Запорізький національний технічний університет

Бриков Андрій Миколайович

УДК 669.018:620.178.16

Дослідження структури і експлуатаційних властивостей економнолегованої високоміцної сталі для різних умов експлуатації

05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

- доктор технічних наук, професор Коваль Анатолій Данилович, Запорізький національний технічний університет, проректор, завідувач кафедрою “Фізичне матеріалознавство”.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Луньов Валентин Васильович, Запорізький національний технічний університет, директор Фізико-технічного інституту;

- кандидат технічних наук, Спектор Яків Ісаакович, Український науково-дослідний інститут спеціальних сталей сплавів та феросплавів (м. Запоріжжя), завідувач лабораторії “Фізичне металознавство”.

Провідна установа – Національна металургійна академія України Міністерства освіти і

науки України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “21“ грудня 2005 р. о 13°° годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д17.052.01 в Запорізькому національному технічному університеті (ЗНТУ) за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул.. Жуковського, 64, ауд.153.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ЗНТУ.

Автореферат розісланий “ 18 ” листопада 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д17.052.01 д.т.н., проф. Внуков Ю.Н.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Досягнутий на сьогодні рівень механічних властивостей середньовуглецевих високоміцних сталей після гартування і низького відпускання відповідає наступним показникам: ув = 1,8-1,9 ГПа, у0,2 = 1,5-1,6 ГПа, д = 8-9 %, Ш = 30_%, KCU = 35-40 Дж/см2, 52-53 HRC. Якщо міцність і пластичність в основному задовольняють виробництво, то ударна в'язкість на рівні 35-40 Дж/см2 недостатня для надійної роботи відповідальних деталей. Підвищення ударної в'язкості хоча б до 50 Дж/см2 є актуальним завданням металознавства. Крім того, для умов експлуатації, коли деталі мають бути зносостійкими, їх твердість на рівні 53 HRC є недостатньою.

Аналіз кращих вітчизняних та закордонних марок високоміцних сталей цього класу, які застосовують для деталей відповідального призначення, свідчить, що кожна з них за поєднанням міцності, твердості, зносостійкості та ударної в'язкості (конструкційна надійність), поступається сталі ДИ74-Ш (а.с. 945221). Перші експерименти показали, що після гартування і низького відпускання твердість, зносостійкість і ударна в'язкість цієї сталі знаходяться на рівні: ув = 2,0 ГПа, у0,2 = 1,8 ГПа, д = 10 %, ш =40 %, KCU  Дж/см2 при 56 HRC.

Однак, з урахуванням того факту, що сталь порівняно нова і маловивчена, необхідно було провести спрямовані дослідження з визначення всього комплексу її фізико-механічних властивостей і впливу на них термічної обробки, без чого ця високоміцна економнолегована сталь не могла бути рекомендована до використання як матеріал для деталей відповідального призначення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт ЗНТУ ДБ 05018 ''Розробка на основі експериментальних та теоретичних досліджень методології одержання у високоміцних економно легованих та інструментальних сталях оптимального комплексу міцнистних, пластичних та триботехнічних властивостей для різних умов навантаження'', номер державної реєстрації 0198U002606. Бриков А.М. був науковим співробітником цієї роботи.

Мета і задачі дослідження. Для визначення області раціонального використання високоміцної сталі ДИ74-Ш і розробки технологічних процесів виготовлення з неї деталей відповідального призначення необхідно було з'ясувати технологічні, фізико-механічні властивості і зносостійкість сталі для будь-якого можливого структурного стану. Саме це і було метою роботи.

Досягти цієї мети можна було при вирішенні наступних задач.

1. За допомогою дилатометричних досліджень визначити критичні точки і побудувати ізотермічну діаграму перетворення аустеніту сталі ДИ74-Ш, а також визначити її прогартовуваність.

2. З'ясувати вплив різних режимів термічної обробки на механічні властивості сталі ДИ74-Ш: межу міцності (ув), границю текучості (у0,2), відносне подовження (д), відносне звуження (ш), ударну в'язкість (KCU), твердість (HRC), а також зносостійкість (е).

3. Провести аналіз нетрадиційних способів термічної обробки, що дозволяють підвищити ударну в'язкість сталі без зниження її твердості і міцності. На підставі цього аналізу вибрати найбільш перспективний метод і застосувати його до досліджуваної сталі ДИ74-Ш з метою підвищення її ударної в'язкості.

Об'єкт дослідження – високоміцна сталь ДИ74-Ш, її технологічні, фізико-механічні властивості і зносостійкість при всіх можливих її структурних станах.

Предмет дослідження - визначення раціонального використання сталі ДИ74-Ш і розробка для неї базових режимів термічної обробки для різних умов експлуатації.

Методи дослідження. Дослідження фазового і структурного стану сталі ДИ74-Ш проводили дилатометричним і рентгеноструктурним методами.

Механічні властивості визначали за стандартними методиками, при цьому для дослідження опору сталі ДИ74-Ш абразивному зношуванню використовували машину Х4-Б.

Металографічні дослідження структури сталі при кімнатній і підвищених температурах здійснювали з використанням звичайного оптичного і високотемпературного оптичного мікроскопів.

Обробку результатів вимірів проводили з використанням методів математичної статистики.

Дослідження проведено на кафедрі “Фізичне матеріалознавство” Запорізького національного технічного університету.

