CC BY
25
МЕТ^ПЛООБРАБОТКА
_НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 620.18: 669.15'24'26'28'292-194:621.785.4
Влияние предварительной термической обработки на структуру стали типа 32Х2Н2М1Ф-Ш
С. А. Гладышев, А. Л. Гавзе, Н. В. Заря
Актуальность
Общепризнано, что механические свойства металлических материалов являются «структурно чувствительными». Даже незначительные на первый взгляд вариации структуры в тонком строении металлов и сплавов могут привести к резкому изменению механических свойств и, как правило, сказываются на эксплуатационных характеристиках деталей, изготовленных из этих материалов. Структура стали определяется многими факторами, к ним относятся:
• химический и фазовый составы;
• условия нагрева и охлаждения в процессе термической или деформационно-термической обработки;
• размер зерна;
• количественное соотношение, морфология, размер и распределение фазовых составляющих;
• дислокационная структура и т. п. [1-5].
Среднеуглеродистые стали, содержащие
повышенное количество хрома, молибдена и ванадия, отличаются склонностью к так называемой структурной наследственности. После окончательной термической обработки их структура и свойства в значительной степени определяются скоростью охлаждения заготовок после предыдущих технологических операций, связанных с нагревом выше температуры аустенитизации стали.
Поскольку в реальных производственных условиях не всегда обеспечиваются одинаковые условия охлаждения деталей даже одной садки при термической обработке или одной партии листовых полуфабрикатов после их прокатки, возникает необходимость выбирать режимы предварительной термической обработки, позволяющей устранить отрицательные последствия проявления структурной наследственности, как правило, связанные с наличием в исходной структуре стали продуктов промежуточного распада аустенита, и обеспечить воспроизводимость структуры, стали и стабильность механических свойств деталей
после окончательной термической обработки.
"00
Материалы и методика проведения
исследований
Образцы для исследования структуры вырезали из средней части по ширине и толщине 70-миллиметровых плит из стали 32Х2Н2М1Ф-Ш, содержащей примерно 0,75 % молибдена, производства комбината «Азов-сталь». Плиты подвергали закалке в масло после аустенитизации при температуре 900 °С и изотермической обработке при температуре 670 °С продолжительностью 3, 6, 12 и 60 ч с последующим охлаждением на воздухе. Температура изотермической обработки (670 °С) соответствует температуре наименьшей устойчивости аустенита в перлитной области распада на диаграмме изотермических превращений, полученной магнитометрическим методом, с использованием анизометра Акулова.
Электронно-микроскопическое исследование структуры проводили на фольгах. Определяли следующие характеристики структуры:
♦ тип структурных составляющих;
♦ объемные доли структурных составляющих матрицы:
• перлита ¥п;
• перлита глобулярного
• верхнего бейнита
• нижнего бейнита Ун>б;
• мартенсита Ум различных морфологических типов;
• мартенсита пластинчатого
♦ средняя ширина реек мартенситных
кристаллов tм;
♦ средний коэффициент формы Кф;
♦ однородность:
• перлита А^п;
• перлита глобулярного А^_г;
• верхнего бейнита А^_б;
• нижнего бейнита
• мартенсита А^ различных морфологических типов;
• мартенсита пластинчатого А^>п;
• средней ширины реек мартенситных кристаллов Аtм;
• среднего коэффициента формы Кф.
№ 6 (60)/2010
Для анализа каждого состояния просматривали 5-10 фольг (не менее 200-300 полей зрения при увеличении Х10 000) общей площадью примерно 20 000 мкм2. Принадлежность элементов структуры к тому или иному типу определяли по морфологическим признакам на основе известных литературных данных [5-8]. Объемные доли структурных составляющих и среднюю ширину реек мартенситных кристаллов находили по методике, изложенной в работе [9]. Коэффициент формы кристаллов мартенсита (отношение длины кристалла к его ширине) [5, 7, 8, 10] определяли по изображению на экране электронного микроскопа при постоянном увеличении х15 000, для этих целей использовали не менее 500 замеров сечений плоскости фольги. Средний коэффициент формы мартенситных кристаллов оценивали путем анализа гистограмм распределения коэффициентов формы кристаллов. Благодаря использованию указанных гистограмм находили:
• среднее значение коэффициента формы мартенситных кристаллов и его среднеквадратичное отклонение;
• однородность коэффициента формы мартенситных кристаллов (по ширине распределения) и ее среднеквадратичное отклонение.
Образцы для металлографических исследований на оптическом микроскопе подвергали травлению в 4,0% -м спиртовом растворе азотной кислоты. Светлые участки округлой формы (диаметром 0,5-3,0 мкм), наблюдаемые на фотографиях микроструктуры стали после изотермической обработки с выдержкой 3 и 6 ч, были идентифицированы как участки с избыточным ферритом, в этом просматриваются аналогии с данными работ [3, 5, 7]. Объемные доли избыточного феррита определяли по результатам металлографических исследований при увеличении Х1000 и электронно-микроскопических исследований с увеличением х17 300, при этом обнаружено практическое совпадение результатов.
Размер аустенитного зерна определяли металлографически — на шлифах, травленых с добавкой сульфанола при температуре 60-80 °С и подвергшихся многократной переполировке. Измерение проводили в произвольном сечении при увеличении х500.
Структура стали после предварительной термической обработки
После изотермической выдержки при температуре 670 °С, попадающей в интервал температурного превращения, продолжительно-
стью 3 и 6 ч и последующего охлаждения на воздухе в структуре стали преобладает бей-нитная составляющая, в то время как после 12- и 60-часовых выдержек — перлитная составляющая (табл. 1). Структура стали после изотермических выдержек 3 и 6 ч представлена на рис. 1. В ней наблюдается наличие верхнего и нижнего бейнита и мартенсита различных морфологических разновидностей. Кроме того, видны участки размером 0,5-3,0 мкм, которые с большой вероятностью можно считать участками избыточного феррита (рис. 1, а, б). После 6-часовой выдержки доля таких участков увеличивается, что подтверждает предположение об образовании избыточного феррита при распаде переохлажденного аустенита в процессе изотермической выдержки в интервале температур перлитного превращения. Расположение отмеченных участков в основном по границам исходных аустенитных зерен (рис. 1, а, б) также является одним из признаков наличия избыточного феррита [3, 5].
С увеличением времени изотермической выдержки от 3 до 6 ч объемная доля верхнего бейнита в структуре стали уменьшается примерно в два раза, происходит некоторое увеличение количества нижнего бейнита
Таблица 1
Объемные доли структурных составляющих стали 32Х2Н2М1Ф-Ш после изотермической выдержки
Структурная Время изотермической выдержки, ч
3 6 12 60
Перлит: объемная доля Уп однородность ДКП - - 0,98 ±0,07 0,98 ±0,05
Перлит глобулярный: объемная доля однородность ДКШГ - - 0,43 ±0,04 0,72 ±0,04
Верхний бейнит: объемная доля ОДНОРОДНОСТЬ ДКаб 0,32 ±0,03 0,17 ±0,03 0,01 ±0,01 0,01
Нижний бейнит: объемная доля 6 однородность ДКш0 0,48 ±0,04 0,54 ±0,05 <0,01 <0,01
Мартенсит: объемная доля Ум однородность ДКМ 0,20 ±0,02 0,29 ±0,03 <0,01 -
Мартенсит пластинчатый: объемная доля однородность ДКЩП 0,08 ±0,01 0,11 ±0,01 - -
Примечание: Объемная доля мартенсита приведена с учетом пластинчатого мартенсита.
и мартенсита. Относительное содержание пластинчатого мартенсита существенно не меняется.
Изотермическая выдержка переохлажденного аустенита в течении 12 и 60 ч при температуре 670 °С приводит практически к полному перлитному распаду аустенита (см. табл. 1). При этом в структуре стали присутствует как пластинчатый (рис. 2, а—в), так и глобулярный перлит (рис. 2, а, г, е). Видимо, присутствует и избыточный феррит, но не представляется возможным идентифицировать его в перлитной структуре.
После обработки с 12-часовой выдержкой ширина цементитных пластин в пластинчатом перлите соизмерима с диаметром глобулей цементита в глобулярном перлите и составляет примерно 0,20-0,45 мкм, ширина пластин феррита — 1,00-1,50 мкм, наблюдаемый размер зерна феррита — 1,50-4,00 мкм. При этом можно наблюдать различные стадии перехода от пластинчатого перлита к глобулярному (рис. 2, б—г), характеризующиеся нарушением общности ориентировки цементитных пластин, коагуляцией карбидных частиц
а) б)
Рис. 1. Структура стали 32Х2Н2М1Ф-Ш после изотермической выдержки 3 и 6 ч: а, д, е — выдержка 3 ч: а — структура стали при оптическом увеличении после выдержки 3 ч; д — нижний бейнит; е — мартенсит; б, в, г — выдержка 6 ч: б — структура стали при оптическом увеличении после выдержки 6 ч; в — избыточный феррит; г — верхний бейнит
а)
Рис. 2. Структура стали 32Х2Н2М1Ф-Ш после изотермической выдержки 12 и 60 ч: а—г — выдержка 12 ч: а — структура стали при оптическом увеличении; б—г — переход от пластинчатого перлита к глобулярному; д, е — выдержка 60 ч, глобулярный перлит
с их преимущественным расположением на границах зерен феррита и одновременным развитием рекристаллизации ферритной матрицы.
Увеличение времени изотермической выдержки от 12 до 60 ч приводит к некоторым изменениям в перлитной структуре, а именно к увеличению объемной доли глобулярного перлита (см. табл. 1) и размеров цементитных частиц (до 0,50-1,00 мкм) и зерен феррита из-за коагуляции цементита и рекристаллизации феррита. После прохождения превращения перлита в ферритных участках пластинчатого и глобулярного перлита присутствуют мелкодисперсные выделения специальных карбидов, преимущественно сферической формы.
Структура стали 32Х2Н2М1Ф-Ш
после закалки
Закалку стали в качестве одной из операций заключительной термической обработки проводили после аустенитизации при температуре 900 °С и охлаждения в масле со ско-
д)
10 мкм
0,5 мкм
1 мкм
1 мкм
Таблица 2
Влияние предварительной термической обработки на размерные характеристики структуры
стали после закалки
Предварительная обработка
Структурная составляющая Противо-флокенная обработка 670 °С
Зч 6ч 12 ч 60 ч
Аустенитное зерно, мкм: размер О _ однородность АО 20,30 ±1,21 24,80 ±1,78 23,50 ±1,98 10,20 ±0,98 14,20 ±1,25
Мартенситный кристалл, мкм: средняя ширина реек tyl однородность А(м 0,370 ±0,010 0,37 ±0,012 0,36 ±0,013 0,30 ±0,011 0,30 ±0,014
Коэффициент формы: средний Кф однородность ¿УТф 8,20 ±0,13 8,30 ±0,19 8,50 ±0,18 7,80 ±0,15 8,00 ±0,16
Таблица 3
Объемные доли структурных составляющих стали 32Х2Н2М1Ф-Ш после изотермической выдержки и закалки с температуры 900 °С
Предварительная обработка
Структурная составляющая Противо-флокенная обработка 670 °С
Зч 6ч 12 ч 60 ч
Верхний бейнит: объемная доля 1 однородность Щ 0,160 ±0,035 1 0,150 ±0,023 1 0,040 ±0,010 1 0,040 ±0,012 1 0,060 ±0,010
Нижний бейнит: объемная доля 1 однородность б Щ 0,190 ±0,026 1 0,350 ±0,036 1 0,120 ±0,036 1 0,320 ±0,032 1 0,330 ±0,025
Мартенсит: объемная доля 1 однородность ДУМ Щ 0,650 ±0,071 1 0,500 ±0,042 1 0,840 ±0,061 1 0,640 ±0,046 1 0,610 ±0,028
Мартенсит пластинчатый: объемная доля п 1 однородность ДУМ-П Щ 0,280 ±0,011 1 0,240 ±0,010 1 0,190 ±0,013 1 0,170 ±0,008 1 0,190 ±0,009
ростью 100 °С/с. Сравнение структуры стали после различных режимов предварительной изотермической обработки и закалки проводили в сопоставлении со структурой стали, полученной после аналогичной закалки, с предварительной стандартной противо-флокенной обработкой. Металлографические исследования зеренного строения показали, что различное структурное состояние стали перед нагревом под закалку оказывает заметное влияние на размер В и неоднородность величины аустенитных зерен ДВ (табл. 2).
Закалка стали с исходной бейнитно-мар-тенситной структурой, полученной в результате предварительной изотермической обработки при температуре 670 °С с выдержкой 3 и 6 ч, приводит к получению практически такого же среднего размера зерна, как и после стандартной противофлокенной обработки. При этом увеличивается неоднородность
Рис. 3. Зеренная структура стали после закалки (х500) с предварительной изотермической обработкой при температуре 670 °С с выдержкой: а — Зч;б — 6 ч; е — 12 ч; г — 60 ч
размеров зерен. В то же время после закалки стали с исходной перлитной структурой наблюдается значительное (примерно в 2 раза) уменьшение средних размеров аустенит-ных зерен в сочетании с одновременным снижением их неоднородности (см. табл. 2, рис. 3). Увеличение времени изотермической выдержки от 12 до 60 ч приводит к увеличению среднего размера аустенитного зерна после закалки.
Электронно-микроскопические исследования показали, что для всех исследованных режимов предварительной термической обработки после закалки в масле с температуры 900 °С структура стали состоит из мартенсита различных морфологических разновидностей, а также верхнего и нижнего бейнита (табл. 3). С увеличением длительности изотермической выдержки на предварительном этапе термической обработки после закалки наблюдается повышение однородности структуры стали, связанное в основном с уменьшением объемной доли верхнего бейнита.
Выводы
Приведенные результаты исследования позволяют сделать вывод о существенном влиянии продолжительности изотермической выдержки при температуре 670 °С в процессе предварительной термической обработки как на величину аустенитного зерна стали, так и на объемную долю продуктов превращения аустенита и параметры их субструктуры после закалки с температуры 900 °С при проведении окончательной термической обработки. Оценку влияния изменений структуры, полученных после предварительной изотермической обработки, на такие структурно-чувствительные свойства как запас вязкости и сопротивление хрупким разрушениям стали проводили на пробах и картах, вырезанных из плит толщиной 70 мм после их окончательной термической обработки (закалка с тем-
пературы 900 °С и отпуск при температуре 600 °С с последующим охлаждением в воде). Результаты испытаний показали, что предварительная изотермическая выдержка при температуре 670 °С в течение 12 ч приводит к понижению критической температуры хрупкости, определяемой по критерию 50 % вязкой составляющей в изломе на 20-30 °С по сравнению с аналогичной характеристикой материала, не прошедшего предварительную термическую обработку. Кроме того плиты, подвергнутые предварительной термической обработке, отличались большей живучестью (меньшей склонностью к расколам и тыльным отколам) при интенсивном, высокоскоростном, ударном нагружении.
Литература
1. Бернштейн М. Л. Прочность стали. М.: Металлургия, 1974. 200 с.
2. Садовский В. Д. Структурная наследственность в стали. М.: Металлургия, 1973. 200 с.
3. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия,1973. 392 с.
4. Дьяченко С. С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах. М.: Металлургия, 1982. 128 с.
5. Курдюмов Г. В., Утевский Л. М., Энтин Р. И. Превращение в железе и стали. М.: Металлургия, 1977. 238 с.
6. Утевский Л. М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. М.: Металлургия, 1973. 583 с.
7. Баррет Ч. С., Массальский Т. Б. Структура металлов / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1984. Ч. 2. 453 с.
8. Изотов В. И., Хандаров Н. А. Классификация мар-тенситных структур в сплавах железа // Физика металлов и металловедение. 1972. Т. 31, вып. 2. С. 332-338.
9. Бернштейн М. Л., Капуткина Л. М., Никишов Н. А. Изменение структуры горячедеформированного аустенита никелевых сталей при последеформационной выдержке // Металловедение и термическая обработка металлов. 1979. № 2. С. 27-31.
10. Андреев Ю. Г., Беляков Б. Г., Груздов А. П. и др. Определение пространственной формы и размеров кристаллов мартенсита // Физика металлов и металловедение. 1973. Т. 35, вып. 2. С. 375-382.
13-я международная практическая конференция «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» состоится в Санкт-Петербурге 12—14 апреля 2011 г. Организаторы — НПФ «Плазмацентр» и Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.
Работа будет проходить по четырем взаимосвязанным направлениям: 1) технологии восстановления первоначальной (заданной) геометрии поверхности с использованием сварки, наплавки, напыления и других процессов; 2) инженерия поверхности, конструкционные, технологические и эксплуатационные методы повышения надежности и долговечности, триботехника, обработка поверхности изделий; 3) технологии упрочнения, модификация и восстановле-
ние физико-механических свойств поверхности, нанесение тонкопленочных покрытий; 4) технологии дефектации, диагностики, мойки и очистки.
Запланированы школы-семинары: «Ремонт и восстановление деталей промышленного оборудования», «Наплавка и напыление — выбор технологии, оборудования и материалов», «Упрочнение деталей машин, механизмов и оборудования различных отраслей промышленности», «Технологии увеличения стойкости инструмента, штампов холодного деформирования и пресс-форм», «Восстановление и упрочнение литейной оснастки, кузнечно-прессового инструмента и штампов». Организуется посещение промышленных участков, будет проводиться нанесение износостойких покрытий на изделия, привезенные участниками. www.plasmacentre. ги
