закалки и двух режимов отпуска (режим II, см. табл. 3).
Превышение длительности выдержки деталей в процессе отпуска привело к снижению предела текучести металла (режим II, см. табл. 3).
Для достижения требуемой прочности стали была проведена повторная термообработка (режим III).
При закалке, проведенной с более низкой температуры, образовалась в основном менее дисперсная структура бейнитного типа. В результате после двух отпусков была получена более низкая работа удара (режим III) по сравнению с металлом, претерпевшим закалку с более высокой температуры (режим II).
Проведение дополнительного отпуска (режим IV) отливок позволило повысить до тре-
буемого уровня пластичность и вязкость металла, но значения этих характеристик были ниже, чем у металла, подвергавшегося закалке с более высокой температуры.
Отливки, термически обработанные по режиму с высокой температурой закалки и оптимальным временем выдержки при каждом из двух отпусков (режимы V, VI, VII, VIII), обеспечили требуемые механические свойства.
Металлографическое исследование металла образов
Исследованию подвергались два образца: один — после закалки с температуры 1030 °С и двойного отпуска при температуре 620 °С, второй — после повторной закалки при 820 °С и последующего двойного отпуска (режимы II и III, см. табл. 3).
а)
в)
б)
х 100
г)
х 1000
Рис. 1. Фрактограммы поверхности образца, испытанного на ударный изгиб при температуре -10 °С: а, б — после термообработки с закалкой 1030 °С; в, г — после термообработки с закалкой 820 °С
Фрактограммы изломов образцов из стали 06Х15Н4ДМЛ, испытанных на ударный изгиб при температуре -10 °С, приведены на рис. 1.
Поверхность разрушения образца, закаленного при более высокой температуре, имеет вязкий излом с ямочным рельефом и отдельными фасетками хрупкого разрушения (рис. 1, а, б).
Излом образца, закаленного при более низкой температуре и имеющего пониженные значения пластичности и вязкости, более хрупкий (рис. 1, в, г), интеркристаллитный, с фасетками межзеренного разрушения.
В микроструктуре исследуемых на оптическом микроскопе образцов присутствует 5-феррит, отличие металла состоит в основной структурной составляющей (матрице). На рис. 2, а, б приведена микроструктура стали после термообработки по режиму I: две закалки и два отпуска.
Металл, закаленный с высокой температуры, имеет мартенситную основу (рис. 2, в), после низкотемпературной закалки — структуру бейнитного типа (рис. 2, г). Остаточный аустенит — очень мелкодисперсная фаза, максимальное увеличение оптического микроскопа не позволило рассмотреть присутствие
аустенита в микроструктуре. Его содержание в структуре было определено по результатам электронной микроскопии.
Идентификация фазового состава структурных составляющих была проведена методом дифракции обратноотраженных электронов (ЕВЯБ). Этот метод позволяет идентифицировать и одновременно исследовать связь между распределением фаз, их объемной долей и кристаллографической ориентацией [9].
Структура металла образца после высокотемпературной закалки (рис. 3, а) представляет собой мартенсит с мелкими частицами остаточного аустенита, располагающимися между рейками мартенсита, а также на границах мартенситных пакетов, с крупными вкраплениями 5-феррита в матричной основе. Морфология и тип кристаллической решетки этих вкраплений позволили идентифицировать фазу как 5-феррит (рис. 3, б).
Структура основной матрицы металла образца, закаленного с более низкой температуры, является бейнитной, а также наблюдается значительное количество частиц остаточного аустенита (рис. 4, а и б).
х100 х100
Рис. 2. Микроструктура стали 06Х15Н4ДМЛ исследуемых плавок после термообработки по режимам: а, б — I; в — II; г — III
Рис. 3. а — структура металла образцов, термообработанных при высокой температуре (закалка 1030 °С); б — включения остаточного аустенита в структуре матрицы, х 2500
а)
б)
Остаточный аустенит
5-феррит
Рис. 4. а — структура металла образцов, термообработанных при более низкой температуре (закалка 820 °С); б — включения остаточного аустенита в структуре матрицы, х 5000
При определении методом ЕВЯБ наличия и расположения в структуре остаточного аустенита было установлено незначительное содержание этой фазы в случае термообработки металла с высокой температурой закалки и последующих двух отпусков (рис. 3).
