CC BY
13
УДК 669.14+621.785 DOI: 10.30977ZBUL.2219-5548.2020.88.L58
ВЛИЯНИЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МИКРОСТРУКТУРУ ЗАКАЛЁННОЙ НА АУСТЕНИТ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
Калинин Ю.А. Петришинец И.2, Ефременко В.Г.3, Капустян А.Е.4, Брыков М.Н.4
1 ПАТ «Запорожтрансформатор», Институт материаловедения Словацкой академии наук, 3 ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», 4 Национальный университет «Запорожская политехника»
Аннотация. Образцы высокоуглеродистой низколегированной стали 120Г3С2 (1,21 % С; 2,56 % Мп; 1,59 % Si масс.) закалены от 900 оС и выдержаны при 250 оС от 1 до 12 часов. Микроструктура материала после указанной обработки состоит из аустенита, отпущенного мартенсита, карбидов и бейнита различной морфологии. Количество бейнита значительно увеличивается при продлении времени изотермической выдержки
Ключевые слова: высокоуглеродистая низколегированная сталь, закалка, изотермическая выдержка, микроструктура, бейнит, аустенит, отпущенный мартенсит.
Введение
Изотермическая обработка сплавов различных систем легирования широко используется для улучшения их свойств. В качестве примеров можно привести отпуск сталей после закалки, старение сталей, дуралюминов и других сплавов, обработку закалённых сталей на бейнит.
В настоящей работе исследовано влияние изотермической обработки на микроструктуру закалённой высокоуглеродистой низколегированной стали - нового материала, обладающего высокой износостойкостью в условиях абразивного изнашивания. Отличительной особенностью работы является малое время изотермической выдержки для данного материала.
Анализ публикаций
Изотермическая обработка аустенита при температурах бейнитного превращения длительное время привлекает внимание исследователей [1-5]. Затраты на изотермическую выдержку компенсируются значительным повышением комплекса свойств материала после обработки [6-9]. По мере увеличения содержания углерода в аустените температура начала бейнитного превращения Bs снижается [10], что приводит к необходимости снижать температуру изотермической выдержки. Снижение температуры в свою очередь значительно увеличивает время, необходимое для завершения превращения, поэтому изотермическая обработка высокоуглеродистого аустенита требует точного определения оптимальной температуры процесса.
Ускорение бейнитного превращения возможно за счет небольшого количества мартенсита [11-14], что обеспечивается закалкой до температуры на 10-20 оС ниже температуры начала мартенситного превращения. Этот приём оказывается особенно эффективным для ускорения бейнитного превращения аустенита с высоким содержанием углерода (1,2 %). В работах [15-17] исследована кинетика бейнитного превращения аустенита сталей 120Г3 и 120Г3С2.
Показано, что за счет небольшого количества мартенсита можно добиться снижения времени до завершения превращения с 50 до 1 суток при температуре выдержки 250 оС. Это даёт возможность практического использования изотермического бейнитного превращения для улучшения свойств высокоуглеродистых низколегированных сталей.
Ценность вышеупомянутых материалов связана с возможностью получать нестабильный аустенит после закалки от 900-1000 оС. При пластической деформации нестабильного аустенита происходит его превращение в мартенсит деформации, что увеличивает твёрдость материала до уровня 1200 НУ [18-21]. При абразивном изнашивании пластическая деформация (царапание), последующее фазовое превращение и повышение твёрдости происходят в тонком поверхностном слое материала, что значительно увеличивает износостойкость. Появляется возможность использовать защитные износостойкие накладки на изделия в местах, наиболее подверженных абразивному изнашиванию.