Наукова новизна. Вперше для досліджуваної високоміцної сталі ДИ74-Ш побудована ізотермічна діаграма перетворення аустеніту. Визначено критичні точки для стандартних умов і визначена її прогартовуваність.

Встановлено залежності між значеннями критичних точок сталі ДИ74-Ш і швидкістю нагрівання, а також вплив на цю величину попередньої термічної обробки. Показано, що швидкості нагрівання, характерні для камерних печей, підвищують критичні точки сталі ДИ74-Ш на 25-45 оС, а швидкості нагрівання, що забезпечуються соляними ваннами і гартуванням струмом високої частоти, підвищують Ас1 і Ас3 на 100 - 150 оС.

У результаті проведених комплексних досліджень вперше показано вплив фазових перетворень у структурі сталі ДИ74-Ш на її фізико-механічні властивості (ув, у0,2, д, ш, KCU, HRC) і зносостійкість.

Встановлено, що абразивна зносостійкість загартованої сталі залежить від ступеня тетрагональності гратки мартенситу, а низьке відпускання приводить до зниження зносостійкості тільки в тому випадку, коли відбувається зменшення тетрагональності мартенситу. Також показано, що при вмісті вуглецю в мартенситі менше ніж 0,2 %, низьке відпускання не приводить до зниження зносостійкості сталі.

На підставі проведеного аналізу нетрадиційних способів термічної обробки, обрано найбільш перспективний спосіб, що полягає у подвійному гартуванні з проміжним високим відпусканням з температур, близьких до Ас1. Уперше застосувавши його до сталі ДИ74-Ш, домоглися підвищення її ударної в'язкості після низького відпускання з 50 до 60 Дж/см2 без зниження інших механічних властивостей.

Практичне значення одержаних результатів. У результаті досліджень впливу структури і термічної обробки на механічні і технологічні властивості, а також зносостійкість сталі ДИ74-Ш визначено її потенційні можливості і розроблено базові режими термічної обробки при виготовленні відповідальних деталей машин і устаткування для різних умов експлуатації.

Нагрівання під гартування деталей зі сталі ДИ74-Ш необхідно проводити в захисній атмосфері з температури 850 °С. Час витримки, навіть для дрібних деталей, має бути не менш 20 хвилин, гартівне середовище - олія.

Якщо робоча поверхня деталі піддається інтенсивному зношуванню при відсутності в процесі експлуатації інтенсивних ударів і динамічних навантажень, то можна застосовувати термічну обробку, що складається тільки із гартування.

Для деталей, що у процесі роботи, крім абразивного зношування піддаються динамічним навантаженням, необхідно призначати відпускання з температури 175 оС.

Для відповідальних деталей пар тертя, які працюють в умовах високих динамічних і ударних навантажень та існування концентраторів напружень, необхідно застосовувати відпускання з температури 200 оС. Якщо для надійної роботи таких деталі ударна в'язкість на рівні 50 Дж/см2 недостатня, необхідно використовувати термічну обробку, що полягає у подвійному гартуванні з проміжним високим відпусканням з температур, близьких до Ас1. Завершальна операція - низьке відпускання. За допомогою такої термічної обробки ударна в'язкість підвищується до 60 Дж/см2 при збереженні високих показників твердості і міцності.

Якщо деталь зі сталі ДИ74-Ш у процесі експлуатації не піддається інтенсивному зношуванню і відсутні високі контактні навантаження, а для надійної роботи потрібно забезпечити максимальний запас пластичності й ударної в'язкості, після гартування необхідно застосовувати відпускання з температури 600 оС.

Крім того, у результаті проведених досліджень з'явилася можливість зменшити номенклатуру високоміцних сталей, багато із з яких ДИ74-Ш може з успіхом замінити, тому що перевершує ці марки за комплексом механічних властивостей. Це сприяло б значному скороченню номенклатури використовуваних високоміцних сталей.

Очікуваний економічний ефект від заміни сталі 20ХГНМ сталлю ДИ74-Ш для виготовлення відповідальних шестерень автомобіля “Таврія”, складає 82,0 тис. грн., з яких 40,0 тис. грн. припадає на результати досліджень, проведених у дисертації.

Особистий внесок здобувача. Проведено аналіз вітчизняних і закордонних марок високоміцних сталей, які застосовують для деталей відповідального призначення. Показано, що сталь ДИ74-Ш перевершує кожну з них за комплексом механічних властивостей [2, 5, 6, 7].

Побудовано ізотермічну діаграму перетворення аустеніту в сталі ДИ74-Ш [1].

Досліджено вплив температур гартування та відпускання на структуру механічні властивості та абразивну зносостійкість сталі ДИ74-Ш [1, 3].

За допомогою рентгеноструктурного аналізу встановлено яким чином вуглець розподіляється у мартенситі сталей У8 і ДИ74-Ш після гартування та відпускання у процесі абразивного зношування. Також встановлена залежність абразивної зносостійкості загартованої сталі від ступеня тетрагональності гратки мартенситу [3].

Розроблено базові режими термічної обробки при виготовленні відповідальних деталей машин і устаткування з сталі ДИ74-Ш для різних умов експлуатації [1].

