Научная статья на тему 'Влияние легирующих элементов на свойства сталей при различных скоростях охлаждения'

Влияние легирующих элементов на свойства сталей при различных скоростях охлаждения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
448
50
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЫСОКОПРОЧНАЯ СТАЛЬ / ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС / ХИМИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ / КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ / МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / HIGH-STRENGTH STEEL / TECHNOLOGICAL PROCESS / CHEMICAL COMPOSITION / CRITICAL COOLING RATE / MECHANICAL PROPERTIES

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Чукин Михаил Витальевич, Полецков Павел Петрович, Набатчиков Дмитрий Геннадьевич, Гущина Марина Сергеевна, Бережная Галина Андреевна

В условиях комплекса ООО «Термодеформ-МГТУ» (г. Магнитогорск) и НИИ Наносталей (г. Магнитогорск) проведены лабораторные эксперименты по выплавке, прокатке и термической обработке высокопрочных сталей с последовательным варьированием содержания Сr, Mn, Nb, Mo, Ni. Определено влияние химического состава и скорости охлаждения на механические свойства высокопрочного проката

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Чукин Михаил Витальевич, Полецков Павел Петрович, Набатчиков Дмитрий Геннадьевич, Гущина Марина Сергеевна, Бережная Галина Андреевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The effect of alloying elements on steel properties at different cooling rates

Smelting, rolling, heat treatment laboratory experiments with a successive content variation of Cr, Mn, Nb, Mo, Ni were made in the Ltd “Termodeform-MGTU” (Magnitogorsk city) and Research institute Nanosteels (Magnitogorsk city). The impact of chemical composition and cooling rate on mechanical properties of high-strength sheet metal was determined

Текст научной работы на тему «Влияние легирующих элементов на свойства сталей при различных скоростях охлаждения»

УДК 621:771.23-022.532:621.785

Чукин М.В., Полецков П.П., Набатчиков Д.Г., Гущина М.С., Бережная Г.А.1

Аннотация. В условиях комплекса ООО «Термодеформ-МГТУ» (г. Магнитогорск) и НИИ Наносталей (г. Магнитогорск) проведены лабораторные эксперименты по выплавке, прокатке и термической обработке высокопрочных сталей с последовательным варьированием содержания Сг, Мп, №, Мо, №. Определено влияние химического состава и скорости охлаждения на механические свойства высокопрочного проката.

Ключевые слова: высокопрочная сталь, технологический процесс, химическая композиция, критическая скорость охлаждения, механические свойства

Опыт развития современных техники и технологий показывает, что одним из важных стратегических направлений является разработка и внедрение новых материалов на основе высокопрочных сплавов, обладающих комплексом уникальных механических свойств. Получить новые технические характеристики возможно, если при изготовлении использовать качественно новые материалы и инновационные разработки. Примером могут служить наноструктурированные высокопрочные стали, которые благодаря своим уникальным свойствам являются перспективными материалами для использования в различных областях обороны, машиностроения, крановой и автомобильной отраслей промышленности [1, 2].

Как показывает практика изготовления изделий из высокопрочных сталей применение новейших методов термодеформационного воздействия позволяет обеспечить уникальное сочетание технологических и служебных свойств [3-5].

Также известно [6-9], что увеличение содержания таких элементов как Сг, №, Мо, Мп, № и др. приводит к смещению вправо линий термокинетических диаграмм и, как следствие, способствуют снижению критической скорости охлаждения при закалке, что в свою очередь влияет на механические свойства.

В комплексе «Термодеформ-МГТУ» (г. Магнитогорск) и НИИ Наносталей (г. Магнитогорск) проведены лабораторные эксперименты по выплавке, прокатке и термической обработке высокопрочных сталей с последовательным варьированием химических элементов, входящих в их состав (табл. 1).

Слитки различного химического состава нагревали в камерной печи ПКМ 3.6.2/12,5 до температуры 1200°С. Далее осуществляли обжатие слитков с применением гидравлического пресса П6334 и прокатку на одноклетевом реверсивном стане горячей прокатки 500 «ДУО». Температура окончания деформации составляла от 850°С до 950°С. Слитки прокатывали до толщины 8 мм. Полученные раскаты охлаждали на воздухе.

Термическая обработка образцов заключалась в закалке и последующем отпуске по следующим режимам:

1) закалка с нагревом до температуры 850-1000°С. Время выдержки при температуре нагрева под закалку составляло 20 мин. В качестве закалочной среды использовали воду;

2) «низкий» отпуск при температуре от 180 °С. Время выдержки при температуре отпуска -40 мин. Последующее охлаждение образцов осуществляли на воздухе.

1 Работа выполнена при участии С.В. Денисова, Е.В. Брайчева, Н.В. Копцевой, М.П. Барышникова, Ю.Ю. Ефимовой, О.А. Никитенко, Д.М. Чукина, А.С. Ишимова, М.С. Жеребцова

2 Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 02.G25.31.0105).

Таблица 1

Химический состав опытных образцов

№ Маркировка Массовая доля элементов, не более, % CEV

п/п C Si S P Cr Mo Nb Mn Ni Прочие не более

1 база 0,6

2 0,8%Cr 0,8 0,4 0,01

3 1%Сг 1,0 0,9 0,9

4 0,7%Mo 0,32 0,30 0,010 0,015 0,7 Cu, V, Ti, B 0,83

5 0,03%Nb 0,03

6 1,25%Mn 0,6 0,4 1,25

7 1,6%Ni 0,01 0,9 1,6

8 3,2%Ni 3,2

Испытания механических свойств полученных опытных образцов высокопрочного листового проката осуществлялись в аккредитованной лаборатории в соответствии с общепринятыми условиями (табл. 2):

- испытания на растяжение проводились по ГОСТ 1497 на универсальной испытательной машине фирмы ZWICK GmbH&Co.Mn, Германия, серии Z2000;

- испытания на ударный изгиб c V-образным надрезом проводились в соответствии с ГОСТ 9454 на образцах типа 13 в соответствии с ГОСТ 9454;

- измерения твердости по Бринеллю HBW проводились по ГОСТ 9012 с применением шарика из твердого сплава диаметром 10,0 мм под действием усилия F = 29430 Н (3000 кгс).

Результаты измерений представлены в табл. 3.

Таблица 2

Размеры образцов для исследования

Вид испытания Размеры образца, мм

длина ширина толщина

Твердость HBW по ГОСТ 9012 (ISO 6506) 30 30 8

Растяжение (пропорциональные плоские образцы тип II) по ГОСТ 1497 (EN ISO 6892) 500 30±0,50 8

Ударный изгиб на маятниковом копре по Шарпи по ГОСТ 9454, тип образца 13 55±0,60 10±0,075 5±0,06

Таблица 3

Результаты механических испытаний

Маркировка Твердость HBW Ударная вязкость KCV-40, Дж/см2 Условный предел текучести Rpo.2, Н/мм2 Временное сопротивление разрыву Rm, Н/мм2 Относительное удлинение A50, %

база 495 38 1308 1639 12,5

0,03%Nb 555 27 1455 1920 15

0,7%Mo 555 15 1460 1835 12

1%Сг 578 25 1380 1390 1,6

1,25%Mn 537 35 1460 1920 5,5

3,2%Ni 530 39 1485 1918 13,5

По результатам анализа механических свойств опытных образцов определили:

- повышение прочностных свойств за счет дополнительного легирования стали Сг, Мо, №, Mn сопровождается снижением вязко-пластические свойств готового проката;

- для проката с повышенным содержанием № режимы термической обработки (закалки и низ-

кого отпуска) обеспечивают получение высокого уровня прочности и твердости без ухудшения вязко-пластических свойств.

Далее исследовали влияния скорости охлаждения на превращения переохлажденного аустенита для высокопрочных сталей различного химического состава. Результаты исследования представлены в табл. 4 и рис. 1.

Таблица 4

Твердость опытных сталей, полученная при различных скоростях охлаждения

Скорость охлаждения, °С/с

№ п/п Маркировка 1 3 5 10 20

Твердость HV

1 база 3243 4758 4975 4906 5036

2 0,8%Сг 3006 3814 4725 4896 4936

3 1%Сг 4205 5084 5321 5389 5324

4 0,7%Мо 3890 5377 5493 5413 4795

5 0,03%№> 3477 4676 5201 5476 5471

6 1,25%Мп 3941 5379 5454 5544 -

7 1,6%№ 3582 4481 5487 5536 5326

8 3,2%№ 4748 5361 5454 5500 -

Рис. 1. Зависимость значений твердости от скорости охлаждения проката различных химических композиций

Анализ полученных результатов позволяет заключить, что падение твердости для базовой композиции наблюдается при снижении скорости охлаждения до 3 °С/с. Для химических составов 0,8% Сг, 0,03% №Ь, а также с 1,6% № получена аналогичная тенденция.

Для сталей с 1,0%Сг, 0,7%Мо, 1,25% Мп заниженные значения твердости получены при снижении скорости охлаждения до 1°С/с. Для композиции с 3,2%№ требуемая твердость достигается уже при скорости охлаждения равной 1°С/с, в то время как для базовой композиции требуемый уровень твердости достигается при скоростях охлаждения не менее 5°С/с.

Таким образом, опробованные химические составы позволяют получать высокую твердость при более низких скоростях охлаждения, чем базовый. Следовательно, добавление 3,2%№, 1,0%Сг, 0,7%Мо, 1,25%Мп является эффективным механизмом снижения критической скорости закалки.

Выводы:

1) Проведены лабораторные эксперименты по выплавке, прокатке и термической обработке

наноструктурированных высокопрочных сталей с последовательным варьированием содержания Сг, Мп, №Ь, Мо, № относительно базового химического состава;

2) определена зависимость значений твердости от скорости охлаждения проката различных химических композиций. Установлено, что дополнительное легирование №, О", Мо, Мп является эффективным механизмом снижения критической скорости закалки;

3) исследовано влияние легирующих элементов на механические свойства проката. Установлено, что химический состав с повышенным содержанием № обеспечивает повышение твердости и прочности без ухудшения вязкопластических свойств.

Список литературы:

1. Чукин М.В, Салганик В.М., Полецков П.П., Денисов С.В., Кузнецова А.С., Бережная Г.А., Гущина М.С. Основные виды и области применения стратегического высокопрочного листового проката / Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. №4. С. 41 - 44.

2. Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Алексеев Д.Ю. Оценка конъюнктуры мирового рынка и областей применения наносруктуриро-ванного высокопрочного листового проката / Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Международный сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2015. Вып. 21. С. 39- 45.

3. Чукин М.В., Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Кузнецова А.С., Алексеев Д.Ю. Анализ технических требований, предъявляемых к наноструктурированному высокопрочному листовому прокату / Обработка сплошных и слоистых материалов. 2014. №2. С.19- 28.

4. Полецков П.П., Гущина М.С., Бережная Г.А., Алексеев Д.Ю., Набатчиков Д.Г. Исследование влияния режимов термической обработки на механические свойства высокопрочного листового проката / Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №4. С. 88 - 92.

5. Салганик В.М., Полецков П.П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Алексеев Д.Ю. Исследование влияния температуры нагрева при закалке на механические свойства низколегированной высокопрочной стали / Производство проката. 2015. №5. С. 32 - 37.

6. Тлустенко С.Ф. Теория и режимы нагрева и термообработки заготовок и деталей в процессах ОМД: учеб. пособие / С.Ф. Тлустенко. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2012. - 80 с.

7. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

8. Шрейбер Г. К., Шибряев Б. Ф., Полферов А.П., Перлин С. М., Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности: Справочное руководство. М.: Машиностроение, 1962. -383 с.

9. Болховитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка: Учебник. - М.: Машиностроение, 1965. - 503 с.

УДК 669.018.58.017

С. Савицкий1, К. Лабер, Х. Дыя, А. Кавалек

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ С45 И С70

Аннотация. В работе проведен анализ высокотемпературных характеристик пластичности сталей С45 и С70. Целью исследований была оценка деформируемости исследуемых сталей в условиях горячей деформации. Для определения склонности сталей С45 и С70 к трещинообразованию при высоких температурах образцы испытывали на оборудовании для физического моделирования Gleeble 3800. Были определены температура нулевой прочности, нулевой пластичности, температура возврата в пластичное состояние, а также коэффициент трещиноустойчивости и область хрупкого состояния.

Полученные данные будут использованы при анализе процесса кристаллизации исследуемых сталей на установке УНРС (непрерывной разливки стали), а также при определении параметров охлаждения стали, обеспечивающих отсутствие растягивающих напряжений в материале при его перемещении через кристаллизатор при температуре выше температуры нулевой прочности.

Ключевые слова: сталь C45, C70, пластометрические исследования, высокотемпературные характеристики, температура нулевой пластичности, температура нулевой прочности, температура возврата в пластичное состояние

ВВЕДЕНИЕ

Целью исследований, представленных в данной работе, является определение параметров, характеризующих механические свойства сталей С45 и С70 при повышенных температурах, в том числе в области «твердая фаза - жидкость», при нагреве и охлаждении [1-5]:

- ТНПр (Температура нулевой прочности -№Т) - температура перехода нагреваемого металла или сплава в состояние нулевой прочности;

- ТНПл (Температура нулевой пластичности - КБТ) - температура, при которой нагреваемый металл или сплав полностью теряет пластичность;

- ТВПС (Температура возврата в пластичное состояние - БИТ) - температура, при которой материал снова становится пластичным при охлаждении после нагрева.

Для того, чтобы охарактеризовать склонность стали к трещинообразованию, используют коэффициент сопротивления трещинообразования К/, который определяется следующим образом:

КГ =

жг - мот

ыт '

(1)

чем выше его значение, тем меньше сопротивление стали к трещинообразованию.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Диапазон температур между температурой нулевой прочности (ТНПр) и температурой возврата в пластичное состояние (ТВПС) считается температурной областью хрупкости (BTR). Главной целью проведенных исследований было определение склонности материала к трещинообразованию. Исследования для определения температурного

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.