Влияние условий охлаждения и размера заготовки при литье инструментальной стали на способность к последующему термическому упрочнению поверхности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

пт^кктпглтп lm

-3 (84), 2016 I III

if

УДК 621 .74

Поступила 25.04.2016

влияние условии охлаждения и размера заготовки при литье инструментальной стали на способность к последующему термическому упрочнению поверхности

influence of cooling conditions and the size of stock material during casting of tool steel on capability to the subsequent thermal hard-facing

В. Н. ФЕДУЛОВ, Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Беларусь, пр-т Независимости, 65. Тел. +375-29-651-09-85

V. N. FEDULOV, Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus, 65, Nezavisimosti ave. Tel. +375-29-651-09-85

Исследовано влияние условий охлаждения и размера отливки инструментальной стали 4Х5МФ1С на способность к упрочнению после высокого отпуска при температуре 500-650 °C. Дано сравнение с упрочнением поковок.

Influence of cooling conditions and the size of stock material of instrumental steel 4H5MF1S on сability to surface hardening after high-temperature tempering at 500-650 °C is investigated. Comparison with hardening of forgings is given.

Ключевые слова. Инструментальная сталь, литье, структура, поковка, твердость, высокий отпуск. Keywords. Instrumental steel, casting, structure, forging, hardness, high-temperature tempering.

Элементы структуры, определяющие прочность твердого металла и образующиеся после заливки в форму и затвердевания жидкого металла при охлаждении на воздухе, должны быть более устойчивы при последующем отпуске по сравнению с элементами структуры, образующимися в твердом металле после деформации и также охлаждения на воздухе . То же самое относится и к условиям охлаждения металла при получении отливок: чем выше скорость охлаждения, тем более восприимчив твердый металл к своему упрочнению [1] .

В связи с этим исследовали влияние условий охлаждения и размера заготовки при изготовлении отливок из инструментальной стали 4Х5МФ1С [2] на уровень ее упрочнения в поверхностных слоях и сравнивали его с поковками подобного размера . Для этого заготовки отливали в керамические изложницы, изменяя диаметр отливки от 33 до 63 и 83 мм при высоте, равной 150 мм и примерно одинаковом химическом составе стали Для исследования влияния диаметра поковки на уровень упрочнения стали их ковали до диаметров 33 и 63 мм и высотой также 150 мм . Поковки изготавливали при примерно равных условиях и на одном и том же молоте . Масса падающих частей молота составляла 250 кг. Ковку производили по одной и той же схеме: осадка, а затем протяжка и доведение до требуемого размера В табл 1 приведены условия получения отливок и поковок при проведении исследования, а в табл . 2 - химический состав стали .

Таблица 1. Полуфабрикаты инструментальной стали и способы их получения

Номер марки стали Марка стали Вид Способ получения полуфабриката

1 4Х5МФ1С Поковка Ковка до круга диаметром 33x150 мм, охлаждение после ковки на воздухе

2 4Х5МФ1С Отливка Литье в керамическую изложницу, диаметр 33x150 мм, быстрое охлаждение

3 4Х5МФ1С Отливка То же, но изложница утеплена в песке и охлаждение медленное

4 4Х5МФ1С Поковка Ковка на диаметр 63 мм и высотой 150 мм, охлаждение после ковки на воздухе

5 4Х5МФ1С Отливка Литье в утепленную керамическую изложницу, диаметр отливки 63 мм, высота 150 мм, охлаждение медленное

6 4Х5МФ1С Отливка То же, но диаметр отливки 83 мм, высота 150 мм

Ш/ /хгг.^ г: ктмлтп

I 3 (84), 2016-

а б

Рис . 1 . Общий вид образцов отливок (а) диаметром 33, 63 и 83 мм и поковок (б) диаметром 33 и 63 мм, подвергавшихся исследованию для стали 4Х5МФ1С

Таблица 2 . Химический состав сталей у полуфабрикатов

Наименование полуфабриката и марка стали Содержание элементов,%

С Sl Мп Сг Мо V N1

Поковки стали 4Х5МФ1С, № 1, 4 0,42 1,2 0,36 5,0 1,2 0,90 0,3

Отливки стали 4Х5МФ1С, № 2, 3, 5, 6 0,42 1,35 0,35 5,0 1,2 0,90 0,3

Таблица 3. Механические свойства сталей у поверхности полуфабрикатов без термической обработки

и после высокого отпуска

Номер стали Твердость у поверхности ЫЯС после отпуска при температуре, °С

Без термической обработки 500, 1,5 ч 525, 1,5 ч 550, 1,5 ч 575, 1,5 ч 600, 1,5 ч 625, 1,5 ч 650, 1,5 ч

1. 55 55 56 55-56 54 52 45-46 40-41

2 . 55 56 58 57,5-58 55-56 54-55 50 45

3 . 52-53 53-54 56-57 56-57 53-54 49-50 43,5-44

4 . 52-53 54 55 50,5-51 39

5 . 52-53 55 57 51,5-52 42-43

6 . 52-53 55-56 57 51-52 39-40

В начале от отливок диаметром 33 и 60 мм и поковки диаметром 33 мм отрезали образцы длиной 100 мм и с противоположных сторон прошлифовали «лыски» для замера твердости . Для поковки диаметром 63 мм и отливки диаметром 83 мм отрезку образцов не производили из-за технической сложности, а обеспечили только наличие «лысок» с двух сторон . Общий вид полученных образцов показан на рис . 1. Измеряли твердость сталей у поверхности полученных полуфабрикатов . Результаты приведены в табл . 3 . Из таблицы видно, что твердость стали поковки (№ 1) и отливки (№ 2), быстроохлажденной в тонкостенной форме на воздухе при диаметре 33 мм, примерно равна и составляет около 55 HRC . Твердость стали у отливок, подвергнутых замедленному охлаждению диаметром 33, 63 и 83 мм, и поковки диаметром 63 мм также примерно одинакова - 52-53 HRC (№ 3, 5, 6 и 4) .

После быстрого и медленного охлаждения литая сталь имеет схожее дендритное строение (рис . 2, 3) . Однако после быстрого охлаждения 35% зерен дендритов имеет средний размер до 25 мкм и 35% - 150175 мкм (рис . 2) . После медленного охлаждения те же 35% зерен имеют средний размер 150-175 мкм, однако мелких зерен у дендритов стало меньше (рис . 3) . Размеры дендритов приведены на рис . 4 . Из рисунка видно, что размеры зерен колеблются в широком диапазоне значений, хотя максимальное количество зерен отвечает приведенным выше размерам

В результате быстрого охлаждения в теле дендрита образуется структура стали мартенситного типа (рис . 5) . Карбидная фаза не определяется . Междендритное пространство - видоизмененный феррит (субструктурированная светлая составляющая) . На фоне видоизмененного феррита располагаются очень

мтг^кктглжпж /но

3 (84), 2016

Рис . 2 . Литая структура стали 4Х5МФ1С в прибыльной части после быстрого охлаждения отливки 4Х5МФ1С диаметром

33 мм и длиной 150 мм

Рис . 3 . Литая структура стали 4Х5МФ1С в прибыльной части отливки диаметром 33 и длиной 150 мм после медленного охлаждения

а б

Рис . 4 . Средний размер зерна дендритов литой стали 4Х5МФ1С после быстрого (а) и медленного (б) охлаждения отливок

(по трем кадрам)

мелкие первичные карбиды В образце наблюдаются дефекты литья, так как он был вырезан из прибыльной части, и карбидные включения Карбидная составляющая размещается в междендритном пространстве или рядом с ним и в таких участках, вероятно, могут быть сложные по строению карбиды Также присутствуют другие виды микроструктур стали (рис . 6), когда, очевидно, в ее составе можно обнаружить остаточный аустенит или какую-либо форму ферритообразной составляющей, образовавшейся из аустенита, а также расположение неустановленных по составу фаз

После медленного охлаждения в теле дендритов наблюдается более крупная структура мартенситно-го типа, образовавшаяся, по всей видимости, из у-фазы (рис . 7) . Однако есть и другое отличие: в некоторых участках на фоне тела дендрита четко выявляются границы новых зерен (рис 7) Причем формирование границ зерен не ограничено пределами одного конкретного дендрита На рис 8 выделена область (синий овал), описывающая один полный дендрит длиной 140 мкм и шириной 50 мкм . При большем

Ш/шт^гс ктглжгкь

I 3 (84), 2016-

Рис . 5 . Наиболее типичная внутризеренная структура литой стали 4Х5МФ1С у быстроохлажденной отливки диаметром 33 мм

и длиной 150 мм

Рис . 6 . Встречающаяся по сечению микроструктура стали 4Х5МФ1С после быстрого охлаждения отливки диаметром 33 мм

и длиной 150 мм

пт&кктпглтп 1191

3 (84), 2016

Рис 7 Типичная внутризеренная микроструктура литой стали 4Х5МФ1С в медленно охлажденной отливке диаметром 33 мм

и длиной 150 мм

увеличении четко видно зерно, сформировавшееся на теле данного и соседнего дендритов . Размер второго зерна: длина - 100 мкм, ширина - 70 мкм . Образовавшиеся новые зерна имеют внутризеренную структуру с наличием субструктурированных фаз . Следовательно, при медленном охлаждении в некоторых участках произошла перекристаллизация

На фоне сохранившегося междендритного ферритообразного и субструктурированного мартенсита присутствуют очень мелкие и редкие карбиды в обоих случаях охлаждения отливок Имеют место в структуре, вероятно, и сложные первичные карбиды . Величина их размера должна составлять порядка 5 мкм

Отличия в образовавшейся микроструктуре отливок одного и того же размера при их быстром и медленном охлаждении при проведении эксперимента определили различие в твердости стали у поверхности (табл . 3, № 2, 3) . Разница в твердости составляет около 2,0-2,5 ед . HRC . Она вызвана тем, что медленно охлажденная отливка имеет более крупное внутризеренное строение стали и присутствие светлой составляющей в ней несколько меньшее

Таким образом, подтверждением отличия процессов, протекающих в отливке при медленном охлаждении, является не только происходящая перекристаллизация структуры (рис . 8) . Помимо формирования новых у-зерен, происходит изменение количества светлой составляющей (рис . 9) . После быстрого охлаждения доля площади, занимаемая светлой частью структуры, составляет 12,5%, а уже после медленного охлаждения - только 9,27%

Можно также отметить, что процесс формирования новых границ зерен до конца не завершен: может потребоваться повторный нагрев

Подобные процессы протекают и при получении отливок диаметром 63 и 83 мм, где процессы перекристаллизации должны протекать более значительно, а количество светлой составляющей должно уменьшаться, хотя эффект упрочнения является примерно равным эффекту упрочнения стали в отливке диаметром 33 мм при медленном ее охлаждении .

Различия в построении микроструктуры, как в отливках разного диаметра, так и в поковках, начинают сказываться после проведения высокого отпуска при температуре от 500 до 650 °С (табл . 3) . Поковка диаметром 33 мм (табл . 3, № 1, рис . 10, а) проигрывает в уровне упрочнения отливке из той же стали

199 / гл^гпглттггп

I 3 (84), 2016-

а б

Рис . 9 . Доля субструктурированной ферритообразной составляющей (красная) у стали после быстрого (а) и медленного (б) охлаждения отливок диаметром 33 мм: а - быстрое охлаждение -12,5%; б - медленное охлаждение - 9,27%

и такого же диаметра (табл . 3, № 2, рис . 10, б) после быстрого охлаждения их на воздухе во всем интервале температур отпуска, в особенности при нагреве выше 600 °С .

Этот факт подтверждает идею автора о том, что структурные составляющие литого металла, отвечающие за уровень прочности, более отпускоустойчивые по сравнению со структурными составляющими деформированного металла . Отливка того же диаметра, но при медленном охлаждении (табл . 3, № 3, рис . 10, в) несколько проигрывает в уровне упрочнения металла отливке с быстрым охлаждением, но также имеет более высокий уровень твердости при отпуске с нагревом 600 °С и выше, чем поковка того же диаметра .

Увеличение размеров поковки и отливки до диаметра 63 мм уменьшает тенденцию к упрочнению стали по сравнению с отливками и поковкой диаметром 33 мм, хотя и незначительно при отпуске до 600 °С . Но более значителен этот эффект при дальнейшем повышении температуры нагрева вплоть до 650 °С (табл . 3, № 4, 5 и рис . 11, а, б). Примечательно, что именно в этом интервале температуры отпуска поковка опять имеет уровень упрочнения ниже, чем отливка . Повышение массы отливки при диаметре 83 мм

аггг^ггкпгшгггта /190

-3 (84), 2016/ ШЛЛМ

Рис . 10 . Изменение твердости стали 4Х5МФ1С от температуры отпуска поковки (а), отливки диаметром 33 мм с быстрым (б)

и медленным (в) охлаждением

а

б

в

также вызывает уменьшение уровня упрочнения стали в том же диапазоне температур отпуска (табл 3, № 6 и рис . 11, в) .

Исследовали микроструктуру литой стали 4Х5МФ1С после проведения отпуска при температуре нагрева 550 °С в течение 1,5 ч для образцов отливок диаметром 33 мм после их быстрого и медленного охлаждения (рис 12, 13)

124/

3 (84), 2016

Рис . 11 . Зависимость твердости стали 4Х5МФ1С от температуры отпуска поковки (а) и отливки диаметром 63 мм (б) и отливки диаметром 83 мм (в)

а

б

в

Отпущенные при температуре 550 °С образцы также были прошлифованы, заполированы и протравлены Для обоих случаев, как с быстрым, так и с медленным охлаждением, обнаружилась микроструктура стали, мало отличающаяся от литого состояния стали без проведения дополнительных нагревов (см . рис . 2 и рис . 12, а, рис . 5 и рис . 13, а). Микроструктура литой стали после проведения указанного отпуска внутри зерна (дендрита) в отливке с быстрым охлаждением является мартенситом отпуска, а в отливке с медленным охлаждением - троостомартенситом отпуска (см . рис . 3 и рис . 12, б, рис . 7 и рис . 13, б).

лптаг сгетштггта /19с

-3 (84), 2016/

б

Рис . 12 . Типичная микроструктура литой стали 4Х5МФ1С после отпуска при температуре 550 °С в течение 1,5 ч в образцах отливок диаметром 33 мм, полученных литьем с быстрым (а) и медленным (б) охлаждением

б

Рис . 13 . Внутризеренная микроструктура литой стали 4Х5МФ1С после отпуска при температуре 550 оС в течение 1,5 ч у образцов отливок диаметром 33 мм, полученных литьем с быстрым (а) и медленным (б) охлаждением

126 /3 (84

3 (84), 2016

Диаметр <

а

Рис . 14 . Зависимость твердости стали у поверхности отливки от ее диаметра: а - сталь 4Х5МФ1С сразу после литья; б -сталь 4Х5МФ1С после литья и отпуска 550 °С, 1,5 ч; в - сталь 4Х5МФ1С после литья и отпуска 650 °С, 1,5 ч

б

в

Это связано с тем, что при таких температурах отпуска происходит вторичное твердение литой стали с выделением очень мелких карбидов М2С, которые при таком увеличении не видны .

Выводы

1. Литая сталь имеет более высокий уровень упрочнения при проведении только высокого отпуска во всем интервале и выше по сравнению с кованым состоянием из-за более устойчивого состояния структуры к таким последующим нагревам

2 . Увеличение размера поковок и отливок (рис . 11 и 14, а, б, в) также приводит к снижению уровня упрочнения как сразу после литья или ковки, так и после высокого отпуска Это явление связано уже с укрупнением и упорядочением внутризеренной структуры и снижением относительного присутствия дефектов структуры: они более склонны к релаксации при проведении последующего нагрева, особенно при температуре выше, чем 600 °С . При этом твердость после отпуска при 550 °С на поверхности отливок несколько выравнивается при увеличении диаметра до 83 мм (рис . 14, б), а при повышении температуры отпуска до 650 °С снова наблюдается разница с увеличением размера отливки (рис . 14, в) .

/ггг^г: гг.гттлотп /197

-3 (84), 2016 / Ifcf

Литература

1. Федулов В. Н. Влияние количественного легирования инструментальных сталей для горячего деформирования на уровень их упрочнения // Литье и металлургия . 2015 . № 3(80) . С . 123-131.

2 . Геллер Ю. А. Инструментальные стали. 5-е изд. М. : Металлургия, 1983 . С . 19 .

References

1. Fedulov V. N. Vlijanie koliche^vennogo legirovanija in&rumental'nyh &alej dlja gorjachego deformirovanija na uroven' ih uprochnenija [Effect of doping quantitative tool &eels for hot deformation at the level of their hardening] . Lit'e i metallurgija = Foundry production and Metallurgy, 2015, no . 3(80), pp . 123-131.

2 . Geller Ju. A. Inârumental'nye iïali [Tool fteel] . Moscow, Metallurgija Publ . , 1983, 19 p .