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на VI міжнародній науково-технічній конференції "Нові конструкційні сталі і сплави і методи обробки для підвищення надійності і довговічності виробів", Запоріжжя, 1995; на VIII науково-технічній конференції ''Неметаллические включения и газы в литейных сплавах''. - Запоріжжя, 1997; на міжнародній науково-технічній конференції ''Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва'', Київ, 1998; на кафедральних і міжкафедральних семінарах ЗНТУ.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, одного додатка. Основну частину роботи викладено на 118 сторінках, із них 35 рисунки на 12 сторінках, 11 таблиць на 5 сторінках, один додаток на 2 сторінках, перелік використаних джерел із 129 назв.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено актуальність теми, мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичну цінність роботи.

У першому розділі на підставі літературних даних показано, що розвиток сучасної техніки в авіаційній, автомобільній і іншій галузях, приводить до постійного підвищення вимог до комплексу механічних властивостей матеріалів, які використовуються. Водночас досить часто для досягнення мети необхідне поєднання декількох суперечливих характеристик. Наприклад: міцність, твердість, зносостійкість, пластичність і ударна в'язкість (важконавантажені шестерні, вали, деталі сільськогосподарських машин тощо).

Сьогодні для вирішення цієї проблеми використовують низьковуглецеві цементовані високоміцні сталі, кращі з яких (наприклад сталь 18Х2Н4ВА та ін.) після цементації, гартування і низького відпускання, забезпечують наступний комплекс механічних властивостей: ув = 1,0-1,2 ГПа, HRC 58-60 (твердість цементованного шару), KCU = 70-80 Дж/см2.

Однак хіміко-термічна обробка забезпечує високий опір контактним навантаженням і зношуванню тільки на глибину зміцненого шару, товщина якого не перевищує 1 міліметра. Після його зношування твердість робочої поверхні стрімко падає до 20-30 HRC, що приводить до виходу деталі з ладу внаслідок катастрофічно швидкого зношування чи зминання поверхні через високі контактні навантаження. Але в багатьох деталях величина зносу конструктивно припустима на велику глибину. Тоді термін служби обмежується часом зношування цементованного шару, значне збільшення товщини якого не є можливим.

Таким чином, одержання матеріалу з високою твердістю і міцністю по всій глибині в поєднанні з високою ударною в'язкістю сьогодні є актуальним.

Найбільш перспективним матеріалом для вирішення цієї задачі є нецементовні високоміцні сталі, властивості яких поліпшуються відповідною термічною обробкою.

Проведений аналіз кращих вітчизняних і закордонних марок високоміцних сталей, що застосовуються для самих відповідальних виробів машинобудування і оборонної промисловості, свідчить, що потенційні можливості розробленої в ЗНТУ економнолегованої високоміцної сталі ДИ74-Ш вище кожної з них.

Якщо сталі з більш низьким вмістом вуглецю (28Х3СНМВФА, 32Х2НВМБР, 30ХГСН2А) мають пластичність і в'язкість аналогічні для сталі ДИ74-Ш, то їхня міцність і твердість набагато нижче. І навпаки, сталі, що містять 0.4 % С и вище (45ХН2МФА-Ш, 48ХН3МА-Ш, AISI 8650, АISI 300M), наближаються за міцністю і твердістю до ДИ74-Ш, але показники пластичності і в'язкості в них істотно нижчі.

Крім того, використання сталі ДИ74-Ш могло б сприяти скороченню кількості використовуваних високоміцних сталей. В даний час виробляється понад чотирьохсот марок конструкційних легованих сталей, більшість з яких і складають сталі підвищеної та високої міцності. Слід зазначити, що багато марок за своїми властивостями практично не відрізняються і дублюють одна одну. Доцільно провести їхню ревізію і скоротити кількість стандартних сталей, як це робиться в інших країнах. І цілком очевидно, що економнолегована сталь ДИ74-Ш може з успіхом замінити велику кількість існуючих марок.

Однак, незважаючи на безперечно високі потенційні можливості, сталь ДИ74-Ш не можна було рекомендувати до широкого впровадження, тому що не всі її властивості були з'ясовані і необхідно було проведення спрямованих досліджень по визначенню всього комплексу її механічних властивостей.

У першому розділі представлено також результати аналізу літературних даних щодо методів, спрямованих на підвищення ударної в'язкості конструкційних високоміцних сталей без зниження їхньої твердості і міцності.

В другому розділі подано технологію виробництва сталі ДИ74-Ш і методику проведення експериментів.

Хімічний склад (відповідно а.с. 945221), % мас.: 0,4...0,5% C; Mn = 0,45%; 0,15...0,35% Si; 0,8...1,2% Cr; 1,2...1,6% Ni; 0,2...0,3% Mo; 0,1...0,2% V; 0,1...0,2% W; 0,01...0,03% РЗМ; S = 0,015%; P = 0,030%.

Відхилення вмісту елементів у сталі та їх залишковий вміст повинні відповідати ГОСТ 4543-71. Дослідно-промислові партії прокату з цієї сталі виготовлялися за технічними умовами ТУ 14-143-399-83 на металургійному заводі "Дніпроспецсталь" м. Запоріжжя.

Усі дослідження було проведено з використанням сучасного устаткування.

Для спостереження і фотографування мікроструктур при кімнатній температурі використовували оптичні мікроскопи GX51 (OLYMPUS) і NU-2E (виробництво Німеччини).

Дилатометричні експериментальні дані були отримані за допомогою теплових дилатометрів моделі DL-1500 і DL-7ТОВ фірми ''Ульвак - Синку Рикко'' (виробництво Японії), призначених для вимірювання довжини зразка у вигляді твердого стрижня при нагріванні чи охолодженні в вакуумі або в інертному газі.

Рентгеноструктурний аналіз проводили на дифрактометрі ДРОН-1. Для проведення аналізу обрана дифракційна лінія 222, для якої відсутній тетрагональний дублет на рентгенограмі мартенситу. Зйомку проводили в мідному випромінюванні з монохроматизацією дифракційних променів.

Твердість HRC вимірювали на твердомірі типу ТК-2. Твердість HV визначалася на твердомірі типу Виккерс ТВП 5012 при навантаженні 98.8 Н (ГОСТ 23677-79). Мікротвердість вимірювали на приладі LM700AT (LECO), навантаження - 0.49Н.

Досліди на розтягування проводили згідно вимог ГОСТ 1497-73 на стандартних зразках III типу.

При дослідах на ударний згин зразки руйнувалися на копрі типу МК30А (ГОСТ 9454-78). Використовувалися зразки з U-подібним надрізом.

Для термічної обробки зразків використовували піч опору СУОЛ-0.4.4 з ніхромовим нагрівачем. Температуру вимірювали за допомогою термопари ХА в комплексі з цифровим контрольно-керуючим приладом А-565-003-02, що забезпечувало визначення температури з точністю до 1 °С.

Дослідження мікроструктури сталі ДИ74-Ш при високих температурах проводили за допомогою установки, що містить у собі мікроскоп для дослідження у відбитому світлі фірми Reichert, камеру нагрівання ''Vacutherm'' фірми Reichert, вакуумну установку PO1R Leybold Hochvakuumanlagen.

Досліди по визначенню опору зразків абразивному зношуванню проводили за стандартною (ГОСТ 17367-71) методикою з використанням машини Х4-Б.

Під час проведення вимірів різних параметрів за результат приймали середнє з п'яти чи більш ідентичних випробувань. Довірчий інтервал отриманих значень не перевищував 5...7 % при надійності виводу 0,96. При обробці експериментальних даних виключали результати, що містять грубі похибки з ймовірністю 0,90.

У третьому розділі представлено результати спрямованих досліджень по визначенню комплексу фізико-механічних властивостей сталі ДИ74-Ш. На підставі проведених досліджень побудована ізотермічна діаграма сталі ДИ74_Ш (рис. ), визначені її критичні точки.

Легувальні елементи, що входять до складу сталі ДИ74-Ш, істотно підвищують стійкість аустеніту і зсувають криві початку перетворення праворуч.

Порівняння значень точок Mн сталі ДИ74-Ш і сталі 45ХН2МФА (сталь – прототип, Mн = 275 °С) показує, що точка Мн у сталі ДИ74-Ш на 55°С вище. Отже, після гартування на мартенсит у структурі сталі ДИ74-Ш буде менше залишкового аустеніту, а це позитивно впливає на механічні властивості сталі, зокрема на твердість і ударну в'язкість. Легувальні елементи, що входять до складу ДИ74-Ш, забезпечують також високу прогартовуваність. Критичний діаметр для гартування в олії досягає 70мм.

З'ясовано вплив температури гартування на механічні властивості досліджуваної сталі (рис. 2).

Оптимальний комплекс механічних властивостей сталь ДИ74-Ш має після гартування з температур 830 - 900 °С. Зниження температури гартування нижче 830 °С приводить до появи в структурі після гартування фериту, що негативно впливає на твердість, міцність і ударну в'язкість.

Підвищення температури гартування понад 900 °С викликає стрімкий ріст зерна аустеніту, що також негативно позначається на механічних властивостях.

Слід відзначити той факт, що навіть після термічної обробки, що складається з одного гартування, пластичні властивості і ударна в'язкість сталі ДИ74-Ш (д = 8,2-8,8ш _%, KCU = 40-42 Дж/см2) практично не поступаються аналогічним характеристикам кращих сталей цього класу після оптимального низького відпускання, а твердість і міцність у ДИ74-Ш при цьому значно вище (ув ,50-2,52 ГПа, у0,2 ,2_,3 ГПа, 59-60

Встановлено вплив температури відпускання на механічні властивості сталі ДИ74-Ш (рис. 3). При підвищенні температури відпускання від 100 °С до 200 °С, міцність і твердість незначно знижуються, а пластичність і ударна в'язкість – зростають, а після відпускання з температури 200 °С KCU досягає свого максимального значення 52 Дж/см2. При підвищенні температури відпускання до 225 °С і вище, KCU починає знижуватися через окрихчення сталі, що називають відпускною крихкістю I роду.

Порівняння механічних властивостей сталей ДИ74-Ш і сталі 45ХН2МФА (сталь - прототип) після гартування і відпускання з різних температур показує, що після відпускання з температур до 300 °С сталь ДИ74-Ш перевершує сталь 45ХН2МФА за всіма характеристиками механічних властивостей. Це особливо очевидно при порівнянні ударної в'язкості, межі міцності і характеристик пластичності.

У четвертому розділі представлено результати досліджень спрямованих на подальше підвищення ударної в'язкості сталі ДИ74-Ш без зниження її твердості і міцності за допомогою нетрадиційних способів термічної обробки.

Перед тим, як безпосередньо приступити до розробки конкретних режимів, необхідно було визначити вплив різних швидкостей нагрівання, близьких до реальних, на критичні точки Ас1 і Ас3 сталі ДИ74-Ш (рис.4). Показано, що швидкості нагрівання, характерні для камерних печей, підвищують критичні точки сталі ДИ74-Ш на 25-45 оС, а швидкості нагрівання, які забезпечуються соляними ваннами і гартуванням струмом високої частоти, підвищують Ас1 і Ас3 на 100 - 150 оС

На підставі аналізу основних нетрадиційних способів термічної обробки, які використовуються для подрібнення зерна сталі і підвищують її ударну в'язкість, було обрано найбільш ефективний і простий режим, що полягає у подвійному гартуванні з проміжним високим відпусканням з температур близьких до Ас1. На підставі результатів, представлених на рисунку 4, обрана температура ізотермічної витримки, що становить 700 оС. Завершальна операція - низьке відпускання з температури 200 оС (час витримки - 2 години). Цей режим, на відміну від інших методів нетрадиційної термічної обробки, досить простий і не має технологічних обмежень. За допомогою такої термічної обробки вдалося підвищити ударну в'язкість сталі ДИ74-Ш від 50 до 60 Дж/см2, інші характеристики мають такі показники: ув ,2 ГПа, у0,2 = 2,0 ГПа, д11 %, ш = 46 %, 56

У п'ятому розділі представлено результати досліджень з визначення рівня зносостійкості сталі ДИ74-Ш в умовах абразивного зношування.

У багатьох випадках деталі різних машин і устаткування працюють в умовах інтенсивного абразивного зношування, і швидке зношування досить часто є причиною виходу з ладу устаткування. Перед конструкторами ж при проектуванні такого устаткування постає проблема вибору матеріалу для деталей, що працюють у таких жорстких умовах.

Тому наступним етапом у вивченні сталі ДИ74-Ш стало з'ясування рівня її зносостійкості (е) в умовах абразивного зношування.

Як еквівалент цементованих сталей, що застосовуються сьогодні, обрана сталь У8. Після гартування вона має максимальну зносостійкість для сталей даного класу і підвищення концентрації вуглецю в цементованому шарі вище евтектоїдного не приводить до підвищення його зносостійкості.

Крім того, щоб з'ясувати вплив легування на здатність сталі ДИ74-Ш чинити опір абразивному зношуванню, визначалася зносостійкість сталі 50.

Експерименти показали, що легувальні елементи, які входять до складу сталі ДИ74-Ш, підвищують її зносостійкість, відносно сталі 50, тільки після високого відпускання (рис. 5).

У загартованої сталі У8 зносостійкість вище, ніж у ДИ74-Ш (див. рис.5). Однак з підвищенням температури відпускання навіть до 100 °С зносостійкість сталі У8 починає інтенсивно знижуватися, і вже після відпускання з температури 200 °С зносостійкість У8 нижче, ніж у сталі ДИ74-Ш у загартованому стані.

У роботах багатьох авторів показано, що абразивна зносостійкість сталей залежить від мікротвердості поверхні тертя. Тому, щоб більш докладно вивчити процеси, що відбуваються на поверхні сталей У8 і ДИ74-Ш при абразивному зношуванні і з'ясувати чому низьке відпускання з температур до 175 оС по різному впливає на їхню зносостійкість, була досліджена мікротвердість поверхні (Н) загартованих сталей У8 і ДИ74-Ш до і після зношування і встановлено вплив на ці характеристики температури відпускання.

Проведені дослідження показали, що мікротвердість сталі У8 починає знижуватися вже після відпускання з температури 100 °С (рис. ). Крім цього, починаючи з температури 150 °С знижується приріст мікротвердості поверхні тертя в процесі зношування, тобто зменшується ступінь динамічного зміцнення поверхні сталі У8.

У загартованої сталі ДИ74-Ш мікротвердість поверхні до і після зношування, як і зносостійкість, залишаються незмінними навіть після відпускання з температури 175 °С.

Причину цього з'ясували за допомогою рентгеноструктурного аналізу і встановили яким чином вуглець розподіляється у мартенситі сталей У8 і ДИ74-Ш після гартування та відпускання у процесі абразивного зношування.

Мартенсит сталі ДИ74-Ш після гартування містить менше ніж 0.2% вуглецю (рис.7), тому низьке відпускання суттєво не знижує його тетрагональність. Такий незвичайно низький вміст вуглецю в мартенситі загартованої сталі ДИ74-Ш можна пояснити тим, що для середньовуглецевих сталей характерним є виділення вуглецю з гратки сформованого ртенситу вже в процесі самого гартування .

Мартенсит сталі У8 після гартування містить 0.7 % вуглецю. Після гартування і низького відпускання при 100 oC він містить вже 0.35 % вуглецю. Аабразивне зношування загартованої і низько відпущеної при 100 oC сталі У8 знижує вміст вуглецю в мартенситі її поверхневого шару до 0.22 %.

Таким чином, на підставі проведених досліджень можна зробити висновок, що в поверхневому шарі в процесі абразивного зношування відбувається міграція атомів вуглецю до дислокацій і інших дефектів гратки, а не в е-карбіди, у результаті чого відбувається їх закріплення і зростає густина (за оцінкою концентрація дислокацій у поверхневому шарі досягає 1012 см-2). У результаті цього процесу мікротвердість поверхні різко зростає і, як наслідок, підвищується зносостійкість.

З цього витікає, що здатність сталі зміцнюватися в процесі зношування та її зносостійкість тим вище, чим більше вуглецю знаходиться в її мартенситі. Низьке ж відпускання знижує зносостійкість загартованої сталі тільки в тому випадку, коли при цьому знижується тетрагональність її мартенситу.

У шостому розділі представлені режими термічної обробки деталей зі сталі ДИ74-Ш для різних умов експлуатації.

Нагрівання під гартування деталей зі сталі ДИ74-Ш необхідно проводити в захисній атмосфері з температури 850 °С. Час витримки, навіть для дрібних деталей, повинен бути не менш 20 хвилин, гартівне середовище – олія.

Зниження температури чи скорочення часу витримки приводить до того, що в структурі після гартування буде залишатися ферит, що негативно впливає на механічні властивості загартованої сталі ДИ74-Ш, у тому числі і на ударну в'язкість (див. рис. 2).

Температуру відпускання необхідно вибирати враховуючи з умови роботи деталі.

Так, якщо робоча поверхня деталі піддається інтенсивному зношуванню при відсутності в процесі експлуатації інтенсивних ударів і динамічних навантажень, то можна застосовувати термічну обробку, що складається тільки з гартування, тому що після нього твердість, міцність і зносостійкість сталі ДИ74-Ш будуть максимальні, а пластичні властивості й ударна в'язкість знаходяться на задовільному рівні і практично не поступаються аналогічним характеристикам кращих сталей цього класу після оптимального низького відпускання (ув = 2,50-2,52 ГПа; у0,2 = 2,2-2,3 ГПа; д = 8,0 -9,0 %; ш = 32-33%; KCU = 40- 42 Дж/см2; е = 44-45; 59-60 HRC).

Однак, якщо на деталь, крім зношування, впливають ще і динамічні чи ударні навантаження, тоді після гартування її потрібно відпустити з температури 175 °С, тому що таке відпускання не знижує зносостійкості сталі ДИ74-Ш, а ударна в'язкість і пластичні властивості підвищюються (KCU підвищується до 44-45 Дж/см2; д - до 9,0_%; ш - до 42-46%).

Для надійної роботи деталі в умовах поєднання високих динамічних, ударних і контактних навантаженнь та існування концентраторів напруги необхідно підвищити пластичність і ударну в'язкість в поєднанні з досить високими міцністю і твердістю. У цьому випадку необхідно використовувати термічну обробку, що складається з гартування і низького відпускання при 200 °С, оскільки при цьому забезпечується максимальна (для низького відпускання) ударна в'язкість (ув = 2,1-2,2 ГПа; у0,21,9-2,0ГПа; д = 11 %; ш = 46-47 %; KCU = 50-52,5 Дж/см2; е = 39; 56-57 HRC). У тому випадку, коли для надійної роботи деталей рівень ударної в'язкості 50-52 Дж/см2 недостатній, а високе відпускання призначати не можна, варто використовувати подвійне гартування з проміжним високим відпусканням з температур, близьких до Ас1; завершальна операція – низьке відпускання. Така термічна обробка підвищує ударну в'язкість сталі ДИ74-Ш до 60 Дж/см2 при збереженні високих показників твердості і міцності.

Якщо, виходячи з умов роботи, потрібно забезпечити максимальну ударну в'язкість і пластичність, а границя текучості достатня на рівні 1.1-1.2 ГПа, тоді після гартування необхідно проводити високе відпускання з температури 600 °С. Після цієї термічної обробки сталь ДИ74-Ш має високі показники ударної в'язкості і пластичності (ув = 1,2_,3 ГПа; у0,2 = 1.1-1.2 ГПа, д = 15-16 %, ш = 58-60 %, KCU = 110-115 Дж/см2, 37-38 HRC).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Огляд літературних даних показав, що середньовуглецеві сталі після поліпшення мають високий комплекс міцності, твердості, зносостійкості й ударної в'язкості, і можуть бути альтернативним матеріалом для виготовлення деталей зі сталей, що піддаються хіміко-термічній обробці (у т.ч. і цементації). Це пов’язано з тим, що останні забезпечують високу твердість робочої поверхні лише на глибину цементованого шару.

Показано, що такою перспективною сталлю є ДИ74-Ш, яка за комплексом властивостей переважає відомі сталі цього класу. Крім того, широке застосування сталі ДИ74-Ш може замінити багато із чотирьохсот марок конструкційних легованих сталей, скоротивши при цьому їхню номенклатуру, що економічно вигідно в ринкових умовах.

2. Уперше побудовано діаграму ізотермічного перетворення аустеніту і визначені критичні точки сталі ДИ74-Ш (Ас1=755 оС, Ас3=805 оС, Мн=330 оС).

Основні відмінності діаграми сталі ДИ74-Ш від аналогічної діаграми сталі 45ХН2МФА полягають у тому, що точка Мн у сталі ДИ74-Ш на 55 °С вище. Це пояснюється тим, що вміст марганцю у сталі ДИ74-Ш знижено до мінімуму (Mn = 0.45%).

Отже, після гартування на мартенсит у структурі сталі ДИ74-Ш буде менше залишкового аустеніту, а це позитивно впливає на механічні властивості сталі.

3. Показано, що оптимальною температурою гартування сталі ДИ74-Ш є 850±10 оС. Мінімальний час витримки навіть для дрібних деталей складає 20 хвилин, що необхідно для завершення фазових і структурних перетворень.

При меншій температурі аустенізації чи часу витримки в структурі зберігається ферит. При підвищенні температури аустенізації до 900 оС спостерігається значний ріст аустенітного зерна, що негативно впливає на властивості сталі ДИ74-Ш.

Прогартовуваність сталі ДИ74-Ш при гартуванні в олії складає 70 мм, що достатньо для термічної обробки великих деталей.

4. Встановлено, що твердість поверхні тертя й абразивна зносостійкість загартованої сталі У8 (аналог цементованого шару) залежить від ступеня тетрагональності гратки мартенситу. Низьке ж відпускання, навіть з температури 100 оС, приводить до зниження цих характеристик, тому що при цьому відбувається значне зниження тетрагональності мартенситу сталі У8, а після відпускання з температури 200 оС зносостійкість сталі У8 вже нижче, ніж у загартованої сталі ДИ74-Ш.

Зносостійкість сталі ДИ74-Ш залишається незмінною до температури відпускання 175 оС, тому що в її мартенситі навіть після гартування міститься менше 0.2 % вуглецю. Це дозволяє істотно підвищити її пластичні властивості й ударну в'язкість за рахунок низького відпускання, не знижуючи при цьому зносостійкість.

5. Визначено вплив температури відпускання на механічні властивості загартованої (з температури 850 оС) сталі ДИ74-Ш. Встановлений рівень властивостей дозволяє рекомендувати для деталей зі сталі ДИ74-Ш, що працюють у різних умовах, наступні види термічної обробки.

Якщо, виходячи з умов роботи, потрібно забезпечити максимальну ударну в'язкість і пластичність, а границя текучості достатня на рівні 1,2 ГПа, тоді після гартування необхідно проводити високе відпускання з температури 600 оС.

Для деталей, підданих інтенсивному зношуванню без ударів і динамічних навантажень, можна застосовувати термічну обробку, що складається тільки з гартування (без відпускання), тому що після нього твердість, міцність і зносостійкість сталі ДИ74-Ш будуть максимальні, а пластичні властивості й ударна в'язкість практично не поступаються аналогічним характеристикам сталей 45ХН2МФА, АISI 300M після оптимального низького відпускання.

Для деталей, що піддаються в процесі роботи абразивному зношуванню, а також динамічному чи ударному навантаженням, необхідно призначати відпускання з температури 175 оС, яке при тому ж рівні зносостійкості підвищує пластичні властивості й ударну в'язкість.

Для відповідальних деталей пар тертя, що працюють в умовах високих динамічних і ударних навантажень та концентраторів напружень, необхідно застосовувати відпускання з температури 200 оС, що забезпечує максимальну для низького відпускання ударну в'язкість (50-52,5 Дж/см2), що істотно перевищує відповідні властивості сталей 45ХН2МФА, АISI 300M і AISI 8650.

У тому випадку, коли для надійної роботи деталей рівень ударної в'язкості КСU = 50 Дж/см2 недостатній, а високе відпускання призначати не можна, варто використовувати подвійне гартування з проміжним високим відпусканням з температур, близьких до Ас1; завершальна операція – низьке відпускання. Така термічна обробка підвищує ударну в'язкість сталі ДИ74-Ш до 60 Дж/см2, при збереженні високих показників твердості і міцності.

СПИСОК ПУБЛИКАЦІЙ

1. Брыков А.Н., Брыков М.Н. Влияние термообработки на структуру и износостойкость высокопрочной стали // Металознавство та обробка металiв. - 2000. -N3. - С. 48-51.

2. Коваль А.Д., Брыков А.Н., Слипченко В.Г. Новая перспективная высокопрочная сталь // Сборник научных трудов ЗНТУ ''Новi матерiали i технологiї в металургiї та машинобудуваннi''. - Запоріжжя, 1997. -N 1-2. -C. 49-51.

3. Брыков А.Н., Ольшанецкий В.Е., Степанова Л.П. Влияние термической обработки на структуру и износостойкость высокопрочной стали ДИ74-Ш // Сборник научных трудов ЗНТУ ''Новi матерiали i технологiї в металургiї та машинобудуваннi''. – Запоріжжя, 2002. -N1. -C. 48-51.

4. Брыков А.Н. Влияние термической обработки на микротвердость поверхности трения и абразивную износостойкость стали ДИ74-Ш // Сборник научных трудов ЗНТУ ''Новi матерiали i технологiї в металургiї та машинобудуваннi''. - Запоріжжя, 2004. –N2. -C. 53-55.

5. Брыков А.Н. Комплекс физико-механических свойств стали ДИ74-Ш и перспективы его повышения // Прогрессивная техника и технология машиностроения, приборостроения и сварочного производства. – Киев: КПІ.- 1998. –Т.II. –C. 309-312.

6. Коваль А.Д., Брыков А.Н. Влияние термической обработки на структуру и свойства стали ДИ74-Ш // Материалы VI международной научно-технической конференции ''Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий''. -Запоріжжя, 1995. -С. 16.

7. Коваль А.Д., Слипченко В.Г., Брыков А.Н. Влияние режимов термической обработки на прочность и вязко-пластические свойства стали ДИ74-Ш // Материалы VI международной научно-технической конференции ''Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий'' . - Запоріжжя, 1995. -С. 17.

8. Брыков А.Н. Определение комплекса физико-механических свойств стали ДИ74_Ш для различных условий контактного взаимодействия // Сборник научных трудов VIII научно-технической конференции ''Неметаллические включения и газы в литейных сплавах''. - Запоріжжя, 1997. -С. 98-100.

9. Брыков А.Н. О перспективах использования нетрадиционных методов повышения ударной вязкости высокопрочных сталей // Сборник научных трудов VIII научно-технической конференции ''Неметаллические включения и газы в литейных сплавах''. - Запоріжжя, 1997. -С. 101-103.

АНОТАЦІЯ

Бриков А.М. Дослідження структури і експлуатаційних властивостей економнолегованої високоміцної сталі для різних умов експлуатації. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 – Металознавство та термічна обробка металів. Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2005р.

Дисертація містить дослідження технологічних, фізико-механічних властивостей і зносостійкості нової економнолегованої високоміцної сталі ДИ74-Ш для всіх можливих її структурних станах.

Для досліджуваної високоміцної сталі ДИ74-Ш побудована ізотермічна діаграма перетворення аустеніту. Знайдено критичні точки для стандартних умов, а також вплив на їхню величину швидкості нагрівання.

У результаті проведених комплексних досліджень показано вплив фазових перетворень у структурі сталі ДИ74-Ш на її фізико-механічні властивості (уу, у0,2, д, ш, KCU, HRC) і зносостійкість.

Встановлено, що зносостійкість загартованої сталі залежить від ступеня тетрагональності гратки мартенситу і низьке відпускання приводить до зниження зносостійкості тільки в тому випадку, якщо при цьому відбувається зниження тетрагональності мартенситу. Також показано, що при вмісті вуглецю в мартенситі менш ніж 0,2 % низьке відпускання не приводить до зниження зносостійкості сталі.

На підставі проведеного аналізу нетрадиційних способів термічної обробки, обрано найбільш перспективний спосіб, що полягає у подвійному гартуванні з проміжним високім відпусканням з температур, близьких до Ас1. Уперше застосувавши його до сталі ДИ74-Ш, домоглися підвищення її ударної в'язкості після низького відпускання з 50 до 60 Дж/см2 без зниження інших механічних властивостей.

У результаті досліджень впливу структури і термічної обробки на механічні і технологічні властивості, а також зносостійкість сталі ДИ74-Ш визначено її потенційні можливості і розроблено базові режими термічної обробки при виготовленні відповідальних деталей машин і устаткування для різних умов експлуатації.

Ключові слова: мартенсит, зерно аустениту, фазові претворення, ударна в’язкість, зносостійкість, високоміцна сталь, режим термічної обробки.

АННОТАЦИЯ

Брыков А.Н. Исследование структуры и эксплуатационных свойств экономнолегированной высокопрочной стали для различных условий эксплуатации. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов. Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2004г.

Диссертация содержит исследования технологических, физико-механических свойств и износостойкости новой экономнолегированной высокопрочной стали ДИ74-Ш при всех возможных ее структурных состояниях.

Для исследуемой высокопрочной стали ДИ74-Ш построена изотермическая диаграмма превращения аустенита. Определены критические точки для стандартных условий и определена ее прокаливаемость.

Установлены зависимости между значением критических точек ДИ74-Ш и скоростью нагрева, а также влияние на их величину предварительной термообработки. Показано, что скорости нагрева, характерные для камерных печей, повышают критические точки стали ДИ74-Ш на 25-45 оС, а скорости нагрева, обеспечиваемые соляными ваннами и закалкой ТВЧ, повышают Ас1 и Ас3 на 100 - 150 оС.

В результате проведенных комплексных исследований показано влияние фазовых превращений в структуре стали ДИ74-Ш на ее физико-механические свойства (ув, у0,2, д, ш, KCU, HRC) и износостойкость.

Установлено, что абразивная износостойкость закаленной стали зависит от степени тетрагональности мартенсита и низкий отпуск приводит к снижению износостойкости только в том случае, если при этом происходит снижение тетрагональности мартенсита. Также показано, что при содержании углерода в мартенсите менее 0,2 % низкий отпуск не приводит к снижению износостойкости стали.

На основании проведенного анализа нетрадиционных способов термообработки, выбран наиболее перспективный способ, включающий в себя двойную закалку с промежуточным высоким отпуском при температурах, близких к Ас1. Впервые применив его к стали ДИ74-Ш, добились повышения ее ударной вязкости после низкого отпуска с 50 до 60 Дж/см2 без снижения остальных механических свойств.

В результате исследований влияния структуры и термической обработки на механические и технологические свойства, а также износостойкость стали ДИ74-Ш, определены ее потенциальные возможности и разработаны базовые режимы термообработки для изготовления ответственных деталей машин и оборудования для различных условий эксплуатации.

Если, исходя из условий работы, требуется обеспечить максимальную ударную вязкость и пластичность, а предел текучести достаточен на уровне 1.2 ГПа, тогда после закалки необходимо проводить высокий отпуск при температуре 600 ?С.

Для деталей, подверженных интенсивному изнашиванию без ударов и динамических нагрузок, можно применять термообработку, состоящую только из закалки (без отпуска), т.к. после нее твердость, прочность и износостойкость стали ДИ74-Ш будут максимальны, а пластические свойства и ударная вязкость практически не уступают аналогичным характеристикам сталей 45ХН2МФА, АISI 300M после оптимального низкого отпуска.

Для деталей, которые подвержены в процессе работы абразивному изнашиванию, а также динамическим или ударным нагрузкам необходимо назначать отпуск 175 оС, который не снижая