В работе [22] предложен способ сварки закалённых высокоуглеродистых низколегированных сталей, в частности стали 120Г3С2. Суть способа - ускоренное охлаждение свариваемых элементов, что обеспечивает в зоне термического влияния (ЗТВ) закалку, аналогичную закалке основного материала. Структура ЗТВ после сварки с ускоренным охлаждением - аустенит, карбиды и мартенсит. В связи с этим логично предположить, что изотермическая обработка изделия при температуре около 250 оС после сварки с ускоренным охлаждением позволит получить в ЗТВ структуру бейнита с сопутствующим улучшением механических свойств. Одновременно бейнитное превращение произойдёт и в основном материале, что также положительно отразится на его эксплуатационных характеристиках. Поскольку с практической точки зрения даже выдержка в течение одних суток может оказаться неприемлемо длительной операцией, следует уменьшить время изотермической выдержки настолько, насколько возможно. Для этого необходимо исследовать структурообразова-ние материала ЗТВ стали 120Г3С2 после закалки с ускоренным охлаждением на ранних стадиях изотермической выдержки. Поскольку структура закалённой стали 120Г3С2 после сварки с ускоренным охлаждением идентична для ЗТВ и остальных участков детали, исследования проведены не на сварных соединениях, а на обычных образцах стали 120Г3С2.
Цель и постановка задачи
Цель работы - исследование изменения микроструктуры стали 120Г3С2 после закалки от 900 оС на ранних стадиях изотермической выдержки при 250 оС. Задачи: определить характерные особенности микроструктуры закалённой стали 120Г3С2 после изотермических выдержек в течение различного времени. По результатам исследований рекомендовать достаточное время изотермической обработки.
Методы и результаты исследования
Эксперименты проведены на образцах, вырезанных из полосы стали 120Г3С2 промышленного изготовления толщиной 5 мм [23]. Химический состав стали, масс. %: С - 1,21; Мп - 2,56; Si - 1,59; остальное - примеси в допустимых пределах. Нагрев под закалку и изотермическую выдержку проводили в печи сопротивления в воздушной атмосфере. Полоса стали размерами 300 х 60 х 5 мм закалена от 900 оС в воду комнатной температуры. Выдержка при температуре нагрева под закалку
30 мин. После закалки из полосы вырезаны образцы размерами 25 х 10 х 5 мм. Образцы подвергнуты изотермической выдержке при 250 оС в течение 1, 2, 3, 6 и 12 ч. Микроструктуру образцов исследовали со стороны поперечного сечения полосы приблизительно в центре, что позволило исследовать необезугле-роженный материал. Исследования микроструктуры проведены с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM-7000F. Для измерения твёрдости использован компьютеризированный твердомер Wilson® Hardness, нагрузка на индентор 500 г. Твёрдость определяли как среднее из 30 измерений.
Для стали указанного состава температура 900 оС соответствует двухфазной области между Ai и Ad, Об этом свидетельствуют не-растворившиеся при нагреве карбиды (рис. 1).
UMVSAV SEI 10.0kV Х1ДЮ 10fmi WD 10.1mm
а
б о
Рис. 1. Микроструктура после закалки от 900 оС; а - х1000, б - х5000; М - мартенсит, А -аустенит, К - карбиды
После изотермической выдержки 1 ч (рис. 2) в структуре наяду с отпущенным мартенситом 1, аустенитом 2 и карбидами 3
наблюдается некоторое количество бейнитного феррита 4 характерной морфологии.
в
Рис. 2. Микроструктура после изотермической выдержки 1 ч; а - х1000, б - х8500, в -20000; 1 - отпущенный мартенсит, 2 -аустенит, 3 - карбид, 4 - бейнитный феррит
Таким образом, установлено, что бейнитное превращение начинается не позже, чем через 1 ч изотермической выдержки. При увеличе-
нии времени выдержки до 2 ч (рис. 3) количество бейнитного феррита в структуре увеличивается.
в
Рис. 3. Микроструктура после изотермической выдержки 2 ч; а - х1000, б - х4000, в -20000; 1 - отпущенный мартенсит, 2 - множественные пластины бейнитного феррита вблизи мартенсита, 3 - единичные пластины бейнитного феррита на значительном расстоянии от мартенсита
Необходимо отметить преимущественное выделение бейнитного феррита вблизи отпущенного мартенсита 1 (рис. 3, б).
В области 2 бейнитный феррит наблюдается в относительно большом количестве, в области 3 присутствуют лишь единичные пластины. Это наглядно иллюстрирует роль мартенсита как катализатора бейнитного превращения.
В структуре материала после выдержки 3 ч (рис. 4) появляется качественно новый объект: отпущенный мартенсит 1 с нехарактерно изогнутыми границами 2 и прилегающими участками некоторой пластинчатой структуры 3. Структура 3 настолько дисперсна, что отчетливо разрешается только при увеличениях более х10000 (рис. 4, в). Межпластинчатое расстояние - менее 100 нм. Данная наноструктура предположительно может быть идентифицирована как columnar bainite [10].
Дальнейшее увеличение времени изотермической выдержки приводит к увеличению количества пластин бейнитного феррита и увеличению площади наноструктурного columnar bainite (рис. 5, 6). Границы наноструктурного бейнита в некоторых случаях специфически изогнуты (см. рис. 5, б, в), что позволяет визуально отличить его от отпущенного мартенсита.
Зависимость твёрдости закалённой стали 120Г3С2 от времени изотермической выдержки (рис. 7) свидетельствует о том, что на ранних стадиях выдержки (до 1 ч) твёрдость материала снижается, несмотря на очевидное начало бейнитного превращения. Вероятнее всего, снижение твёрдости связано с отпуском мартенсита.
Увеличение времени выдержки ожидаемо приводит к увеличению твёрдости, связанному с бейнитным превращением.
По данным работ [16, 17] дальнейшее увеличение времени выдержки также приведёт к увеличению твёрдости. Завершение бейнитно-го превращения в данном случае происходит через 1-2 суток.
Тем не менее, выдержка до 6-7 ч (не более 1 рабочей смены) может быть вполне достаточной для улучшения механических свойств и обеспечения эксплуатационной надёжности как основного материала, так и сварных соединений из закалённой стали 120Г3С2.
Дальнейшая работа может быть направлена на исследование влияния изотермической выдержки на свойства сварных соединений закалённых высокоуглеродистых низколегированных сталей. Также значительный науч-
ный интерес представляют исследования наноструктурированного бейнита и потенциальных возможностей его практического применения.
UMV SAV SEI 10.0kV Х8,500 1fmi WD 10.0mm
б
в
Рис. 4. Микроструктура после изотермической выдержки 3 ч; а - х1000, б - х8500, в -35000
Рис. 5. Микроструктура после изотермической выдержки 6 ч; а - х1000, б - х8500, в -х35000; 1 - граница наноструктурного бей-нита
Рис. 6. Микроструктура после изотермической выдержки 12 ч; а - х1000, б - х3000, в -х8000
Рис. 7. Изменение твёрдости стали 120Г3С2 после закалки от 900 оС и изотермических выдержек при 250 оС в исследованном временном диапазоне
Выводы
По результатам исследования влияния изотермической обработки закалённой на аусте-нит высокоуглеродистой низколегированной стали могут быть сформулированы следующие выводы.
1. Бейнитное превращение начинается менее чем через 1 ч после начала изотермической выдержки. Через 1 ч в структуре наблюдаются множественные выделения бейнитного феррита игольчатой морфологии, расположенные вблизи отпущенного мартенсита.
2. Наряду с бейнитным ферритом игольчатой морфологии при изотермической выдержке формируются участки гораздо более дисперсного бейнита с межпластинчатым расстоянием значительно менее 100 нм.
3. Твёрдость материала изменяется по кривой с минимумом, соответствующем выдержке 1 ч. При этом процессы отпуска мартенсита уже завершены, а начавшееся бейнитное превращение входит в стадию ускоренного развития.
4. Поскольку структура закалённой на аустенит стали 120Г3С2 очень существенно изменяется в исследованном временном диапазоне, дальнейшая работа может быть направлена на изучение изменения механических свойств материала и качества сварного соединения после изотермической выдержки до 6-7 ч.
Литература
1. Hultgren A. A. Metallographic Study on Tungsten Steels // John Wiley. - NewYork, 1920. - 186 p.
2. Robertson J.M. The microstructure of rapidly cooled steel // Journal of the Iron and Steel Institute. - 1929. - V. 119. - P. 391-419.
3. Davenport E.S., Bain E.C. Transformation of Austenite at Constant Subcritical Temperatures // Trans. AIME. - 1930. - V. 90. - P. 117-154.
4. Bhadeshia, H.A Personal Commentary on «Transformation of Austenite at Constant Sub-critical Temperatures» // Metallurgical and Materials Transactions B. - 2010. - V. 41. - P. 701740. DOI: 10.1007/ s11663-010-9371-7.
5. Hillert M. Discussion of «A Personal Commentary on Transformation of Austenite at Constant Subcritical Temperatures» // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2011. - V. 42. -P. 541-542. DOI: 10.1007 / s11661-010-0586-7.
6. Barbacki A. The role of bainite in shaping mechanical properties of steels // Journal of Materials Processing Technology. - 1995. - V. 53. -P. 57-63. DOI: 10.1016/0924-0136(95)01961-D.
7. Caballero F.G. Bhadeshia H.K.D.H. Very strong bainite // Current Opinion in Solid State and Materials Science. - 2004. - V. 8. - P. 251-257. DOI: 10.1016 / j.cossms. 2004.09.005.
8. Morales-Rivas L., Yen H.-W., Huang B.-M., Kuntz M., Caballero F. G., Yang J.-R., Garcia-Mateo C. Tensile response of two nano-scale bainite composite-like structures // JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society. - 2015. - V. 67. - P. 2223-2235. DOI: 10.1007/s11837-015-1562-x.
9. Zhao J., Zhao X., Dong C., Zhao X., Kang S. Effect of bainitic transformation combined with hot forming on the microstructure and mechanical properties of bainite-martensite multiphase steel // Materials Science and Engineering: A. - 2018. -V. 731. - P. 102-106. DOI: 10.1016/j.msea. 2018.05.111.
10. Bhadeshia H.K.D.H. Bainite in Steels: Theory and Practice, Third Edition. - CRC Press, Boca Raton, 2015. - 616 p.
11. Jellinghaus W. Anregung der ZwischenstufenUmwandlung des Stahles durch kleine Mengen von a-Eisen // Arch. Eisenhutt. - 1952. - V. 23. -P. 459-470. DOI: 10.1002/srin.195200972.
12. Toji Y., Matsuda H., Raabe D. Effect of Si on the acceleration of bainite transformation by preexisting martensite // Acta Materialia. - 2016. -V. 116. - P. 250-262. DOI: 10.1016/j.actamat. 2016.06.044.
13. Gong W., Tomota Y., Harjo S., Su Y.H., Aizawa K. Effect of prior martensite on bainite transformation in nanobainite steel // Acta Materialia. -2015. - V. 85. - P. 243-249. DOI: 10.1016/j. ac-tamat. 2014.11.029.
14. Zhou P., Guo H., Zhao A., Yin Z., Wang J. Effect of pre-existing martensite on bainitic transformation in low-temperature bainite steel // Materials Science Forum. - 2017. - V. 898. -P. 803-809. DOI: 10.4028 / www.scientific.net / MSF.898.803.
15. Коваль А.Д., Брыков М.Н., Капустян А.Е., Тимофеенко Д.Н. Исследование кинетики образования нижнего бейнита в структуре высокоуглеродистой низколегированной стали // Новi матерiали i технолопУ в мета-лурпУ та машинобудуванш. - 2011. - № 1. -С. 17-21.
16. Hesse O., Liefeith J., Kunert M., Kapustyan A., Brykov M., Efremenko V. Bainit in Stählen mit hohem Widerstand gegen Abrasivverschleiß // Tribologie + Schmierungstechnik. - V. 63. -2016. - № 2. - S. 5-13.
17. Брыков М.Н., Прокопченко А.А., Ефремен-ко В.Г. Влияние режимов закалки и изотермической обработки на структуру и износостойкость высокоуглеродистой низколегированной стали // Проблеми трибологп (Problems of Tri-bology). - 2016. - № 3. - С. 44-51.
18. Брыков Н.Н. Исследование влияний структуры на сопротивляемость сплавов абразивному изнашиванию: дис. ... кандидата техн. наук: 05.02.01. - Запорожье, 1966. - 144 с.
19. Попов В.С., Брыков Н.Н., Дмитриченко Н.С. Износостойкость пресс-форм огнеупорного производства. - Москва: Металлургия, 1971. -160 с.
20. Долговечность оборудования огнеупорного производства / В.С. Попов и др. - Москва: Металлургия, 1978. - 232 с.
21. Hesse O., Merker J., Brykov M., Efremenko V. Zur Festigkeit niedriglegierter Stähle mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt gegen abrasiven Verschleiß // Tribologie + Schmierungstechnik. -2013. - № 6. - S. 37-43.
22. Калинин Ю.А., Шумилов А.А., Петриши-нец И., Ефременко В.Г., Брыков М.Н. Структура околошовной зоны закалённой высокоуглеродистой стали после сварки с ускоренным охлаждением // Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудуваннг -2019. - №1. - С. 31-36.
23. Two-body abrasion resistance of high-carbon high-silicon steel: metastable austenite vs nano-structured bainite / V.G. Efremenko, O. Hesse, T. Friedrich, M. Kunert, M.N. Brykov, K. Shimizu, V.I. Zurnadzhy, P. Suchmann // Wear. - 2019. -V. 418-419. - P. 24-35. DOI: 10.1016 /j.wear. 2018.11.003.
References
1. Hultgren A. A. Metallographic Study on Tungsten Steels // John Wiley. - NewYork, 1920. -186 p.
2. Robertson J.M. The microstructure of rapidly cooled steel // Journal of the Iron and Steel Institute. - 1929. - V. 119. - P. 391-419.
3. Davenport E.S., Bain E.C. Transformation of Austenite at Constant Subcritical Temperatures // Trans. AIME. - 1930. - V. 90. - P. 117-154.
4. Bhadeshia, H.A Personal Commentary on «Transformation of Austenite at Constant Sub-critical Temperatures» // Metallurgical and Materials Transactions B. - 2010. - V. 41. - P. 701740. DOI: 10.1007/ s11663-010-9371-7.
5. Hillert M. Discussion of «A Personal Commentary on Transformation of Austenite at Constant Subcritical Temperatures» // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2011. - V. 42. -P. 541-542. DOI: 10.1007 / s11661-010-0586-7.
6. Barbacki A. The role of bainite in shaping mechanical properties of steels // Journal of Materials Processing Technology. - 1995. - V. 53. -P. 57-63. DOI: 10.1016/0924-0136(95)01961-D.
7. Caballero F.G. Bhadeshia H.K.D.H. Very strong bainite // Current Opinion in Solid State and Materials Science. - 2004. - V. 8. - P. 251-257. DOI: 10.1016 / j.cossms. 2004.09.005.
8. Morales-Rivas L., Yen H.-W., Huang B.-M., Kuntz M., Caballero F. G., Yang J.-R., Garcia-Mateo C. Tensile response of two nano-scale bainite composite-like structures // JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society. - 2015. - V. 67. - P. 2223-2235. DOI: 10.1007/s11837-015-1562-x.
9. Zhao J., Zhao X., Dong C., Zhao X., Kang S. Effect of bainitic transformation combined with hot forming on the microstructure and mechanical properties of bainite-martensite multiphase steel // Materials Science and Engineering: A. - 2018. -V. 731. - P. 102-106. DOI: 10.1016/j.msea. 2018.05.111.
10. Bhadeshia H.K.D.H. Bainite in Steels: Theory and Practice, Third Edition. - CRC Press, Boca Raton, 2015. - 616 p.
11. Jellinghaus W. Anregung der ZwischenstufenUmwandlung des Stahles durch kleine Mengen von a-Eisen // Arch. Eisenhütt. - 1952. - V. 23. -P. 459-470. DOI: 10.1002/srin.195200972.
12. Toji Y., Matsuda H., Raabe D. Effect of Si on the acceleration of bainite transformation by preexisting martensite // Acta Materialia. - 2016. -V. 116. - P. 250-262. DOI: 10.1016/j. actamat. 2016.06.044.
13. Gong W., Tomota Y., Harjo S., Su Y.H., Aizawa K. Effect of prior martensite on bainite transformation in nanobainite steel // Acta Materialia. -
2015. - V. 85. - P. 243-249. DOI: 10.1016/j. actamat. 2014.11.029.
14. Zhou P., Guo H., Zhao A., Yin Z., Wang J. Effect of pre-existing martensite on bainitic transformation in low-temperature bainite steel // Materials Science Forum. - 2017. - V. 898. -P. 803-809. DOI: 10.4028 / www.scientific.net / MSF.898.803.
15. KovaF A.D., Brykov M.N., Kapustyan A.E., Timofeenko D.N. Issledovanie kinetiki obra-zovaniya nizhnego bejnita v strukture vysokoug-lerodistoj nizkolegirovannoj stali // Novi materi-aly i tekhnologiyi v metalurgiyi ta mashyno-buduvanni. - 2011. -№ 1. - S.17-21.
16. Hesse O., Liefeith J., Kunert M., Kapustyan A., Brykov M., Efremenko V. Bainit in Stählen mit hohem Widerstand gegen Abrasivverschleiß // Tribologie + Schmierungstechnik. - V. 63. -
2016. - № 2. - S. 5-13.
17. Brykov M.N., Prokopchenko A.A., Efremenko V.G. Vliyanie rezhimov zakalki i iz-otermicheskoj obrabotki na strukturu i iznosos-tojkost vysokouglerodistoj nizkolegirovannoj stali // Problemi tribologiyi (Problems of Tribology). -2016. - № 3. - S.44-51.
18. Brykov N.N. Issledovanie vlijanij struktury na soprotivljaemost' splavov abrazivnomu iznashi-vaniju: dis. ... kandidata tehn. nauk: 05.02.01. -Zaporozh'e, 1966. - 144 s.
19. Popov V.S., Brykov N.N., Dmitrichenko N.S. Iznosostojkost' pressform ogneupornogo pro-izvodstva. - Moskva: Metallurgija, 1971. -160 s.
20. Dolgovechnost' oborudovanija ogneupornogo proizvodstva / V.S. Popov i dr. - Moskva: Metal-lurgija, 1978. - 232 s.
21. Hesse O., Merker J., Brykov M., Efremenko V. Zur Festigkeit niedriglegierter Stähle mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt gegen abrasiven Verschleiß // Tribologie + Schmierungstechnik. -2013. - № 6. - S. 37-43.
22. Kalinin Yu.A., Shumilov A.A., Petri-shinecz I., Efremenko V.G., Brykov M.N. Struktura oko-loshovnoj zony zakalyonnoj vysokouglerodistoj stali posle svarki s uskorennym okhlazhdeniem // Novi materialy i tek hnologiyi v metalurgiyi ta mashynobuduvanni. - 2019. - № 1. - S. 3136.
23. Two-body abrasion resistance of high-carbon high-silicon steel: metastable austenite vs nano-structured bainite / V.G. Efremenko, O. Hesse, T. Friedrich, M. Kunert, M.N. Brykov, K. Shimizu, V.I. Zurnadzhy, P. Suchmann // Wear. - 2019. -V. 418-419. - P. 24-35. DOI: 10.1016 /j.wear. 2018.11.003.
Калинин Юрий Анатольевич, заместитель начальника центрального диспетчерского отдела, тел. +38-061-270-33-09, e-mail: kalininurij16@ gmail. com, ЧАО «Запорожтрансформатор», 3, ул. Днепровское шоссе, г. Запорожье, 69600, Украина.
Петришинец Иван, PhD, научный сотрудник отдела микроструктурной инженерии сталей, тел. +421-55-7922-448, e-mail: petryshynets@imr. saske.sk, Институт материаловедения Словацкой академии наук, 47, Watsonova, г. Кошице, 04001, Словакия.
Ефременко Василий Георгиевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой физики, тел. +38-062-944-61-31, e-mail: efremenko_v_g@pstu.edu, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», 7, ул. Университетская, г. Мариуполь, 87555, Украина. Капустян Алексей Евгеньевич, к.т.н., доцент кафедры оборудования и технологии сварочного производства, тел. +38-061-769-82-62, e-mail: kafedra_otzv@zntu.edu.ua, Национальный университет «Запорожская политехника», 64, ул. Жуковского, г. Запорожье, 69063, Украина. Брыков Михаил Николаевич, д.т.н., профессор кафедры оборудования и технологии сварочного производства, тел. +38-061-769-82-62, e-mail: brykov@zntu.edu.ua, Национальный университет «Запорожская политехника», 64, ул. Жуковского, г. Запорожье, 69063, Украина.
Influence of isothermal treatment on the microstructure of high-carbon low-alloyed steel hardened on austenite
Abstract. High-carbon low-alloyed steels are promising materials to increase abrasive wear resistance of machine parts working under severe wear caused by hard particles. These steels being quenched from 900-1000 °C possess mostly retained austenite structure which is capable to transform to martensite in the course of abrasive wear. The isothermal holding is known to serve as very beneficial yet long operation which provides bainite transformation with significant improvement of mechanical properties. The goal of present work was to investigate the changes in microstructure on very beginning of isothermal holding. Samples of high-carbon low-alloyed steel (1,21 % C; 2,56 % Mn; 1,59 % Si mass.) were quenched from 900 °C to obtain in microstructure mostly residual austenite and minor quantity of martensite. Isotermal holdings at 250 oC and time frame from 1 to 12 hrs were made to initiate bainite transformation and investigate the accompanying changes of microstructure. The first investigated microstructure that corresponded to 1 hour holding has revealed distinctive signs of beginning bainite transformation, i.e. long laths of bainitic ferrite which appeared in the vicinity of pre-existed martensite. Additionally another structure was found along with laths of bainitic ferrite after holding during 3 hours and more. The structure appeared as very fine lamellar mixture with interlath space far less than 100 nm. According to known references this structure may be addressed as columnar bainite. «Hardness vs time» dependence of the material in the course of isothermal holding has the minimum after 1 hour holding. At that tempering of martensite is finished and bain-ite transformation enters its accelerated phase. The future work may be devoted to investigation of developing mechanical properties of 120Mn3Si2 steel and quality of welding joints after isothermal holdings up to 6-7 hours.
Key words: high-carbon low-alloyed steel, quenching, isothermal holding, microstructure, bainite, aus-tenite, tempered martensite.
Kalinin Yuriy, Deputy Head of Central Logictics Department, tel. +38-061- 270-33-09, e-mail: kalini-nurij16@gmail.com, PrJSC «Zaporozhtransforma-tor», 69600, Ukraine, Zaporizhzhya, Dneprovskoe Shosse str., 3.
Petryshynets Ivan, PhD, Scientific Researcher in Department of Microstructural Engineering of Steels, tel. +421-55-7922-448, e-mail: petryshynets@imr.-saske.sk, Institute of Materials Research SAS, 040 01, Slovakia, Kosice, Watsonova str., 47. Efremenko Vasiliy, professor, Doct. of Science, head of Physics Department, tel. +38-062-944-61-31, e-mail: efremenko_v_g@pstu.edu, Priazovskyi State Technical University, 87555, Ukraine, Mariupol, Universitetska str., 7.
Kapystyan Oleksiy, docent, Cand. of Science, Welding Department, tel. +38-061-769-82-62,
e-mail: kafedra_otzv@zntu.edu.ua, National University «Zaporizhzhya Polytechnic», 69063, Ukraine, Zaporizhzhya, Zhukovskogo str., 64. Brykov Michail, professor, Doct. of Science, Welding Department, tel. +38-061-769-82-62, e-mail: brykov@zntu.edu.ua, National University «Zaporizh-zhya Polytechnic», 69063, Ukraine, Zaporizhzhya, Zhukovskogo str., 64.
Вплив i30TepMi4H0r0 оброблення на мжро-структуру загартованоТ на аустешт високовуг-лецевоТ низьколегованоТ сталi Анотаця Високовуглецевi низьколегованi стал! е перспективним матер!алом для п!двищення абра-зивно'1 зносостшкостi деталей машин, якi зазна-ють у процеd експлуатацИ жорсткого зносу твердими частинками. Шсля гартування вiд 9001000 °С у структурi таких сталей залишаеться багато залишкового аустенiту, що здатен пере-творюватись на мартенсит у про^с! абразивного зношування. Звiсно, що iзотермiчне оброблення е корисною, але досить тривалою операцiею, тд час яко'1 вiдбуваеться бейттне перетворення !з значним полiпшенням мехатчних властивостей. Метою роботи було до^дження змт мжро-структури на самому початку iзотермiчноi ви-тримки. Зразки високовуглецево'1' низьколеговано'1' сталi (1,21 % C; 2,56 % Mn; 1,59 % Si мас.) було загартовано вiд 900 оС з отриманням у структу-рi здебшьш залишкового аустетту та невелико'1' тлько^i мартенситу. Далi проведено iзотермi-чт витримки за температури 250 оС в дiапазонi часу вiд 1 до 12 год для забезпечення бейнiтного перетворення та до^дження супутнiх зм!н м!к-роструктури. Уже тсля однiеi години витримки в структурi присутш ознаки перетворення, а саме довгi пластини бейнiтного фериту, якi роз-ташовано бШ мартенситних включень. Додат-ково було виявлено тший структурний складник тсля витримки 3 год i бшьше - дуже дисперсну пластинчасту сум!ш !з мiжпластинчатою вiдс-танню значно менше н!ж 100 нм. Згiдно з вiдо-мими джерелами щею структурою може бути так званий columnar bainite. .Залежнкть «твер-
дiсть - час витримки» для до^дженого матерi-алу мае м!шмум пкля 1 год витримки. У цей час вiдпуск мартенситу завершуеться, а бейттне перетворення входить до прискорено'1' фази. По-дальшу роботу може бути присвячено дослi-дженню змт механiчних властивостей сталi 120Г3С2 та яко^i зварних з'еднань п!сля i-зоте-рм!чно'1' витримки до 6-7 год. Ключовi слова: високовуглецева низьколегована сталь, гартування, iзотермiчна витримка, мж-роструктура, бейнт, аустетт, вiдпущений мартенсит.
Калшш Юрш Анатолшович, заступник начальника центрального диспетчерського вщщлу, тел. +38-061-270-33-09, e-mail: kalininurij16@ gmail.com, ПАТ «Запор1жтрансформатор», 3, вул. Дшпровське шосе, м. Запорiжжя, 69600, УкраУна.
Петришинець ¡вам. PhD, науковий ствробггник вщщлу мжроструктурно! iнженерii сталей, тел. +421-55-7922-448, e-mail: petryshynets@imr. saske.sk, 1нститут матерiалознавства СловацькоУ академи наук, 47, Watsonova, м. Кошице, 04001, Словаччина.
Сфременко Василь Георгшович, д.т.н., профе-сор, завщувач кафедри фiзики, тел. +38-062-94461-31, e-mail: efremenko_v_g@pstu.edu, ДВНЗ «Приазовський державний техшчний ушверси-тет», 7, вул. Ушверситетська, м. Марiуполь, 87555, УкраУна.
Капустян Олексш Свгенович, к.т.н., доцент кафедри обладнання i технологи зварювального виробництва, тел. +38-061-769-82-62, e-mail: kafedra_otzv@zntu.edu.ua, Нацюнальний ушвер-ситет «Запорiзька полггехшка», 64, вул. Жуковсь-кого, м. Запорiжжя, 69063, УкраУна. Бриков Михайло Миколайович, д.т.н., профе-сор кафедри обладнання i технологи зварювального виробництва, тел. +38-061-769-82-62, e-mail: brykov@zntu.edu.ua, Нацюнальний ушверситет «Запорiзька полггехшка», 64, вул. Жуковського, м. Запорiжжя, 69063, УкраУна.