Проведенный рентгеноструктурный фазовый анализ микроструктуры исследуемых образцов показал, что дифракционные линии остаточного аустенита имеют в 2 раза более высокую интенсивность в образце, термообрабо-танном с повторной закалкой при температуре 820 °С, по сравнению с образцом, закаленным с температуры 1030 °С.
Заключение
Проведенные методом ЕБЯБ металлографические исследования стали 06Х15Н4ДМЛ, тер-мообработанной по выбранным режимам, по-
зволили определить наличие и расположение остаточного аустенита в структуре, а также оценить его количество. По результатам сравнения механических свойств установлено, что наиболее оптимальной структурой матрицы стали является отпущенный мелкодисперсный мартенсит с низким содержанием остаточного аустенита. Содержание остаточного аустенита в структуре можно выявить только на электронно-микроскопическом уровне.
На основе анализа взаимосвязи термической обработки, механических свойств и структуры стали 06Х15Н4ДМЛ был установлен оптимальный режим окончательной термической обработки для массивных отливок, состоящий из высокотемпературной закалки (1040 °С) и двукратного отпуска (610 °С), при котором образуется мелкодисперсная структура отпущенного мартенсита, обеспечивающая в материале высокие прочность, пластичность и вязкость, требуемые для эксплуатационной надежности деталей.
Литература
1. Балуев А. И., Попилова Л. Л., Чашников Д. И.
Материалы судовых гребных винтов. Л.: Судостроение, 1974. С. 58.
2. Чашников Д. И., Володин В. И. Высокопрочные коррозионно-стойкие стали для гребных винтов / / Технология судостроения. 1985. № 4. С. 68-72.
3. Материалы для судостроения и морской техники: справ. в 2 т. / Под общ. ред. И. В. Горынина. СПб.: Профессионал, 2009. С. 391-400.
4. Цуканов В. В. Современные стали и технологии в энергомашиностроении. СПб.: Профессионал, 2014. С. 300.
5. Гудремон Э. Специальные стали. Т. I, II. М.: Металлургия,1966. С. 1617.
6. Калетин А. Ю. Влияние остаточного аустенита на структуру и свойства конструкционных сталей после высокого отпуска: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Челябинск, 1985. С. 19.
7. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля: пер. с англ. / Под ред. Е. Л. Баженова, Д. Брандон, У. Каплан. М.: Техносфера, 2006. С. 375.
8. Нехендзи Ю. А. Стальное литье. М.: Металлург-издат, 1948. С. 766.
9. Метод дифракции отраженных электронов в материаловедении / Под ред. А. Шварца, М. Кумара, Б. Адамса, Д. Филда; пер. с англ. С. А. Иванова. М.: Техносфера, 2014. С. 560.
АО «Издательство „Политехника"» предлагает:
Свешников В. К. Станочные гидроприводы: справ. — 6-е изд., пере-раб. и доп. — СПб.: Политехника, 2015. — 627 с.: ил. ISBN 978-5-7325-1057-7 Цена: 550 руб.
Книга продается только в электронном виде!
Рассматривается информация, необходимая для проектирования и эксплуатации гидрооборудования. Приведены конструкции, параметры и размеры гидрооборудования главным образом стационарных машин, в том числе насосов, объемных гидродвигателей, гидроаппаратов, фильтров, аккумуляторов, теплообменников, приборов и сопутствующих элементов. Излагаются основы проектирования и расчета гидросистем, их монтажа и эксплуатации, тенденции развития гидрооборудования мировых лидеров, а также основополагающие отечественные стандарты и стандарты ИСО; приведены характеристики минеральных масел, размеры специальных резьб, путеводитель по интернету.
В 6-м издании (5-е изд. 2008 г.) существенно расширены сведения об импортной гидравлике, в том числе об инновационных изделиях, отсутствующих в отечественной номенклатуре. По каждому из компонентов приведены полные технические данные аналогов, выпускаемых зарубежными фирмами, признанными на российском рынке, включая основные параметры, габаритные и присоединительные размеры, расшифровки кодовых обозначений и особенности эксплуатации. Подробно описаны современные насосы и гидродвигатели, аппаратура ввертного монтажа, аппараты связи с электронными системами управления, приборы и др. Особое внимание уделено проблеме энергосбережения. В справочнике отражен современный мировой уровень развития промышленных гидроприводов.
Для инженеров-конструкторов, специалистов в области гидроприводов и обслуживающего персонала гидрооборудования стационарных машин и станков, преподавателей и студентов втузов.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 312-57-68, тел./факсу: (812) 312-44-95, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru
