Повышение конструкционной прочности азотированных низкоуглеродистых мартенситных сталей

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 669. 15−194. 55/621. 785. 532
С.С. Югай
Пермский государственный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ АЗОТИ РОВАН Н ЫХ Н ИЗКОУГЛ Е РОДИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ
Низкоуглеродистые мартенситные стали являются перспективным материалом для изготовления деталей машиностроения, упрочняемых химико-термической обработкой. Показано, что после азотирования и последующей закалки из межкритического интервала температур низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ могут быть получены высокие механические свойства сердцевины и износостойкость поверхностного слоя.
Технологичные низкоуглеродистые мартенситные стали (НМС) — новый класс сталей, предназначенных для изготовления деталей машин и сварных конструкций. Рациональное сочетание легирующих элементов обеспечивает высокую устойчивость переохлажденного аустенита НМС [1] и получение структуры пакетного мартенсита в больших сечениях при охлаждении на воздухе. Временное сопротивление разрыву современных НМС (ств) составляет до 1500 МПа, ударная вязкость (КСи) — не менее 0,8 МДж/м2. Для улучшения износостойкости и коррозионной стойкости изделий из низкоуглеродистых мартенситных сталей применяют химико-термическую обработку (ХТО). Один из наиболее перспективных видов ХТО НМС — азотирование [2]. Однако в процессе азотирования понижаются механические свойства сердцевины [3]. Их повышение возможно за счет термической обработки после азотирования.
Азотированная низкоуглеродистая мартенситная сталь после термической обработки способна обеспечить сочетание высоких прочности, пластичности, вязкости сердцевины и износостойкости поверхности.
Цель данной работы — исследование структуры и свойств поверхностного слоя НМС 12Х2Г2НМФТ после азотирования и последующей термической обработки.
Методики исследований и экспериментов. Для приготовления опытных образцов использовали НМС 12Х2Г2НМФТ, и для сравнения — сталь 38Х2МЮА (табл. 1).
Химический состав сталей
Таблица 1
Марка стали Содержание элементов, мас. %
С Мп БІ Сг № Мо V ТІ А1
12Х2Г2НМФТ 0,13 2,24 0,40 2,39 1,38 0,45 0,10 0,03 —
38Х2МЮА 0,40 0,55 0,25 1,60 0,20 0,22 — - 1,10
Исходной заготовкой служил горячекатаный лист толщиной 6 мм стали 12Х2Г2НМФТ и пруток сечением 14×14 мм стали 38Х2МЮА. Для проведения экспериментов были изготовлены образцы размером 55×10×5 мм, которые шлифовали для получения необходимой шероховатости поверхности перед азотированием. Предварительная термическая обработка НМС 12Х2Г2НМФТ — закалка от 930 °C, охлаждение на воздухе для получения структуры пакетного мартенсита, стали 38Х2МЮА — закалка от 940 °C, охлаждение в масле и отпуск 640 °C, 2 ч (структура — сорбит). Азотирование проводили в печи в среде аммиака, разбавленного азотом (10−30% КН3) при температуре 560 °C в течение 40 ч, охлаждение с печью.
После азотирования сталь 12Х2Г2НМФТ подвергали нагреву до 600−750 °С с выдержкой 1 ч и охлаждением на воздухе.
После химико-термической и термической обработки проводили металлографические, дюрометрические исследования. Распределение микротвердости по толщине азотированного слоя определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1 Н (ГОСТ 9450−76). За эффективную толщину азотированного слоя кэфф принимали расстояние от поверхности до зоны с твердостью 450 НУ. Точность определения эффективной толщины слоя составляла 50 мкм.
Фазовый состав исследуемых сталей определяли рентгеноструктурным анализом (излучение меди).
Испытания на одноосное растяжение и расчет характеристик прочности и пластичности проводили в соответствии с ГОСТ 1497–84. Испытания осуществляли на разрывной машине Р-5 с использованием пятикратных цилиндрических образцов диаметром 5 мм и длиной 25 мм. Ударную вязкость определяли согласно ГОСТ 9454–78 на образцах с и-образным надрезом (типоразмер 3).
Износостойкость сталей определяли на машине МИ1 -М в условиях сухого трения. Износ оценивали согласно ГОСТ 27 860–88 по методу вырезанных лунок. Контртело изготавливали из стали 95Х18 с твердостью 58 НЯС. Испытания проводили при комнатной температуре, скорость скольжения -V = 1 м/с, путь трения Б = 300 м, осевые нагрузки Рос = 30−90 Н. Величину
износа вычисляли по формуле: I = 0,125(/2-/12)/г, где I — износ (увеличение ширины лунки), мм- I — ширина лунки после испытания- /1 — ширина лунки до испытаний- г = 20 мм — радиус контртела.
Результаты исследований и их обсуждение. Азотирование НМС обеспечивает получение более глубоких диффузионных слоев по сравнению со среднеуглеродистыми улучшаемыми сталями. Исходная структура НМС перед азотированием — пакетный мартенсит, что обеспечивает при насыщении получение однородных азотированных слоев без хрупкой нитридной сетки по границам бывших аустенитных зерен [4]. После азотирования прочность стали 12Х2Г2НМФТ понижается (а02 не более 1000 МПа), уменьшение ударной вязкости НМС менее значительное, чем стали 38Х2МЮА (табл. 2, рис. 1). Реечное строение мартенситной а-фазы сохраняется в процессе длительной выдержки при температурах азотирования и последующем нагреве в меж-фазную область (МКИ) [5].
Таблица 2
Свойства сердцевины и твердость азотированного слоя сталей 38Х2МЮА и 12Х2Г2НМФТ
Марка стали Режим обработки Свойства сердцевины* Твердость и эффективная толщина слоя
^0^ МПа кси, МДж/м2 ляс НЯА hэфф, мм
12Х2Г2НМФТ Азотирование при 560 °C, 40 ч 1190 960 87 о1 сТ 40 28 82 0,53
Азотирование при 560 °C, 40 ч + закалка от 750 °C, 1 ч, воздух 960** 1100 0,7** 0,9 28** 38 76 0,68
38Х2МЮА Азотирование при 560 °C, 40 ч 840 830 10 0,7 27 27 81 0,44
В числителе приведены свойства до азотирования, в знаменателе — после азотирования.
В числителе приведены свойства после азотирования, в знаменателе — после закалки из МКИ.
Увеличение толщины слоя и повышение механических свойств сердцевины возможно за счет термической обработки, которая включает закалку из аустенитной области и отпуск [6, 7]. Такая упрочняющая термообработка средне- и высокоуглеродистых сталей обладает рядом особенностей: высокая склонность к деформации и короблению, необходимость ускоренного охлаждения для формирования мартенситной структуры и исключения выделения
у'--фазы, обязательное применение защитных атмосфер для предотвращения деазотирования.
Рис. 1. Распределение микротвердости по толщине азотированного слоя (Ь — расстояние от поверхности): • - сталь 12Х2Г2НМФТ, азотирование при 560 °C, 40 ч- о — сталь 12Х2Г2НМФТ, азотирование при 560 °C, 40 ч + закалка от 750 °C, 1 ч, воздух- ¦ - сталь 38Х2МЮА, азотирование при 560 °C, 40 ч
Закалка из МКИ [5] эффективно упрочняет НМС. Высокие прочность, пластичность и ударная вязкость сердцевины обеспечивают наследование структуры пакетного мартенсита. При закалке с температуры выше Ас1 на 10−50 °С (?зак = 730−780 °С) формируется мелкодисперсная смесь низкоуглеродистого «свежего» мартенсита и мартенситной а-фазы, не претерпевшей фазовых превращений при нагреве в МКИ. Полученная структура обладает высокой плотностью дислокаций (по данным рентгеноструктурного анализа р = (2−4)х1011 см-2) и низким уровнем остаточных напряжений. Для получения градиентного слоя применяли закалку из МКИ, которая обеспечила высокие механические свойства поверхности и сердцевины (см. табл. 2). Среда охлаждения (воздух, масло, вода) не оказывала существенного влияния на характеристики механических свойств стали: ст0,2 = 1050−1100 МПа, КСи =
0,8−0,9 МДж/м2. Поскольку НМС закаливаются при охлаждении на воздухе,
то представляет практический интерес исследование фазового состава слоя в тех же условиях охлаждения (табл. 3).
Таблица 3
Фазовый состав и твердость азотированного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ после термообработки
Термическая обработка ^эфф) мм Фазовый состав Твердость, НУ, А % -^ост? /и
— 0,53 а+е+у'-+(Н+К)* 920 —
600 °C, 1 ч, воздух 0,53 а+е+у'-+(Н+К) 920 —
650 °C, 1 ч, воздух 0,57 а^+(Н+К)+у+а'- 780 15
700 °C, 1 ч, воздух 0,6 ам +(Н+К)+у+а'- 700 25
750 °C, 1 ч, воздух 0,68 ам +(Н+К)+у+а'- 650 50
Примечание. Азотирование при 560 °C, 40 ч. *(Н+К) — нитриды и карбонитриды.
После закалки азотированной стали 12Х2Г2НМФТ от 750 °C, 30 мин снижается наибольшая твердость поверхности — с 920 до 650 НУ (с 82 до 76 НЕЛ) и увеличивается эффективная толщина азотированного слоя — на
0,15 мм. Кроме того, заметна разница в характере распределения микротвердости: твердость мало изменяется при удалении от поверхности (до 0,4 мм), в подповерхностной зоне (0,4−0,6 мм) твердость увеличивается, а затем снижается. Это обусловлено изменением концентрации азота по сечению слоя [8].
Влияние нагрева в интервале 600−750 °С на структуру, фазовый состав и свойства азотированного слоя показано на рис. 2 и в табл. 3. Нагрев до 600 °C не приводит к изменению микротвердости, что свидетельствует о высокой теплостойкости азотированного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ.
Значительные изменения в слое происходят при нагреве до 650 °C и выше. С повышением температуры нагрева наблюдается тенденция к снижению наибольшей твердости слоя. Так, нагрев до 650 °C приводит к снижению твердости от 920 до 780 НУ, нагрев до 700 °C — от 920 до 700 НУ. Закалка из МКИ (750 °С) снижает твердость до 650 НУ (76 НЕЛ).
Разупрочнение азотированного слоя при аустенитизации может быть вызвано коагуляцией нитридов, рекристаллизацией азотистой аж-фазы, фазовой перекристаллизацией и др., что приведет к изменению фазового состава.
Т
ОС Ь, ММ
о
Рис. 2. Распределение микротвердости по толщине азотированного слоя стали 12Х2Г2НМФТ после термической обработки по различным режимам:
1 — азотирование при 560 °C, 40 ч- 2, 3, 4, 5 — азотирование при 560 °C, 40 ч + нагрев до 600, 650, 700 и 750 °C (с выдержкой 1 ч) соответственно
Нагрев до 600 °C не приводит к изменению структуры и фазового состава, что подтверждается рентгеноструктурными исследованиями (табл. 3). Нагрев до 650 °C и охлаждение на воздухе уже обеспечивает закалку азотированного слоя. Доказательством частичной перекристаллизации служит наличие остаточного аустенита. При охлаждении образовавшийся аустенит, очевидно, претерпевает бездиффузионное у^а^-превращение. Слой на стали 12Х2Г2НМФТ после закалки от 650 °C состоит из избыточной а-фазы, нитридов, не растворившихся при нагреве под закалку, «свежего» азотистого мартенсита и остаточного аустенита в количестве 15%. Повышение температуры до 700 и 750 °C обеспечивает растворение в аустените большего количества нитридов, что способствует обогащению аустенита азотом и легирующими элементами, а также увеличивает его устойчивость. При этом увеличивается количество остаточного аустенита (25 и 50% соответственно) и толщина диффузионного слоя. Принципиальная особенность азотированного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ — отсутствие выделений у'--фазы после закалки на воздухе со скоростью охлаждения 50−100 °С/мин (см. табл. 3). Последую-
щий отпуск при 400−450 °С, 1−2 ч, по данными рентгеновских исследований, также не приводил к выделению у'--фазы.
Обычно контроль качества азотированных деталей проводят по твердости. Однако однозначная связь между твердостью и износостойкостью азотированных сталей отсутствует [7].
Результаты испытаний на износостойкость в условиях скольжения без смазки представлены на рис 3. Закалка азотированной стали 12Х2Г2НМФТ из межкритического температурного интервала (для азотированного слоя — полная закалка), несмотря на снижение твердости, приводит к повышению износостойкости. Сопротивление изнашиванию закаленной азотированной стали 12Х2Г2НМФТ выше, чем используемой для сравнения стали 38Х2МЮА.
Рис. 3. Износ азотированных сталей 38Х2МЮА и 12Х2Г2НМФТ при сухом трении: А — сталь 38Х2МЮА, азотирование при 560 °С- 40 ч- 0 — сталь 12Х2Г2НМФТ, азотирование при 560 °С- 40 ч- о — сталь 12Х2Г2НМФТ, азотирование при 560 °С-
40 ч + закалка от 750 °C, 1 ч
Учитывая, что после закалки в азотированном слое содержится большое количество у-фазы, можно предположить, что основной причиной высокой износостойкости является деформационное фазовое превращение аусте-нита в мартенсит. Рентгеноструктурные исследования показали, что в процессе трения в результате деформационного у^а'--превращения количество остаточного аустенита на контактной поверхности уменьшается и настолько же возрастает доля а-фазы. Например, при нагрузке 65 Н образуется 10−15% мартенсита деформации (рис. 4).
а (110)
А
Рис. 4. Дифрактограммы поверхности азотированного слоя стали 12Х2Г2НМФТ ------------------------до трения- - - после трения
Таблица 4
Механические свойства сталей
Марка стали Режим термической обработки ав0,2 кси, МДж/м2 5? I, мм
МПа %
38Х2МЮА Азотирование при 560 °C, 40 ч 950 830 0,70 11 49 0,12
12Х2Г2НМФТ Закалка от 930 °C, 1 ч, воздух 1450 1190 0,80 13 51 —
Азотирование при 560 °C, 40 ч 1090 960 0,70 16 54 0,041
Азотирование при 560 °C, 40 ч + закалка от 750 °C, 1 ч, воздух 1380 1100 0,90 16 54 0,023
Примечание: величина износа I приведена при нагрузке 90 Н.
Таким образом, азотирование и последующая закалка из МКИ низкоуглеродистой мартенситной стали 12Х2Г2НМФТ позволяют получить высокие прочность, пластичность и ударную вязкость сердцевины, а также износостойкость поверхностного слоя (табл. 4), превышающую износостойкость азотированной стали 38Х2МЮА при трении без смазки.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Низкоуглеродистая мартенситная сталь 12Х2Г2НМФТ с азотированным слоем и структурой пакетного мартенсита в сердцевине после закалки из межкритического интервала температур имеет следующие свойства: ст0,2 = 1100 МПа, КСи = 0,9 МДж/м2, у = 54%, 8 = 16%.
2. При нагреве азотированной стали 12Х2Г2НМФТ под закалку на поверхности формируется азотистый аустенит, обладающий высокой устойчивостью в области диффузионных превращений и позволяющий проводить закалку с охлаждением на воздухе. В процессе охлаждения на воздухе у'--фаза не выделяется, фазовый состав поверхности — азотистые у- и мартенситная аж-фазы, нитриды и карбонитриды легирующих элементов. Закалка из МКИ после азотирования позволяет увеличить глубину азотированного слоя стали 12Х2Г2НМФТ с 0,53 до 0,68 мм в результате выравнивающей диффузии азота.
3. Высокая износостойкость диффузионного слоя на стали 12Х2Г2НМФТ обусловлена деформационным переходом азотистого аустенита в мартенсит деформации на поверхности трения.
Список литературы
1. Клейнер Л. М., Коган Л. И., Энтин Р. И. Свойства низкоуглеродистого легированного мартенсита // ФММ. — 1972. — Т. 33. — № 4. — С. 824−830.
2. Повышение теплостойкости азотируемых низкоуглеродистых мар-тенситных сталей / О. В. Силина [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1998. — № 1. — С. 17−20.
3. Югай С. С. Влияние термической обработки после азотирования на свойства стали 12Х2Г2НМФТ // Тез. докл. I Уральской школы — семинара металловедов — молодых ученых. — Екатеринбург, 1999. — С. 56−57.
4. Азотирование деталей, работающих на износ при высоких контактных нагрузках / Л. М. Клейнер [и др.] // Вестник машиностроения. — 1999. -№ 5. — С. 32−34.
5. Формирование структуры и свойств низкоуглеродистой мартенсит-ной стали 12Х2Г2НМФТ при закалке / С. С. Югай [и др.] // ФММ. — 2004. -Т. 97. — № 1. — С. 107−112.
6. Лахтин Ю. М., Коган Я. Д. Азотирование стали. — М.: Машиностроение, 1976. — 256 с.
7. Герасимов С. А. Прогрессивные методы азотирования. — М.: Машиностроение, 1985. — 32 с.
8. Лахтин Ю. М. Высокотемпературное азотирование // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1991. — № 2. — С. 25−29.
Получено 1. 03. 2010

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой