CC BY
7ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
Влияние микролегирования на структуру поверхностного слоя стали при высокоэнергетическом воздействии
A.A. БАТАЕВА, аспирант, НГТУ, A.M. КРУЧИНИН, зам. генерального директора НПО ОАО "ЭЛСИБ", A.A. БАТАЕВ, профессор, доктор техн. наук, В.Г. БУРОВ, профессор, канд. техн. наук, C.B. ВЕСЕЛОВ, аспирант, НГТУ, г. Новосибирск
Улучшение эксплуатационных свойств сталей при вне-вакуумной электронно-лучевой обработке связано с целенаправленным изменением структурного состояния поверхностных слоев. Обычно цель этой обработки заключается в формировании мартенситной структуры в слое глубиной до - 1...1.2 мм. Высокий уровень механических свойств, получаемых при реализации отмеченной технологии, связывают с кратковременностью нагрева материала, малым размером образующегося при этом аустенитного зерна, а следовательно, с малым размером кристаллов мартенсита. Однако анализ проведенных нами структурных исследований поверхностного слоя, полученного путем вневакуумной электронно-лучевой закалки углеродистой инструментальной стали У8, позволяет говорить о существенной неоднородности структуры мартенсита по глубине упрочненного слоя. Цель данной работы заключалась в проведении тонких исследований структуры поверхностных слоев сталей, закаленных с применением электронного луча, и в разработке предложений по оптимизации выбора материалов, предназначенных для электронно-лучевой обработки.
Материалом для исследования служила сталь У8 стандартного химического состава и аналогичные по содержанию углерода стали, дополнительно легированные титаном и ниобием. Содержание микролегирующих элементов каждого типа составляло 0,06 и 0,10 %. Стали находились в отожженном состоянии и имели структуру грубопластин-чатого перлита.
Вневакуумную электронно-лучевую обработку сталей выполняли на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ-6 производства Института ядерной физики СО РАН. В качестве заготовок служили пластины размером 200x55x5 мм. Обработка осуществлялась по следующим режимам: расстояние от выпускного отверстия до поверхности образца 130 мм; скорость перемещения образца относительно луча 70 мм/с; сила тока 16 тА; энергия электронного пучка 1,4 МэВ. Обработку образцов осуществляли в дорожечном режиме. Ширина закаленной дорожки составляла - 13,5 мм.
Металлографический анализ стали У8 после электронно-лучевой закалки показал, что поверхностный слой имеет явно неоднородную структуру по глубине. Объясняется это явление кратковременностью процесса нагрева, различием температур по глубине упрочненного слоя, неоднородностью теплоотвода в глубинных и поверхностных слоях.
Наименее предпочтительная структура наблюдается в поверхностном слое глубиной - 50... 200 мкм. Размер аустенитного зерна в этом слое составлял 58 мкм. Мартен-ситные кристаллы, образующиеся из такого аустенита, являются достаточно крупными. Такая структура не может обеспечить высокий уровень показателей конструктивной прочности. Дополнительным негативным фактором, харак-
терным для верхней зоны упрочненного слоя, является подплавление границ аустенитных зерен. На снимках эти грани-цы выглядят в виде темных участков, окаймляющих микрообъемы мартенсита (рисунэк). Причина образования крупнокристаллической мартенситной структуры с подплав-ленными микрообъемами связана с нагревом анализируемого слоя до температур, соответствующих интервалу между солидусом и ликвидусом.
Гораздо более дисперсная и однородная мартенситная структура, обеспечивающая высокий уровень механических свойств, формируется в слое на глубине - 200...600 мкм. Объясняется это тем, что температура нагрева и время пребывания материала в аустенитном состоянии были существенно ниже, чем поверхностного слоя. Среднее значение размера аустенитного зерна в наиболее глубокой за-каленной зоне составляет 8 мкм.
Структура поверхностного слоя стали У8, упрочненной электронным лучом
Проведенные металлографические исследования свидетельствуют о необходимости устранения грубо-кристал-лической структуры в поверхностном слое закаленной электронным лучом стали. Одним из решений данной задачи является микролегирование стали титаном и ниобием. Механизм благоприятного влияния этих элементов заключается в том, что карбиды титана и ниобия располагаются по границам аустенитных зерен и препятствуют росту зерна. Его действие сохраняется до момента растворения дисперсных частиц. Анализ результатов проведенных исследований свидетельствует о том, что микролегирование титаном позволяет существенно уменьшить размер аустенитного зерна в сталях. Установленэ, что наилучшие результаты обеспечивают добавки титана и ниобия в количестве 0,1 %. Легирование стали У8 ниобием в количестве 0,1 % приводи- к уменьшению размера зерна аустенита в поверхностном слое от 58 до 23 мкм.
20 № 3 (28) 2005
*
